辐射与物质相互作用

影响因素(LET)
z N AZ dE 2 v dx i
• 这里z和v分别表示带电粒子的电荷与速度， NAZ表示物质的电子（数）密度 • 注：LET与带电粒子的质量无关
2
物理意义(LET)
• 电荷数多的低速带电粒子在高电子密度的 物质中，单位长度上电离损失多
α与β (LET)
• 带电粒子与物质的相互作用 • γ射线与物质的相互作用
引言
• 研究的意义
• 作用的方式 • 射线的本质
研究的意义
• 射线与物质的相互作用是核辐射探测、肿 瘤放射治疗以及放射防护的基础
作用的方式
• 射线的分类：带电粒子和光子
• 物质的组成：原子核+核外电子
• 带电粒子与物质相互作用的主要方式：弹性碰撞 与非弹性碰撞 • 光子与物质相互作用的主要方式：通过光电效应、 康普顿效应和电子对效应产生次级电子，然后次 级电子再与物质原子发生弹性和非弹性碰撞（即 最终归结为带电粒子与物质的相互作用）
影响因素（辐射损失率）
EZ Z 1 dE 2 m dx r
• 这里E和m分别表示带电粒子的能量和质量， Z表示物质的原子序数
物理意义（辐射损失率）
• 高能轻带电粒子在高原子序数的物质中， 单位长度上辐射损失多
α与β （辐射损失率）
dE dE dx r dx r
• 2：要有原子核的参与 故光电效应以K层电子为主，L层次之
发生几率(PE)
ph
2 Z h 5 Z h
5
7
h m c h m c
2 0 2 0
物理意义：低能光子与高原子序数的物质 相互作用时，发生光电效应的几率较大
几率与能量(PE)
继发过程(PE)
• 特征X射线或俄歇电子
讨论和提问
（1~3分钟）
康普顿效应(Compton effect, CE)
• • • • • 图示 定义 方程 发生条件 发生几率
图示(CE)
定义(CE)
• 光子与物质原子的外层电子发生散射时波 长增加的现象 • 在此过程中，电子获得一部分能量，脱离 原子而成为反冲电子（康普顿效应产生的 次级电子）
第六章 辐射与物质相互作用
Interaction of radiation with matter
目的
• 掌握带电粒子与物质相互作用的方式，熟 悉影响因素，了解相关概念 • 掌握γ射线与物质相互作用的方式，熟悉影 响因素，了解相关概念 • 掌握γ射线的吸收规律，熟悉影响因素，了 解相关概念
内容
• 引言
定义(PE)
• γ光子与物质相互作用时，本身被吸收，而 物质原子的某一束缚电子被发射出去的过 程
• 光电效应的本质：光电转换→太阳能的利 用 • 出射的电子称为光电子（光电效应的次级 电子）
方程(PE)
Ek h i , i K , L,
发生条件(PE)
• 1：
h i
• φ<90o • θ↑,φ↓ • hν↑, φ↓
发生条件(CE)
• 外层电子或自由电子（光子能量高时，束 缚电子可视为自由电子）
发生几率(CE)
Z c h
h m c
2 0
• 物理意义：光子能量不太高时，发生康普 顿效应的几率较大 • 注：原子序数增加时，发生康普顿效应的 绝对几率增大，但相对几率减小
• 因此，α粒子的辐射损失可以忽略不计 • 对高能β的防护采用复合屏蔽方法：内层用 轻物质（其厚度相当于射程），外层用铅
讨论和提问
（1~3分钟）
带电粒子在物质中的路径
• α：近乎直线
• β：弯弯曲曲
几个概念
• • • • • • • • 退激（发） 初级（直接）电离 δ电子（射线） 次级电离 阻止本领 平均电离能 比电离 射程
退激（发）
• 原子从激发态跃迁回基态的过程
• 注：原子退激时，将多余的能量以可见光 或紫外的形式释放出来，这就是受激原子 的发光现象
初级（直接）电离
• 带电粒子与原子直接相互作用而产生的电 离
δ电子（射线）
• 直接电离过程中产生的自由电子称为次级 电子；其中能量较高的，可以进一步产生 电离的电子称为δ电子
• The average distance traveled by a charged particle in the incident direction (Chandra)
射程与路径的关系
• 射程是路径在入射方向的投影
• 重带电粒子(α)：射程近似等于路径长度 • 轻带电粒子(β)：射程远小于路径长度
射线的本质
• 能量的纽带
带电粒子与物质的相互作用
• 电离和激发（电离损失）
• 轫致辐射（辐射损失） • 带电粒子在物质中的路径 • 几个概念
电离和激发（电离损失）
• 定义
• 电离损失率或传能线密度(LET)
定义
• 电离(ionization) 物质原子的壳层电子获得能量，脱离原子 核的束缚而成为自由电子的过程

E E h 1.02
发生条件(PP)
• 1：
h 1.02 MeV
• 2：要有核或电子的参与（方能满足能动量 守恒）
发生几率(PP)
Z (h ) p 2 Z lnh
2
h 2m c h 2m c
2 0 2 0
• 物理意义：高能光子与高原子序数的物质 相互作用时，发生电子对效应的几率较大
dE dE dx i dx i
因此，α的电离本领强，而β的穿透能力大
讨论和提问
（1~3分钟）
轫致辐射（辐射损失）
• 定义
• 影响因素 • 物理意义
• α与β
轫致辐射(bremsstrahlung)
• 辐射损失率：电子通过物质时因产生轫致 辐射而引起的单位路径上的能量损失
作用概率(probability)
• 描述的物理量：原子截面(cross-section)
• 总截面与分截面的关系
t ph c p
光电效应(photoelectric effect, PE)
• • • • • • 图示 定义 方程 发生条件 发生几率 继发过程
图示(PE)
• The paths created by high-energy secondary electrons are known as δ-rays
次级电离(secondary ionization)
• 由δ电子与物质原子相互作用产生的电离
• 初始总电离：初级电离与次级电离之和 • 注：当带电粒子的能量在10keV-10MeV范 围内时，电离事件胜过激发事件，故有时 称之为电离辐射(ionizing radiation)，尽管 此时的激发事件不可忽略
射程与能量(β)
β粒子的射程
• 由最大能量的β粒子决定，即，具有连续能 量分布的β粒子与具有最大能量的单能电子 束的射程相当
射程的量级(α)
射程的量级(β)
射程的用途
• 辐射防护(radiation protection)
• 辐射探测器设计(design of radiation detector)
比电离(specific ionization, SI)
• 定义
• 与LET的关系 • 布拉格曲线
SI:定义
• 每单位路径上产生的离子对数
• The number of ion pairs formed per unit path length (Lapp)
SI:与LET的关系
LET=SI×W
讨论和提问
（1~3分钟）
电子对效应(pair production, PP)
• • • • • 图示 定义 方程 发生条件 发生几率
图示(PP)
定义(PP)
• 光子通过核或电子附近的强电场时，转化 成一对正、负电子的过程 • 评注：电子对效应是正电子湮没的逆过程
方程(PP)
e e

射程(range)
• • • • • • • 射程的定义 射程与路径的关系 射程岐离与平均射程 影响射程的因素（能量） β粒子的射程 射程的量级 射程的用途
射程的定义
• 带电粒子从进入物质到完全被吸收沿（原）入射 方向穿过的（最大直线）距离 • The range of a charged particle in an absorber is the straight-line distance traversed by the particle in the direction of the particle (Saha)
• The amount of energy deposited per unit length of the path by the radiation (Saha) • The ratio of the amount of energy transferred by a charged particle to the target atoms in the immediate vicinity of its path in traversing a small distance to the distance (Chandra)
射程岐离与平均射程
• 能量相同的某种粒子在给定物质中产生的 射程上的涨落现象，称为射程岐离(range straggling)
• 射束强度减半所对应的吸收物质的厚度， 称为平均射程(mean range)
影响射程的因素（能量）
• 带电粒子的能量、质量（速度）与电荷
• 吸收物质的密度
射程与能量(α)