辐射与物质的相互作用
电磁辐射的特性,与物质的相互作用有哪些？
电磁辐射的特性，与物质的相互作用有哪些？
答：特征：波动性，微粒性。
作用：①吸收：物质分子吸收光子能量
②发射：物质分子收到辐射能，光能，电能热能等跃迁到激发态，再有激发态返回基态并以辐射能释放能量。
③散射：物质分子与光子发生弹性碰撞，方向改变，能量不变；
④拉曼散射：物质分子与光子发生非弹性碰撞，方向改变，能量交换；
⑤折射，反射：光辐射从一种介质1进入另一种介质2，一部分以一定角度回到介1，成为反射；另一部分以一定的角度折射进去介质2 。
放射性地球物理第二章 射线和物质相互作用
第一节 带电粒子与物质相互作用
三、β射线与物质的相互作用 3、 韧致辐射
高速运动的β粒子或其它带电粒子通过物质时，在核库 仑场作用下，改变运动速度，伴随放出电磁辐射。
原子核 轫致辐射放出的电磁辐射是连续能量的X射线。 使用辐射损耗率描述在单位距离上轫致辐射的能量损耗。
辐射损耗率定义为：
d d X E 辐 ＝ 射 N 1E m 3 Z 0 2 C 1 7 Z 2 e4 4ln m 2 0C E 23 4
电子打在荧光屏上 产生X射线
电视机显像管
特征: x 射线能量连续 0 – EMax(电子能量) 电视机 高压15 kV 电子束能量15 keV x 射线能量 0 -15 keV
产生机制
第一节 带电粒子与物质相互作用
三、β射线与物质的相互作用
4、 线阻止本领 S
在核反应可以忽略的（不是太高）能量范围，带电粒子 主要的能量损失方式是碰撞电离损失核轫致辐射损失。
d dX E 电＝ 离2m e04vZ 2Nln (1 2 Im 2(0 1v 2 )2E 8 1 2)(1 ln1 2 (1 2)2212)
m0，e－电子的静止质量与电荷； z，v－α粒子的电荷数与速度； β＝ v /c，c－光速；
Z－介质的原子序数； N－介质单位体积（1cm3）内的原子数目； I－吸收介质原子的平均电离电位； E－入射电子动能；
d d X E 电＝ 离 4 e m 4 0 Z v2 z2N ln I(2 1 m 0 v2 2)2 Wn
m0，e－电子的静止质量与电荷； z，v－α粒子的电荷数与速度； β＝ v /c，c－光速；
Z－介质的原子序数； N－介质单位体积（1cm3）内的原子数目； I－吸收介质原子的平均电离电位； W－平均电离能； n－电离比度；
电磁辐射电磁波和物质的相互作用
电磁辐射电磁波和物质的相互作用电磁波是由电场和磁场通过空间传播而形成的一种能量传递现象。
电磁辐射是指电磁波在空间中传播的过程。
电磁辐射在生活中无处不在，如无线通信、电视、手机、微波炉等都离不开电磁辐射。
但是，电磁辐射对人体和物质会产生一定的影响。
本文将探讨电磁辐射电磁波和物质相互作用的相关内容。
一、电磁波的特性及分类电磁波是由电磁场的震动所引起的能量传播现象。
根据频率的不同，电磁波可分为多个不同的类型，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等。
这些电磁波具有不同的特性，其对物质的相互作用也有所不同。
二、电磁辐射对物质的影响1. 热效应：高频电磁辐射会引起物质的加热效应。
例如，微波炉利用微波辐射来加热食物。
这是因为微波辐射的频率和水分子的振动频率相近，导致水分子受到激发而产生热量。
同样，太阳辐射也会引起物质的加热效应，影响气候和生态环境。
2. 光电效应：某些物质对可见光及紫外线辐射有光电效应的作用。
例如，光电效应是指当金属表面受到紫外线辐射时，电子从金属表面被激发出来形成光电流。
这一效应在光电池和照相机等设备中有广泛的应用。
3. 化学效应：一些物质对电磁辐射具有敏感性，可以引发化学反应。
例如，紫外线能够使皮肤产生黑色素，导致晒黑。
此外，紫外线还能够杀灭细菌，被广泛应用于消毒和杀菌处理。
三、电磁辐射对人体的影响电磁辐射对人体有一定的影响，特别是长期暴露在高强度电磁辐射下会对健康产生潜在风险。
常见的电磁辐射包括电视、手机、微波炉、电磁炉等。
它们所产生的电磁波会与人体的细胞和组织相互作用，可能引起一些健康问题。
高强度电磁辐射可能对生物的遗传物质DNA产生损伤，导致遗传变异和基因突变。
此外，长期接触电磁辐射还可能引起细胞增殖异常，导致肿瘤的发生。
然而，目前对于电磁辐射对人体健康的潜在影响仍存在争议，科学界也在不断进行研究以进一步了解电磁辐射对人体的影响机制。
四、减少电磁辐射的方法为了减少电磁辐射对人体产生的潜在影响，我们可以采取一些措施来降低电磁辐射的暴露程度。
辐射和物质的相互作用原理
辐射和物质的相互作用原理辐射是指从原子、分子或其他核心体中发射出去的能量。
辐射能量以电磁波的形式传播，包括可见光、紫外线、X射线、伽马射线等。
辐射和物质之间的相互作用是一种很常见的现象，而原子核射线治疗和核能技术、X射线检查等便是基于这种相互作用现象实现的。
辐射和物质的相互作用有很多种形式，其中较为常见的包括光电效应、康普顿效应、光子对撞、电离和激发等。
1. 光电效应光电效应指的是，当一束光照射到某种物质上时，会将其中的电子从原子中扯出来。
只有当光子能量大于某个临界值时，电子才能被释放。
这一现象在真空中气象、电场强度影响电子扰动等情况下都表现得非常明显。
光电效应在太阳能电池、粒子探测器和光电倍增管中都使用到了。
光电倍增管使用的是通过电子扰动向试管中注入能量的方式来产生光电子。
2. 康普顿效应康普顿效应是指辐射与介质（通常指物质）相互作用后，质子或者其他介质粒子可以被辐射能量带走的现象。
当X射线或伽马射线碰撞到物质中的原子核或者电子时，它会失去一部分能量并发生散射。
同时，活动的电子由于吸收了辐射，也有机会离开原子成为自由电子。
康普顿效应在医学上应用非常广泛，例如在肿瘤诊断、辐射治疗和X射线显示等方面都有应用。
3. 光子对撞光子对撞是因辐射和物质相互作用而产生的现象之一，包括光子与电子、光子与原子核、光子与氢原子等的相互作用。
当两个光子碰撞时，它们之间的能量会转移到电子或其他介质的离子中。
光子对撞主要应用于高能粒子的研究中，如对撞型区域全息成像、太阳近端日冕跃迁和黑洞成像等等。
4. 电离和激发当一种物质暴露在辐射中时，可能会电离或激发。
电离与激发是指辐射撞击物质后，物质中的原子分子发生了发射和受到注入能量而离子化的现象。
发生电离和激发的结果会对物质产生不同的作用，如电离现象越强，就会产生较多的自由电子和离子，从而影响物质性质，如聚变反应。
总之，辐射和物质的相互作用的原理是复杂多样的，其中包括光电效应、康普顿效应、光子对撞、电离和激发等。
辐射与物质的相互作用
辐射在自然界中无处不在，例如 太阳光、地球的天然放射性物质
等。
辐射的分类
电离辐射
具有足够的能量使原子或分子的电子 被剥离，形成带电的离子或激发态的 原子或分子。
非电离辐射
能量较低，不足以引起电离，如无线 电波、微波和可见光等。
辐射的性质
01
02
03
穿透性
某些类型的辐射能够穿过 物质，如X射线或伽马射 线。
分子与辐射的相互作用
要点一
分子吸收辐射
分子可以吸收特定波长的辐射能量，导致分子振动或转动 能级发生变化。
要点二
分子荧光和磷光
当分子吸收能量后，可能会以荧光或磷光的形式释放能量 。
固体与辐射的相互作用
热传导
固体吸收辐射能量后，通过晶格振动将能量 传递给相邻原子或分子。
光催化
某些固体材料在光的作用下可以催化化学反 应的进行，如光解水或光合作用等。
电子对生成
总结词
电子对生成是指高能光子与物质相互作用时，光子的能量被物质吸收，导致物 质中的电子和正电子对产生的现象。
详细描述
当高能光子与物质相互作用时，光子的能量可以被物质吸收。在电子对生成中， 光子的能量足够高时，会导致物质中的电子和正电子对产生。这一过程可以用 来解释高能光子在物质中的吸收和转化等现象。
包括防辐射服、手套、鞋等，用于减少辐射对 人体的伤害。
监测仪器
使用辐射监测仪器，定期检测工作环境和个人 的辐射剂量，以便及时采取防护措施。
培训和教育
加强辐射防护的培训和教育，提高公众对辐射危害的认识和自我保护意识。
THANKS
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要意义。
放射性示踪技术
总结词
利用放射性示踪技术可以追踪物质的运动和分布，广泛 应用于环境监测、化学反应研究等领域。
电磁辐射及其对物质的相互作用
电磁辐射及其对物质的相互作用电磁辐射，作为一种广泛存在于自然界中的物理现象，对物质的相互作用具有重要意义。
它的研究领域广泛，涉及到物理学、生物学、医学等多个学科。
本文将从不同角度探讨电磁辐射对物质的相互作用，包括其对生物组织、环境和物质结构的影响。
首先，电磁辐射对生物组织的影响是人们十分关注的一个方面。
近年来，随着无线通信技术的快速发展，人们在日常生活中接触到的电磁辐射不断增加。
因此，对电磁辐射产生的潜在危害进行研究成为一项重要任务。
研究表明，长期接触大功率电磁波辐射可能对人体健康产生一定的影响，如导致电离辐射所致的细胞DNA损伤、免疫功能下降等。
此外，电磁辐射还可能对生物体的生理活动产生干扰，例如改变人体内生物电流的传导。
因此，充分了解电磁辐射对生物组织的影响，对于保护人体健康具有重要意义。
其次，电磁辐射也对环境产生一定的影响。
空间中的电磁辐射来自于太阳和星际射电信号等多个源头。
这些电磁辐射不仅对地球的大气、水环境产生一定的影响，还会对动植物的生长和繁殖产生一定的影响。
例如，太阳辐射中的紫外线能够杀死水中的微生物，起到一定的消毒作用。
同时，电磁辐射还能够影响动物的迁徙、繁殖行为以及作物的生长发育。
因此，电磁辐射对环境的影响需要引起我们的重视和研究。
此外，电磁辐射还对物质的结构和性质产生一定的影响。
在材料科学领域，电磁辐射被广泛应用于材料合成和改性。
例如，电磁辐射可以通过改变材料中的结构和化学键来调控其性质。
在医学领域，电磁辐射在诊断和治疗方面也有重要应用。
例如，X射线被广泛应用于医学影像学，而电磁波的热效应则被用于肿瘤的治疗。
这些应用既体现了电磁辐射与物质相互作用的机制，也促进了材料科学和医学的发展。
总之，电磁辐射作为一种自然现象，对物质的相互作用具有重要意义。
它对生物组织、环境和物质结构产生着广泛而复杂的影响。
为了更好地探究电磁辐射与物质之间的相互作用，在今后的研究中，我们需要更深入地了解电磁辐射的性质和机制，同时也需要加强对电磁辐射对人体健康和环境的影响进行系统研究。
第四章 X射线与物质的相互作用
00:37
15
00:37
16
（续）
h=Ee+Bi 式中， Ee：光电子动能
Bi：电子在壳层中束缚能
电子在原子中束缚越紧，原子核参与此过程的几率 越大，即光电效应的几率越大，因此在K壳层击 出光电子的几率最大，约占80%
00:37
17
2、特征X射线和俄歇电子
发生光电效应时从内壳打出电子，该壳留下空穴使原 子处于激发态。 有两种退激过程： ➢ 特征X射线：
的一部分能量转移给电子使它反冲出来，而散射光子 的能量和运动方向发生变化
✓ 电子对效应：光子与靶原子核的库仑场作用光子转
化为正负电子对。
00:37
4
✓ 相干散射：
X(γ)光子具有波粒二象性，即粒子也是电磁波。当入射电磁 波从原子附近经过时，引起轨道电子共振，振荡电子将发 射波长相同但方向不同的电磁波，不同轨道电子发射的电 磁波具有相干性，故此过程称为相干散射。
h ：入射光子能量
：线性衰减系数
00:37
11
4、质能转移系数tr/
质量能量转移系数tr/定义为
dEtr
tr EN dl
除dEE以Ntr 的商d：l
dEtr
是EXN()光子穿过“质量厚度”为
dl 的物质层时，因
相互作用而转给带电粒子动能的份额。
式中， ：物质密度
E：入射光子能量
N：入射X()光子数
✓ 穿过物质时其强度遵循指数衰减规律: I=I0e-t； 而带电粒子有确定射程，在射程之外就观察不到 带电粒子了。
00:37
3
二、相互作用方式(能量小于30MeV)
✓ 光电效应：X射线全部能量转移给原子中的束缚电子，
第2章辐射与物质的相互作用
R 412 2.271.2650.0954ln 2.27 1.1(g / cm2 )
T=1.1/1.18=0.932（cm） T=1.1/2.7=0.41（cm）
37
四、比电离
比电离： 单位径迹长度上产生的离子对数，又称电离密度。
离子对/厘米
4
5
电离、激发、 弹性碰撞
++ +
韧致辐射、 弹性碰撞
6
电离和激发（与核外电子的非弹性碰撞）
主
韧致辐射（与原子核的非弹性碰撞）
要
过
弹性散射（与核外电子和原子核都可能）
程 核反应
湮没辐射与契伦科夫辐射
7
描述的量：
总线阻止本领＝碰撞阻止本领＋辐射阻止本领
dE dE dE dl dl col dl rad
＝180o，散射光子能量约为0.25MeV
52
反冲电子： 能量关系： 角度关系：
53
康普顿效应的截面：
Klein－Nishina公式： （每个电子）
d d
Zr02
1
(
1 1
cos
)
2
1
2
cos
2
1
(
1
2
2
cos
(1 cos )[1 (1
)2 cos
)]
单位：cm2/电子
n－透明介质的折射率
31
三、带电粒子在物质中的射程
1.重带电粒子
平均射程：
E0 1
R 0
dE dE
dl
32
粒子射程： 在空气（0℃，760mmHg）中，
R=0.56E
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1 hf
(2). 散射光子的波长
Crystal grating
X-Ray o
spectra
波长
o : 入射波长
（> o）康普顿
o20.002si42n 2 1n
散射波长
m
h m ec
2020/3/30
Y
hf 考虑：
m
mo
hfo
X
1
v2 c2
electron v
fo
c o
f c
2020/3/30
Ⅲ. 电子对效应
h f1 .0M 2 E e v E
2020/3/30
效应发 生几率
mnZ2lnhf
2、X线与物质作用的其他过程
A. 相干散射
射线与物质相互作用而产生干涉(衍射)的散 射过程叫相干散射。比如X线对年晶体衍射产 生的劳厄斑就是相干散射现象.
相干散射是唯一不产生电离的过程。
e+
1 .0M 2E e vE
Ⅰ.光电效应(光子与原子内层电子作用）
(1).光电效应特征
放出光电子的原子变成正离子并处 于激发态；外层电子向内层填充产生 特征X线;特征线离开原子前又击出外 层(俄歇)电子.
光电效应的次级粒子
光电子、正离子、特征X光子、俄
2020/3/30
歇电子
Ⅰ.光电效应(光子与原子内层电子作用）
B、连续X线在物质中的衰减规律
(1) 连续X线在物质中的衰减规律 II1I2 In
I I 0 e 1 1 x I 0 e 2 2 x I 0 n e n x
光
子 数
单能X线
2020/3/30
连续X线
水模厚度
第三章 辐射与物质的相互作用
§ 1、辐射与物质的作用类型及能量损失 § 2、电离辐射的生物学作用 § 3、生物靶的调节作用 § 4、影响电离辐射作用的主要因素
2020/3/30
§1. 辐射与物质的作 用类型及能量损失
A.辐射与物质作用的种类 一. X（γ）射线与物质的作用 二. β 射线与物质的作用 三. α 射线与物质的作用 四. 中子与物质的作用 五. 带电重粒子与物质的作用
4. X (γ)射线在物质中的衰减
A、单能X线在物质中的衰减规律
(2)、宽束X线在物质中的衰减规律
积累因子: 某物质元 中X光子计数率与未 碰撞物质的X光子计 数率之比 B。
BNNnNs 1Ns
Nn Nn
Nn
Ns:物质元散射X光子计数率
B是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量
宽束X线的衰减规律 IB0Iex
ห้องสมุดไป่ตู้
(2). 光电效应的发生几率
a. 原子序数的影响
光电效应几率Z4
m
c1 Z43
A
内层比外层发生几率大4~5倍
b. 入光射电光效子应能几量率的影响hf1 3
但必须大于结合能
c. 原子边界限吸收的影响
防护材料选取的依据
光 L限
电
K限
质
量
衰
减
系
数
吸收限 吸收限
光子能量
Ⅰ.光电效应(光子与原子内层电子作用）
hofm oc2h fm2 c
h hcosmvcos o 0hsinmvsin
o
2h s moc
in2
2
h 0.0024(2n6m)
moc
Compton wavelength
(3).散射光子和反冲电子的角分布
散射光 子能量
反冲电 子动能
散射角 与反冲 角关系
2020/3/30
hf'
1
hf
2hf m0c2
2020/3/30
.X (γ)
一
射 线 与 物 质 的 相 互 作 用
2020/3/30
1、 X 线与物质相互作用的过程
Ⅰ. 光电效应
hf e
hf1mv2 W
+
2
Ⅱ. 康普顿效应
hfh'fEe
+
e
Ⅲ. 电子对效应
hf
hf ’
Ze
e-
h ( f m e c 2 E ) (m e c 2 E )hf +
B.光核作用
光子与原子核作用发生核反应的过程。比如 释放中子、质子、β粒子和γ光子等。光核作 用在X线诊断过程中不能发生，在放疗中发生 率也很低。 2020/3/30
3、各种作用发生的相对几率
A.X线引发效应总结
普通散射
2020/3/30
光核作用
3、各种作用发生的相对几率
B.Z和hf与三种作用的关系
s
in2
2
hf
(hf
')min
hf
1
2hf m0c2
Ee
1
m0c2
2hf s in2
/
2
ctg(1mhocf2)tg2
(Ee )max
hf 1 m0c2
2hf
(3).散射光子和反冲电子的角分布
注: 康普顿效应的散射线，是X线检查中最大 的散射线来源,且充满整个检查室空间。必须引 起工作人员和防护人员的重视,并采取防护措施.
(3). 光电子的角分布
光电子的角 分布与入射X 光子能量有关
能量低 — 大角度分散
能量高 — 小角度集中
（电离方向）
2020/3/30
Ⅰ.光电效应(光子与原子内层电子作用）
(4). 放射诊断学中的光电效应
a. 优点 提高成像质量 因光电转换减少散射线，故减少照片灰雾 利用造影剂可增加对比度 放疗时增加对肿瘤组织的剂量
b. 缺点 入射X线通过光电效应几乎全部被人 体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有 负面作用。
2020/3/30
Ⅱ.康普顿效应(与原子外层电子作用）
(1). 康普顿效应的发生几率
a. 原子序数的影响 b.
m
c2 A
Z
康普顿效应几率 Z/A
除氢元素外，大多数材料具有相同的Z/A
b. 入射光子能量的影响 康普顿效应几率
2020/3/30
4. X (γ)射线在物质中的衰减
A、单能X线在物质中的衰减规律
(1)、窄束X线在物质中的衰减规律
2020/3/30
4. X (γ)射线在物质中的衰减
lnI
I I0ex ln Iln I0x lnI0
光子数表示则满足 NN0ex
x
光子数
减少但频 率不变！
（μ=0.2 cm-1)
2B020可/3/30 以通过台劳级数展开近似计算求得 B1x
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律
(1)、连续X线在物质中的衰减规律 II1I2 In
I I 0 e 1 1 x I 0 e 2 2 x I 0 n e n x
2020/3/30
4. X (γ)射线在物质中的衰减
2020/3/30
2020/3/30
4. X (γ)射线在物质中的衰减
射线在物质中的衰减 随距离衰减
物质所致衰减 I 1cA22 (W/m2)
2
I1
PW
4
r2 1
I2
PW
4
r2 2
I1
r
2 2
I 2 r12
当X线通过物质时，由于光电效应、康普 顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度 衰减。即物质所致的衰减。