第三章-射线与物质的相互作用
辐射与物质的相互作用
4. X (γ)射线在物质中旳衰减
b、附加滤过 涉及附加滤过 板、遮光器旳 滤过等。
根据衰减厚度 能量分布不同, 依详细情况选 择管电压和材 料形状厚度
4. X (γ)射线在物质中旳衰减
B、连续X线在物质中旳衰减规律
滤过板厚度及对照射剂量旳影响
铝板厚度(mmAl)
0 0.5 1.0 3.0
皮肤照射量(C/kg)
光子数表达则满足 N N0ex
x
光子数
降低但频 率不变！
（μ=0.2 cm-1)
4. X (γ)射线在物质中旳衰减
A、单能X线在物质中旳衰减规律
(2)、宽束X线在物质中旳衰减规律
积累因子: 某物质元 中X光子计数率与未 碰撞物质旳X光子计 数率之比 B。
B N Nn Ns 1 Ns
Nn
Nn
第三章 辐射与物质旳相互作用
§1、辐射与物质旳作用类型及能量损失 §2、电离辐射旳生物学作用 §3、生物靶旳调整作用 §4、影响电离辐射作用旳主要原因
§1. 辐射与物质旳作 用类型及能量损失
A.辐射与物质作用旳种类 一. X（γ）射线与物质旳作用 二. β 射线与物质旳作用 三. α 射线与物质旳作用 四. 中子与物质旳作用 五. 带电重粒子与物质旳作用
二、其他射线与物质旳作用
2. α 射线与物质旳作用
但发射α粒子旳放射性核素进入体内时，因 为其物理特征，其电离密度较大，造成旳 损伤则更为严重。另外，放射性治疗中用 快中子或负π介子照射组织时，在组织中将 产生α粒子，对杀伤癌细胞将起主要作用。
二、其他射线与物质旳作用
3. 中子与物质旳作用
中子不带电,经过组织时不干扰带电物质, 只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用. 但慢中子或热中子 (能量在0.5eV下列) 进入 原子核易被俘获,而快中子(能量不小于 20keV)与原子核主要发生弹性碰撞. 在中子 与质子(氢核) 旳一次碰撞中, 中子旳部分能 量传给质子,产生反冲质子,这种带正电重粒 子在组织中速度不久下降, 引起高密度电离
射线与物质的相互作用全解
图中，b部分代表非相对论状况，c部分代表相对论状况 。a部分是入射粒子能量很低时的情况。
16
17
第三节 快电子与物质的相互作用
快速电子：e ， 。
特点： 1、运动速度大； 2、电离损失，辐射损失； 3、碰撞中能量转移大，方向改变大(散射严重)。 一．能量损失率 二．吸收与射程 三．正电子与物质的相互作用
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三．带电粒子在物质中的慢化
(2) 辐射损失－带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程。
入射带电粒子速度和方向发生变化，同时发射韧致辐射。
辐射损失是轻带电粒子损失动能的一种重要方式。
(3) 带电粒子与靶原子核的弹性碰撞
入射粒子不辐射光子，不激发原子核，方向偏转； 入射粒子损失一部分动能，靶核得到反冲。
叫做核碰撞损失，核阻止； 主要对低能重离子入射。
根据量子理论，并考虑了相对论修正。推 导出来的重带电粒子电离能量损失率的精确表 达式称为Bathe-Block公式：
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一、电离损失率
Bathe-Block公式：
4z 2e 4 dE NB 2 m0v dx ion
2m0v 2 C 2 2 B Z ln ln(1 ) I Z
式中：z 为入射带电粒子电荷数； Z 为靶物质原子的原子序数； N 为靶物质单位体积中的原子数； v 为入射带电粒子速度； I 为靶物质平均等效电离电位； m0 为电子静止质量； β=v/c 为重粒子速度与真空中光速之比。
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一、电离损失率
Bathe公式的几点讨论： 1、S与入射粒子质量无关，只与电荷z及速度v有关。
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一、电离损失率
3、S与靶物质的电子密度NZ成正比， S NZ Z
X射线与物质的相互作用
X射线与物质的相互作用X射线与物质的相互作用，是指X射线和物质之间的相互作用过程。
X射线是一种电磁波辐射，具有较高的能量和波长较短的特点，因此与物质的相互作用过程具有一定的独特性。
在医学诊断、工业探伤和材料分析等领域中，人们广泛应用X射线技术来与物质进行相互作用研究，以获取物质的内部结构和特性信息。
那么，X射线与物质的相互作用主要有哪些方式呢？首先，最主要的相互作用方式是X射线的吸收和散射。
当X射线穿过物质时，会发生与物质中原子核和电子的相互作用。
原子核对X射线的散射影响很小，主要的相互作用是X射线与物质中电子的相互作用。
当X射线被物质中的电子吸收或散射时，能量和方向都会发生改变。
其中，光电效应、康普顿散射和正负电子对产生是主要的相互作用过程。
光电效应是指X射线与物质中电子发生相互作用，在物质中的电子吸收X射线能量并获得足够能量后从原子或分子中脱离，形成光电子。
这种相互作用方式对原子序数较小的低原子序数元素来说影响较大，对高原子序数元素来说影响较小。
光电效应主要用于发生在原子内层电子上，因此，对于较低原子序数的元素，主要是由K壳层的电子参与反应。
从而可以根据X射线被吸收的能量计算得到物质的组成和表面的化学特性。
康普顿散射是指X射线与物质中自由或弱束缚电子发生相互作用，X射线散射角度和能量都发生变化。
这种相互作用方式不依赖于物质的原子序数和成分，而是依赖于X射线的能量。
康普顿散射主要用于测量物质的元素分布和化学成分，以及研究物质中自由电子的性质。
正负电子对产生是指X射线通过强电场作用产生的电子对，其中一个电子带负电荷，另一个带正电荷。
这种相互作用方式主要用于测量一些特殊材料的电磁性质和对电场的响应。
除了以上三种主要的相互作用方式，还有一些次要的相互作用方式，如产生荧光、俄歇电子发射和布拉格散射等。
产生荧光是指X射线与物质中的原子或分子发生相互作用，在被吸收能量之后，原子或分子重新发射出能量较低的光子。
射线与物质的相互作用全解
射线与物质的相互作用全解射线与物质的相互作用是物理学中的重要课题之一、射线主要包括X 射线、γ射线以及带电粒子射线。
它们与物质相互作用过程可以通过不同的机制进行解释，其中主要包括光电效应、康普顿散射、电子对产生以及核反应等。
本文将详细介绍射线与物质不同相互作用过程的全解。
首先，光电效应是指射线与物质相互作用时，射线能量被物质的原子或分子吸收，同时将一些原子或分子的一个外层电子打出，使其形成自由电子，并使原子或分子离子化。
光电效应的发生需要满足光子能量大于物质原子或分子的束缚能。
在光电效应中，射线的能量被完全转化为电子的动能，并且随着射线能量的增加，光电效应的截面逐渐增大。
其次，康普顿散射是指射线与物质相互作用时，射线与物质中的自由电子碰撞，并转移能量。
在康普顿散射过程中，射线的能量减小，同时产生散射射线，其散射角度与原始射线方向有关。
康普顿散射的截面依赖于射线能量和散射角度，而与物质性质无关。
因此，康普顿散射广泛应用于材料成分分析和非破坏性检测等领域。
第三，电子对产生是指高能射线与物质相互作用时，射线的能量转化为正负电子对。
在电子对产生中，射线的能量足够高，超过物质原子或分子的静止能量，因此，能够产生正负电子对。
电子对的产生量与射线能量呈正比，并且与物质性质无关。
最后，核反应是指射线与物质的原子核相互作用而产生新的核反应产物。
核反应的过程可以分为两类：一类是射线与原子核碰撞产生的弹性散射或非弹性散射，另一类是射线与原子核相互作用产生裂变反应或聚变反应。
核反应的截面与射线能量和物质的原子核性质密切相关。
需要指出的是，射线与物质相互作用过程的解释是基于经典物理学理论的基础上进行的。
在高能物理学领域中，射线与物质相互作用的解释需要使用量子场论的框架来描述。
此外，射线与物质的相互作用和影响还涉及到辐射生物学、辐射医学以及放射化学等学科的研究。
这些都是相当广泛和复杂的领域，需要进一步深入的研究和实践来完全解释。
射线与物质相互作用
I
厚层
表示射线β计数率与 h无关，已达饱和 此时h称为饱和厚度
①③ ②
I I ，
③对于以上两者之间，有： I I0 (1 eh )
过渡层
1.3.2 γ射线与物质的相互作用 1.3.2.1、作用形式
一、γ 射线的特点
即是粒子，又是光子，具有波粒二象性，是一种波 长极短的电磁辐射，不带电，静止质量为零，不会 发生电离，激发，轫致辐射作用。
(
dE dX
)电离
n)
2、轫致辐射
当高速电子或其它带电粒子通过物质，而被原子核库 仑场阻止而减速时，伴生的电磁辐射，此称轫致辐射。 另一定义：当快速运动的带电粒子在原子核附近突然 被减速时，则有一部分动能转变为连续能量的电磁辐 射，这种过程称为轫致辐射。
(
dE dX
)辐射
Z 2EN m02
三、带电粒子在介质中的射程
1、带电粒子的吸收：带电粒子与物质作用（电离，激 发，轫致辐射）不断损失自已的能量，直到能量完全 耗尽，而停在介质中，这一过程称为~。
2、射程：沿入射方向从入射点到终止点的直线距离。
α粒子的射程
3
R
β α
R 0.318E2 (cm)
R' 3.2104
A
R (cm)
强度(cps/道/%K )
8
K谱
10
K谱 (a)
12
Cs-137的仪器谱
为什么会发生这一现象?
如何发生的?
其过程是这样的:
(1)γ 光子与NaI晶体作用,产生次 级电子:
光电效应____光电子
康吴效应_____反冲电子,散射光 子__光电子
第三章 射线与物质的相互作用
第三章射线与物质的相互作用上一章讨论了原子核的放射性。
原子核在衰变过程中，放射出各种各样的粒子。
本章讨论这些粒子与物质的相互作用。
本章所述的射线，泛指核衰变或核裂变放出的粒子，或由加速器，核反应β等等。
堆产生的各种各样的粒子，如n,,,,,3γHex,dta,本章所涉及的物质，可以是气体液体和固体，可以是单质也可以是化合物或混合物。
通常叫做靶物质。
本章要讨论的是当粒子通过物质时所发生的各种相互作用和效应。
了解射线与物质的相互作用的意义在于：（1）理解射线与物质相互作用的机理，增加人们对微观世界的认识；（2）由射线与物质相互作用的实验，例如散射实验，可以提供有关原子和原子核结构的知识（3）各种探测器都是依据射线与物质相互作用的机制、特点来设计和制造的。
因此，研究射线与物质相互作用的认识，为制造这些设备提供了依据（提供基础知识）（4）射线通过物质时要造成辐射损伤，我们可以根据射线与物质相互作用的知识，进行有效的辐射防护（5）根据射线与物质相互作用的知识，开展核技术和各个学科领域的应用。
如在核测井方法中，密度测井就是根据γ射线与物质相互作用的规律来测量地层密度的。
在本章中对于带点粒子与物质相互作用只作简要介绍，着重讨论γ射线与物质的相互作用。
有关中子与物质的相互作用在第六章讨论。
§１带电粒子与物质的相互作用α、β、γ射线穿透物质时，要与靶物质发生相互作用．这种相互作用涉及两个方面：（1）射线（2）靶物质。
不同的射线与物质相互作用的机制不同；而不同的靶物质即使对于同种射线的作用也有差异。
对于射线按带电与否可分为：荷电粒子，如α、β及各种离子：不带电粒子：如γ、n等再按质量的大小分：重带电粒子；轻带电粒子。
地球物理测井专业主要利用射线与物质的相互作用来确定地层的一些参数。
由于γ射线不带电荷，可以入射到物质的深处，因而可以得出物质较深处的相互特性。
这是我们重点讨论非带电粒子与物质相互作用的原因。
具有一定能量的带电粒子射入靶物质与物质发生相互作用，有如下四种作用方式：（1）与核外电子发生非弹性碰撞；（2）与核发生非弹性碰撞；（3）与核外电子发生弹性碰撞；（4）与核发生弹性碰撞。
第三章 射线与物质的相互作用
第三章射线与物质的相互作用一·电离：电离辐射非电离辐射阿尔法粒子（氦）易发生电离，但易被阻挡（电离只能由高能粒子发生）粒子：1·激发态：（低能态-高能态）M ~M+ 和电子剥离内层电子即激发过程（电离过程）2·退激发态：由高能态-低能态直接电离与间接电离直接电离：间接电离：强电离弱电离中等电离二·放射源接收器（检测器）射程计算：电子对/距离- 电离强度（二）·贝塔射线与物质的相互作用（中等电离辐射）质量小- 作用于电子（核外电子）上作用于物质时引起直接电离致辐射：用轰击重金属核（三）·伽马X射线光电效应：光子能量小于1.0 电子伏特光电子：由光电效应引起的所剥离的自由电子内层电子被剥离后产生“空穴”使得外层电子进入内层被称为俄歇电子康普顿散射：0.2-5.0 电子伏特部分能量被吸收剩余的继续作用高能光子散射角度较小低能光子散射角度较大即受光子能量影响电子对：光子能量大于1.02 电子伏特产生正电子负电子正负电子湮灭释放能量（质量变为能量并释放光子能量与之前相同）但能量来源于之前的光子光子与物质之间的作用>30种原子序数与光子能量关系图（包含光电效应康普顿效应电子对）（四）·中子中子一般来源于核反应快中子能量高速度快弹性散射：小核非弹性散射：大核中子俘获：减速以后的中子（也是快中子）会发生被俘获后发出伽马射线（大原子如铱192）热中子：由快中子蜕变快电子重带电粒子快电子的速度大；重带电粒子相对速度小；快电子除电离损失外，辐射损失不可忽略；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；快电子散射严重重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线阿尔法射线与束缚电子发生非弹性碰撞-------电离，激发贝塔射线与核外电子发生非弹性碰撞——电离，激发，致辐射伽马射线X射线光电反应-----光子被吸收康普顿散射----光子被散射弹性散射------产生两个光子中子非弹性散射------ 光子中子俘获-------其他辐射单纯路径上离子化物质密度------线性能量转移---线碰撞阻止本领阿尔法：贝塔：伽马=104:102:1辐射的生物学效应1·能量吸收------皮肤出现红斑2·大分子被破坏-----蛋白质---结构改变---变性---失去功能核酸----被打破断裂--自我修复（出错碱基替换即基因突变）。
3.X线与物质的相互作用
2.发生几率
实验和理论都可以准确的证明光电质量衰减系数 的表达式为：
c1 4 3 m z A
式中：A是原子量，c1 是一个常数，为入射线的波长。
9
2.发生几率
①物质原子序数的影响：与物质原子序数的4 次方成正比。 轨道电子与原子核结合得愈紧密，就愈容易发 生光电效应。高原子序数物质，轨道电子的结 合能较大，不仅K层而且其它壳层上的电子也 较容易发生光电效应。低Z物质，只有K电子结 合能较大，所以光电效应几乎都发生在K层。 在满足光电效应的能量条件下，内层比外层电 子发生光电效应的几率可高出4-5倍。
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课堂测评
1．不是光电效应的产物的是 A．光电子 B．正离子 D．俄歇电子 E．轫致辐射
E
C．特征辐射
2.关于光电效应的发生几率正确的是 A．和管电流成正比 B ．和原子序数的四次方成反比 C．和原子序数的三次方成正比 D．大约和能量的四次方成正比 E．大约和能量的三次方成反比
3
光电应
光电效应的概念
发生几率 光电效应中的特征辐射
如何评价诊断放射学中的光电效应
4
1.光电效应概念
能量为hν 的光子通过 物质时与原子的内层 电子相互作用，将全 部能量交给电子，获 得能量的电子摆脱原 子核的束缚成为自由 电子(光电子)，光子 本身被原子吸收的作 用过程称为光电效应。
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二、康普顿效应
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1.作用过程
当能量为hν 的光子与原子的外层轨道电子相 互作用时，光子交给轨道电子部分能量后，其 频率发生改变并与入射方向成φ 角散射(康普 顿散射光子)，获得足够能量的轨道电子则脱 离原子与光子入射方向成θ 角的方向射出(康 普顿反冲电子) 。 康普顿发现，简称康普顿效应或康普顿散射。
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第三章射线与物质的相互作用
一·电离：电离辐射非电离辐射
阿尔法粒子（氦）易发生电离，但易被阻挡
（电离只能由高能粒子发生）
粒子：1·激发态：（低能态-高能态）M ~M+ 和电子
剥离内层电子即激发过程（电离过程） 2·退激发态：由高能态-低能态
直接电离与间接电离
直接电离：
间接电离：
强电离弱电离中等电离
二·
放射源接收器（检测器）
射程计算：电子对/距离 - 电离强度
（二）·贝塔射线与物质的相互作用（中等电离辐射）
质量小 - 作用于电子（核外电子）上
作用于物质时引起直接电离
致辐射：用轰击重金属核
（三）·伽马 X射线
光电效应：光子能量小于1.0 电子伏特
光电子：由光电效应引起的所剥离的自由电子
内层电子被剥离后产生“空穴”使得外层电子进入内层被称
为俄歇电子
康普顿散射： 0.2-5.0 电子伏特
部分能量被吸收剩余的继续作用
高能光子散射角度较小
低能光子散射角度较大
即受光子能量影响
电子对：光子能量大于1.02 电子伏特产生正电子负电子正负电子湮灭释放能量（质量变为能量并释放光子能量与之前相
同）但能量来源于之前的光子
光子与物质之间的作用>30种
原子序数与光子能量关系图（包含光电效应康普顿效应电子对）
（四）·中子
中子一般来源于核反应
快中子能量高速度快
弹性散射：小核
非弹性散射：大核
中子俘获：减速以后的中子（也是快中子）会发生被俘获后发出伽马射线
（大原子如铱192）
热中子：由快中子蜕变
快电子重带电粒子
快电子的速度大；重带电粒子相对速度小；
快电子除电离损失外，辐射损
失不可忽略；重带电粒子主要通过电离损失而
损失能量；
快电子散射严重重带电粒子在介质中的运动径迹
近似为直线
阿尔法射线与束缚电子发生非弹性碰撞-------电离，激发
贝塔射线与核外电子发生非弹性碰撞——电离，激发，致辐射伽马射线 X射线光电反应 -----光子被吸收
康普顿散射----光子被散射
弹性散射------产生两个光子
中子非弹性散射------ 光子
中子俘获-------其他辐射
单纯路径上离子化物质密度------线性能量转移---线碰撞阻止本领
阿尔法：贝塔：伽马=104:102:1
辐射的生物学效应
1·能量吸收------皮肤出现红斑
2·大分子被破坏-----蛋白质---结构改变---变性---失去功能
核酸----被打破断裂--自我修复（出错碱基替换
即基因突变）。