4 射线与物质的相互作用(γ射线 )
4射线与物质的相互作用
4射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用是重要的物理现象，而γ射线是最能穿透物质的射线之一、在本文中，我们将探讨γ射线与物质的交互作用以及其在实际应用中的一些重要性。
γ射线是一种高能电磁辐射，具有极短的波长和高能量。
由于其能量较高，γ射线能够穿透物质，与其相互作用的方式不同于其他类型的射线，如α射线和β射线。
γ射线与物质的相互作用主要有三种方式：光电效应、康普顿散射和正负电子对产生。
这些相互作用方式是基于射线与物质中的原子核和电子相互作用的不同方式。
光电效应是γ射线与物质中的原子相互作用的结果。
当γ射线与物质中的原子相互作用时，光电效应会发生。
这种效应发生在γ射线传递给物质中的一个原子时，能量足够大，以至于它能够从原子中剥离一个电子。
这个被剥离的电子会产生一个光电子，其能量等于原子束缚电子与γ射线之间的能量差异。
康普顿散射是γ射线与物质中电子相互作用的结果。
当γ射线与物质中的电子相互作用时，康普顿散射会发生。
这种散射使γ射线的能量发生变化，并且使其改变方向。
这种散射事件发生的概率依赖于射线的能量以及物质中的电子密度。
正负电子对产生是通过相互作用的γ射线产生正负电子对的结果。
在此过程中，γ射线的能量转化为质子和反质子的质能，并且正负电子对几乎可以立即转化为电子和正电子。
γ射线与物质的相互作用有许多实际应用。
其中一个重要的应用是在医学成像中，如X射线、CT扫描和放射性同位素扫描中。
γ射线能够穿透人体组织，从而提供用于诊断和治疗的重要信息。
另一个应用是在核能产生中。
γ射线是核反应的一个产物，它能够提供对核反应过程的重要信息，以及对天然放射性物质的辐射测量。
此外，γ射线还用于工业应用。
它被广泛应用于无损检测，如金属检测和材料分析。
由于其能够穿透物质，γ射线可以检测到隐藏在物体内部的缺陷和杂质。
射线与物质的相互作用还存在一些潜在的危害。
由于γ射线能够穿透物质，暴露于γ射线下可能会导致辐射损伤和放射性污染。
γ射线与物质相互作用
2）正电子湮灭
正电子在自然界是不稳定的，寿命10-10～10-7s，当其与负电 子相遇时，会发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 γ光子。 利用正物质与负物质发生湮灭放出巨大能量的物理原理，人 们正在研制反物质武器。 γ
γ
e+ + e- → γ + γ me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率 (100 %）
设入射光子能量hv，动量为hv/c。散射光子能量为hv’， 动量为hv’/c。反冲电子的动能为Ee，能量为E，动量为P。 散射角θ，反冲角φ。则有下列关系式成立： h h h' E e E ' h 1 (1 cos ) h h' 2 m 0c cos P cos c c ( h) 2 (1 cos ) h ' Ee 2 sin P sin m c h(1 cos ) 0 c h ctg 1 tg 2 2 m 0c
式中，r0—电子的经典半径， r0 =e2/m0C2=2.818×10-13cm ω0—以静止电子为单位的光子能量ω0 =hν/ m0C2
康普顿散射光子的微分截面与散射角的关系
γ与物质相互作用
4 电子对效应
1）概念
能量≥1.02 MeV 的γ射线 与原子核作用产生一对正-负 电子的过程。
能量转化成 质量 M = E /C2
2 光电效应
4）光电效应截面
τa为原子与入射光子发生光电效应的几率； τK为入射光子在K层发生光电效应的几率；
C1Z h
K 5 K 5
3.5 1
BK h m0C 2 h m0C 2
核辐射物理及探测学期末总结
核辐射物理及探测学期末考前总结复习重带电粒子与物质的相互作用1、特点重带电粒子均为带正电荷的离子；重带电粒子主要通过电离损失而损失能量；重带电粒子在介质中的运动径迹近似为直线。
2、重带电粒子在物质中的能量损失规律1) 能量损失率(Specific Energy Loss)对重带电粒子，辐射能量损失率相比小的多，因此重带电粒子的能量损失率就约等于其电离能量损失率。
电子的散射与反散射电子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量的过程称为弹性散射。
由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射。
电子沿其入射方向发生大角度偏转，称为反散射。
对同种材料，电子能量越低，反散射越严重；对同样能量的电子，原子序数越高的材料，反散射越严重。
反散射的利用与避免对放射源而言，利用反散射可以提高β源的产额。
A)A) 对对探测器而言，要避免反散射造成的测量偏差。
B)B) 对γ 射线与物质的相互作用特点：γ光子通过次级效应与物质的原子或核外电子作用，光子与物质发生作用后，光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生次电子； 次级效应主要的方式有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。
γ射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概率，用截面来表示作用概率的大小。
总截面等于各作用截面之和，即：pc ph σσσσ++=作用截面与吸收物质原子序数的关系5Z ph ∝σZ c ∝σ2Zp ∝σ总体来说，吸收物质原子序数越大，各相互作用截面越大，其中光电效应随吸收物质原子序数变化最大，康普顿散射变化最小。
光电效应康普顿散射电子对效应第七章辐射探测中的概率统计问题辐射探测器学习要点：�探测器的工作机制；�探测器的输出回路与输出信号；�探测器的主要性能指标；�探测器的典型应用。
第八章气体探测器Gas－filled Detector•电离室–工作机制：入射带电粒子(或非带电粒子的次级效应产生的带电粒子)使气体电离产成电子－离子对，电子－离子对在外加电场中漂移，感应电荷在回路中流过，从而在输出回路产生信号。
γ射线与物质相互作用的三种方式
γ射线与物质相互作用的三种方式
γ射线是一种高能电磁辐射，当它与物质相互作用时，会产生三种主要的相互作用方式：康普顿散射、光电效应和正负电子对产生。
首先是康普顿散射。
康普顿散射是指当γ射线与物质中的电子相互作用时，γ射线的能量被电子散射并改变方向。
在这个过程中，γ射线会获得电子的部分动能，在较大的散射角度处发生散射。
康普顿散射是γ射线与物质相互作用的主要方式之一，特别适用于高能γ射线。
其次是光电效应。
光电效应是指当γ射线通过物质时，与物质中的原子产生相互作用，电磁能量被物质原子中的束缚电子吸收，从而将束缚电子从原子中释放出来，这个过程称为光电效应。
在光电效应中，γ射线会将一部分或全部能量转移给原子中的电子，使其获得足够的能量以克服束缚力从而跃迁到连续态或离散态。
光电效应对低能γ射线具有较高的敏感性。
最后是正负电子对产生。
当γ射线的能量较高时，它可以发生与物质原子相互作用，产生正负电子对。
这个过程称为正负电子对产生。
γ射线的能量转化成正负电子对的质能，其中正电子通过与原子中的电子湮灭而产生γ射线以及其他次级粒子。
总结起来，当γ射线与物质相互作用时，康普顿散射会改变γ射线的方向，光电效应能够释放束缚电子，而正负电子对产生则会产生正电子和其他次级粒子。
这三种相互作用方式在不同能量范围内起主导作用，我们可以基于这些相互作用方式来有效使用γ射线进行不同的应用，如核能、医学和材料科学等领域。
γ射线与物质相互作用的三种方式
γ射线与物质相互作用的三种方式γ射线是一种高能电磁波，具有极强的穿透能力，能够与物质相互作用。
下面将介绍γ射线与物质相互作用的三种主要方式。
第一种方式是光电效应。
当γ射线与物质相互作用时，它的能量可以被物质中的原子吸收，使得原子中的电子被激发或者被电离。
这种现象被称为光电效应。
在光电效应中，γ射线的能量被转移给物质中的电子，从而使得电子获得足够的能量逃离原子，形成电子-空穴对。
光电效应在医学影像学中广泛应用，例如X射线摄影。
第二种方式是康普顿散射。
康普顿散射是指γ射线与物质中的电子相互作用后改变方向和能量的过程。
当γ射线与物质中的电子碰撞时，它会转移一部分能量给电子，使得γ射线的方向发生改变。
这种散射过程不仅改变了γ射线的方向，还使γ射线的能量降低。
康普顿散射在射线治疗和核物理实验中有重要应用。
第三种方式是伽马射线的光电效应。
在高能γ射线与物质相互作用时，γ射线的能量可以被原子核吸收，从而使得原子核发生电离或激发。
这种现象被称为伽马射线的光电效应。
伽马射线的光电效应在核物理实验中经常被用来研究原子核的结构和性质。
除了上述三种方式，γ射线还可以通过康普顿散射与电子发生相互作用，产生正负电子对。
这种过程称为产生电子对。
产生电子对是一种重要的能量损失机制，在高能物理实验中起着重要的作用。
γ射线与物质相互作用的三种方式分别是光电效应、康普顿散射和伽马射线的光电效应。
这些相互作用过程在医学影像学、射线治疗和核物理实验中都有广泛应用。
通过深入研究γ射线与物质的相互作用，可以更好地理解和利用γ射线的特性，推动相关领域的发展和进步。
射线与物质的相互作用全解
射线与物质的相互作用全解1.α射线与物质相互作用：α射线是由两个质子和两个中子组成的氦核，在与物质相互作用时，主要通过库仑相互作用与物质中的原子核和电子发生碰撞。
-α粒子与原子核碰撞：由于α粒子具有正电荷，与带正电荷的原子核发生库仑力相互作用。
当α粒子的动能较高时，它能够克服原子核的库仑斥力，与原子核进行散射或靶核核反应。
例如，α衰变中，α粒子通过电子云与原子核接触，克服库仑斥力，从而离开原子核。
-α粒子与电子碰撞：α粒子也能与物质中的电子发生库仑散射。
这种散射主要影响较低能量的α粒子，使其改变方向，并逐渐失去能量。
2.β射线与物质相互作用：β射线包括β正电子和β负电子，它们在与物质相互作用时，主要通过电磁相互作用与物质的电子发生碰撞。
-β电子与物质中的电子相互作用：β电子与物质中的电子发生库仑散射，导致β电子方向改变，并逐渐失去能量。
此外，β电子还会与物质中的原子核发生库仑相互作用，引起散射或产生次级带电粒子。
同时，β电子还会与物质中的靶核发生β衰变反应。
-β正电子与物质相互作用：β正电子与物质中的电子发生湮没作用，这是由于正电子和电子之间的共振效应导致的。
正电子与物质中的电子湮没后，能量转化为两个光子。
3.γ射线与物质相互作用：γ射线是电磁波，在与物质相互作用时，主要通过光电效应、康普顿散射和对消能量通过光子转化为电子对等几种机制与物质发生相互作用。
-光电效应：γ射线与物质中的原子发生相互作用，使原子内的电子受到能量的激发或被打出原子，形成光电子。
-康普顿散射：γ射线与物质中的电子发生碰撞，因为能量较高，导致电子被击中后发生能量和动量的转移，γ射线发生能量和方向的散射。
-电子对产生：γ射线经过物质时，其能量可能会转化为电子对（正电子和电子对）。
这是一种相对论效应，当γ射线的能量较高时，会出现这种现象。
4.X射线与物质相互作用：X射线与物质相互作用的主要机制是光电效应和康普顿散射。
-光电效应：X射线与物质中的原子发生相互作用，使原子内的电子受到能量的激发或被打出原子，形成光电子。
γ射线与物质相互作用的三种方式
γ射线与物质相互作用的三种方式γ射线是一种高能电磁辐射，具有穿透力强的特点。
它与物质的相互作用主要通过三种方式：康普顿散射、光电效应和正电子湮灭。
首先，康普顿散射是γ射线与物质中的电子相互作用的一种方式。
当γ射线遇到物质中的自由电子时，它会失去能量并改变方向，同时将一部分能量转移到电子上。
这种散射现象是由于γ射线光子的能量足够大，可以与电子发生碰撞，并将一部分能量转移给电子。
康普顿散射的过程中，γ射线的波长增加了，而散射后的电子也被赋予了动能。
康普顿散射的能谱可以用来测量物质中的电子浓度。
其次，光电效应是γ射线与物质中原子内部的电子相互作用的一种方式。
当γ射线能量足够高时，它可以与物质中的电子发生相互作用，将能量转移到电子上，使其脱离原子。
这种效应的产生与电子的束缚能有关，当γ射线的能量超过或等于电子的束缚能时，光电效应就会发生。
光电效应的能谱可以用来测量物质中的电子结构和束缚能。
最后，正电子湮灭是γ射线与正电子相互作用的一种方式。
正电子是反电子，具有正电荷。
当正电子与物质中的电子相遇时，它们会发生湮灭，并产生一对γ光子。
正电子湮灭过程中产生的γ光子有特殊的能谱分布，可以用来研究物质中的电子和正电子的相互作用。
除了上述三种方式，γ射线也可以通过康普顿散射和光电效应发生电子正电子对的产生，这是一种典型的能量转换现象。
在这种情况下，一部分γ射线的能量被转换成电子正电子对，而另一部分γ射线则保持原样。
这种现象在高能物理实验中经常被利用，用于测量γ射线的能量和动量分布。
综上所述，γ射线与物质相互作用的三种主要方式是康普顿散射、光电效应和正电子湮灭。
这些相互作用过程不仅在理论物理研究中具有重要意义，还在医学诊断和工业领域中有重要的应用。
通过理解和研究这些相互作用过程，我们可以更好地利用γ射线的特性，并开发出更多的应用。
——探究γ射线与物质相互作用中三种过程发生的几率与能量
——探究γ射线与物质相互作用中三种过程发生的几率与能量γ射线是电磁辐射中最高能量的一种，具有很强的穿透能力。
当γ射线通过物质时，会与物质中的原子发生相互作用，从而改变其能量和方向。
对于γ射线与物质相互作用的过程，主要有光电效应、康普顿散射和正负电子对产生三种。
首先，光电效应是γ射线与物质相互作用的一种重要过程。
在光电效应中，γ光子与物质中的原子发生相互作用，将能量传递给原子的一个内层电子，使其被击出。
此时，γ光子被吸收，能量完全传递给电子。
光电效应发生的几率与γ光子的能量有关。
根据光电效应的公式E = hf - Φ，其中E为电子的动能，h为普朗克常量，f为γ光子的频率，Φ为电子的逸出功。
可以看出，只有γ光子的能量大于逸出功时，光电效应才能发生。
因此，光电效应的几率随着γ光子能量的增加而增加。
其次，康普顿散射是γ射线与物质相互作用的另一种过程。
在康普顿散射中，γ光子与物质中的自由电子碰撞，使γ光子改变能量和方向。
康普顿散射的过程中，γ光子的能量部分传递给自由电子，使其获得动能。
康普顿散射的散射角度和散射后γ光子的能量与入射γ光子的能量有关。
根据康普顿散射的公式λ' - λ = h/mc(1-cosθ)，其中λ'为散射后γ光子的波长，λ为入射γ光子的波长，h为普朗克常量，m为电子质量，c为光速，θ为散射角度。
可以看出，散射后γ光子的能量与入射γ光子的能量和散射角度有关。
康普顿散射的几率随着γ光子能量的增加而减小。
最后，正负电子对产生是γ射线与物质相互作用的又一重要过程。
在高能γ光子辐射中，可以通过激光引导的方式产生高能电子和正电子对。
这些电子和正电子会通过磁场的作用，互相弯曲并绕成一个轨迹，形成电子湮灭的过程中发出对γ射线。
正负电子对产生的几率与γ光子的能量有关。
随着γ光子能量的增加，正负电子对产生的几率将增加。
综上所述，γ射线与物质相互作用中的光电效应、康普顿散射和正负电子对产生三种过程发生的几率与γ射线的能量有密切的关系。
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2009/9/21
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电子对效应中正负电子对的动能
电子对效应中正负电子对取得的动能之 hv 2me c 2 ) ，∆是参加的原子 和应为（ 核的反冲动能，通常，几乎可以忽略不 计。 2 ( hv 2 m c 正电子和负电子的总动能为 ）， e 但正电子（或负电子）的动能可能是从 零到 (hv 2me c 2）范围内的各种数值。
无论在哪个能量范围，光电截面都是随γ射线能量的增加而 减少的，只不过在低能区减少得更快些 。
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2009/9/21
原子的电子对效应截面
原子的电子对效应截面σp，可由理论计算得到。 它是吸收物质的原子序数Z和γ光子能量的函数。 当hν稍大于2mec2，但并不太大时， 当hν>>mec2时
P ∝Z 2 E r
2
me c 2 7 2 4 32 ( ) a th Z 5 hv
随着Z的增大，光电效应作用截面迅速增加
因为光电效应是光子和束缚电子的相互作用，Z越大则电子在 原子中束缚得越紧，越容易使原子核参与光电效应过程来满足 能量和动量守恒要求
应尽可能选用Z高的物质来探测γ射线或者防护γ射线，以提高
探测效率和获得更好的防护效果。
如果电子在原子中束缚愈紧，发生光电效 应的几率就愈大。当入射光子的能量大于 K壳层的电离能时，实验和理论都表明， 光电效应在K壳层发生的几率约为80%， 在L层发生的几率比较小一些，在M层发生 的几率更小。
2009/9/21
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2 康普顿效应
康普顿效应是光子与核外电子发生非弹性碰撞， 光子把部分能量转给电子使其从原子内部反冲 出来，而能量降低了的光子沿着与原来运动方 向不同的角度散射出去。当光子的能量为0.5-1.0MeV时，该效应比较明显。 从原子中反冲出来的电子称康普顿电子或反冲 电子。能量变低后的光子称为散射光子，原来 的光子称为入射光子。 康普顿效应中光子只是损失部分能量，运动方 向发生变化，康普顿效应发生在束缚得最松的 外层电子上。
me c 2 4 1.5( )a Th Z 5 hv
在区域（c）的可用下式表示：
K
式中，
σTh，经典电子散射截面，又称Thomson截面； 2009/9/21 hν：γ光子能量；Z：物质原子的原子序数。
1 137 ，精细结构常数；
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K
光电效应截面与Z5成正比
me c 1.5( )a 4 Th Z 5 K hv
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2009/9/21
康普顿效应示意图
光子核外层电子的非弹性碰 撞。光子的一部分能量交给 电子，使电子从原子中发射
出来，光子的能量和方向发 生改变。
为散射角； 为反冲
角
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康普顿效应的散射角和反冲角
入射的γ 光子相对于原来的运动方向偏转了一个角度θ， 光子将其一部分能量传递给电子，使电子获得能量而脱离 原来的束缚发射出来，该电子称为反冲电子或康普顿电子。 散射光子运动方向与入射光子入射方向之间的夹角θ称为 散射角。 反冲电子发射方向与入射光子入射方向夹角φ称为反冲角。
p ∝Z 2 ln Er
原子的电子对效应的 截面与光子能量的关 系如图所示
2009/9/21
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有效原子序数
对应于某种混合物或化合物的一个原子序数，该 混合物或化合物与光子的相互作用和具有这一原 子序数的单一元素与光子的相互作用是相同的。 混合物或化合物原子序数：Z1，Z2，……，Zk。 相应电子数百分组成：N1，N2，……，Nk。 有效原子序数一个经验公式：
2009/9/21
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铅的光电作用截面公式
原子的光电吸收截面曲线可以分为三个区域： （a）吸收限附近区域； （b）离吸收限一定距离的区域； 2 （c）相对论区域（ h me c ， me c 2 0.511MeV）。在 区域（b）的K层电子的光电吸收截面可用下式表示：
K
me c 2 7 2 4 32 ( ) a th Z 5 hv
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2009/9/21
湮没辐射光子的能量
由于在湮没时，正负电子的动能为零， 根据能量和动量守恒定律，两个光子的 能量之和为正、负电子的静止量，从而 导出湮没产生的两个0.511MeV光子的 动量也相同，且飞向相反方向。 电子对效应必须在有原子核或电子参与 下才能同时满足能量和动量守恒定律。
2009/9/21
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光电效应的吸收限
右图显示出光电吸收曲线特 征的锯齿状结构，这种尖锐 的突变称为光电效应的吸收 限。 这是因为光子能量逐渐增加 到某一壳层的电离能时，这 一层电子就对光电效应有了 贡献。所以图上出现了截面 剧增，这就是光电吸收收曲 线上尖锐突变。 随着光子能量的进一步增加， 光电效应截面又平稳地下降， 直到下一个锯齿出现。 铅的光电效应截面与光子能量
2009/9/21
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两种方式 的相对比例与物质原子的原子序数Z有关 用Nk表示K层上每个空位发射荧光光子的数目,（1-Nk ）
是相应的K层俄歇电子产额
2009/9/21
Nk与Z的关系
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光子与自由电子作用时不能发生光电效应
光电效应仅当光子与原子中的束缚电子作用 时才能发生，这是因为光子的能量全部传给 电子的过程，若只有光子和电子参加不能同 时满足能量守恒和动量守恒两个条件，必须 要求第三者参加这一过程，带走一些反冲动 能和动量，这第三者就是除了发射出去光电 子以外的整个原子。 hv ' '
2009/9/21
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截面 的定义：一个入射光子与单位面积
一个原子发生作用的概率，其量纲为面积， 常用单位为“巴（b）”
1b 11024 cm 2 11028 m2
2009/9/21
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铅的光电效应截面与光子能量的关系
原子的光电效应截面与光子能量的关系曲线称 为光电吸收曲线，光电吸收曲线如下图所示。
2
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2009/9/21
hv ctg 1 m c 2 tg 2 e
散射光子和反冲电子的关系
θ=0º，hv=hv’，光子没有能量损失，光子从电子近 旁掠过。
θ=180º， hv’达到最小值，反冲电子的动能达到最大
值，光子与电子正面碰撞，散射光子向相反方向飞 出，反射电子沿入射光子方向飞出，称为反散射。
2009/9/21
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光子与物质的三种作用
2009/9/21
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作用截面
当γ 射线穿过一定厚度的物质时，发生光电效 应、康普顿效应和电子对效应是以一定几率出 现的，通常用截面这个物理量来表示发生这三 种作用几率的大小。 假设有一平行光子束垂直入射到物质的表面上， N为吸收物质单位体积内的原子数目，当光子 束穿过厚度为∆x的吸收物质时，发生相互作用 的光子数为dI，则有
带电粒子通过使吸收物质的原子产生电离激发 以及通过轫致辐射来损失能量，而每次碰撞所 损失的能量是很小的，需经过多次碰撞才损失 全部能量。因此用能量损失率来描述带电粒子 在物质中相互作用的行为。 γ 射线与物质的相互作用一次就可能损失全部 能量或大部分能量，而与物质未发生相互作用 的射线将保持初始的能量穿过物质，因此用作 用截面来描述它与物质的相互作用。
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2009/9/21
γ射线对物质的电离作用:两步过程
第 1 步 初级作用
γ射线
三种作用效应
第 2 步 次级作用
电离效应
光电效应 康普顿效应 电子对效应
产生次级电子
2009/9/21
次级电子使 物质原子电离
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射线与物质相互作用特点：
光子是通过初级效应与物质的原子或原子
核外电子作用，一旦光子与物质发生作用， 光子或者消失或者受到散射而损失能量， 同时产生次级电子 初级效应主要的方式有三种，即光电效应、 康普顿效应和电子对效应
γ + A 原子
2009/9/21
A* +
A
e- （光电子）
+ X 射线（或俄歇电子）
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பைடு நூலகம்
俄歇电子
原子的内壳层失掉一个电子以后，就处于激发态， 这种状态是不稳定的，很快退激回到基态。 退激的方式有两种：一种是外壳层电子向内壳层空 位填补使原子回到基态，跃迁时多余的能量以特征X 射线的形式释放出来；另一种是多余的激发能直接 使外层电子从原子中发射出来，这样发射出来的电 子称为俄歇电子。
2.94 Z Ni Zi i 1
射线与物质的相互作用
王德忠 教授 核科学与工程学院
2009/9/21
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射线与 X 射线的本质——电磁辐射
X
2009/9/21
特征射线：
核能级跃迁 正电子湮没产生
湮没辐射：
E 0.511MeV
特征X射线： 原子能级跃迁
轫致辐射： 带电粒子速度或运动 方向改变产生
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γ射线和带电粒子与物质的相互作用不同之处
2009/9/21
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3 电子对效应
当γ 光子能量大于1.02MeV时，γ 光 子有可能在原子核的库仑场作用下，转 化成为一个正电子和一个负电子，光子 本身消失，这种过程称为电子对效应， 如下图所示。
2009/9/21
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3 电子对效应
正负电子对的能量：
Ee Ee h 2m0c