射线与物质的相互作用
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。
第一章——第二节_X射线与物质的相互作用
9
X射线的透射/吸收系数
为了更准确的表达物质本质的吸收特性，引入质量吸收系数μm
m
l
将上式代入 I e u l H I0
I I0emH I0emm
m为单位面积厚度为H的体积中的物质的质量。
μm的物理意义：X射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对 衰减量。
若吸收体为化合物、固溶体或混合物时， μm取决于各组元质量吸 收系数μmi及各组元的质量分数wi。
n
m mi w i （n为组元数） 源自 1 10X射线的透射/吸收系数
对于确定物质， μm取决于吸收物质的原子序数Z和X射线的波长λ。 其关系为：
m K43Z 3 （K4为常数）
由上式可以看出：
12
吸收限的概念
随入射波长变化，会相继出现K、L和M吸收限。描述质量吸收系数 随波长改变的关系曲线称为吸收曲线（谱线）。
13
吸收限的应用
滤波片的选择
在XRD分析中，利用吸收限两侧吸收系数差很大的现象制成滤波 片，用以吸收不需要的辐射，可以获得基本单色的入射X射线。
光电管阳极靶发射的K系X-
射线包括Kα和Kβ，Kα的强
度为x处的dx厚度物质，其强度衰减率dIx/Ix可表示为：
dI x Ix
l dx
强度的衰减dIx/dx与dx成正比。
负号表示随厚度增加时强度降低。
H x dx
μl为常数，称为线吸收系数,是X射线通 过单位厚度（即单位体积）物质的相对 I0 衰减量。表明物质对X射线的吸收特性。
Ix Ix+dx I
3
第二节 X射线与物质的相互作用
当一束X射线通过物质时，其能量可分为三部分，即一部分被散射， 一部分被吸收，其余部分则透过物质继续沿原来的方向传播。
2射线和物质的相互作用
～
1 2
中速区尚无合适的理论计算 公式，实际使用时都是一些 实验数据的拟合公式。
原子阻止截面
e
n
单位：每原子eVcm2
电子阻止截面 e
1 dE ( )e N dx
核阻止截面
各种物质对不同能量的质子和粒子的阻止本领、 原子阻止截面，已有详细的实验数据和理论计算 值，应用时可查阅相关资料。
• • •
低速带电粒子入射时 入射粒子速度低于轨道电子的平均速度时，电 荷交换效应变强。 考虑外层电子对核库仑场的屏蔽，得出：
zZ dE 1/ 6 2 z 8e Na0 2 / 3 2 / 3 3/ 2 (z Z ) 0 dx e
与速度成正比
（二）核阻止本领
（一）电离损失或电子阻止本领
——与核外电子的非弹性碰撞过程
入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电 子获得能量而引起原子的电离或激发。入射粒子通过这 种方式损失能量称为电离损失或电子阻止本领。
快速带电粒子入射时 从经典角度出发，假设入射粒子与“静止”的 “自由电子”的弹性碰撞。入射粒子的电荷数 是确定，等于它的核电荷数。
E小，大； Z大，大。 定义： 反散射系数
I I0
低Z的元素。
电子的辐射损失
在单位路程上通过辐射损失的能量叫做辐射损失率：
dE 4 NZ ( Z 1)e 4 2 4 137m0 c dx r
2E 1 E ln 2 m c 3 0
顺序倒了！
对于电子，在低能时，电离损失占优势，在高能 时（尤其在相对论区），辐射损失变得重要。
——与原子核发生弹性碰撞过程
采用与电子本领相类似的步骤，得到核阻止本领 公式为： 2 4
第四章 射线与物质的相互作用
子核处于激发态，退激时发出射线的本质不同。
4
第四章 射线与物质的相互作用
射线与物质的相互作用：
1>. 射线与作用物质核外电子的非弹性碰撞：
电离、激发电离损失
入射粒子与核外电子发生非弹性碰撞，导致靶物质中的原子电离和激 发，是射线穿过物质时损失能量的主要方式，称之为电离损失。有时 也称之为非弹性碰撞能量损失。
入射粒子靠近靶物质的原子核时，改变了运动的速度和方向。碰撞后 入射粒子将动能的绝大部分带走。损失的能量并不产生电子，也不使
核激发，而是传递给靶原子核，使其反冲。带走大部分动能的入射粒
子可在靶物质中继续进行多次弹性碰撞，最后被阻止在靶物质中，称 之为吸收。
8
第四章 射线与物质的相互作用
第二节
重带电粒子与物质的相互作用
第四章 射线与物质的相互作用
射线与物质的相互作用： 1>. 射线与作用物质核外电子的非弹性碰撞： －引起作用物质原子的电离、激发 电离： • 入射的粒子将一部分能量通过库仑力传递给了靶原子核外的电子。核
外电子获得能量足以克服原子核对它的束缚而变成自由电子时，靶物
质的原子就变成了一个失去电子的正离子，即靶物质中的原子分离成 了一个自由电子和一个正离子。
• 如果发射出来的自由电子具有足够的动能，还可能与其它的靶原子核
继续发生碰撞电离。
2
第四章 射线与物质的相互作用
射线与物质的相互作用： 1>. 射线与核外电子的非弹性碰撞：
电离：
• 原子的最外层电子受原子核的束缚最弱，容易被电离。 • 如果原子的内壳层电子(像K层、L层电子)被电离，便会在该壳层上留 下空穴，外层高能级的电子就要向内层的空穴跃迁，多余的能量就会 以特征x射线或者俄歇电子的形式发射出来。
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。
射线与物质的相互作用
光电效应
作用对象：X-射线与物质原子的内层电子或束缚电 子相互作用。 过程：若光子能量大于束缚电子的结合能。 电子被光子击出：“光电子”产生。光子本身消 失了， 物质的原子被电离，原壳层处留下空位。 “光电子”继续撞击物质中的其它原子，它的动 能以热的形式消耗在附近晶格中； 空位为外层电子(自由电子)所填充，产生辐射： 发出标识X-射线。
光电效应示意图
光电子发射的方向与入射光子的能量相关，当入射光子的 能量较低时，光电子主要分布在与入射光子方向垂直的方 向；随着入射光子能量的增大，光电子的发射方向逐渐倾
向于入射光子的方向。
光电效应特征
光电子 光子激发原子内层电子并击出电子(光电子) ，原子在发射光电子的同时内层出现空位 ，此时原子(实际是离子)处于激发态，将发 生较外层电子向空位跃迁以降低原子能量 的过程，此过程可称为退激发或去激发过 程。退激发过程有两种互相竞争的方式， 即发射特征X射线或发射俄歇电子。
散射前后能量分布
散射光子
h h 1 (1 cos )
h me c 2
反冲电子
hv hv
Ek ,max 2 h 1 2
康普顿效应
入射光子与外层电子或自由电子发生非弹 性碰撞，入射光子的一部分能量转移给电 子，使电子成为反冲电子，同时，入射光 子的能量减少，成为散射光子。 发生几率：原子序数低↑，中等能量↑。 特征
光电效应发生条件与概率
如果入射光子的能量大于轨道电子与原子核的结 合能，入射光子与原子的轨道电子相互作用时， 光子把全部能量传递给轨道电子，使之发射出去 ，而光子本身消失。
光子能量守恒
Ee=hv-Ei
发生概率：低能量↑、高原子序数↑。光电效应的
射线与物质的相互作用ppt课件
电离损失
❖电离
❖激发
二、带电粒子与物质的相互作用
2.2 与原子核的非弹性碰撞
➢ 入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使带电粒 子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射—— 轫致辐射。
➢ 当入射带电粒子与原 子核发生非弹性碰撞 时，以辐射光子损失 其能量，我们称它为
辐射损失。
二、带电粒子与物质的相互作用
原子核
反冲电子
h 1.0
0.5
YAxisTitle
0.0
入射光子 -0.5 -1.00ຫໍສະໝຸດ 204060
X Axis Title
B
80
100
散射光子 h
三、γ射线与物质的相互作用
3.3 电子对效应(Electron Pair Effect)
➢ 能量较高(>1.022MeV) 的射线(光子) 从原子核旁经过 时，在核库仑场的作用下，入射光子转化为一个正电 子和一个电子的过程。
❖中 子：不带电
❖无声无味、无色无嗅 ❖组织温度无明显升高
射线与物质的相互作用
辐射探测、防护的基础
射线与物质相互作用的分类
带电粒子辐射
轻带电粒子 （ β射线）
重带电粒子 （ α粒子）
非带电粒子辐射
次级电子 核外电子
电磁辐射 （ γ射线）
次级重带电粒子 原子核
中子
带电粒子与物质的相互作用
二、带电粒子与物质的相互作用
γ
中子
与束缚电子发生非弹性碰撞
1、与核外电子发生非弹性碰撞 2、与原子核发生非弹性碰撞 1、光电效应 2、康普顿效应 3、电子对效应 1、弹性散射 2、非弹性散射 3、俘获过程
五、总 结
❖射线穿透能力
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。
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四、中子与物质的相互作用
4.3 中子俘获
➢ 中子被物质原子核俘获后，形成稳定或不稳定 的新核素，这种现象称中子俘获。
中子俘获包括(n,γ),(n,f),(n,α)(n,p)四种类型反应。
10 5
B
01n
7 3
Li
3 2
He
01n
31T
p
三氟化硼正比管 氦-3计数管
四、中子与物质的相互作用
4.4 中子的危害
原子核
反冲电子
h 1.0
0.5
YAxisTitle
0.0
入射光子 -0.5 -1.0
0
20
40
60
X Axis Title
B
80
100
散射光子 h
三、γ射线与物质的相互作用
3.3 电子对效应(Electron Pair Effect)
➢ 能量较高(>1.022MeV) 的射线(光子) 从原子核旁经过 时，在核库仑场的作用下，入射光子转化为一个正电 子和一个电子的过程。
二、带电粒子与物质的相互作用
实验结果
❖α粒子质量大，穿透 力弱，一张纸就可以 挡住；
❖β射线质量小，是α粒 子的1/7300，穿透力 强，可穿过皮肤； 与高Z物质作用产生 较强的轫致辐射，所 以使用低Z物质防护， 如铝。
射线与物质的相互作用
三、γ射线与物质的相互作用
❖光电效应 ❖康普顿效应 ❖电子对效应
原子核
1.0 0.5 0.0 -0.5 -1.0
0
20
40
60
X Axis Title
80
入射光子
B 100
光电子
YAxisTitle
三、γ射线与物质的相互作用
3.2 康普顿效应(Compton Effect)
➢ 射线(光子)与核外电子的非弹性碰撞过程。在作用过 程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使它脱离 原子成为反冲电子，而光子受到散射，运动方向和能 量都发生变化，称为散射光子。
0
很大
1
0
很大
在生物组织 穿过的距离
0.04毫米 5毫米
穿过人体 穿过人体
五、总 结
❖射线穿透能力
Company Logo
❖弹性碰撞 ❖非弹性碰撞 ❖中子俘获
四、中子与物质的相互作用
4.1 弹性散射
➢ 中子与物质中原子核碰撞时把部分能量传给原子 核，带有能量的原子核脱出原子,此原子核称反冲 核，而中子本身带着较低能量改变运动方向继续 行进成中子散射，这种现象称弹性碰撞。带电荷 的反冲核获得能量后，在其运动途中可引起物质 电离和激发。
辐射损失。
二、带电粒子与物质的相互作用
2.3 能量损失率
❖电离能量损失率
❖辐射能量损失率
dE dx
ion
z2 v2
NZ
dE dx
rad
z2E m2
NZ 2
z入射粒子电荷数；v入射粒子速度；m入射粒子质量； N靶物质单位体积的原子数；Z靶物质原子的原子序数。
对于α等重带电粒子，电离损失是主要方式； 对于β等轻带电粒子，在高Z物质中辐射能量 损失是不可忽略的。
γ
中子
与束缚电子发生非弹性碰撞
1、与核外电子发生非弹性碰撞 2、与原子核发生非弹性碰撞 1、光电效应 2、康普顿效应 3、电子对效应 1、弹性散射 2、非弹性散射 3、俘获过程
五、总 结
❖射线穿透能力
辐射
α β γ 中子
质量
电荷
在空气重穿 过的距离
4
+2
0.03米
1/1840 -1（+1） 3米
0
出射粒子仍为中子、剩余核仍为原有原子核。
四、中子与物质的相互作用
4.2 非弹性散射
➢ 中子入射到物质原子核内，部分能量传给原子 核，使核处于激发态，中子带着剩余的能量从 核内飞出，激发态核放出 光子损失能量，原子 核回到基态，这种现象称为非弹性碰撞。
入射中子的能量损失不仅使原子核得到反冲， 且使原子核处于激发态。
三、γ射线与物质的相互作用
γ射线对物质的电离作用：
第1步 初级作用
射线
三种作用效应
光电效应 康普顿效应 电子对效应
产生次级电子
第2步 次级作用
电离效应
次级电子使 物质原子电离
三、γ射线与物质的相互作用
3.1 光电效应(Photoelectric Effect)
➢ 射线(光子)与原子中束缚电子作用，把全部能量转移 给某个束缚电子，使之发射出去(称为光电子)，而光 子本身消失的过程，称为光电效应。
核武器辐射探测与防护基础
——射线与物质的相互作用
第二炮兵工程大学核技术与核安全教研室 王继虎
内容
一、引言 二、带电粒子与物质的相互作用 三、γ射线与物质的相互作用 四、中子与物质的相互作用 五、总结
一、引 言
核武器
❖战略威慑作用 ❖大国地位象征
一、引 言
核材料
❖铀、钚、氚
核辐射
❖α粒子、β射线 ❖γ射线、中子
ph Z 5 E7 2
c Z E
p Z 2 E
❖ 采用高Z物质可以有效阻挡射线，例如铅； ❖ 采用高Z物质可提高探测效率，例如碘化钠； ❖ 总的来说，由于射线不带电、无静止质量，穿透力
较强。
射线与物质的相互作用
四、中子与物质的相互作用
➢ 中子与物质的相互作用实质上是 中子与物质原子核的相互作用。
1.0
0.5
YAxisTitle
0.0
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0
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X Axis Title
入射光子
原子核
B
80
100
正电子 电子
三、γ射线与物质的相互作用
3.3 作用截面
➢ 射线与物质发生不同的相互作用都具有一定的概 率，用截面这个物理量来表示作用概率的大小。
❖光电效应截面 ❖康普顿效应截面 ❖电子对效应截面
➢ 入射带电粒子与原子的核外电子通过库仑力作用，使 电子获得能量而引起原子的电离或激发。
电离损失
❖电离
❖激发
二、带电粒子与物质的相互作用
2.2 与原子核的非弹性碰撞
➢ 入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使带电粒 子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射—— 轫致辐射。
➢ 当入射带电粒子与原 子核发生非弹性碰撞 时，以辐射光子损失 其能量，我们称它为
一、引 言
核辐射
❖α粒子：氦核，两个正电荷 ❖γ射线：光子
❖β射线：电子或正电子
❖中 子：不带电
❖无声无味、无色无嗅 ❖组织温度无明显升高
射线与物质的相互作用
辐射探测、防护的基础
射线与物质相互作用的分类
带电粒子辐射
轻带电粒子 （ β射线）
重带电粒子 （ α粒子）
非带电粒子辐射次级电子 Biblioteka 外电子电磁辐射 （ γ射线）
❖弹性碰撞
❖核反应
01n 11H 01n p
14 7
N
01n
164C
p
产生的质子引起物质的电离，人体中有大量的H和 N原子，中子对人电离效应严重，伤害严重。
探测使用含氢物质，如含氢正比管、有机闪烁体等； 防护使用含氢物质，如聚乙烯、石蜡、水等。
五、总 结
❖射线与物质的作用过程
辐射
作用过程
α β
次级重带电粒子 原子核
中子
带电粒子与物质的相互作用
二、带电粒子与物质的相互作用
带电粒子与物质的作用，可分为：
❖ 与物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程 ❖ 与原子核的非弹性碰撞过程
❖ 与原子核的弹性碰撞 ❖ 与核外电子弹性碰撞
两种非弹性碰撞是主要的作用方式
二、带电粒子与物质的相互作用
2.1 与原子核外电子的非弹性碰撞