伽马射线与物质相互作用

1 、比 较 钋 的 粒 子（ E α =5.3MeV ）在 空 气 中 ，铝 中 和 铅 中 得 射 程 。在 空 气 中 能量完全损耗能产生多少对离子？ 2、 RaE 的 β 射 线 谱 得 最 大 能 量 为 1.17MeV ， 用铅屏蔽， 吸 收 90% 需 要 厚 度 （ mm ） 是多少？ 3 、 试 求 ThC 的 γ 射 线 通 过 物 质 发 生 康 普 顿 散 射 ， 其 能 量 损 失 25% ， 问 反 冲 电子能量多大？ 4 、 试 求 ThC 的 γ 射 线 （ E=2.62MeV ） ， 通 过 厚 度 为 5cm 、 10cm 铅 板 时 的 衰 减率。 5 、 测 量 γ 射 线 的 探 测 器 与 入 射 射 线 夹 角 成 90 度 方 向 ， 分 别 使 用 Cs 65 （ 0.662MeV ）和 Zn（ 1.114MeV ）作 放 射 源 ，分 别 以 铝 和 铅 作 散 射 体 ，试 问 测 得 的散射相对强度如何？
dI = − µ a ⋅ N ⋅ I 0 dx
解得：
I = I 0 e − µx
在一些情况下为避免密度的影响，公式表示为：
式中：dM=
称质量厚度，单位为 g/cm2。
I = I 0 e − µ m ⋅d m
μm=μ/ρ称质量衰减系数，单位为 cm2/g。
Ee + Ee+ + 2m0 c 2 = Eγ
； 2m0 c 2 = 1.022MeV
Ee 、 Ee+ 、 Eγ 分别为电子、 正电子、入射γ射线的能量。
四、γ射线在物质中的衰减 光子在物质中穿行一段距离时，有的与物质发生了相互作用，有的则没有发生。经过相 互作用的光子数可用发生相互作用的几率来表示。 线衰减系数就是入射光子在物质中穿行单 位距离时，平均发生总的相互作用的几率。 若吸收物质单位体积中原子数为 N，密度为ρ，入射初始γ射线强度（照射量率）为 I0, 在物质厚度为 x 处，测得γ射线强度为 I；则通过 dx 厚度， γ射线强度的变化为 dI，可用 下式表示：
2
2m0 v 2 4πz 2 e 4 dE NZ ln = − m0 v 2 dx ion I
能量损失率又称为物质的阻止本领。
1 2 ln + − β 2 1− β
1）能量损失率与入射α粒子的速度关系密切；速度大，能量损失率低。 2）能量损失率与 NZ 成正比。 α 粒子在物质中的射程（R） ：α 粒子在物质中运动，不断损失能量。当能量殆尽， 运动终止，所穿过的最大距离。
137
6 、 RaA 的 α 粒 子 在 空 气 中 射 程 是 4.62cm ，试 求 在 铅 中 射 程 ？（ 铝 的 原 子 质 3 量 是 A=27 ， 密 度 为 ρ =2.7g/cm ） 。 7 、如 果 入 射 光 的 波 长 为 0.02cm ，通 过 物 质 产 生 光 电 反 应 ，计 算 在 入 射 前 进 方 向 30 度 和 90 度 方 位 得 散 射 光 子 和 反 射 电 子 的 能 量 。 8、 为 什 么 α 粒 子 在 空 气 中 的 路 径 时 一 条 直 线 ？ 9 、 用 铝 片 作 β 射 线 吸 收 实 验 ， 测 得 射 程 为 1.05 g/cm ， 求 该 β 射 线 的 最 大 能量？ 10 、 已 知 γ 线 能 量 为 3 MeV ， 如 果 吸 收 其 能 量 得 95% ， 应 用 多 厚 的 铅 板 ？ 教学内容提要： 第一节 带电粒子与物质的相互作用 一、α 粒子与物质的相互作用 α 粒子与物质的相互作用的过程主要为电离和激发 α 粒子电离能量的损失率（-dE/dx）
式中：m 为反冲电子以速度 v 运动时具有的质量；c 为光速； 散射射线和反冲电子的动能。 三、电子对效应 当入射光子的能量大于 2m0v2 时，入射γ光子在库仑场作用下能量完全被吸收，电子从 负能级跃迁到正能级，同时放出一对正、负电子，这就是电子对效应。 、 、mv 为γ射线、
电子对效应示意图 能量关系为： 式γ 射线与原子的壳层电子相碰撞，将一部分能量传给电子，使获得的能量的电子沿 γ 射线入射方向成φ角射出原子之外。损失能量之后的光子成θ角方向散射出去。 如果入射γ射线能量为 Eγ,散射能量为 Eγˊ，反冲电子能量为 E0。根据能量和动量守恒 定律，三者关系为：
Eγ Eγ / = cos θ + mv cos ϕ c c Eγ / sin θ = mv sin ϕ c Eγ = Eγ / + E0
R = ∫ dE /(−dE / dx)
E0
0
α粒子射程 对曲线 A 求微分得到曲线 B，A 曲线与横坐标的交点 Rmax 为最大射程。
二、β射线与物质的作用 β射线在物质中德主要作用过程是电离、轫致辐射和多次散射 1）电离与激发 2）轫致辐射 3）β射线的散射 4）β射线的射程和衰减 轫致辐射（又称轫致 X 射线） ：β粒子（电子）接近原子核时，受到库仑场的作用，使 速度迅速降低；一部份动能转变为电磁波（光子） ；这种作用过程称为轫致辐射。 β射线的射程和衰减 实验结果表明，物质对β射线的吸收过可以近似用指数规律来表示：
I = I 0 e − µd
第二节 γ射线与物质相互作用 一、光电效应 γ光子产生光电效应的截面是τa 则
τ =τaN
N = ρ ⋅ L0 / A
τ称为光电吸收系数，或光电吸收（效应）截面
式中：N 可以由物质的密度ρ、原子质量数和阿伏加德罗常数 L0 求出，即
不同 γ 光子能量时光电子分布
γ 射线通过物质， 与物质原子相碰撞， 可能使全部能量传递给原子， 入射的 γ 射线 （光 子）全部消失。能量在原子中分配，使结合能适当的电子获得能量克服原子核的束缚（结合 能） 发射出去， 并使原子受到反冲。 这样的作用过程称为光电效应， 发射的电子称为光电子。 ； 散射后能量不变的，仅改变运动方向的称为弹性散射（又称相干散射） 散射后能量和运动方向都发生变化的散射，称为康普顿散射（又称非相干散射）
第二章 射线与物质的相互作用 reciprocity of Radial and matter
学时：6 学时 基本内容： ① 基本概念：电离、激发、射程、平均电离能、能量损失、轫致辐射、光电效应、康 普顿效应、电子对效应 ② 基础知识： 带电粒子与物质相互作用的一般过程、 带电粒子与物质相互作用的一般特 点、α粒子与物质的相互作用、β粒子与物质的相互作用、以及电离能量损失、光电效应、 康——吴散射、形成电子对效应、核辐射对人身体的影响、剂量当量的限值、防护基本原则 和防护措施 重点、难点：α、β粒子与物质的相互作用过程和特点、光电效应的结果与仪器原理的 关系、康——吴散射的作用与几率分配关系、γ射线在物质中的衰减规律、1、剂量当量的 限值、防护基本原则 教学思路： 先介绍带电粒子与物质的相互作用， 然后讲解γ射线与物质相互作用的过程 。其中，与物质相互作用过程等部分详细讲解。最后知道核辐射对人身体所产生的影响。 主要参考书： ①程业勋、王南萍等编著《核辐射场与放射性勘查》 ，地质出版社，2005. ②吴慧山主编《核技术勘查》 ，原子能出版社，1998. ③李星洪等编著《辐射防护基础》 ，原子能出版社，1982 复习思考题：