《微观粒子及其探测原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《微观粒子及其探测原理（106页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 第一章 微观粒子及其探测原理第一章 微观粒子及其探测原理 1 1- -1 1 微观粒子的基本性质微观粒子的基本性质微观粒子的基本性质微观粒子的基本性质 1 1- -2 2 带电粒子探测的基本原理带电粒子探测的基本原理带电粒子探测的基本原理带电粒子探测的基本原理 1 1- -3 3 射线的探测射线的探测射线的探测射线的探测 1 1- -4 4 中子的探测中子的探测中子的探测中子的探测 1 1- -5 5 高能粒子与介质作用和簇射高能粒子与介质作用和簇射高能粒子与介质作用和簇射高能粒子与介质作用和簇射 2 1-1 微观粒子的基本性质微观粒子的基本性质 一、粒子的分类及主要性质一、粒子的分类及主
2、要性质 按粒子参与相互作用的情况来分类按粒子参与相互作用的情况来分类 强子强子参与强相互作用的粒子 重子 参与强相互作用的粒子 重子自旋为1/2和半整数的强子，是费米子， 服从费米狄拉克统计规律。如：质子、 中子、各类超子。 介子 自旋为1/2和半整数的强子，是费米子， 服从费米狄拉克统计规律。如：质子、 中子、各类超子。 介子自旋为整数的强子，是玻色子，服从玻色 爱因斯坦统计规律。如：，k， 自旋为整数的强子，是玻色子，服从玻色 爱因斯坦统计规律。如：，k， 轻子轻子不参与强相互作用的，自旋为1/2的粒子， 如：电子，子，子，各类中微子， 不参与强相互作用的，自旋为1/2的粒子， 如：电子，
3、子，子，各类中微子， 场量子场量子自旋为1，传递相互作用的粒子， 它们是光子，胶子，W、Z中间玻色子。 自旋为1，传递相互作用的粒子， 它们是光子，胶子，W、Z中间玻色子。 3 二、电子二、电子 ? ? 质量最轻的稳定粒子。质量最轻的稳定粒子。质量最轻的稳定粒子。质量最轻的稳定粒子。 ? ? 衰变衰变衰变衰变：原子核内质子和中子互相转换的过程原子核内质子和中子互相转换的过程原子核内质子和中子互相转换的过程原子核内质子和中子互相转换的过程 衰变 衰变衰变衰变 衰变 衰变衰变衰变 轨道电子俘获轨道电子俘获轨道电子俘获轨道电子俘获ECEC 易俘获易俘获易俘获易俘获k k层电子，称作层电子，称作层电子
4、，称作层电子，称作k k俘获，并伴随俘获，并伴随俘获，并伴随俘获，并伴随x x射线发射射线发射射线发射射线发射 或俄歇效应发生。或俄歇效应发生。或俄歇效应发生。或俄歇效应发生。 反电子中微子反电子中微子 e A Z A Z YX+ +1 KeVme511= e A Z A Z YX+ + 1 电子中微子电子中微子 e A Z A Z YeX+ 1 4 粒子能谱是连续谱粒子能谱是连续谱 三个过程都涉及三个物体：粒子、中微子和反 冲核，由于衰变过程中能动量守恒，所以 粒子的 能量由零到最大都有，粒子能谱是连续谱。 三个过程都涉及三个物体：粒子、中微子和反 冲核，由于衰变过程中能动量守恒，所以 粒子
5、的 能量由零到最大都有，粒子能谱是连续谱。 5 一些纯电子源一些纯电子源 6 ? ? 内转换电子内转换电子内转换电子内转换电子 能量能量能量能量从从从从keVkeVkeVkeV 到到到到MeVMeVMeVMeV，为单能。为单能。为单能。为单能。 处于激发态的原处于激发态的原处于激发态的原处于激发态的原 子核通过把能量交给核外电子退激发，核外电子把获得能量的子核通过把能量交给核外电子退激发，核外电子把获得能量的子核通过把能量交给核外电子退激发，核外电子把获得能量的子核通过把能量交给核外电子退激发，核外电子把获得能量的 一部分用以克服结合能，其余作为电子的动能脱离原子。一部分用以克服结合能，其余作
6、为电子的动能脱离原子。一部分用以克服结合能，其余作为电子的动能脱离原子。一部分用以克服结合能，其余作为电子的动能脱离原子。 7 ? ? 俄歇电子俄歇电子俄歇电子俄歇电子 俄歇电子能量比俄歇电子能量比俄歇电子能量比俄歇电子能量比 粒子和内转换电子能量低。粒子和内转换电子能量低。粒子和内转换电子能量低。粒子和内转换电子能量低。 俄歇效应与俄歇效应与俄歇效应与俄歇效应与x x x x射线发射是互相竞争的两个过程。射线发射是互相竞争的两个过程。射线发射是互相竞争的两个过程。射线发射是互相竞争的两个过程。 原子内壳层失去一个电子出现一个空穴时，外原子内壳层失去一个电子出现一个空穴时，外原子内壳层失去一个
7、电子出现一个空穴时，外原子内壳层失去一个电子出现一个空穴时，外 壳层电子就可能跃迁来填补空穴，同时发射壳层电子就可能跃迁来填补空穴，同时发射壳层电子就可能跃迁来填补空穴，同时发射壳层电子就可能跃迁来填补空穴，同时发射x x x x 射线。若不发射射线。若不发射射线。若不发射射线。若不发射x x x x射线而将能量交给另一个壳射线而将能量交给另一个壳射线而将能量交给另一个壳射线而将能量交给另一个壳 层电子，使其克服结合能而发射出去，这个过层电子，使其克服结合能而发射出去，这个过层电子，使其克服结合能而发射出去，这个过层电子，使其克服结合能而发射出去，这个过 程就是俄歇效应，打出的电子就是程就是俄
8、歇效应，打出的电子就是程就是俄歇效应，打出的电子就是程就是俄歇效应，打出的电子就是俄歇电子。俄歇电子。俄歇电子。俄歇电子。 ? ? 电子加速器电子加速器电子加速器电子加速器 如如如如BESBESBESBES、LEPLEPLEPLEP等，加速后的电子能量可达等，加速后的电子能量可达等，加速后的电子能量可达等，加速后的电子能量可达GeVGeVGeVGeV 量级。量级。量级。量级。 8 9 三、重带电粒子三、重带电粒子 ? ? 质子质子质子质子 HH原子核，原子核，原子核，原子核，mm p p =938MeV=1836m=938MeV=1836m e e ，带带带带1 1个正电荷。个正电荷。个正电荷
9、。个正电荷。 ? ? 粒子粒子粒子粒子 HeHe原子核，由原子核，由原子核，由原子核，由2 2个质子和个质子和个质子和个质子和2 2个中子组成，带个中子组成，带个中子组成，带个中子组成，带2 2个正个正个正个正 电荷。电荷。电荷。电荷。 ? ? 衰变衰变衰变衰变 ? ? 核裂片核裂片核裂片核裂片重核裂变产生两个裂变碎片。根据动量守恒，重核裂变产生两个裂变碎片。根据动量守恒，重核裂变产生两个裂变碎片。根据动量守恒，重核裂变产生两个裂变碎片。根据动量守恒， 每个碎片向相反方向发射。是带多电荷的正离子。每个碎片向相反方向发射。是带多电荷的正离子。每个碎片向相反方向发射。是带多电荷的正离子。每个碎片向
10、相反方向发射。是带多电荷的正离子。 如如如如235 235U U吸收一个慢中子裂变产生两个 吸收一个慢中子裂变产生两个吸收一个慢中子裂变产生两个吸收一个慢中子裂变产生两个裂片，裂片，裂片，裂片，质量小的平均质量小的平均质量小的平均质量小的平均 质量数质量数质量数质量数mm 1 1 =96=96，总电荷总电荷总电荷总电荷 QQ 1 1 20e20e；质量大的平均质量数质量大的平均质量数质量大的平均质量数质量大的平均质量数 mm 2 2 =139=139，总电荷总电荷总电荷总电荷 QQ 2 2 72e72e。 ? ? 重离子重离子重离子重离子 Z2Z2的离子，核裂片是其中一种，存在与宇宙线的离子，
11、核裂片是其中一种，存在与宇宙线的离子，核裂片是其中一种，存在与宇宙线的离子，核裂片是其中一种，存在与宇宙线 中，也可以通过把原子的核外电子直接剥离产生，一般中，也可以通过把原子的核外电子直接剥离产生，一般中，也可以通过把原子的核外电子直接剥离产生，一般中，也可以通过把原子的核外电子直接剥离产生，一般 用重离子加速器产生并加速，以增加其能量。用重离子加速器产生并加速，以增加其能量。 )( 4 2 4 2 HeYX A Z A Z + 用重离子加速器产生并加速，以增加其能量。用重离子加速器产生并加速，以增加其能量。 10 Bi的衰变及的衰变及Tl的能级的能级 11 Bi的能谱的能谱 12 13 1
12、4 四、射线和四、射线和x射线射线 ? ? 电磁波，静止质量为电磁波，静止质量为电磁波，静止质量为电磁波，静止质量为0 0，具有波粒二象性。，具有波粒二象性。，具有波粒二象性。，具有波粒二象性。 ? ? 波长比普通光波短很多，波长比普通光波短很多，波长比普通光波短很多，波长比普通光波短很多， 波长波长波长波长10MeV 26 六、放射性衰变的基本规律六、放射性衰变的基本规律 1. 1. 指数衰减规律指数衰减规律指数衰减规律指数衰减规律 N0：t=0时刻的原子核数目时刻的原子核数目 N： t时刻的原子核数目 ： 衰变常数，单位时间每个原子核衰变的几率 时刻的原子核数目 ： 衰变常数，单位时间每个
13、原子核衰变的几率 t eNN NdtdN = = 0 , 27 2. 核衰变的时间特性核衰变的时间特性 ? ? 半衰期半衰期半衰期半衰期T T1/2 1/2： ： 放射性原子核数目衰放射性原子核数目衰放射性原子核数目衰放射性原子核数目衰 减到一半所需的时间减到一半所需的时间减到一半所需的时间减到一半所需的时间 ? ? 平均寿命平均寿命平均寿命平均寿命 ： 放射性原子核数目衰放射性原子核数目衰放射性原子核数目衰放射性原子核数目衰 减到减到减到减到1/1/1/1/e e e e所需的时间所需的时间所需的时间所需的时间 ? ? 能级宽度能级宽度能级宽度能级宽度 ： 粒子处在某一状态有一定的时间范围，
14、粒子处在某一状态有一定的时间范围，粒子处在某一状态有一定的时间范围，粒子处在某一状态有一定的时间范围， 处在该状态的平均时间称为寿命，或处在该状态的平均时间称为寿命，或处在该状态的平均时间称为寿命，或处在该状态的平均时间称为寿命，或 称这个能级有一定宽度。称这个能级有一定宽度。称这个能级有一定宽度。称这个能级有一定宽度。 2/1 002/1 2 1 T eNNNTt =时， 693. 02ln 2/1 =T =eNN e Nt 00 1 时， 1 , 1= ? = 28 ?放射性活度放射性活度 单位时间放射性物质的衰变数单位时间放射性物质的衰变数 ?单位单位 居里（Ci）：3.71010衰变
15、/s，mCi，Ci 贝可勒尔（Bq）：1衰变 /s ，1Ci=3.71010Bq KBq，MBq 居里（Ci）：3.71010衰变 /s，mCi，Ci 贝可勒尔（Bq）：1衰变 /s ，1Ci=3.71010Bq KBq，MBq t eAN dt dN A = 0 N放射性核数N放射性核数 衰变常数 A0t=0时刻的放射性活度 衰变常数 A0t=0时刻的放射性活度 3. 放射性活度及单位放射性活度及单位 29 比放射性活度(比活度）比放射性活度(比活度） 放射性样品中某种放射性核素的活度与样品放射性样品中某种放射性核素的活度与样品 质量（或体积）之比，即单位质量的放射性质量（或体积）之比，即单位质量的放射性 样品内该核素的活度。其单位是kBq.g-1 、样品内该核素的活度。其单位是kBq.g-1 、 MBq.g-1等。MBq.g-1等。 浓度浓度 对放射性溶液和气体常用放射性浓度来表示对放射性溶液和气体常用放射性浓度来表示 其中所含有的某放射性核素的量，其含意是其中所含有的某放射性核素的量，其含意是 单位体积溶液或气体中所含的该核素的活度。单位体积溶液或气体中所含的该核素的活度。 其单位是Bq.L-1、Bq.m-3 、kBq.L-1等。其单位
