《第四讲射线与物质的相互作用（3）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四讲射线与物质的相互作用（3）（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四讲第四讲 射线与物质的相互作用（射线与物质的相互作用（3 3）Radiation Interactions with Matter光子光子与物质的相互作用与物质的相互作用A. Gamma Rays Following Beta DecayGamma radiation is emitted by excited nuclei in their transition to lower lying nuclear levels.Notes:1) For common examples widely used as gamma ray calibration sources. In each c
2、ase, a form of beta decay leads to the population of excited state in the daughter nucleus.2) The gamma rays from any one transition are nearly monoenergetic.3) The common gamma ray source based in beta decay are generally limited to energies below about 2.8 MeV.1 Source of Electromagnetic Radiation
3、When the parent nucleus undergoes beta-plus decay, additional electromagnetic radiation is generated. The origin lie in the fate of the positrons emitted in the primary decay process.Annihilation Radiation:The original positron and electron disappear and are replaced by two oppositely directed 0.511
4、MeV electromagnetic photons known as annihilation radiation.Example: the decay of 22Na:B. Annihilation RadiationC. Gamma Ray Following Nuclear ReactionsIf gamma rays with energies higher than those available from beta-active isotopes are needed, some other process must lead to the population of high
5、er-lying nuclear states.Example 1:4.44MeV Example 2: 6.130MeV Notes:1) For monoenergetic electron that slow down and stop in a given material, the Bremsstrahlung energy spectrum is a continuum with photon energies that extend as high as the electron energy itself.2) The shape of the energy spectrum
6、from an x-ray tube can be beneficially alter by filtration or passage through appropriate absorber materials.3) Bremsstrahlung is also produced by other source of fast electrons, including beta particles.I4) In addition to Bremsstrahlung, characteristic x-rays are also produced when fast electron pa
7、ss through an absober. Therefore, the spectra from x-ray tubes or other Bremsstrahlung sources also show characteristic x-ray emission lines superimposed on the continuous Bremsstrahlung spectrum.D. BremsstrahlungWhen fast electrons interaction in matter, part of their energy is converted into elect
8、romagnetic radiation in the form of Bremsstrahlung.If the orbital electrons in an atom are disrupted from their normal configuration by some excitation process, the atom may be exist in an excited state for a short period of time. There is a nature tendency for the electrons to rearrange themselves
9、to return the atom to its lowest energy state or ground state within a time that is characteristically a nanosecond or less in a solid material.The energy librated in the transition from the excited to the ground state takes the form of a characteristic x-ray photon whose energy is given by the ener
10、gy difference between the initial and final states.E. Characteristic X-RaysE. Characteristic X-Rays核辐射测量学中的光子核辐射测量学中的光子电磁辐射电磁辐射特征特征 射线：射线：湮没辐射：湮没辐射：核能级跃迁核能级跃迁正电子湮没产生正电子湮没产生特征特征X射线：射线：原子能级跃迁原子能级跃迁轫致辐射：轫致辐射：带电粒子速度或运动带电粒子速度或运动方向改变产生方向改变产生2.光子与物质相互作用的特点：光子与物质相互作用的特点： 光子光子是通过是通过次级效应次级效应( (一种一种“单次性单次性”的的随
11、机事件随机事件) )与物质的原子或原子核外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，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光子或者消失或者受到散射而损失能量，同时产生同时产生次电子次电子； 次级效应次级效应主要的方式有主要的方式有三种三种，即，即光电效光电效应应、康普顿效应康普顿效应和和电子对效应。电子对效应。 射线射线与物质发生不同的相互作用都具有一与物质发生不同的相互作用都具有一定的定的概率概率，仍用，仍用截面截面这个物理量来表示作这个物理量来表示作用概率的大小。而且，用概率的大小。而且，总截面总截面等于等于各作用各作用截面之和截面之和，即：，即
12、：总截面总截面光电效应截面光电效应截面康普顿效应截面康普顿效应截面电子对效应截面电子对效应截面3.光电效应光电效应Photoelectric Effect 射射线线( (光光子子) )与与物物质质原原子子中中束束缚缚电电子子作作用用，把把全全部部能能量量转转移移给给某某个个束束缚缚电电子子，使使之之发发射射出出去去( (称称为为光光电电子子photoelectron) )，而而光光子子本本身身消消失失的的过程，称为过程，称为光电效应光电效应。 光光电电效效应应是是光光子子与与原原子子整整体体相相互互作作用用，而而不不是是与与自自由由电电子子发发生生相相互互作作用用。因因此此，光光电电效效应应主
13、要发生在原子中结合的主要发生在原子中结合的最紧的最紧的 K层电子上。层电子上。 光光电电效效应应发发生生后后，由由于于原原子子内内层层电电子子出出现现空空位位，将发生发出，将发生发出特征特征X X射线射线或或俄歇电子俄歇电子的过程。的过程。1) 光电子的能量光电子的能量由由能量守恒能量守恒：因此，因此，光电子能量光电子能量为：为：光电效应光电效应是是光子光子与与原子整体原子整体的相互作用，的相互作用，而而不是不是与与自由电子自由电子的相互作用。否则的相互作用。否则不能不能同时同时满足满足能量能量和和动量守恒动量守恒。2) 光电截面光电截面入射光子入射光子与与物质原子物质原子发生发生光电效应光电
14、效应的的截面截面称之为称之为光电截面光电截面。 k为为k层光电截面层光电截面理论上可给出的光电效应截面公式。理论上可给出的光电效应截面公式。对：对：，即非相对论情况，即非相对论情况 ，经典电子散射截面，又，经典电子散射截面，又称称ThomsonThomson截面截面。 对：对：，即相对论情况，即相对论情况 对：对：与与吸收限吸收限有关，在吸收限有关，在吸收限 处出现阶跃而成锯齿状。处出现阶跃而成锯齿状。光电效应截面光电效应截面小结小结：对于对于选择探测器选择探测器的的材料材料的提示：的提示：对对防护、屏蔽防护、屏蔽 射线射线的提示：的提示：(1) (1) 与吸收材料与吸收材料Z的关系的关系 光
15、子能量越高光子能量越高，光电效应截面越小光电效应截面越小。(2) (2) 与射线能量的关系与射线能量的关系采用采用高原子序数的材料，高原子序数的材料，可可提高探测效率提高探测效率。采用采用高高Z Z材料材料可以有效阻挡可以有效阻挡 射线射线。+3) 光电子的角分布光电子的角分布光电子的角分布光电子的角分布代表进入平均角度为代表进入平均角度为 方向的方向的单位立体角内单位立体角内的的光电子数的比例。光电子数的比例。相对相对于于入射入射 光子方向光子方向的角度。的角度。在在不同出射方向不同出射方向光电子的光电子的产额产额是不同的，这种截是不同的，这种截面对于空间的微分，也就是面对于空间的微分，也就
16、是微分截面微分截面。光电子角分布的特点光电子角分布的特点：(1) (1) 在在 0 0 和和 180180 方向方向没有光没有光电子电子飞出；飞出；(2) (2) 光电子在光电子在哪一哪一角度出现最大概率角度出现最大概率与与入入射光子能量有关射光子能量有关；当入射光子；当入射光子能量低能量低时，时，光电子趋于光电子趋于垂直方向发射垂直方向发射，当光子，当光子能量较能量较高高时，光电子趋于时，光电子趋于向前发射向前发射。4.康普顿效应康普顿效应 Compton Effect 康普顿效应康普顿效应是是 射线射线( (光子光子) )与与核外电子核外电子的的非弹性碰撞非弹性碰撞过程。在作用过程中，入射
17、光子的过程。在作用过程中，入射光子的一部分能量一部分能量转移给转移给电电子子，使它脱离原子成为，使它脱离原子成为反冲电子反冲电子，而光子受到散射，其，而光子受到散射，其运动方向运动方向和和能量能量都都发生变化，发生变化，称为称为散射光子。散射光子。 康康普普顿顿散散射射可可近近似似为为光光子子与与自自由由电电子子发发生生相相互互作作用用（弹弹性性碰碰撞撞）。康康普普顿顿效效应应主主要要发发生生在在原原子子中中结结合合的的最松的最松的外外层电子上。层电子上。1) 1) 反冲电子反冲电子与与散射光子散射光子的的能量能量与与散射散射角角及及入射光子入射光子能量能量之间的关系之间的关系光子的能量：光子
18、的能量：电子的动能：电子的动能：光子的动量：光子的动量：电子的动量：电子的动量：相对论关系：相对论关系：由由能量守恒能量守恒由由动量守恒动量守恒可得到：可得到：散射光子能量：散射光子能量：反冲电子能量：反冲电子能量：反冲角：反冲角：小结：小结：(1) (1) 散射角散射角 0 0 时，时，表明：表明：入射光子从电子旁边掠过，未受到散入射光子从电子旁边掠过，未受到散射，光子未发生变化。射，光子未发生变化。(2) (2) 散射角散射角 180180 时，时，散射光子能散射光子能量最小量最小，而，而反冲电子能量最大反冲电子能量最大。(3) (3) 散射角散射角 在在0 0 180180 之间连续之间
19、连续变化；反冲角变化；反冲角 在在9090 0 0 相应变化。相应变化。2) 康普顿散射截面康普顿散射截面入射光子入射光子与与单个电子单个电子发生发生康普顿效应康普顿效应的的截截面面称之为称之为康普顿散射截面康普顿散射截面。近似与光子能量成反比。近似与光子能量成反比。近似与入射光子能量无关，为常数。近似与入射光子能量无关，为常数。对对整个原子整个原子的康普顿散射的的康普顿散射的总截面总截面Z 大大，康普顿散射截面，康普顿散射截面大大；入射粒子能量入射粒子能量大大，康普顿散射截面，康普顿散射截面小小。康普顿散射截面与入射光子能量的关系比康普顿散射截面与入射光子能量的关系比光电效应要缓和。光电效应
20、要缓和。其中其中康普顿散射的康普顿散射的微分截面微分截面表示表示散射光子散射光子落在某落在某 方向方向单位立体角单位立体角内的内的概率概率。可由可由KleinNihsina公式给出：公式给出：微分截面有时也用微分截面有时也用 表示表示那么，那么， 和和 什么关系？什么关系？3) 反冲电子的反冲电子的角分布角分布和和能量分布能量分布为为反冲电子反冲电子落在落在 方向方向单位立体角内单位立体角内的的概率。概率。为为反冲电子反冲电子落在落在 方向方向单位反冲角内单位反冲角内的的概率。概率。为为反冲电子反冲电子落在落在Ee处处单位能量间隔单位能量间隔的概的概率。率。反冲电子反冲电子的的能量分布能量分布
21、，即，即反冲电子的能谱反冲电子的能谱。小结：小结：(1) (1) 任何一种任何一种单能单能 射线射线产生的产生的反冲电子的动能反冲电子的动能都是都是连续分布连续分布的。且存在的。且存在最大反冲电子动能最大反冲电子动能。(2) (2) 在在最大反冲电子动能处最大反冲电子动能处，反冲电子数目，反冲电子数目最多最多，在在能量较小处能量较小处，存在一个，存在一个坪坪。5. 电子对效应电子对效应 Pair Production 电电子子对对效效应应是是当当入入射射 射射线线( (光光子子) )能能量量较较高高( (1.022MeV1.022MeV) )时时，当当它它从从原原子子核核旁旁经经过过时时，在在
22、核核库库仑仑场场的的作作用用下下，入入射射光光子子转转化化为为一一个个正正电电子子和和一个电子一个电子的过程。的过程。 电子对效应电子对效应除涉及除涉及入射光子入射光子与与电子对电子对以外，必以外，必须有第三者须有第三者原子核的参与，否则不能同时满原子核的参与，否则不能同时满足能量和动量守恒。电子对效应要求入射光子的足能量和动量守恒。电子对效应要求入射光子的能量必须大于能量必须大于1.022MeV1.022MeV。1) 1) 正负电子的能量正负电子的能量由由能量守恒能量守恒：因此，因此，正负电子的总动能正负电子的总动能为：为：总动能是在总动能是在电子电子和和正电子正电子之间随机分配之间随机分配
23、的，都可以从的，都可以从 取值。取值。 由由动量守恒动量守恒，电子和正电子应沿着入射光，电子和正电子应沿着入射光子方向的子方向的前向角度前向角度发射。发射。2) 2) 正负电子的运动方向正负电子的运动方向 而且，而且，入射光子的能量越高入射光子的能量越高，正负电子的正负电子的发射方向越是前倾发射方向越是前倾。3) 3) 电子对效应的截面电子对效应的截面当：当： 时：时：电子对效应截面电子对效应截面随随Z的的增加而增加增加而增加，也也随入射粒子的能量随入射粒子的能量的的增加而增加增加而增加。当：当： 稍大于稍大于 时：时：4) 4) 电子对效应的后续过程电子对效应的后续过程正电子的湮没。正电子的
24、湮没。0.511MeV 0.511MeV 的湮没辐射的湮没辐射正电子湮没正电子湮没 衰变衰变电子对效应电子对效应分析分析 能谱时，若发现：能谱时，若发现：Summary 5. 其他作用过程其他作用过程(1)(1) 相干散射相干散射RayleighRayleigh散射散射，是，是低能光子低能光子与与束缚电子束缚电子间的间的弹性散射。弹性散射。其机制是电子在电磁辐其机制是电子在电磁辐射的作用下受迫振动变成电偶极子，向外辐射电射的作用下受迫振动变成电偶极子，向外辐射电磁辐射，入射光子频率不变，所以是磁辐射，入射光子频率不变，所以是弹性散射弹性散射。而康普顿散射是非弹性散射。而康普顿散射是非弹性散射。
25、(2)(2) 三产生三产生当入射光子能量当入射光子能量大于大于10MeV10MeV后，后，在电子对产生的同时，核外还会发射一个电子，在电子对产生的同时，核外还会发射一个电子，即产生即产生“一电子对一电子对”加加“一反冲电子一反冲电子”。6. 物质对物质对 射线的吸收射线的吸收(1)(1) 窄束窄束 射线强度的衰减规律射线强度的衰减规律 为光子与吸收物质作用的截面；为光子与吸收物质作用的截面；N为吸收物质单位体积的原子数；为吸收物质单位体积的原子数；I0为为 射线入射强度；射线入射强度；D为吸收物质厚度。为吸收物质厚度。对上面的方程积分：对上面的方程积分：在在tt+dt层内层内单位时间光子数的变
26、化单位时间光子数的变化为：为：等于在该层物质内等于在该层物质内单位时间发生的作用数。单位时间发生的作用数。光子束通过物质时光子束通过物质时的强度为：的强度为：其中：其中：线性吸收系数线性吸收系数又称为又称为宏观截面宏观截面质量吸收系数：质量吸收系数：质量厚度：质量厚度：质量吸收系数质量吸收系数与与物质状态物质状态无关。无关。与与带带电电粒粒子子不不同同， 射射线线没没有有射射程程的的概概念念。窄窄束束 射射线线强强度度衰衰减减服服从从指指数数衰衰减减规规律律，只只有有吸吸收收系系数数及相应的及相应的半吸收厚度半吸收厚度的概念。的概念。(2)(2) 非窄束非窄束 射线强度的衰减规律射线强度的衰减规律积累因子积累因子detectorsourcedirectscatteredBuildup factor, depends on the type of gamma ray detector and the geometry of the experiment.Buildup 积累因子积累因子
