伽马射线与物质相互作用
第三章-射线与物质的相互作用
第三章射线与物质的相互作用 一·电离：电离辐射非电离辐射 阿尔法粒子（氦）易发生电离，但易被阻挡 （电离只能由高能粒子发生） 粒子：1·激发态：（低能态-高能态）M ~M+ 和电子 剥离内层电子即激发过程（电离过程） 2·退激发态：由高能态-低能态 直接电离与间接电离 直接电离： 间接电离： 强电离弱电离中等电离
二· 放射源接收器（检测器） 射程计算：电子对/距离 - 电离强度 （二）·贝塔射线与物质的相互作用（中等电离辐射） 质量小 - 作用于电子（核外电子）上 作用于物质时引起直接电离 致辐射：用轰击重金属核 （三）·伽马 X射线 光电效应：光子能量小于1.0 电子伏特 光电子：由光电效应引起的所剥离的自由电子 内层电子被剥离后产生“空穴”使得外层电子进入内层被称 为俄歇电子 康普顿散射： 0.2-5.0 电子伏特 部分能量被吸收剩余的继续作用 高能光子散射角度较小 低能光子散射角度较大
即受光子能量影响 电子对：光子能量大于1.02 电子伏特产生正电子负电子正负电子湮灭释放能量（质量变为能量并释放光子能量与之前相 同）但能量来源于之前的光子 光子与物质之间的作用>30种 原子序数与光子能量关系图（包含光电效应康普顿效应电子对） （四）·中子 中子一般来源于核反应 快中子能量高速度快 弹性散射：小核 非弹性散射：大核 中子俘获：减速以后的中子（也是快中子）会发生被俘获后发出伽马射线 （大原子如铱192） 热中子：由快中子蜕变
快电子重带电粒子 快电子的速度大；重带电粒子相对速度小； 快电子除电离损失外，辐射损 失不可忽略；重带电粒子主要通过电离损失而 损失能量； 快电子散射严重重带电粒子在介质中的运动径迹 近似为直线 阿尔法射线与束缚电子发生非弹性碰撞-------电离，激发 贝塔射线与核外电子发生非弹性碰撞——电离，激发，致辐射伽马射线 X射线光电反应 -----光子被吸收 康普顿散射----光子被散射 弹性散射------产生两个光子 中子非弹性散射------ 光子 中子俘获-------其他辐射
X射线与物质相互作用
第三节 X 射线与物质相互作用 我们前面讲过当X 射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透射光电效应等 一、X 射线的散射 X 射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使X 射线光子偏离原射线方向，即发生散射。X 射线的散射现象可分为相干散射和非相干散射。 1、相干散射及散射强度 当X 射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X 射线波长相同的散射X 射线，称为经典散射。由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。 按动力学理论，一个质量为m 的电子，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R 处的某点，对一束非偏振X 射线的散射波强度为： I e =I 0)2 2cos 1(24224θ+C m R e 它表示一个电子散射X 射线的强度，式中f e =e 2/mC 2称为电子散射因子。2 2cos 12θ+称为极化因子或偏振因子。它是由入射波非偏振化引起的 I e =I 0)2 2cos 1(109.72226θ+?-R 从上式可见（书P5） 相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。可见相干散射是X 射线衍射技术的基础。 2、 非相干散射 当入射X 射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿散射
这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固 定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。 二、X 射线的透射 X 射线射线透过物质后强度的减弱是X 射线射线光子数的减少，而不是X 射线能量的减少。所以，透射X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。 X 射线与物质相互作用，实质上是X 射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的X 射线易穿过物质，长波长X 射线易被物质吸收。 三、X 射线的吸收 长波长X 射线被物质吸收时，能量向其他形式转变。X 射线能量除转变为热量之外，，还可以转变为电子电离，荧光产生，俄歇电子形成等光电效应。 1、光电效应 电离是指当入射光子能量大于物质中原子核对电子的束缚能时，电子将吸收光子的全部能量而脱离原子核的束缚，成为自由电子。被激出的电子称为光电子。这种因为入射线光子的能量被吸收而产生光电子的现象称为光电效应。 ① 荧光效应①② 指当高能X 射线光子激发出被照射物质原子的内层电子后，较外 层电子填其空穴而产生了次生特征X 射线（或称为二次特征辐射）的现象。 因其本质上属于光致发光的荧光现象，即与短波射线激发物质产 生次生辐射的荧光现象本质相同，故也称为荧光效应或荧光辐射。 要产生荧光效应，显然入射X 射线光量子能量h ν必须等于或大 于将此原子某一壳层的电子激发出所需要的脱出功。因此产生某系激发都有一个某系激发的最长波长，即激发限。该波长必须满足λi = ι ν24.1（nm ） 荧光效应与X 射线管产生特征X 射线的过程相似，不同之处在于：
第三章 射线与物质的相互作用
第三章射线与物质的相互作用 上一章讨论了原子核的放射性。原子核在衰变过程中，放射出各种各样的粒子。本章讨论这些粒子与物质的相互作用。 本章所述的射线，泛指核衰变或核裂变放出的粒子，或由加速器，核反应 β等等。 堆产生的各种各样的粒子，如n , , ,, ,3γ He x , d t a, 本章所涉及的物质，可以是气体液体和固体，可以是单质也可以是化合物或混合物。通常叫做靶物质。 本章要讨论的是当粒子通过物质时所发生的各种相互作用和效应。了解射线与物质的相互作用的意义在于：（1）理解射线与物质相互作用的机理，增加人们对微观世界的认识；（2）由射线与物质相互作用的实验，例如散射实验，可以提供有关原子和原子核结构的知识（3）各种探测器都是依据射线与物质相互作用的机制、特点来设计和制造的。因此，研究射线与物质相互作用的认识，为制造这些设备提供了依据（提供基础知识）（4）射线通过物质时要造成辐射损伤，我们可以根据射线与物质相互作用的知识，进行有效的辐射防护（5）根据射线与物质相互作用的知识，开展核技术和各个学科领域的应用。如在核测井方法中，密度测井就是根据γ射线与物质相互作用的规律来测量地层密度的。 在本章中对于带点粒子与物质相互作用只作简要介绍，着重讨论γ射线与物质的相互作用。有关中子与物质的相互作用在第六章讨论。 §１带电粒子与物质的相互作用 α、β、γ射线穿透物质时，要与靶物质发生相互作用．这种相互作用涉及两个方面： （1）射线（2）靶物质。不同的射线与物质相互作用的机制不同；而不同的靶物质即使对于同种射线的作用也有差异。 对于射线按带电与否可分为：荷电粒子，如α、β及各种离子：不带电粒子：如γ、n等 再按质量的大小分：重带电粒子；轻带电粒子。
第2章 X射线及其与物质的相互作用
第二章 X射线及其与物质的相互作用
X-Rays and Their Interaction with Matter
Outline
2.1 X射线－波和光子(X-rays—Wave and Photons) 2.2 散射（Scattering） 电子 － 原子 － 分子（晶胞）－ 晶体 2.3 吸收（Absorption） 2.4 折射和反射（Refraction and Reflection） 2.5 相干 (Coherence) 2.6 磁的相互作用 (Magnetic Interactions)
§ 2.1 X射线－波/光子 (X-rays－Waves / Photons)
X射线: 波长λ～1 ? 量级的电磁波，或能量在～10 KeV的光量子.
常用术语含义由来： ? 软X射线：穿透能力弱－“软” ? 硬X射线：穿透能力强－“硬”
? 电磁波
单色平面波的描述：
r r r r r E (r , t ) = E0 cos ? ωt + k ? r + φ r r r r r H (r , t ) = H 0 cos ? ωt + k ? r + φ
(
(
)
)
角频率 ω： 波 矢 k： 横 波：
ω = 2πν = 2π / T r 2π r k= n λ
E ?k = H ?k = 0
为了计算方便，通常用复振幅描述一列波 rr i ( k ?r ?ωt ) 0
r r E (r , t ) = ε E e
I = EE
*
由电场强度矢量的复振幅可以计算光强
X射线与物质相互作用
第三节X射线与物质相互作用 我们前面讲过当X射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透射光电效应等 一、X射线的散射 X射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使X射线光子偏离原射线方向，即发生散射。X射线的散射现象可分为相干散射和非相干散射。 1、相干散射及散射强度 当X射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散 射X射线，称为经典散射。由于散射波与入射波的频率或波长相同，位 相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。 按动力学理论，一个质量为m的电子，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R处的某点，对一束非偏振X射线的散射波强度为： I e =I 0) 2 2 cos 1 ( 2 4 2 2 4θ + C m R e 它表示一个电子散射X射线的强度，式中f e =e2/mC2称为电子散射因 子。 22 cos 12θ + 称为极化因子或偏振因子。它是由入射波非偏振化引起的 I e =I 0) 2 2 cos 1 ( 10 9.72 2 26θ + ?- R 从上式可见（书P5） 相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。可见相干散射是X 射线衍射技术的基础。 2、非相干散射 当入射X射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿散射
这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固 定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。 二、X 射线的透射 X 射线射线透过物质后强度的减弱是X 射线射线光子数的减少，而不是X 射线能量的减少。所以，透射X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。 X 射线与物质相互作用，实质上是X 射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的X 射线易穿过物质，长波长X 射线易被物质吸收。 三、X 射线的吸收 长波长X 射线被物质吸收时，能量向其他形式转变。X 射线能量除转变为热量之外，，还可以转变为电子电离，荧光产生，俄歇电子形成等光电效应。 1、光电效应 电离是指当入射光子能量大于物质中原子核对电子的束缚能时，电子将吸收光子的全部能量而脱离原子核的束缚，成为自由电子。被激出的电子称为光电子。这种因为入射线光子的能量被吸收而产生光电子的现象称为光电效应。 ① 荧光效应①② 指当高能X 射线光子激发出被照射物质原子的内层电子后，较外 层电子填其空穴而产生了次生特征X 射线（或称为二次特征辐射）的 现象。 因其本质上属于光致发光的荧光现象，即与短波射线激发物质产 生次生辐射的荧光现象本质相同，故也称为荧光效应或荧光辐射。 要产生荧光效应，显然入射X 射线光量子能量h ν必须等于或大于 将此原子某一壳层的电子激发出所需要的脱出功。因此产生某系激发 都有一个某系激发的最长波长，即激发限。该波长必须满足λi = ι ν24.1（nm ） 荧光效应与X 射线管产生特征X 射线的过程相似，不同之处在于：