1、 泛指泛指核衰變或核裂變放出的粒子，和由加速器或核反應產核衰變或核裂變放出的粒子，和由加速器或核反應產生的各種粒子生的各種粒子，包括，包括、3He、 p、 d、 T、X、n、重離、重離子和裂片等。子和裂片等。p 射線（核輻射）：射線（核輻射）：1.008665 0 n中中 子子1.007276 +1 p質質 子子 0 0 5.48610-4 1 e 4.00279 +2 4He 質質 量量 ( u )電荷電荷（e)符號符號種類種類可見：射線的本質就是核輻射粒子可見：射線的本質就是核輻射粒子 物質的構成可由單質、化合物或混合物構成（包括人體）；物質的構成可由單質、化合物或混合物構成（包括人體）；

2、 物質的狀態可以是氣體、液體和固體狀態。物質的狀態可以是氣體、液體和固體狀態。p 物質：物質：載能的粒子對物質載能的粒子對物質 : 1 有沒有作用有沒有作用 2 具體的作用機制是什么具體的作用機制是什么 3 有什么樣的規律有什么樣的規律 4 產生什么樣的結果產生什么樣的結果p 射線與物質的基本作用：射線與物質的基本作用：微觀粒子間碰撞有動量和能微觀粒子間碰撞有動量和能量的傳遞：量的傳遞： 庫侖作用庫侖作用 1 1 電離作用電離作用 2 2 電離效應電離效應 1、射線穿過物質時，由于射線與物質的相互作用，引起射、射線穿過物質時，由于射線與物質的相互作用，引起射線能量損失、角度偏轉和強度衰減，以及

3、造成物質的輻射損傷線能量損失、角度偏轉和強度衰減，以及造成物質的輻射損傷等，這些物理量的理論計算和實驗數據分析，依賴于對射線與等，這些物理量的理論計算和實驗數據分析，依賴于對射線與物質相互作用的了解程度；物質相互作用的了解程度； 研究射線與物質的相互作用，在原子和原子核物理、固體研究射線與物質的相互作用，在原子和原子核物理、固體物理、核輻射探測、核輻射防護、核技術應用和核能利用等許物理、核輻射探測、核輻射防護、核技術應用和核能利用等許多領域中有著重要的意義。例如：多領域中有著重要的意義。例如： 研究射線與物質相互作用的意義：研究射線與物質相互作用的意義： 射線在與物質相互作用時，一方面射線能量

4、不斷損耗，另射線在與物質相互作用時，一方面射線能量不斷損耗，另一方面射線損耗的能量使物質的分子或原子產生電離或激發。一方面射線損耗的能量使物質的分子或原子產生電離或激發。 2、從射線與物質相互作用的有關實驗觀察，例如，散射實、從射線與物質相互作用的有關實驗觀察，例如，散射實驗，能提供有關原子和原子核結構方面的知識；驗，能提供有關原子和原子核結構方面的知識； 3、根據射線與物質相互作用的機制、特點，設計和制造各、根據射線與物質相互作用的機制、特點，設計和制造各種核輻射探測器，并用這些探測器來進行核物理實驗研究工作，種核輻射探測器，并用這些探測器來進行核物理實驗研究工作，如射線能量的測量、強度測量

5、和各種核參數測量，以及用來尋如射線能量的測量、強度測量和各種核參數測量，以及用來尋找放射性礦藏和各種環境中的放射性水平監測等；找放射性礦藏和各種環境中的放射性水平監測等； 4、在原子能工業，核子醫學和核科學實驗中，為了有效地、在原子能工業，核子醫學和核科學實驗中，為了有效地進行核輻射防護，需要根據射線與物質的相互作用規律，選擇防進行核輻射防護，需要根據射線與物質的相互作用規律，選擇防護層的合適的材料和厚度來阻止一定能量的某種射線的穿透；護層的合適的材料和厚度來阻止一定能量的某種射線的穿透； 5、根據射線與物質的相互作用，可開展核技術在邊緣學科、根據射線與物質的相互作用，可開展核技術在邊緣學科、

6、工業、農業和醫學等方面的應用研究工作，如離子束分析技術在工業、農業和醫學等方面的應用研究工作，如離子束分析技術在材料元素成分分析、固體表面層特性分析、離子注入半導體材料材料元素成分分析、固體表面層特性分析、離子注入半導體材料分析、晶格結構和輻射損傷研究等方面的應用；工業上的射線探分析、晶格結構和輻射損傷研究等方面的應用；工業上的射線探傷和測厚，材料和農作物、生物樣品的輻射處理，以及腫瘤疾病傷和測厚，材料和農作物、生物樣品的輻射處理，以及腫瘤疾病的診斷和治療等。的診斷和治療等。 可見，深入了解射線與物質的相互作用機制及射線穿過物質可見，深入了解射線與物質的相互作用機制及射線穿過物質時發生的有關現

7、象，對了解各種射線探測器的響應特性和各種材時發生的有關現象，對了解各種射線探測器的響應特性和各種材料對射線的阻止作用，以及對分析核物理實驗測量結果，都是非料對射線的阻止作用，以及對分析核物理實驗測量結果，都是非常有用的。常有用的。 射線與物質的相互作用，是核類相關專業必須深入了解和射線與物質的相互作用，是核類相關專業必須深入了解和熟練掌握的基礎知識。熟練掌握的基礎知識。 本課程討論對象為本課程討論對象為致電離輻射致電離輻射，輻射能量，輻射能量大于大于10eV。即可使探測介質的原子發生電離的能量。即可使探測介質的原子發生電離的能量。 4.1 概述概述4.2 粒子與物質的相互作用粒子與物質的相互作

8、用4.3 射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用4.4 射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用4.5 射線在物質中的衰減射線在物質中的衰減4.6 中子與物質的相互作用中子與物質的相互作用帶電粒子輻射),(fdp重帶電粒子輻射),(e快速電子非帶電粒子輻射),(x電磁輻射中子 致電離輻射：輻射能量大于10eV量級的射線。EMVmvMVmv222221212121E（式中：（式中： 為內能項為內能項 ）0E彈性碰撞彈性碰撞（即動能守恒）（即動能守恒） 0E非彈性碰撞非彈性碰撞（即動能不守恒）（即動能不守恒） 0E稱為稱為第一類非彈性碰撞第一類非彈性碰撞，如入射粒子與處于基態，如入射粒子與處于基

9、態原子碰撞，且使原子被激發；原子碰撞，且使原子被激發； 0E稱為稱為第二類非彈性碰撞第二類非彈性碰撞，如入射粒子與處于激發，如入射粒子與處于激發態的原子碰撞，且使其退激。態的原子碰撞，且使其退激。 帶電帶電粒子通過粒子通過庫侖力庫侖力與物質發生相互作用。與物質發生相互作用。相互作用過程中，滿足能量守恒相互作用過程中，滿足能量守恒：碰撞機制碰撞機制： 與原子、原子核碰撞；彈性、非彈性碰撞。與原子、原子核碰撞；彈性、非彈性碰撞。p 從微觀上看：從微觀上看： 碰撞后碰撞后： 入射粒子能量損失；入射粒子能量損失； 或能量、方向改變后出射；或能量、方向改變后出射； 或入射粒子消失，產生新粒子。或入射粒子

10、消失，產生新粒子。p 從宏觀上看：從宏觀上看： 不管作用機制如何，穿過物質不管作用機制如何，穿過物質的射線強度比入射強度減小。的射線強度比入射強度減小。 、射線和重離子穿過靶物質時，與靶物質原子發生相射線和重離子穿過靶物質時，與靶物質原子發生相互作用。互作用。、和重粒子和重粒子是是荷電粒子荷電粒子光子光子不帶電不帶電與靶物質與靶物質原子發生原子發生作用的機作用的機制不同制不同在靶物質中的能量損在靶物質中的能量損失情況不同失情況不同粒子被物質吸收規律粒子被物質吸收規律也不同也不同導致導致導致導致荷電粒子荷電粒子、和重粒子的和重粒子的質質量差異很大量差異很大它們在穿透它們在穿透靶物質時的靶物質時的

11、行為也不同行為也不同導致導致有必要有必要考察考察帶電粒子穿帶電粒子穿透靶物質時透靶物質時的行為的行為 在入射帶電粒子與在入射帶電粒子與電子電子的的一次碰撞一次碰撞中，中，電子能獲得的最大電子能獲得的最大能量能量：02max)(4EMmmME質子入射時：質子入射時：0max5001EEp 入射入射帶電帶電粒子粒子在靶物質中在靶物質中的的慢化慢化過程過程： 具有一定能量的帶電粒子，入射到靶物質中，將與物質原子具有一定能量的帶電粒子，入射到靶物質中，將與物質原子發生相互作用。發生相互作用。 這些相互作用是入射帶電粒子所帶這些相互作用是入射帶電粒子所帶電荷電荷與原子中與原子中核外電子核外電子、原子核原

12、子核發生的發生的庫侖相互作用庫侖相互作用。 這些相互作用這些相互作用引起電離或激發、散射和各種形式的輻射損引起電離或激發、散射和各種形式的輻射損失失，結果使入射帶電粒子損失動能和改變運動方向。入射帶電，結果使入射帶電粒子損失動能和改變運動方向。入射帶電粒子粒子在相互作用過程中逐漸慢化在相互作用過程中逐漸慢化。 當然，入射帶電粒子也可穿過原子核的庫侖位壘，并與原當然，入射帶電粒子也可穿過原子核的庫侖位壘，并與原子核發生核反應。本節不討論發生核反應的情況。子核發生核反應。本節不討論發生核反應的情況。| 載能入射帶電粒子與靶物質原子相互作用的主要方式：載能入射帶電粒子與靶物質原子相互作用的主要方式：

13、p 作用對象：作用對象： 原子（核外電子）；原子（核外電子）； 原子核原子核p 作用方式：作用方式： 載能帶電粒子在靶物質中的載能帶電粒子在靶物質中的慢化過程慢化過程，可分為，可分為四種四種，其，其中前兩種是主要的：中前兩種是主要的：(1) 電離損失帶電粒子與靶物質原子中核外電子的電離損失帶電粒子與靶物質原子中核外電子的非彈性碰撞過程非彈性碰撞過程(2) 輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程輻射損失帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程(3) 帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞(4) 帶電粒子與靶原子中核外電子的彈性碰撞帶電粒子與靶原子中核外電子的彈性碰撞p 電離過程：

14、電離過程： 如果傳遞給電子的能量足以使電如果傳遞給電子的能量足以使電子克服原子核的束縛，則電子將脫離子克服原子核的束縛，則電子將脫離原子，成為原子，成為自由電子自由電子。 而原子因失去了一個電子，而成而原子因失去了一個電子，而成為為正離子正離子。 原子最外層的電子受原子核的束原子最外層的電子受原子核的束縛最弱，縛最弱，最容易發生在最外層電子最容易發生在最外層電子。 若發射出來的電子有足夠的動能，可若發射出來的電子有足夠的動能，可進一步使其它原子發生進一步使其它原子發生電離作用電離作用。這些高速電子被稱為。這些高速電子被稱為電子電子。 內殼層電子被電離后，在該殼層留下空位，外層電子向內層內殼層電

15、子被電離后，在該殼層留下空位，外層電子向內層躍遷，同時放出特征躍遷，同時放出特征X射線或俄歇電子。射線或俄歇電子。p 激發過程：激發過程： 如果入射粒子如果入射粒子傳遞給電子的能量較少傳遞給電子的能量較少，不足以使電子脫離原子核的吸引成為自由不足以使電子脫離原子核的吸引成為自由電子，但可以電子，但可以使原子從低能態躍遷到相對使原子從低能態躍遷到相對高能級狀態高能級狀態，這種過程叫激發。，這種過程叫激發。 處于高能態的原子是不穩定的，瞬處于高能態的原子是不穩定的，瞬間將由高能態躍遷回基態（退激）。退間將由高能態躍遷回基態（退激）。退激時，以光的形式釋放出多余能量。激時，以光的形式釋放出多余能量。

16、 帶電粒子帶電粒子與靶原子中與靶原子中核外電子的非核外電子的非彈性碰撞彈性碰撞，導致原子的，導致原子的電離或激發電離或激發，是，是帶電粒子穿過物質時損失動能的主要方帶電粒子穿過物質時損失動能的主要方式式把這種相互作用方式把這種相互作用方式引起的能量引起的能量損失損失稱為稱為電離損失電離損失。 當當入射帶電粒子入射帶電粒子與靶原子中與靶原子中核外電子核外電子發生發生非彈性非彈性碰撞碰撞，以使靶物質原子，以使靶物質原子電離電離或或激發激發的方式而的方式而損失入射損失入射粒子的能量粒子的能量把這種相互作用方式把這種相互作用方式引起的能量損失引起的能量損失稱為稱為電離損失電離損失。載載能能入入射射帶帶

17、電電粒粒子子靶物質（原子）靶物質（原子）核核庫侖作用庫侖作用 入射帶電粒子靠近靶物質的入射帶電粒子靠近靶物質的原子核時，它與原子核時，它與原子核之間的庫原子核之間的庫侖力作用侖力作用，使入射粒子受到吸引，使入射粒子受到吸引或排斥，從而改變入射粒子的或排斥，從而改變入射粒子的速速度和運動方向度和運動方向。 當當入射帶電粒子入射帶電粒子與與原子核原子核發生發生非彈性碰撞非彈性碰撞時，以時，以輻射光子輻射光子損失其能量，我們稱它為損失其能量，我們稱它為輻射損失輻射損失。 入射粒子這種運動狀態的改變，伴隨著發射電磁輻射入射粒子這種運動狀態的改變，伴隨著發射電磁輻射軔軔致輻射致輻射(bremsstrah

18、lung)。 粒子質量大，與原子核碰撞后運動方向變化小。粒子質量大，與原子核碰撞后運動方向變化小。粒子質粒子質量小，運動狀態改變大。因此，量小，運動狀態改變大。因此，對對粒子粒子與物質相互作用時，與物質相互作用時，輻輻射損失是其重要的一種能量損失方式射損失是其重要的一種能量損失方式。 帶電粒子帶電粒子與與靶原子核的庫侖場靶原子核的庫侖場作用而發生作用而發生彈性散射彈性散射。 彈性碰撞過程中彈性碰撞過程中，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和動，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和動量守恒，量守恒，入射粒子損失一部分動能使核得到反沖入射粒子損失一部分動能使核得到反沖。碰撞后，。碰撞后，絕大絕大部分能

19、量部分能量仍由入射粒子帶走，但運動方向被偏轉。仍由入射粒子帶走，但運動方向被偏轉。核核庫侖作用庫侖作用反沖反沖 彈性散射過程中，入射粒子和原子核的彈性散射過程中，入射粒子和原子核的總動能不變總動能不變，即，即入射粒子入射粒子既不既不輻射光子，輻射光子，也不也不激發或電離原子核，但入射粒激發或電離原子核，但入射粒子受到偏轉，其子受到偏轉，其運動方向改變運動方向改變。 這種由入射帶電粒子與靶原子核發生這種由入射帶電粒子與靶原子核發生彈性碰撞彈性碰撞引起引起入射粒子入射粒子的能量損失的能量損失稱之為稱之為核碰撞能量損失核碰撞能量損失，我們把原子核對入射粒子的，我們把原子核對入射粒子的阻止作用稱為阻止

20、作用稱為核阻止核阻止。 核碰撞能量損失核碰撞能量損失只是在入射帶電粒子只是在入射帶電粒子能量很低能量很低或或低速重離子低速重離子入射時，對粒子能量損失的貢獻才是重要的。但對電子卻是引起入射時，對粒子能量損失的貢獻才是重要的。但對電子卻是引起反散射的主要過程。反散射的主要過程。 粒子質量大，與核碰撞后運動方向變化小。粒子質量大，與核碰撞后運動方向變化小。粒子質量小，粒子質量小，運動狀態改變大。而原子核獲得的反沖能量，可以使晶體原子運動狀態改變大。而原子核獲得的反沖能量，可以使晶體原子位移，形成缺陷，即造成位移，形成缺陷，即造成物質輻射損傷物質輻射損傷。 受受核外電子核外電子的庫侖力作用，入射的庫

21、侖力作用，入射粒子改變運動方向。同樣為粒子改變運動方向。同樣為滿足能量滿足能量和動量守恒和動量守恒，入射粒子要損失一點動，入射粒子要損失一點動能，但這種能，但這種能量的轉移很小能量的轉移很小，比比原子原子中電子的中電子的最低激發能還小最低激發能還小，電子的能，電子的能量狀態沒有變化，在此過程中不發射量狀態沒有變化，在此過程中不發射輻射。輻射。 這種相互作用方式只是在極低能量這種相互作用方式只是在極低能量(100eV)的的入射粒子入射粒子才需要考慮才需要考慮, 其它情況下完全可以忽略掉。其它情況下完全可以忽略掉。原子原子庫侖作用庫侖作用反沖反沖 實際上，與核外電子的彈性碰撞是實際上，與核外電子的

22、彈性碰撞是入射粒子與整個靶原子入射粒子與整個靶原子的相互作用的相互作用。p 入射入射帶電帶電粒子粒子在靶物質中在靶物質中的的吸收吸收過程過程： 如果靶物質厚度足夠大，入射帶電粒子與靶原子電子或靶原如果靶物質厚度足夠大，入射帶電粒子與靶原子電子或靶原子核經過多次彈性和非彈性碰撞，發生能量損失和角度偏轉，快子核經過多次彈性和非彈性碰撞，發生能量損失和角度偏轉，快速運動的帶電粒子被慢化，最后速運動的帶電粒子被慢化，最后帶電粒子的動能全部耗盡，停留帶電粒子的動能全部耗盡，停留在靶物質中。即入射帶電粒子被物質吸收了在靶物質中。即入射帶電粒子被物質吸收了。 對對MeV量級的量級的粒子和質子，整個慢化過程所

23、用的時間為：粒子和質子，整個慢化過程所用的時間為：毫微秒（氣體物質中）毫微秒（氣體物質中）微微秒（固體物質中）。微微秒（固體物質中）。 上述討論中，只考慮了入射帶電粒子與靶物質中單個原子的上述討論中，只考慮了入射帶電粒子與靶物質中單個原子的作用。實際上，帶電粒子進入靶物質后，作用。實際上，帶電粒子進入靶物質后，會遭到許多原子的許多會遭到許多原子的許多次這樣的碰撞作用次這樣的碰撞作用。 帶電粒子與物質發生各種相互作用方式的幾率大小，對于帶電粒子與物質發生各種相互作用方式的幾率大小，對于不同種類的帶電粒子和粒子的不同能量區域，情況完全不同。不同種類的帶電粒子和粒子的不同能量區域，情況完全不同。 同

24、一種相互作用幾率大小，與不同的靶物質元素也有關系。同一種相互作用幾率大小，與不同的靶物質元素也有關系。 這些相互作用中的各種作用方式對入射帶電粒子的阻止作這些相互作用中的各種作用方式對入射帶電粒子的阻止作用的貢獻大小不同，在一定的情況下，可只考慮某一種起主要用的貢獻大小不同，在一定的情況下，可只考慮某一種起主要貢獻的相互作用，而忽略其它的相互作用。貢獻的相互作用，而忽略其它的相互作用。 在討論帶電粒子與物質相互作用的時候，需要區分在討論帶電粒子與物質相互作用的時候，需要區分“輕輕”帶電粒子（如：電子和正電子）和帶電粒子（如：電子和正電子）和“重重”帶電粒子（如：質子、帶電粒子（如：質子、氘核氘

25、核d、粒子等），以及區分快速和慢速粒子，來分別進行討粒子等），以及區分快速和慢速粒子，來分別進行討論。論。p 小結：小結： p 重帶電粒子重帶電粒子(Heavy Charged Particles)： 指質量比電子質量大得多的帶電粒子。如指質量比電子質量大得多的帶電粒子。如粒子、質子粒子、質子p、氘核氘核d等。等。p 重帶電粒子與物質相互作用的特點：重帶電粒子與物質相互作用的特點： 重帶電粒子重帶電粒子均為均為帶正電荷帶正電荷的的離子離子； 重帶電粒子重帶電粒子主要主要通過通過電離損失電離損失(與介質的核外電子的非彈性碰撞與介質的核外電子的非彈性碰撞)而損失能量，同時使介質原子而損失能量，同時

26、使介質原子電離電離或或激發激發； 重帶電粒子在介質中的重帶電粒子在介質中的運動徑跡運動徑跡近似近似為為直線直線。 本節將具體討論本節將具體討論粒子與物質的相互作用粒子與物質的相互作用。 粒子是氦粒子是氦(4He)的原子核，帶兩的原子核，帶兩個單位正電荷，質量數為個單位正電荷，質量數為4。 天然核素天然核素衰變放出的衰變放出的粒子能粒子能量在量在48MeV。初始速度約在。初始速度約在(12)109cm/s。 粒子與物質相互作用的主粒子與物質相互作用的主要形式是要形式是電離電離與與激發激發。 由于由于為重粒子，與物質散為重粒子，與物質散射作用不明顯，在氣體中的徑跡射作用不明顯，在氣體中的徑跡是直線

27、。是直線。（一）射程（一）射程(Range)的定義的定義 帶電粒子帶電粒子沿入射方向沿入射方向所行徑的所行徑的最大距離最大距離，稱為入射粒子，稱為入射粒子在該物質中在該物質中的的射程射程R。 入射粒子在物質中行徑的入射粒子在物質中行徑的實際軌跡的長度實際軌跡的長度稱作稱作路程路程(Path)。對對重重帶電粒子：帶電粒子：射程射程路程路程；對對輕輕帶電粒子：帶電粒子：射程射程 10GeV，vc ），），Sion表達式中的表達式中的B項中項中的對數項起主要作用。的對數項起主要作用。 曲線曲線a段段：Sion隨入射粒子能量隨入射粒子能量E減小迅速往原點方向下降。減小迅速往原點方向下降。 重帶電粒子在

28、物質中消耗一定能量后，粒子速度與電子軌道速度差不多時，重帶電粒子在物質中消耗一定能量后，粒子速度與電子軌道速度差不多時，它要從靶物質中俘獲電子，如它要從靶物質中俘獲電子，如粒子俘獲兩個電子成為氦原子，這樣帶電粒子的粒子俘獲兩個電子成為氦原子，這樣帶電粒子的有效核電荷數減少有效核電荷數減少，則，則Sion減小。減小。 Sion表達式在低能區不適用，因為該式的推導中假定入射粒子速度比電子表達式在低能區不適用，因為該式的推導中假定入射粒子速度比電子軌道速度大得多才成立。軌道速度大得多才成立。4 4、Bragg曲線與能量損失歧離曲線與能量損失歧離p Bragg曲線：曲線：帶電粒子的能量損失率沿其徑跡的

29、變化曲線。帶電粒子的能量損失率沿其徑跡的變化曲線。p 能量損失歧離能量損失歧離(Energy Loss Straggling)： 能量損失歧離能量損失歧離是由是由能量損失是一個隨機過程能量損失是一個隨機過程所決定的。所決定的。原因原因 帶電粒子在物質中損失帶電粒子在物質中損失能量是一個統計過程：能量是一個統計過程： 一方面，一定能量的帶電一方面，一定能量的帶電粒子穿過一定厚度阻止介質粒子穿過一定厚度阻止介質時時發生碰撞數目具有一定的發生碰撞數目具有一定的概率分布概率分布； 另一方面，每次碰撞中其另一方面，每次碰撞中其能量損失的多少也是有一定能量損失的多少也是有一定分布的分布的。 一束一束單能的

30、帶電粒子單能的帶電粒子穿過一定厚度的介質后，透射的帶電穿過一定厚度的介質后，透射的帶電粒子將粒子將不再具有單一能量不再具有單一能量，而成，而成一能量分布一能量分布（能量的離散）（能量的離散）。（二）平均電離能（二）平均電離能粒子產生的電離：粒子產生的電離：原電離原電離、次級電離次級電離原電離原電離由由粒子與原子殼層電子粒子與原子殼層電子直接作用直接作用形成的電離；形成的電離；次級電離次級電離原電離中產生的電子原電離中產生的電子繼續與其他繼續與其他原子作用產生的電離。原子作用產生的電離。總電離總電離 原電離原電離 次級電離次級電離平均電離能平均電離能(W)每產生一對離子（包括原電離與次級電離），

31、每產生一對離子（包括原電離與次級電離），帶電粒子（如帶電粒子（如粒子）所損耗的平均能量。粒子）所損耗的平均能量。NEW N初始動能為初始動能為E的帶電粒子被介質的帶電粒子被介質完全阻止時形成的離子對數。完全阻止時形成的離子對數。粒子在空氣中產生一對離子所損耗的平均能量粒子在空氣中產生一對離子所損耗的平均能量(W值值)約約35.5eV。+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -+ -帶電粒子在穿過介質的帶電粒子在穿過介質的路徑上經電離作用產生路徑上經電離作用產生的電子和正

32、離子對的電子和正離子對（三）比電離（電離密度）（三）比電離（電離密度） 入射帶電粒子（如入射帶電粒子（如粒子）在粒子）在每單位長度路徑上每單位長度路徑上產生的產生的離離子對總數子對總數稱稱比電離（或電離密度）比電離（或電離密度）。下圖表示了下圖表示了粒子在空氣中的比電離與剩余射程的關系：粒子在空氣中的比電離與剩余射程的關系：nWdxdESionion電離能量損失率電離能量損失率與與比電離比電離、平均電離能平均電離能之間的關系：之間的關系：iondxdEWdxdEnion比電離：比電離：W平均電離能平均電離能電離能量損失率電離能量損失率 粒子粒子剛進入介質中時剛進入介質中時， 速度快，與介質原子

33、的作速度快，與介質原子的作用時間短，比電離小；在用時間短，比電離小；在射程末端前射程末端前， 粒子速度粒子速度慢，作用時間長，有極大慢，作用時間長，有極大值；此后，能量耗盡，比值；此后，能量耗盡，比電離快速衰減到電離快速衰減到0。 粒子在空氣中的比電離約粒子在空氣中的比電離約6600離子對離子對/mm，產生此峰值，產生此峰值的粒子能量約的粒子能量約700keV。入射粒子越接近射程末端，速度越慢，因而比電離值越大。入射粒子越接近射程末端，速度越慢，因而比電離值越大。 在曲線開始一段，比電離值上升很慢，到了快接近射程末在曲線開始一段，比電離值上升很慢，到了快接近射程末端，比電離值很快增加，過了峰值

34、之后曲線急劇下降而趨于端，比電離值很快增加，過了峰值之后曲線急劇下降而趨于零，此時即到達了射程的末端。零，此時即到達了射程的末端。原因原因p 粒子與核作用形式：粒子與核作用形式：盧瑟福散射、核反應盧瑟福散射、核反應 盧瑟福散射盧瑟福散射粒子與核庫侖場作用而改變方向；粒子與核庫侖場作用而改變方向； 核反應核反應粒子進入原子核，使原來的原子核發生根本性粒子進入原子核，使原來的原子核發生根本性變化，即產生新核并放出變化，即產生新核并放出1個或幾個粒子。記為個或幾個粒子。記為A（,b）B。 幾個幾個利用利用射線射線完成的著名的核反應：完成的著名的核反應： 利用利用210Po放出的放出的粒子轟擊粒子轟擊

35、9Be制成的靶，可以產生制成的靶，可以產生12C和中和中子（查德威克子（查德威克1932 ），），導致中子的發現導致中子的發現：MeVnCBe901. 5101264294 世界上世界上第一個第一個制造的制造的人工放射性核素人工放射性核素：PnAl30271934年，小居里夫婦年，小居里夫婦（約里奧（約里奧.居里夫婦居里夫婦 ）SiPT30min5 . 2,302/1 第一個第一個人工核反應人工核反應：1919年，盧瑟福年，盧瑟福)()(1117814742pHONHe214Po 7.68 MeV 粒子粒子是隨是隨衰變放出的衰變放出的快速電子快速電子， 粒子是電子（粒子是電子（ 衰變產生）和正

36、電子（衰變產生）和正電子（+ 衰變產生）的統稱。衰變產生）的統稱。 同一放射源發射的同一放射源發射的射線射線（由高速運動的電子流組成）（由高速運動的電子流組成）具具有連續能譜的特性有連續能譜的特性，這是它與，這是它與大量大量單能單能電子電子的不同之處。的不同之處。粒子平均能量：粒子平均能量：max31EEp 射線的特征：射線的特征：p 快電子（快電子（Fast Electrons）與物質相互作用的特點：）與物質相互作用的特點：快電子快電子的的速度大速度大；重帶電粒子重帶電粒子相對相對速度小速度小；快電子快電子除除電離損失電離損失外，外，輻射損失輻射損失不可忽略；不可忽略； 重帶電粒子重帶電粒子

37、主要通過主要通過電離損失電離損失而損失能量；而損失能量；快電子快電子散射嚴重散射嚴重。 重帶電粒子重帶電粒子在介質中的在介質中的運動徑跡運動徑跡近似為近似為直線直線。（一）彈性散射（一）彈性散射 粒子與軌道電子或原子核在庫侖場作用下，粒子與軌道電子或原子核在庫侖場作用下，僅改變運動方僅改變運動方向向，動能不變的作用過程動能不變的作用過程（也不輻射能量）（也不輻射能量） 。p 含義：含義：彈性散射是彈性散射是低能低能粒子粒子與物質作用的與物質作用的主要形式主要形式。根據量子力學的理論，有：根據量子力學的理論，有： 對單個原子核，對單個原子核，粒子散射到粒子散射到角的概率與靶物質的原子序角的概率與

38、靶物質的原子序數平方成正比，與數平方成正比，與粒子的動能成反比，即：粒子的動能成反比，即：2)(ZP核 而對于而對于粒子被原子殼層中電子的散射，與靶物質的原子粒子被原子殼層中電子的散射，與靶物質的原子序數成正比，即：序數成正比，即：ZP)(電子 對于一定能量的對于一定能量的粒子，它被原子核及殼層電子的散射粒子，它被原子核及殼層電子的散射幾率的比值為：幾率的比值為：ZPP)()(電子核對于對于中等元素與重元素中等元素與重元素，散射形式主要是，散射形式主要是原子核散射原子核散射(例：在鋁介質中由殼層電子所引起例：在鋁介質中由殼層電子所引起的散射僅占的散射僅占10%)。在在氫介質氫介質中中(Z=1)

39、，兩種散射效應幾乎有，兩種散射效應幾乎有同等作用同等作用；p 反散射：反散射： 由于由于粒子粒子(電子電子)質量小，因而散射的角度可以很大，而且質量小，因而散射的角度可以很大，而且會發生多次散射，最后偏離原來的運動方向，會發生多次散射，最后偏離原來的運動方向， 粒子粒子(電子電子)沿沿其入射方向發生大角度偏轉，其入射方向發生大角度偏轉，又從入射表面發射出來又從入射表面發射出來(90)，稱為反散射稱為反散射。從實驗曲線看出：從實驗曲線看出： 對對同種材料同種材料，入射，入射粒粒子子(電子電子)能量越低能量越低，反散射反散射越嚴重越嚴重；對；對同樣能量同樣能量的入的入射射粒子粒子(電子電子)，原子

40、序數原子序數越高越高的材料，的材料，反散射反散射越嚴越嚴重重。 對低能對低能粒子粒子(電子電子)在高在高原子序數的厚樣品物質上的原子序數的厚樣品物質上的反散射系數可達反散射系數可達50。 反散射系數：反散射系數：00III 定義：定義：I0進入探測器之前的進入探測器之前的射線強度射線強度( (源發出源發出射線強度的初始值射線強度的初始值) )；I探測器測得的探測器測得的射線強度射線強度( (未發生散射的未發生散射的射線強度射線強度) )； 反散射的利用與避免：反散射的利用與避免： 對對放射源放射源而言，而言，利用利用反散射反散射可以可以提高提高探測器的探測效率。探測器的探測效率。方法方法：給源

41、加一個高：給源加一個高Z厚襯底。厚襯底。原因原因：放射源的襯底可能使放射源的襯底可能使向探測器相反向探測器相反方向發射的電子方向發射的電子（放射源具有（放射源具有4發射角）發射角）散射回散射回到探測器而使計數率明顯增高到探測器而使計數率明顯增高（當襯底材料是（當襯底材料是高高Z值元素組成時，計數率的增加會超過值元素組成時，計數率的增加會超過50%）。 對對探測器探測器而言，要而言，要避免避免反散射反散射造成的造成的測量偏差測量偏差。方法方法：使用：使用低低Z材料材料作探測器的入射窗作探測器的入射窗和探測材料。和探測材料。原因原因：盡量減小：盡量減小粒子在探測器及其粒子在探測器及其周圍物質中產生

42、的反散射現象。周圍物質中產生的反散射現象。p 粒子的運動軌跡粒子的運動軌跡： 粒子在物質中的路程，比穿過物粒子在物質中的路程，比穿過物質的厚度大很多，一般是質的厚度大很多，一般是1.54倍。倍。 由于由于粒子受到軌道電子或原子核粒子受到軌道電子或原子核的散射，其運動方向不斷改變，因此，的散射，其運動方向不斷改變，因此， 粒子的運動軌跡粒子的運動軌跡不是一條直線，不是一條直線，而是而是一條不規則的折線一條不規則的折線。 粒子的運動徑跡是粒子的運動徑跡是曲折曲折的。的。粒子的粒子的射程射程和和路程路程相差很大。相差很大。粒子的粒子的射程比路程小得多射程比路程小得多。 特征：特征：（二）電離與激發（

43、二）電離與激發p 粒子的能量損失率粒子的能量損失率： 對對粒子（粒子（快電子），必須考慮相對論效應時的快電子），必須考慮相對論效應時的電離能量電離能量損失損失和和輻射能量損失輻射能量損失。radiondxdEdxdEdxdES 粒子與殼層電子發生相互作用，把部分能量傳遞給殼層電子，粒子與殼層電子發生相互作用，把部分能量傳遞給殼層電子，使靶物質原子使靶物質原子電離或激發電離或激發，而，而粒子本身的能量則逐漸消耗粒子本身的能量則逐漸消耗。 和和粒子一樣，粒子一樣，粒子由于電離作用和激發作用在單位長度上粒子由于電離作用和激發作用在單位長度上損失的能量稱為電離能量損失率損失的能量稱為電離能量損失率Si

44、on：ioniondxdESp 電子電子(粒子粒子)電離能量損失率的電離能量損失率的Bethe公式：公式： 粒子產生的直接電離約占總電離的粒子產生的直接電離約占總電離的2030；次級電離；次級電離約占約占7080。根據。根據Bethe公式有：公式有：222222220204)11 (81)1 ()112ln()1 (2ln2IEvmvmNZedXdEionm0，e電子的靜止質量與電荷；電子的靜止質量與電荷；z，v電子的電荷數與速度；電子的電荷數與速度； v /c，c光速；光速；Z介質的原子序數；介質的原子序數；N介質單位體積（介質單位體積（1cm3）內的原子數目內的原子數目；I吸收介質原子的平

45、均電離電位；吸收介質原子的平均電離電位；E入射電子動能；入射電子動能； 射線射線 射線射線徑跡徑跡 粗粗 直直 細細 彎彎 電離作用強電離作用強 電離作用嚴重電離作用嚴重 產生離子對數目多產生離子對數目多(比電離值大比電離值大徑跡粗徑跡粗) 電離作用電離作用 Z Z1 1Z Z2 2 /v/v2 2 Z Z1 1 入射粒子原子序數入射粒子原子序數 Z Z2 2 靶粒子原子序數靶粒子原子序數 v v 入射粒子速度入射粒子速度p 射線與射線與射線電離效應的比較：射線電離效應的比較： 實驗結果圖示實驗結果圖示電子徑跡是折線電子徑跡是折線粒子徑跡是一條直線粒子徑跡是一條直線 5.3MeV(210Po)

46、粒子在空氣粒子在空氣中的射程中的射程3.83 cm（三）韌致輻射（三）韌致輻射p 輻射能量損失：輻射能量損失： 帶電粒子帶電粒子穿過物質時受物質穿過物質時受物質原子核原子核的的庫侖作用庫侖作用(與原子核的非彈與原子核的非彈性碰撞過程性碰撞過程)，其，其速度速度和和運動方向運動方向發生變化發生變化，會伴隨發射，會伴隨發射電磁波電磁波，即即軔致輻射軔致輻射。 韌致輻射所產生的電磁輻射是韌致輻射所產生的電磁輻射是連續能量的連續能量的X射線射線，其能量與，其能量與入射帶電粒子動能入射帶電粒子動能處于同一數量級處于同一數量級。原子核原子核 入射粒子為入射粒子為單能單能粒子粒子：產生的電磁輻射平均能量小于

47、入射：產生的電磁輻射平均能量小于入射粒子的能量；粒子的能量； 入射粒子為入射粒子為粒子粒子：產生的電磁輻射平均能量小于入射：產生的電磁輻射平均能量小于入射粒粒子的平均能量；子的平均能量；p 輻射能量損失率輻射能量損失率 ： 單位路徑上單位路徑上，由于軔致輻射由于軔致輻射而使入射帶電粒子在靶物質而使入射帶電粒子在靶物質中損失的能量。中損失的能量。radraddxdES量子電動力學計算表明，輻射能量損失率服從：量子電動力學計算表明，輻射能量損失率服從：| 討論：討論：222NZmEzdxdESradrad21mSrad ：輻射損失率輻射損失率與與帶電粒子帶電粒子靜止質量靜止質量m的的平方成反平方成

48、反比比。所以僅對電子才重點考慮。即：。所以僅對電子才重點考慮。即：電子的輻射損失比電子的輻射損失比粒子、質子等重粒子大得多。粒子、質子等重粒子大得多。ESrad ：輻射損失率輻射損失率與與帶電粒子帶電粒子的的能量能量E成正比成正比。即輻射。即輻射損失率損失率隨粒子動能的增加而增加隨粒子動能的增加而增加。2NZSrad ：輻射損失率輻射損失率與與吸收物質吸收物質的的NZ2成正比成正比。所以當。所以當吸收材吸收材料料原子序數大原子序數大、密度大密度大時，時，輻射損失大輻射損失大。 因此因此高速電子打到重介質上容易產生韌致輻射高速電子打到重介質上容易產生韌致輻射，從而常用，從而常用較低原子序數的介質

49、（輕介質）去屏蔽較低原子序數的介質（輕介質）去屏蔽韌致輻射射線韌致輻射射線。當要當要吸收、屏蔽吸收、屏蔽射線射線時，時，不宜選用重材料不宜選用重材料。當要當要獲得強的獲得強的X射線射線時，則應時，則應選用重材料作靶物質選用重材料作靶物質。()342ln41371202204CmECmeZNEZdXdErad對電子對電子，其，其輻射能量損失率輻射能量損失率為：為： 探測學中所涉及快電子的能量探測學中所涉及快電子的能量E 一般一般不超過幾個不超過幾個MeV，所以，所以，輻射能量損失輻射能量損失只有在只有在高原子序數高原子序數(大大Z)的的吸收材料吸收材料中才中才是重要的。是重要的。電子的兩種能量損

50、失率之比：電子的兩種能量損失率之比：E入射電子的能量入射電子的能量()()800/ZEdxdEdxdEionradE的單位為的單位為MeVZ吸收材料的原子序數吸收材料的原子序數n 當當粒子能量為粒子能量為10MeV，Z82(Pb)，電離能量損失率與輻，電離能量損失率與輻射能量損失率近似相等。射能量損失率近似相等。n 天然放射性元素發生天然放射性元素發生衰變放出的衰變放出的粒子，其能量一般小于粒子，其能量一般小于3MeV： 與一般巖石與一般巖石(Z較小較小)等作用等作用時，輻射損耗可以忽略不計；時，輻射損耗可以忽略不計； 但當但當粒子粒子通過介質的原子序數較高通過介質的原子序數較高時，韌致輻射損

51、耗仍時，韌致輻射損耗仍占一定比例，實際工作中不可忽視。占一定比例，實際工作中不可忽視。7 .3380017. 382ionraddXdEdXdEPb580017. 313ionraddXdEdXdEAl 例：例：214Bi的的粒子粒子(E=3.17MeV)通過鉛、鋁介質時：通過鉛、鋁介質時：E入射電子的能量入射電子的能量()()800/ZEdxdEdxdEionradE的單位為的單位為MeVZ吸收材料的原子序數吸收材料的原子序數 當當粒子能量為粒子能量為3MeV時，它打到鉛室上會時，它打到鉛室上會產生韌致輻射產生韌致輻射射線射線，會增大本底計數值。，會增大本底計數值。 在在測置裝置的測置裝置的

52、鉛室內壁鉛室內壁，往往，往往襯上一層輕物質屏襯上一層輕物質屏（如（如鋁屏或有機玻璃屏）以鋁屏或有機玻璃屏）以減少散射射線和韌致輻射射線減少散射射線和韌致輻射射線。引起的問題：引起的問題：解決方案：解決方案： 韌致輻射射線也被用來作為低能韌致輻射射線也被用來作為低能X射線源：射線源： 軔致輻射釋放的軔致輻射釋放的X射線，可作為射線，可作為X射線源，用于射線源，用于X射線熒光射線熒光分析，也可用于分析，也可用于X光透視。熒光屏也是利用軔致輻射原理制成。光透視。熒光屏也是利用軔致輻射原理制成。 如：氚如：氚(T)是是輻射體，其輻射體，其粒子最大能量為粒子最大能量為18KeV，T發射發射粒粒子打在鈦靶

53、或鋯靶上，可產生子打在鈦靶或鋯靶上，可產生nn10KeV的的X射線。常把這一射線。常把這一X射線用作較低能量的射線用作較低能量的X射線熒光分析的射線源。射線熒光分析的射線源。（四）線阻止本領（四）線阻止本領 S 在核反應可忽略的能量范圍內（不是高能電子）在核反應可忽略的能量范圍內（不是高能電子） ，帶電粒，帶電粒子主要的能量損失方式是子主要的能量損失方式是碰撞電離損失碰撞電離損失和和軔致輻射損失軔致輻射損失。總的總的線阻止本領線阻止本領 S 為：為：radiondXdEdXdES總的總的質量阻止本領質量阻止本領 S/ 為：為：radiondXdEdXdES11單位：單位：J m2 kg-1靶物

54、質的密度靶物質的密度（五）正電子（五）正電子（ 粒子粒子）的湮沒）的湮沒 正電子正電子與物質發生相互作用的與物質發生相互作用的能量損失機制能量損失機制和和電子相同電子相同。電子。電子與物質相互作用的與物質相互作用的全部規律都適用于正電子與物質相互作用過程全部規律都適用于正電子與物質相互作用過程。p 正電子的特點：正電子的特點： 高速正電子進入物質后迅速被高速正電子進入物質后迅速被慢化慢化，然后在正電子徑跡的，然后在正電子徑跡的末末端端與介質中的電子發生與介質中的電子發生湮沒湮沒，放出放出光子光子。 或者，它與一個電子或者，它與一個電子結合成結合成正電子素，即電子正電子素，即電子正電子對的束縛態

55、正電子對的束縛態，然后再，然后再湮沒湮沒，放放出出光子光子。p 湮沒輻射：湮沒輻射：正電子湮沒放出光子的過程稱為正電子湮沒放出光子的過程稱為湮沒輻射湮沒輻射。p 湮沒光子：湮沒光子：正電子湮沒時放出的光子稱為正電子湮沒時放出的光子稱為湮沒光子湮沒光子。 正電子湮沒時一般放出正電子湮沒時一般放出兩個光子兩個光子(出射方向相反出射方向相反)，放出，放出三個三個光子光子的概率僅為放出兩個光子概率的的概率僅為放出兩個光子概率的0.37。 從從能量守恒能量守恒出發：出發： 在發生湮沒時，正、負電子的動能為零，所以，在發生湮沒時，正、負電子的動能為零，所以，兩個湮沒兩個湮沒光子的總能量應等于正、負電子的靜

56、止質量。光子的總能量應等于正、負電子的靜止質量。即：即：2221cmcmhhee 從從動量守恒動量守恒出發：出發： 湮沒前湮沒前正、負電子的正、負電子的總動量為零總動量為零，則，則，湮沒后湮沒后兩個湮沒光兩個湮沒光子的子的總動量也應為零總動量也應為零。即：。即：chch21因此，兩個因此，兩個湮沒光子湮沒光子的的能量相同能量相同，各等于，各等于0.511MeV。MeVcmhhe511. 0221而兩個而兩個湮沒光子湮沒光子的的發射方向相反發射方向相反，且發射是，且發射是各向同性各向同性的。的。電子對的湮沒電子對的湮沒（一）（一）射線被物質吸收射線被物質吸收p 電子電子(粒子粒子) )穿過物質（

57、介質）的特點：穿過物質（介質）的特點： 電子與物質作用的主要方式為電離、激發、韌致輻射和散電子與物質作用的主要方式為電離、激發、韌致輻射和散射作用，具有相同能量的電子穿過同一物質時，其能量損耗仍射作用，具有相同能量的電子穿過同一物質時，其能量損耗仍有差別，總是圍繞某一數值漲落。有差別，總是圍繞某一數值漲落。 射線或單能電子束射線或單能電子束穿過一定厚度的吸收物質時，穿過一定厚度的吸收物質時，強度減弱強度減弱的現象的現象稱為吸收稱為吸收( (或衰減或衰減) )。 盡管由于盡管由于單個單個電子電子(粒子粒子)在介質中的散射和吸收，在介質中的散射和吸收，并不存在并不存在確定確定的射程的射程，然而，然

58、而對于大量單能電子對于大量單能電子(電子束電子束)或對于同一放射源發或對于同一放射源發射出的射出的射線射線，穿過某種吸收介質的最大厚度穿過某種吸收介質的最大厚度可作為特征量進行考可作為特征量進行考察。察。p 電子束電子束(射線射線) )的吸收的吸收( (或衰減或衰減) )：p 射線射程的定義：射線射程的定義： 當當射線通過介質時，射線通過介質時，幾乎被完全吸收時的介質厚度幾乎被完全吸收時的介質厚度，稱，稱為為射線的射程。射線的射程。p 單能電子束與單能電子束與射線在介質中的吸收曲線差別：射線在介質中的吸收曲線差別： 由于由于單能電子單能電子和和粒子粒子易受散射，其吸收衰減規律易受散射，其吸收衰

59、減規律不同于不同于粒子粒子。但均存在最大射程。但均存在最大射程 Rmax。 射程往往通過實驗測定：射程往往通過實驗測定：I0起始點起始點 (R=0)處測得的處測得的射線強度；射線強度；I與源相距與源相距R處測得的處測得的射線強度；射線強度； 射程測定實驗結果：射程測定實驗結果： 讓讓射線穿過吸收片后，射線穿過吸收片后，到達探測器，記錄它的強度隨到達探測器，記錄它的強度隨吸收片厚度的變化，作圖得到吸收片厚度的變化，作圖得到吸收曲線。吸收曲線。觀察觀察射線吸收現象射線吸收現象的實驗裝置示意圖的實驗裝置示意圖n 單能電子束與單能電子束與射線的吸收曲線差別：射線的吸收曲線差別： 右圖為右圖為1.9Me

60、V單能電子束和具單能電子束和具有相同最大能量的有相同最大能量的射線垂直進入吸射線垂直進入吸收體的吸收曲線。收體的吸收曲線。 橫坐標：以吸收體面密度表示的厚度；橫坐標：以吸收體面密度表示的厚度； 縱坐標：穿過相應介質厚度后的相對強度。縱坐標：穿過相應介質厚度后的相對強度。 單能電子束的吸收曲線單能電子束的吸收曲線A：存在一：存在一線性變化部分，將這部分線性延長線性變化部分，將這部分線性延長與橫軸的交點為其射程。與橫軸的交點為其射程。 射線射線( (粒子束粒子束) )的的吸收曲線吸收曲線B：對于：對于粒子束粒子束( (具有連續能譜具有連續能譜) )，射，射程是難以直接從吸收曲線確定的。程是難以直接