成理工核辐射测量方法讲义02射线与物质相互作用.docx

第2章射线与物质相互作用原子核衰变放射出来的射线在与物质相互作用时，一方面射线能量不断损耗，另一方面射线损耗的能量使物质的分子或原子产生电离或激发。这种过程对于射线探测和射线特征的研究，以及在整个放射性方法勘查中，都有十分重要的意义。2.1带电粒子与物质相互作用2. 1.1带电粒子与物质相互作用的一般特征具有一定能量的带电粒子，入射到靶物质时，将与物质原子发生相互作用。其主要作用方式有四种；与核外电子发生非弹性碰撞，与原子核发生非弹性碰撞，与原子核发生弹性碰撞；与核外电子发生弹性碰撞。这些作用是带电粒子在原子核和核外电子的库仑场中发生的。这些作用引起电离或激发、散射和各种形式的辐射损失，结果使入射带电粒子损失动能和改变运动方向。当然，入射带电粒子也可以穿过原子核的库仑位垒，井与原子核发生核反应。有关核反应在本节将不予讨论，仅就上述几种作用方式分别加以讨论。1 .与核外电子的非弹性碰撞当带有正电荷或负电荷的粒子从靶物质原子近旁掠过时，入射粒子与核外电子之间的库仑力的作用，使电子受到吸引或排斥，从而使电子获得一部分能量。如果传递给电子的能量足以使电子克服原子核的束缚，并脱离原子成为自由电子，则原子就分离成一个自由电子和一个失去了一个电子的原子一一正离子，这个过程称为电离。原子最外层的电子受原子核的束缚最弱，故这些电子最容易被击出。电离过程中发射出来的自由电子，称为8电子。有的6电子具有足够的动能，可继续与其它原子发生作用。当内层壳层电子被电离后，在该壳层留下电子空位，外层电子就向内层跃迁，同时放出特征X射线或俄歇电子。如果入射带电粒子传递给电子的能量较少，不足以使电子摆脱原子核的束缚而成为自由电子，但可以使原子从低能级状态跃迁到相对高能级状态，这时原子则处于激发状态，这种过程称为激发。处于激发态的原子是不稳定的，在激发态停留很短时间以后，原子便从激发状态跃迁回到基态，这种过程称为退激。退激时，释放出来的能量以光子形式发射出来，这就是受激原子的发光现象。带电粒子与核外电子的非弹性碰撞，导致原子的电离或激发，非弹性碰撞是带电粒子穿过物质时损失动能的主要方式。这种方式所引起的能量损失称为电离损失。2 .与原子核的非弹性碰撞带电粒子靠近原子核时，它与原子核之间的库仑力作用使入射粒子受到吸引或排斥，其结果使入射粒子的速度和方向发生改变。这种运动状态的改变伴随着发射电磁辐射，并大大减弱入射粒子的能量。当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子的形式损失其动能，被称为辐射损失。粒子质量较大，与原子核碰撞后，运动状态改变不大。B粒子质量较小，与原子核碰撞后，运动状态改变很显著。因此，粒子与物质相互作用时，辐射损失是其重要的一种能量损失形式。带电粒子与原子核的非弹性碰撞，除了改变粒子的运动状态和辐射光子外，粒子、质子和其它离子还可以使原子核诱发到激发态，这个过程称为库仑激发。但发生这种作用方式的相对几率较小，本书将不于考虑。3 .与原子核的弹性碰撞在弹性碰撞中，带电粒子靠近原子核时，同非弹性碰撞一样，由于库仑力作用，粒子同样受到偏转而改变其运动方向，但不辐射光子，也不激发原子核。按照入射粒子和原子核之间的能量和动量守恒原则，入射粒子损失一部分动能转移给原子核。碰撞后，绝大部分动能仍由入射粒子带走，这样，带电粒子在物质中可继续进行多次弹性碰撞。同样，由于粒子比。粒子轻，所以，在弹性碰撞中，B粒子的偏转比粒子严重。带电粒子与原子核之间所发生的弹性碰撞，是与物质的辐射损伤相联系的，原子核获得反冲能量，可以使晶体原子位移，形成缺陷。4 .与核外电子的弹性碰撞入射带电粒子也会与核外电子发生弹性碰撞。核外电子的库仑力作用使入射粒子改变运动方向。根据能量守恒和动量守恒原则，入射粒子会损失掉一些动能。但这种能量转移一般很小，比原子中电子的最低激发能还要小，电子的能量状态没有变化。实际上，入射带电粒子与核外电子的弹性碰撞是入射粒子与整个原子的相互作用，因此，对这种相互作用方式，只有在极低能量(VlooeV)的B粒子入射到物质时方需考虑，在其它情况下，完全可以忽略。在上述讨论中，只考虑了入射带电粒子与靶物质中单个原子的作用。实际上，带电粒子进入靶物质后，会遭到许多原子的许多次这样的碰撞作用。例如，初始能量为IMeV的带电粒子，进入靶物质中所经受的这样的碰撞作用可达10次。通过许多次弹性和非弹性碰撞过程，快速运动的带电粒子被慢化。如果这种靶物质足够厚，最后带电粒子的动能耗尽，停留在物质中，即入射带电粒子被物质吸收了。发生上述各种相互作用方式的几率大小，对于不同种类的带电粒子和粒子的不同能量区域，情况是十分不同的，而且，同一种相互作用几率大小，与不同的靶物质元素也有关系，所以，在讨论带电粒子与物质相互作用的时候，有必要区分“轻”带电粒子（例如电子和正电子）和“重”带电粒子（例如粒子，质子和笊核），以分别进行讨论。2. 1.2。粒子与物质的相互作用1 .粒子与物质相互作用的主要形式天然放射性元素进行。衰变时，所放出的。粒子是高速度的敏原子核，质量数为4,带两个正电荷，初速度约在（12）xlO%ms,能量为48MeV。粒子与物质相互作用的主要形式是电离和激发。由于粒子的质量大，它与物质的散射作用不明显。粒子在气体中的径迹是一条直线，这种现象在威尔逊云雾室中可以观察到。粒子与醋酸纤维胶片作用所留下的径迹，构成了当前。粒子径迹测量的依据。几乎所有的固体物质都可以不同程度地把周围介质的分子，原子或离子吸附到自己的表面上。利用1913年卢瑟福收集片收集氨子体的粒子的原理，构成了当前卡测量的依据，卡的镀铝表面有大量的自由电子，而氢的。辐射体带正电，由于静电引力的作用，它可以被吸附在。卡上面。辐射粒子的氨子体属气溶胶微粒，电动现象是气溶胶本身的属性，若吸附瀚子的卡片上加有负电压，则可提高吸附能力。活性炭物质细孔构造发育，表面积大，由于范德华力的存在，它对能辐射粒子的氨及其子体有良好的吸附能力，构成当前活性炭测量依据。粒子与物质的束缚电子（原子的外壳层电子）发生静电作用，使束缚电子获得能量而成为自由电子，形成自由电子与正离子组成的离子对，这一过程称为电离作用。如果束缚电子新获得的能量还不足以使它成为自由电子，而只能使其跃迁到更高的能级，则这一过程称为激发作用。此现象如发生在内层（K层或1.层）电子壳层，则当原子由激发态恢复到基态时，以发射荧光形式释放能量。这一现象构成当前流行的粒子荧光技术的依据。图2T粒子射程与计数率的关系-单能a粒子射程与相对计数率关系曲线：B曲线A的微分曲线：n11）-相对.计数率；Rnr平均射程；比-外推射程；RmaX-最大射程；还有一种次级电离作用。入射粒子在物质中由于直接碰撞打出能量较高的电子，这个电子再次与物质中束缚电子起作用。而发生一次新的电离，形成离子对，这一过程称为次级电离。当粒子通过气体时，据统计有6O8O%的离子对是次级电离产生的。2 .a粒子的射程粒子在穿过物质某一距离后耗尽能量而完全停下来，这段距离，称为粒子在该物质中的射程。如果将一个薄的a射线源放在记录粒子的探测器前面，不断改变源与探测器之间的水平距离R,记录相应距离上的计数率n（单位时间内的计数），即可得到如图2-1所示的曲线。因为R=O时的计数率。从曲线A可以看出，在探测器离开a源距离不大时，测得的计数率几乎不变，当距离继续增加到某-值时，a粒子计数率迅速下降，这表明已经到了粒子在空气中射程的末端。同一能量的粒子，它们在空气中的射程大致相同，但有统计涨落，大多数分布在统计平均值附近。其统计平均值Rm称为平均射程。Rin的求得，通常是对曲线A求微分，得到图2-1中的曲线Bo曲线B最大值所对应的R值即为Rm。从曲线A末端的近似直线部分延长到和横坐标轴相交，交点的横坐标值称为外推射程，用RE表示，而曲线A与横坐标轴的交点则称为粒子的最大射程。用RInaX表示。粒子是重粒子，因而它的射程涨落不大。对初始能量为5MeV的支粒子，射程涨落只有1%。一般文献中列出的射程都是指平均射程。在同一物质中，粒子射程与其初始能量有关，能量越大，粒子的射程越长。能量为48MeV的粒子，在空气中的射程可以用经验公式计算，即Ro=O.318戌2（2.1）式中，凡：Qf粒子在101324.72Pa°15C的空气中的射程（Cm）；Eza粒子能量（MeV）。粒子在其它介质中的射程，可通过它在空气中的射程照,用布喇克克利曼（Bragg-Kleemm）经验公式计算，即式中，。一介质密度（g/cm3）；A,”一介质原子核质量数；Rm-1粒子在除空气外其它介质中的射程（cm）O如果介质为化合物或混合物，则（22）式中由下式计算:(2-3)F“A+”"+"A+.nljAi+n2A2+.+njAj+i=1,2,，/式中，1.原子量为Ai的第i种元素原子所占百分数。从（2-3）式可以看出，由于固体介质密度比空气介质密度大得多，因此，粒子在固体介质中的射程是非常小的，Of粒子在固体介质中的射程常用质量厚度来表示。质量厚度是指介质层单位面积上所具有的质量，它的数值等于介质层线性厚度d与其密度P的乘积，即其质量厚度4”=Pd,单位为gc11A表2-1是天然放射性元素的。粒子在T=I5°C,P=101324.72Pa情况下，在空气中的射程。表中所列天然放射性元素的粒子，在空气中的射程最大为8.62cm(于Po)。表2-1天然放射性元素的粒子在空气中的射程(T=I5C,P=10I324.72Pa)辐射体能量(MeV)射程(cm)总电离量(IO5对)辐射体能量(MeV)射程(Cm)总电离量(IO5对)贵U(Ul)4.1692.601.20铲Rn(Tn)6.2824.991.80U(UII)4.7563.241.37Po(ThA)6.7745.621.94S0Th(Io)4.6603.151.34芈Bi(ThC)6.0514.711.74京Ra(Ra)4.7613.291.37于Po(ThCf)8.7858.622.52g2Rn(Rn)5.4824.041.57g5U(AcU)4.3722.811.26Ii8Po(RaA)6.0024.641.72常Pa(Pa)4.9643.551.43IJ4Bi(RaC)5.5085.481.58芸Th(RaAc)5.8874.661.69第Po(RaCr)7.6876.872.20g4Ra(AcX)5.6514.311.63或Po(RaF)5.3013.831.53Ii9Rn(An)6.7225.561.93$Th(Th)3.9332.501.15*sPo(AcA)7.3656.442.12萧Th(RaTh)5.4123.961.55猖Bi(AcC)6.5625.421.89贵Ra(ThX)5.6774.261.63U1Po(AcCf)7.4236.532.13同一起始能量的粒子，在不同物质中的射程也不同。天然放射性元素的粒子，在空气中的射程虽然有几个厘米，但一张纸就可以将其挡住。表2-2列出了2口Po(Rac)的。粒子在空气中的射程为6.87Cm(T=I5,P=101324.72Pa),由表可见辞PO(RaC')在液体、固体中射程