衛(wèi)生監(jiān)督培訓(xùn)——核輻射與物質(zhì)相互作用

1、射線 Ray 高速運(yùn)動(dòng)的粒子和光子 （天然或人工放射性核素、加速器、X射線機(jī)、宇宙射線）　包括： X射線、?射線、?射線、?射線、質(zhì)子、中子、介子和重離子（A>4）等 本質(zhì)都是輻射粒子。,物質(zhì) Matter 常被稱為：靶物質(zhì) 靶材料 各種化學(xué)元素 單質(zhì) 化合物 混合物 可以是 氣體 液體 固體,相互作用 Interaction 射線穿過物質(zhì)

2、時(shí)，所發(fā)生的復(fù)雜的物理過程，稱為相互作用。,能量損失角度偏轉(zhuǎn)吸收,,決定于入射粒子和被作用物質(zhì)的性質(zhì),放射性放出的射線碰到各種物質(zhì)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生各種效應(yīng)：,射線對(duì)物質(zhì)的作用物質(zhì)對(duì)射線的作用,例如：,使照相底片和乳膠感光使一些物質(zhì)產(chǎn)生熒光可穿透一定厚度的物質(zhì),吸收一部分散射一部分可能使一些物質(zhì)的原子、分子發(fā)生電離,,從射線的測量、利用以及防護(hù)的角度上討論問題，經(jīng)常將射線按照帶電性質(zhì)分為幾類： 1.帶電射線： α、t、d

3、、p、Л ±、μ ±、 e± 輕帶電粒子：e+、e- 重帶電粒子：α、 p、 重離子：Z > 2 2.中性粒子：∧超子、 Л0、n 3.電磁輻射：γ、Χ,,主要內(nèi)容：,一.重帶電粒子與物質(zhì)相互作用（α）二.β射線與物質(zhì)相互作用三.γ射線與物質(zhì)相互作用四.中子與物質(zhì)相互作用,一.重帶電粒子與物質(zhì)相互作用,α粒子（ α射線）就是高速運(yùn)

4、動(dòng)的氦核，它是一個(gè)極其穩(wěn)定的原子核,α粒子的參數(shù),1）α粒子參數(shù)、來源及特點(diǎn),重帶電粒子與物質(zhì)相互作用，常常是以α粒子為例。,重帶電粒子是相對(duì)于電子質(zhì)量而言的，質(zhì)量要比電子的質(zhì)量大的多。,主要由不穩(wěn)定的原子核（如象232Th、228Ra等放射源）放出來的 最大能量～10MeV 通常情況下 4～6MeV 可放出α粒子的放射性同位素有200多種有時(shí)可由加速器得到能量可達(dá)幾百M(fèi)eV的α粒子 （這樣的能量足以克服任何靶物質(zhì)原

5、子核的庫侖排斥力，而使α粒子進(jìn)入核力范圍，因而它是產(chǎn)生核反應(yīng)的一種有效的入射粒子）,α粒子的來源及特點(diǎn),隨著粒子與物質(zhì)的相互作用，粒子逐漸損失能量，速度減慢→慢化,入射粒子最后完全停留在靶物質(zhì)→吸收,幾種主要的使入射粒子損失能量（慢化）的相互作用過程：,電離能量損失輻射能量損失,散射,,,1）作用機(jī)制,當(dāng)α粒子通過物質(zhì)時(shí)，由于與靶物質(zhì)核外電子之間的庫侖作用力，使電子受到吸引或排斥。從而，使電子獲得一部分能量。,獲得的這部分能量分成兩種

6、情況：,a.獲得的能量足夠大，足以克服原子核的束縛變成自由電子 一個(gè)自由電子 失去了一個(gè)電子的正離子,2.電離能量損失,電離,,,傳遞的能量不夠大，不足以克服原子核的束縛,激發(fā)狀態(tài)是不穩(wěn)定的，以發(fā)射光子的形式放出相應(yīng)的能量，回到基態(tài)。,,原子退激,可以使電子從低能級(jí)狀態(tài)躍遷至高能級(jí)狀態(tài)、使原子處于激發(fā)狀態(tài)激發(fā),,,當(dāng)入射帶電粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞時(shí),電離能量損失是重帶電粒子在穿過物質(zhì)的過程中，能量損失的主要方式,靶物

7、質(zhì)原子獲得能量,電離 激發(fā),入射射線（α）損失能量,,電離能量損失（阻止本領(lǐng)）,慢 化,2）公式及結(jié)論：,入射粒子電荷,電子的靜止質(zhì)量,靶物質(zhì)原子序數(shù),相對(duì)論修正項(xiàng),殼層修正項(xiàng),,,靶物質(zhì)單位體積內(nèi)原子數(shù)目,電離損失與入射粒子速度 成反比,當(dāng)種類相同的入射粒子（粒子速度V不太大時(shí)） ，入射到相同的靶物質(zhì)中時(shí)，相同的情況下， 速度越快，損失能量越小,,幾點(diǎn)結(jié)論：,電離損失與入射粒子所帶的電荷數(shù) 成正比,,

8、速度相同，而所帶電荷不同的入射粒子 大電離損失大 小電離損失小 速度相同，入射粒子的電荷數(shù)越多， 能量損失越快 穿透本領(lǐng)越弱,當(dāng)兩者速度相等時(shí)，防護(hù)α粒子比質(zhì)子要容易得多,例如：當(dāng)α、P以相同的速度入射到相同物質(zhì)中時(shí),,,組織本領(lǐng)與入射重帶電粒子能量的關(guān)系 在圖2.1的 b段 成反比,電離損失與靶物質(zhì)NZ成正比， 高Z、高N物質(zhì)對(duì)重帶電粒子的阻止本領(lǐng)比輕物質(zhì)（低

9、Z、低N）大,2.α粒子的射程 Range,1）比電離 Specific ionization,定義：單位路程上產(chǎn)生離子對(duì)的數(shù)目 S,重帶電粒子穿過靶物質(zhì)時(shí)，與原子核外電子碰撞，引起原子的電離和激發(fā)而損失能量，因此，沿入射粒子入射途徑會(huì)產(chǎn)生電子-正離子對(duì)。,重帶電粒子在穿過靶物質(zhì)時(shí)，一路上所產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)目分布是不均勻的。,總電離=初級(jí)電離+次級(jí)電離,如果，次級(jí)電子的能量足夠大（δ電子），它也可以使物質(zhì)電離，這種電離過程,,,

10、初級(jí)電離,由入射粒子直接作用引起的電離,由圖2.2 可見：,當(dāng)α粒子剛進(jìn)入空氣中時(shí)，比電離較小隨著穿過距離的增大，比電離越來越大入射粒子穿過物質(zhì)時(shí)，會(huì)逐漸損失能量，當(dāng)能量很小時(shí)，電離損失最大，直至電離損失為零。,圖2.2,平均電離能,定義：產(chǎn)生一對(duì)離子對(duì)需要的平均能量 W,平均電離能的特點(diǎn)：,只與物質(zhì)種類有關(guān)，與入射粒子能量無關(guān),射程： 入射粒子在吸收物質(zhì)中，沿入射方向從入射點(diǎn)到它的終點(diǎn)（速度為零）之間的直線距離,入射粒子在吸收

11、體中所經(jīng)過的實(shí)際軌跡的長度。,一般情況下，路程>射程,路程,2) α粒子的射程,α粒子與電子碰撞的過程中，軌跡幾乎是一條直線運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生很大的改變,α粒子的徑跡是直線的,路程 ≈ 射程,4-7MeV 的α粒子 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣中的射程,圖2.3,經(jīng)驗(yàn)公式：,MeV,cm,計(jì)數(shù)保持不變,,,平均射程,對(duì)于 210Po,在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣中,同種帶電粒子在不同物質(zhì)中的射程，可用空氣來計(jì)算,對(duì)于化合物和混合物主要差別在

12、于A值的差別：,布雷格—克萊門經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,對(duì)于能量為3~7MeV 的α粒子， 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣中，平均射程,表2.1 α粒子在幾種物質(zhì)中的射程,,,用質(zhì)量厚度表示射程：,5MeV 的α粒子在人體組織中的射程為43μm,人體組織密度：,人體皮膚厚度：,所以：α粒子造成的外照射傷害可以不考慮,單位：,問題：,1）,二. β射線電子與物質(zhì)相互作用,β射線來源及特點(diǎn)能量損失,1）電離能量損失2）輻射能量損失3）多次散射,3

13、.β射線的吸收,1. β粒子參數(shù)、來源及特點(diǎn),β射線 實(shí)際上是高速運(yùn)動(dòng)的電子 （負(fù)電子、正電子）,由核衰變產(chǎn)生的β射線，具有以下特點(diǎn)：,半衰期在 能量 0~4MeV 能譜特點(diǎn)： 連續(xù) 有最大衰變能 某處有最大強(qiáng)度,β能譜示意圖,電子與物質(zhì)相互

14、作用的特點(diǎn)：,與α相同之處：,均是帶電粒子在與物質(zhì)相互作用時(shí)，仍然主要是與物質(zhì)中原子的核外電子發(fā)生電離相互作用,與α不同之處：,β粒子質(zhì)量是α粒子的質(zhì)量的1/7300, 在與物質(zhì)相互作用過程中,會(huì)有很大的差別,主要作用形式有：,電離能量損失輻射能量損失多次散射,運(yùn)動(dòng)軌跡不再是直線，而是十分曲折,存在的問題： β粒子的質(zhì)量只有α粒子的1/7300，所以具有相同能量的β粒子和α粒子速度就要相差很多，大很多，往往接近光速，因此對(duì)

15、β粒子相互作用的情況必須要考慮相對(duì)論效應(yīng),當(dāng)快速電子通過物質(zhì)時(shí)，它與物質(zhì)原子的殼層電子發(fā)生碰撞，入射電子將自己的一部分能量給與原子殼層電子，使原子電離或激發(fā)。,電離能量損失電子在穿過物質(zhì)時(shí)，損失能量的主要方式,1）電離能量損失,,2. 能量損失,表 幾種物質(zhì)的電子平均電離能,電子在吸收物質(zhì)中產(chǎn)生一對(duì)粒子對(duì)所消耗的平均能量與電子能量無關(guān)，只依賴于物質(zhì)種類。,可見：,電子的電離能量損失率:,電子的電離損失率:,α粒子的電離能量損失率：,

16、,,電子的電離能量損失率:,（1）差別僅在與方括號(hào)內(nèi)的第二項(xiàng)（2）(-dE/dx)e與粒子的速度v2成反比 在相同能量的情況下，電子的速度要比α粒子的速度大很多，因此電子的電離損失率比α粒子要小得多，正是由于它的電離損失率小。,結(jié)論:,β射線穿透物質(zhì)的本領(lǐng)比α粒子大得多,！,4MeVα粒子 在水中每微米產(chǎn)生3000對(duì)電子正離子對(duì) 1MeVβ粒子 在水中每微米產(chǎn)生5對(duì)電子正離子對(duì),（3）電子的電離本領(lǐng)較弱,能

17、量損失率,,平均電離能,穿透力強(qiáng) 穿過同樣厚度的同一物質(zhì)時(shí)，β粒子比α粒子損失的能量要小得多，所以具有更大的穿透力。電離本領(lǐng)弱 穿過同樣厚度的同一物質(zhì)時(shí)，β粒子比α粒子的能量損失要小得多，所以產(chǎn)生的電子正離子對(duì)就少，電離本領(lǐng)弱。,電子的電離損失率具有的特點(diǎn)（β與α相比）,2）輻射能量損失,作用機(jī)制 當(dāng)快速帶電粒子穿過物質(zhì)時(shí)，受核庫倫場作用而改變速度，這時(shí)粒子的動(dòng)能的一部分會(huì)以電磁波的形式輻射出來,軔致輻射,,入射

18、粒子的電荷、能量及質(zhì)量,輻射能量損失率：,,,吸收物質(zhì)單位體積的原子數(shù),吸收物質(zhì)的原子序數(shù),結(jié)論:,矛盾的兩個(gè)方面,與m2成反比,α粒子和質(zhì)子的軔致輻射是電子的10-6,,速度相同的情況下，,因此 對(duì)于比質(zhì)子更重的帶電粒子的輻射能量損失完全可以忽略不計(jì),c） 正比于E 粒子能量高時(shí)，軔致輻射才顯著,Ee=10MeV 時(shí)， 50%→輻射損失Ee=100MeV 時(shí)，90%→輻射損失,在

19、相對(duì)論能區(qū)，電子的輻射損失和電離損失之比值,決定因素： 入射粒子能量 靶物質(zhì)原子序數(shù),圖 2.6 β粒子能量損失與能量的關(guān)系,β粒子與物質(zhì)相互作用時(shí)，輻射損失是其重要的一種能量損失方式。,軔致輻射的特點(diǎn) 入射電子原來的動(dòng)能 → 原子核、光子、被偏轉(zhuǎn)的電子三者之間分配，所以軔致輻射光子可以具有任何動(dòng)能，對(duì)應(yīng)的光子能量譜是連續(xù)的，0～最大, 等于電子的動(dòng)能Ee ，故： 軔致輻射又稱連續(xù)X射線

20、,3）β粒子的多次散射,β粒子與靶物質(zhì)原子核庫倫場作用時(shí)，只改變運(yùn)動(dòng)方向，而不輻射能量 。這種過程稱為：,彈性散射,,由于電子的質(zhì)量小，因而散射角可以很大（與α粒子相比，β粒子的散射要大得多），而且會(huì)發(fā)生多次散射，最后偏離原來的入射方向。入射β粒子能量越低，及靶物質(zhì)原子序數(shù)越大，散射也就越厲害。,多次碰撞→多次散射 ，經(jīng)多次散射，電子可能返回原來的入射方向，這就叫做“反散射”。 對(duì)于β粒子最后散射角大于90°的情況，稱為“

21、反散射”,反散射系數(shù)η：反散射電子與入射電子強(qiáng)度之比,圖2.7,3. β射線的吸收,當(dāng)單能電子或β射線通過物質(zhì)時(shí)，由于與物質(zhì)相互作用，結(jié)果使它們的強(qiáng)度減弱，最后停留在物質(zhì)中，稱為吸收。,β射線或單能電子束穿過物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象,1）β射線的吸收,∵ β粒子在穿過物質(zhì)時(shí)的總能量損失率比α粒子小∴ β粒子比α粒子具有更大的射程,例如：,能量相同：4MeV 被作用物質(zhì)：空氣α粒子的射程：2.5 cmβ粒子的射程： 15 m

22、,因β衰變而放出的電子，其能量是連續(xù)分布的，故沒有射程而言。 可用β射線能量中電子的最大能量 所對(duì)應(yīng)的射程來表示β射線的射程。,測量β射線射程裝置示意圖,對(duì)于能量在 之間單能窄束β射線的吸收曲線，可以近似地表示為：,進(jìn)入吸收物質(zhì)前的β粒子強(qiáng)度,進(jìn)入吸收物質(zhì)厚度為X或Xm后的β粒子強(qiáng)度,線性吸收系數(shù)cm-1,線性厚度cm,質(zhì)量吸收系數(shù),質(zhì)量厚

23、度g/cm2,cm2/g,在實(shí)際工作中, 常使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算β射線的射程,射程的單位為質(zhì)量厚度 mg/cm2,能量單位為：MeV,表2.2 幾種物質(zhì)中的β粒子的射程,介 質(zhì) 密度單位：,單位：cm,單位：mg/cm2,鋁,從圖中可知：,單能電子與相同最大能量的β射線的吸收曲線，形狀差別較大。但最大射程相同。用質(zhì)量厚度來表示射程時(shí)，與物質(zhì)的實(shí)際密度和物理狀態(tài)幾乎無關(guān),5MeV的β射線,,對(duì)于一定能量的β粒子，用質(zhì)量厚度來表

24、示射程時(shí)，幾種介質(zhì)幾乎是相同的。 所以, 通常用鋁作為標(biāo)準(zhǔn)，來估計(jì)Z相差不大的物質(zhì)對(duì)β射線的吸收情況,快電子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)：,快電子的速度大； 重帶電粒子相對(duì)速度??；,快電子除電離損失外，輻射損失不可忽略； 重帶電粒子主要通過電離損失而損失能量；,快電子散射嚴(yán)重 重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線,三.γ射線與物質(zhì)相互作用,概況介紹 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng) 電子對(duì)效應(yīng) γ射線吸收,,1

25、. 概況介紹,a. 伴隨核衰變的γ射線,60Co 衰變綱圖,137Cs 衰變綱圖,來源,γ射線的能量,原子核初態(tài)與終態(tài)之間的能量差，反映子核的能級(jí)結(jié)構(gòu),半衰期特征,呈現(xiàn)出母核β衰變的半衰期,b. 湮沒輻射,當(dāng)母核經(jīng) 衰變時(shí)，還伴有的電磁輻射產(chǎn)生，起因在于初級(jí)衰變過程產(chǎn)生的正電子湮沒。,C. 伴隨核反應(yīng)的γ射線,例如：,d. 軔致輻射,當(dāng)快電子與物質(zhì)相互作用時(shí)，其部分能量轉(zhuǎn)換成軔致輻射，其轉(zhuǎn)換的份額隨能量的增加而增加；隨吸收物質(zhì)的原

26、子序數(shù)的增加而增加，能量連續(xù)分布。,e. 特征X射線,多種原因?qū)е略拥膬?nèi)殼層出現(xiàn)空位，外層電子向內(nèi)殼層填充的過程中，產(chǎn)生X射線。,規(guī)律,,盡管他們產(chǎn)生的原因不同，能量大小不同，均屬于電磁波 只要它們的能量相同，它們與物質(zhì)相互作用的規(guī)律就相同,由于γ射線不帶電，在物質(zhì)中的穿透情況不能“射程”來描述。,帶電粒子是多次與電子和核碰撞作用逐漸損失能量，光子可以與物質(zhì)中的原子一次碰撞損失全部或大部分能量。,γ射線穿過物質(zhì)時(shí)，其能量不變，強(qiáng)

27、度按指數(shù)規(guī) 律衰減,γ射線和帶電粒子與物質(zhì)相互作用的規(guī)律不同,由于γ射線不帶電，它同物質(zhì)相互作用完全不同于帶電粒子，主要區(qū)別在：,作用方式,,光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng),,相干散射光致核反應(yīng)核共振反應(yīng),,,貢獻(xiàn)小于1%,主要討論,,作用截面,,γ射線與物質(zhì)相互作用的大小也用反應(yīng)截面 σ來表示,截面 Cross section,入射光子數(shù),發(fā)生作用的光子數(shù),靶物質(zhì)原子數(shù)個(gè)/cm3.cm,一個(gè)入射光子與單位面積上的靶

28、原子發(fā)生作用的幾率用（b）來表示,?射線與物質(zhì)發(fā)生不同的相互作用都具有一定的概率，仍用截面這個(gè)物理量來表示作用概率的大小。而且，總截面等于各作用截面之和，即：,光電效應(yīng)截面,康普頓效應(yīng)截面,電子對(duì)效應(yīng)截面,2. 光電效應(yīng),γ射線的全部能量轉(zhuǎn)移給束縛電子，使這些電子從原子中激發(fā)出來，γ光子本身消失,圖2.9 （a）光電效應(yīng)示意圖,光電效應(yīng)發(fā)生后的原子,發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)，從內(nèi)殼層打出電子，在此殼層就留下空位，并使原子處于激發(fā)狀態(tài)，這種激發(fā)狀態(tài)

29、是不穩(wěn)定的，退激發(fā)過程有兩種：,特征X射線 俄歇電子,圖2.9 （b）特征X射線或俄些電子發(fā)射示意圖,,入射光子打在原子上，原子吸收了光子的全部能量，其中一部分消耗于光電子脫離原子核的束縛所需要的電離能（電子在原子中的結(jié)合能），另一部分作為電子的動(dòng)能，所釋放出來的光電子的能量就是入射光子能量與該光電子所處殼層的結(jié)合能之差。,a. 光電子的能量,入射光子能量,殼層結(jié)合能,,b. 光電效應(yīng)截面,在非相對(duì)論情況下，,在相對(duì)論情況下,,,

30、圖2.10 光電效應(yīng)吸收截面與入射光子能量的關(guān)系,c. 發(fā)生光電效應(yīng)的條件,γ光子能量>電子的結(jié)合能要有原子核參加,80% 的光電子是 K層電子,,光電效應(yīng)的截面,光電效應(yīng)中K層電子的貢獻(xiàn),3. 康普頓效應(yīng),1) γ光子穿過物質(zhì)時(shí),散射光子和反沖電子的能量,散射光子的能量,入射光子的能量,散射光子的散射角,反沖電子的能量,換算關(guān)系:,特殊情況：,反沖電子能量最大,散射光子能量最小,表 入射光子與對(duì)應(yīng)的反散射光子能量值（

31、MeV）,2) 康普頓散射的截面,入射光子能量很低時(shí)，,入射光子能量較高時(shí)，,此時(shí)截面與光子能量無關(guān)，只與Z有關(guān),與光子能量有關(guān)、與Z有關(guān),圖2.13 康普頓散射截面入射光子能量的關(guān)系,3.電子對(duì)效應(yīng),當(dāng)γ光子從原子核旁經(jīng)過時(shí)，在原子核的庫侖場作用下，γ光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，這個(gè)過程稱為電子對(duì)效應(yīng)。,圖2.14. 電子對(duì)效應(yīng)示意圖,正、負(fù)電子對(duì)的動(dòng)能：,所以：,,入射γ光子的能量大于1.02MeV，才可能發(fā)生電子對(duì)效應(yīng),電

32、子對(duì)效應(yīng)的截面,電子對(duì)效應(yīng)的截面是入射光子的能量和吸收物質(zhì)原子序數(shù)的函數(shù)。,可見：電子對(duì)效應(yīng)是隨著靶物質(zhì)的原子序數(shù)Z和入射γ光子能量的增加而增加的。,圖2.15 電子對(duì)效應(yīng)截 面與γ射線能量的關(guān)系,電子對(duì)效應(yīng)的逆過程——湮沒輻射,由電子對(duì)產(chǎn)生的快速正、負(fù)電子在物質(zhì)中通過它產(chǎn)生電離損失和輻射損失而損失掉能量，當(dāng)正電子被慢化后（動(dòng)量很小時(shí)）它與周圍物質(zhì)中的一個(gè)電子相互作用，轉(zhuǎn)化為兩個(gè)γ光子，這個(gè)現(xiàn)象被稱為：,放出的γ光子稱為,,湮沒光子,

33、湮沒輻射,,湮沒輻射所具有的特點(diǎn)：,,,4.γ射線的吸收,γ射線吸收的現(xiàn)象,當(dāng)γ光子穿過物質(zhì)時(shí)，與吸收物質(zhì)的原子一旦發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)，原來能量 的γ光子就消失或散射后能量改變掉，并偏離原來的入射方向，即從原來的入射γ束中移去?！?在原來入射方向上原能量的粒子數(shù)就減少,② γ射線吸收所服從的規(guī)律,圖2.17 γ射線吸收示意圖,準(zhǔn)直成平行窄束的γ射線，通過物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度將減弱,有下列關(guān)系,入射γ射線強(qiáng)度,γ射線強(qiáng)度的

34、變化,吸收物質(zhì)單位體積原子數(shù),通過物質(zhì)薄層厚度,γ射線通過物質(zhì)時(shí),上述三種效應(yīng)同時(shí)存在,只是作用幾率不同,而且γ射線的三種效應(yīng)彼此無關(guān).,用質(zhì)量衰減系數(shù)和質(zhì)量厚度表示：,,,解上述方程：邊界條件,指數(shù)衰減規(guī)律,兩邊取對(duì)數(shù)：,,對(duì)于多種γ射線含有幾個(gè)不同能量的γ射線,對(duì)于均勻混合物μ的計(jì)算,對(duì)于均勻化合物μ的計(jì)算,第i種元素所占的體積,第i種元素在化合物中所占的重量百分比,第i種元素的密度,5） 半吸收厚度,實(shí)際工作中，常常用半吸收厚度來

35、表示?射線在物質(zhì)中的吸收情況,由：,,,單位：1/cm,三種射線性質(zhì)的相對(duì)比較,,,,射線 質(zhì)量 電荷 比較電離 比較 空氣中 穿透力 （原子質(zhì)量） 能力 射程 的射程,α 4.00 +2 10,000 1 數(shù)厘米 數(shù)微米Al ≈7300meβ 0.005 -1 100

36、 100 大于1米 數(shù)毫米Al =meγ >0 0 1 10,000 數(shù)米 幾厘米的Pb,,口腔內(nèi)牙齒攝影,用于胸部成像的常規(guī)X線系統(tǒng),主要內(nèi)容：,1）中子的特性、分類及特殊能量的中子2）中子的來源3）中子與物質(zhì)相互作用的主要方式4）中子減速的方法和依據(jù),4. 中子與物質(zhì)相互作用,1）中子的特性和分類,中子的性質(zhì),中子 ：一種不帶電的粒子

37、 是組成原子核的粒子之一,表示：,電荷： 0，中性粒子,中子波長與它的動(dòng)能、動(dòng)量的關(guān)系：,質(zhì)量：,自由中子是不穩(wěn)定的能自發(fā)地衰變?yōu)橘|(zhì)子，同時(shí)發(fā)射電子和反中微子,半衰期：,此半衰期和中子與物質(zhì)相互作用過程的時(shí)間相比，這個(gè)時(shí)間是很長的。,,通常情況下，看成是穩(wěn)定粒子,,b.中子的分類：,因?yàn)椋翰煌芰康闹凶釉谂c原子核相互作用時(shí)，有著不同的特點(diǎn),所以：常把中子按照不同能量的大小進(jìn)行分類,中子的能區(qū)范圍： GeV（109e

38、V）～neV（10-9eV）,中子能量的分組：,熱中子（thermal neutron） 這種中子和室溫下周圍介質(zhì)大量的分子處于熱平衡狀態(tài)，亦即它的能量相當(dāng)于周圍介質(zhì)的熱運(yùn)動(dòng)的能量。,特殊能量的中子：,,熱中子的能量：,熱中子的速度,,,,超熱中子：epithermal neutron,,能量大于熱中子能量的中子稱為超熱中子,共振中子：resonance neutron,能量處于重核的共振能區(qū)內(nèi)的中子，稱為共振中子

39、,冷中子（<0.005eV）（cold neutron） 中子溫度低于液氮溫度（-196℃ 77K），相當(dāng)于中子的能量,2）中子的來源,自然界不存在自由中子,獲得中子的途徑：核反應(yīng) 核裂變,能夠產(chǎn)生中子并提供使用的裝置：中子源,放射性同位素中子源 加速器中子源 反應(yīng)堆中子源,放射性同位素中子源,利用放射性核素衰變時(shí)，放出一定能量的粒子，去轟擊靶物質(zhì)，發(fā)生核反應(yīng)而放出中子的裝置。,放射性同位素發(fā)出的射線的種類不

40、同，分為：,α放射性中子源 光中子源,利用一些元素自發(fā)裂變產(chǎn)生中子：,自發(fā)裂變中子源,放射性同位素中子源的優(yōu)點(diǎn)：,體積小 發(fā)射中子基本上是各向同性的 制備簡單 已知強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律,放射性同位素中子源的缺點(diǎn)：,中子的能量不是單能的 一般均伴生γ射線 強(qiáng)度不及反應(yīng)堆和加速器中子源,,常見的 中子源有 ：,放射性同位素中子源的 “中子的產(chǎn)額” 定義為：,中子產(chǎn)額： 單位活度

41、的放射性核素每秒所能產(chǎn)生的中子數(shù),等,特點(diǎn)：,中子源強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，取決于放射性同位素的衰變規(guī)律。發(fā)射中子的能量連續(xù)分布,常見的 中子源有 ：,光中子源的主要特點(diǎn) ： 單色性 源伴隨的γ本底較大,124Sb-9Be、24Na-D和24Na-9Be 等,常見的 中子源有 ：,裂變核的數(shù)目自發(fā)裂變的衰變常數(shù)每

42、次裂變產(chǎn)生的平均裂變中子數(shù),,中子強(qiáng)度,,來決定,反應(yīng)堆中子源,,中子能引起一些重核裂變，裂變反應(yīng)中又放出更多的中子。所以在一定條件下，有可能形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。,反應(yīng)堆中子源是利用重核裂變，在反應(yīng)堆內(nèi)形成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，不斷地產(chǎn)生大量的中子。,反應(yīng)堆中子源的特點(diǎn)： 單位時(shí)間產(chǎn)生的中子數(shù)量大 能量分布比較復(fù)雜（同一反應(yīng)堆中不同位置的中子能量也會(huì)有差別 ）,反應(yīng)堆中子源是一個(gè)體中子源,,一般反應(yīng)堆中子通量密度,對(duì)少數(shù)高通量

43、堆中子通量密度可達(dá),。,在活性區(qū)內(nèi)達(dá)到,加速器中子源,利用各種帶電粒子加速器去加速某種粒子（如質(zhì)子和氘等）用他們?nèi)マZ擊把原子核，利用核反應(yīng)產(chǎn)生中子。,加速器中子源的特點(diǎn)：,改變：靶物質(zhì)的種類、帶電粒子的類型調(diào)節(jié)：帶電粒子的能量選擇：中子的出射方向,獲得不同能量的單能中子，便于進(jìn)行各種中子物理實(shí)驗(yàn),注意：加速器停止運(yùn)行時(shí)，這種強(qiáng)輻射原則消失，但加速器的部件因活化還存在著放射性。,中子產(chǎn)額： 單位時(shí)間內(nèi)單位粒子束流強(qiáng)

44、度產(chǎn)生的中子數(shù),表2.5 用在加速器上產(chǎn)生單能中子的核反應(yīng),3）中子與物質(zhì)相互作用,特點(diǎn),1）中子不帶電 因此它與核外電子之間沒有庫倫相互作用，因它通過物質(zhì)時(shí)，不與核外電子發(fā)生相互作用，不能引起直接電離。2）中子不帶電 因此，中子不需要克服庫侖力的障礙，能量很低的中子也能進(jìn)入原子核內(nèi)，引起各種反應(yīng)目反應(yīng)的幾率很大，而中子的反應(yīng)幾率主要決定于核的性質(zhì)。（不同于電磁輻射與物質(zhì)相互作用的幾率主要決定于原子序數(shù)）,中子與原子核的相互作

45、用可以產(chǎn)生各種作用過程，總截面是所有可能的各種截面的和：,散射：彈性散射、非彈性散射,吸收：輻射俘獲、核裂變、核反應(yīng),歸類：,不同能量的中子和原子核作用的截面相差很大,中子的散射,一般反應(yīng)式,非彈性散射,表2.6 幾種核的前兩個(gè)激發(fā)態(tài)的能量,,非彈性散射具有閾能的特點(diǎn),規(guī)律：輕核激發(fā)態(tài)的能量高 重核激發(fā)態(tài)的能量低 重核易產(chǎn)生非彈性散射,對(duì)235U核，中子的能量至少要45KeV,閾能,,彈性散射,彈性散射在中子與物質(zhì)相互作用

46、中是最常見的,彈性散射的特點(diǎn)：碰撞前后體系動(dòng)能相等 動(dòng)能分配發(fā)生變化,圖2.20 中子的核反沖示意圖,設(shè)：中子與核發(fā)生彈性碰撞,彈性散射的一般表達(dá)式：,中子的運(yùn)動(dòng)方向改變，能量有所減少。這是反應(yīng)堆中發(fā)生中子慢化的主要過程。,由碰撞過程中的能量、動(dòng)量守恒關(guān)系可以得到：,反沖核速度：,反沖核能量：,系數(shù)α,,,,,反沖核能量：,A>>1 時(shí),A = 1 時(shí) 此時(shí)反沖核的能量最大,結(jié)論：

47、輕核,,氫核,,1) A越小，反沖核所獲得的能量就越大 當(dāng) A=1 時(shí)（氫 質(zhì)子），反沖核的能量最大， （對(duì)中子減速作用最好） 可以采用氫核作為輻射體產(chǎn)生質(zhì)子反沖來減低中 子的速度 如： 水（H2O）、石蠟（C2H2) 選用氫核作輻射體，反沖核就是質(zhì)子,,由此可見：,2）當(dāng)A很大時(shí)，α值很小，反沖核帶走的能量很小, 中子幾乎不損失能量，也就是說：高Z物質(zhì)對(duì)中子慢化沒有多

48、大作用。,,,,,,,,,表2.7 幾種輕核的α值,,,,,圖2.21 氫的中子散射截面,中子的散射截面隨中子能量的增加而增加,b) 中子的吸收,中子吸收：,輻射俘獲,核裂變,產(chǎn)生帶電粒子的核反應(yīng),,入射中子與物質(zhì)相互作用后不再作為自由粒子存在的現(xiàn)象,目前用的最多的是以下三種核反應(yīng)：,,核反應(yīng)中釋放的能量,反應(yīng)截面,2. 核反應(yīng),可見：,中子入射到某一原子核上發(fā)生核反應(yīng)后，中子被吸收，生成的是具有一定能量的帶電粒子，。,對(duì)

49、 反應(yīng),,半衰期：7.3秒 放出β、γ射線 是水中放射性的主要來源,2）核裂變,核裂變是核反應(yīng)堆中最重要的核反應(yīng),易裂變同位素、裂變同位素,鈾-233 鈾-235 钚-239 钚-241,在各種能量的中子作用下均能發(fā)生裂變，并且在低能中子作用下發(fā)生裂變的可能性較大。,,的裂變反應(yīng)：,,裂變碎片,,中子數(shù)目,同時(shí)釋放200MeV的能量,不是全部產(chǎn)生裂變，還有輻射俘獲反應(yīng),,帶走165MeV的能量,,3）

50、輻射俘獲,輻射俘獲的表示,,具有放射性,簡寫：,原子核俘獲一個(gè)中子后， 生成一個(gè)比原來的核質(zhì)量數(shù)大1個(gè)單位的同位素，而且生成核是放射性的，用下式描述：,,,最常用的：,,,β,吸收了中子的核變成為另一種同位素，這新生的同位素是放射性的，這個(gè)現(xiàn)象叫做 “ 中子活化”，所生成的放射性稱為 “ 感生放射性 ”。測量經(jīng)過中子輻照后材料中的放射性，就可知道中子的強(qiáng)度，這就是 “活化法”,被照射樣品的放射性活度：,1）用反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性同位素最常

51、用的核反應(yīng)；2）通過測量中子輻照后的樣品放射性強(qiáng)度，而得到 “中子通量”、“俘獲截面”以及進(jìn)行樣品元素分析。,輻射俘獲目前應(yīng)用于以下一些方面：,小結(jié)：幾類射線與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn),重帶電粒子 重帶電粒子能量損失的主要方式是電離損失，通過電離和激發(fā)逐漸損失能量。用阻止本領(lǐng)來描述。在電離損失中，靶物質(zhì)原子中電子的阻止本領(lǐng)起主要作用。低能時(shí)應(yīng)考慮電荷交換效應(yīng)及核阻止本領(lǐng)。當(dāng)入射重帶電粒子穿過足夠厚的物質(zhì)時(shí)，具有平均射程。如

52、果物質(zhì)的厚度遠(yuǎn)小于平均射程時(shí)，在入射方向上探測到的粒子的能量隨吸收物質(zhì)厚度的增加而逐漸減小，但強(qiáng)度基本不變。,圖 α射線在物質(zhì)中的吸收,b. β射線 β射線的能量損失主要是通過電離能量損失、輻射能量損失而逐漸損失能量的。β射線散射現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，β射線在穿過物質(zhì)時(shí)，既有能量的損失，也有強(qiáng)度的減少。β在物質(zhì)中的穿透本領(lǐng)，采用β射線的最大能量對(duì)應(yīng)的吸收物質(zhì)的厚度來表示，稱為β射線在物質(zhì)中的最大射程。,。,圖 β射線在物質(zhì)中的吸收

53、,c γ射線 γ射線按照一定的幾率與物質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。在相互作用的過程中，一次損失全部或大部分能量。 穿過物質(zhì)后，在γ射線入射的方向上探測到的強(qiáng)度隨吸收物質(zhì)的厚度按照指數(shù)規(guī)律衰減、能量不變。所以，γ射線沒有射程的概念可言。γ射線在物質(zhì)中的穿透情況，也常常用半吸收厚度 表示。,圖 γ射線在物質(zhì)中的吸收,無論是慢中子、中能中子、快中子，也無論是輕核、中等核、重核，都可以發(fā)生這兩種反應(yīng)。

54、但無論是在輕核、重核中，慢中子對(duì)輕核為主，對(duì)重核為主；無論輕核、重核，熱中子為主。,ｄ．中子,最常見的作用過程：輻射俘獲和彈性散射,二者比較起來，又有所不同：,中能中子、快中子彈性散射是主要的；,思考題：,比較能量相同的α、β、γ在物質(zhì)中的穿透力和電離本領(lǐng)。在γ射線的屏蔽和防護(hù)工作中，采用哪類物質(zhì)效果更好，依據(jù)是什么？α、β、γ射線穿過物質(zhì)時(shí)，穿透能力分別用什么來表示？,5. 使快中子減速的常用方法是利用 “核反沖法”，為什么常采