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第1章 电离辐射与物质相互作用(1)

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电离辐射剂量学基础课件——第一章 电离辐射与物质的相互作用

电离辐射剂量学基础课件——第一章 电离辐射与物质的相互作用
电离辐射剂量学基础
辐射是一种长久以来就存在于自然界 的物理现象。按其本质可分为两类：
1.粒子辐射：是指组成物质的基本粒子，或 由这些粒子组成的原子核。粒子辐射是一些高速 运动的粒子，消耗自己的动能把能量传给被穿透 的物质。粒子辐射包括电子、质子、中子、α粒 子、β粒子和带电重离子等。
2.电磁辐射：实质是电磁波，包括无线电波、 微波、可见光、紫外线、X射线和γ 射线等。
0
pj (r) pj (.r) pE. j (r)dE
0
pE. j (r) d4N j (t, E,, r) / dtdEdda
pE,J(r)能揭示辐射场的最详尽的内涵，是完整的描述辐 射场的一个辐射学量。
对某种特定类型辐射：
rE E pE
p pEdE
E
r E pEdE
E
pEddE E
止能），单位是J。
2、通量、注量和注量率 （1）（通量）：表征辐射场中粒子或能量在时间上
的频繁程度。 Particle flux（粒子通量） N: N dN / dt ，s-1 Energy flux（能量通量） R：R dR/dt ，j.s-1
（2）（注量）：表征辐射场的空间疏密程 度。特例：单向辐射场
0
Q Q() QEdE
0
（1）注量的谱分布
将Φ和Ψ代入上述式中就得到粒子注量和能量注量谱 分布的表达式。
例如：
E d(E) / dE
E
(E) EdE
0
() EdE
0
（2）辐射度谱分布
pE. j (r) dp j (E, r) / dE
E
PJ (E.r) pE. j (r)dE
φ=dΦ /dt=d2N/dadt，m-2s-1 *φ为粒子通量密度： d (dN / dt)

电离辐射与物质的相互作用54页PPT

电离辐射与物质的相互作用54页PPT
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
46、我们若已接受最坏的，就再没有什么损失。——卡耐基 47、书到用时方恨少、事非经过不知难。——陆游 48、书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者。——史美尔斯 49、熟读唐诗三百首，不会作诗也会吟。——孙洙 50、谁和我一样用功，谁就会和我一样成功。——莫扎特

第1章电离辐射与物质相互作用

第1章电离辐射与物质相互作用
NdI/I
dx
2.带电粒子与靶物质原子的碰撞过程
在核工程和核技术应用领域内，主要涉及辐射能量为几kev到20Mev 的范围内。在这个能量范围内，带电粒子穿过靶物质时主要通过库伦 力与靶物质原子发生相互作用，主要有四种作用方式。
（1）带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞
入射带电粒子与物质原子的核外电子通过库伦力作用发生非弹 性碰撞，引起原子电离和激发。此过程中，核外电子获得能量， 带电粒子的能量减少，速度降低，通过这种方式损失能量称为电 离能量损失。一般是带电粒子穿过物质时损失能量的主要方式。
• 快速电子与物质的相互作用有：（1）与原子的电子发生非弹性 碰撞，引起原子的电离和激发；（2）核弹性库伦散射，散射严 重；（3）在电子减速或加速的过程中发射电磁辐射（轫致辐 射）；（4）正电子或负电子的湮灭。
• 虽然电离和激发仍是重要的，但轫致辐射的作用不能随意的忽略。 并且在与轨道电子的一次作用中，可以损失相当大份额甚至全部 的能量，并显著改变自己的运动方向。
• 对快电子来说，电离能量损失Sion仍是能量损失的重要方式，但 辐射能量损失Srad也占重要的地位，当电子能量达到几Mev时， 二者几乎相当。由于电子的质量小，核碰撞能量损失Sn所占份 额很小，但这会引起严重的散射。
二、重带电粒子与物质的相互作用
• 在我们感兴趣的能量范围内（大约0.1Mev到20Mev）的重带电 粒子与物质的主要相互作用有：（1）与原子的电子发生非弹性 碰撞，导致原子电离和激发，但粒子的运动方向几乎没有什么变 化；（2）电荷交换，即俘获和损失电子；（3）与核的弹性碰撞 （卢瑟福散射）；（4）核反应。
Scattering s e in
Absorption a γ f
Total

电离辐射与物质的相互作用

电离辐射与物质的相互作用

第1章 电离辐射与物质的相互作用辐射可分为电离辐射和非电离辐射。

频率在16310×Hz 以下的辐射，如红外线、可见光、紫外线等，其光子能量hv 很低，不能引起物质电离，这类辐射叫非电离辐射；凡是能直接或间接使物质电离的一切辐射，统称为电离辐射（Ionizing Radiation ）。

电离辐射是由带电的电离粒子，或者不带电的电离粒子，或者前两者的混合组成的任何辐射。

电离辐射包括能使物质直接电离的带电粒子（如α粒子、质子、电子等）和能使物质间接电离的非带电粒子（如频率大于16310×Hz 的光子、中子等）。

辐射剂量学、辐射屏蔽、辐射生物效应等都涉及电离辐射与物质的相互作用，电离辐射与物质相互作用时所引起的物理、化学、生物变化都是通过能量转移和吸收过程实现的。

1.1 带电粒子与物质的相互作用带电粒子的种类很多，最常见的有电子（指核外电子）、β射线（核衰变发射的高速电子）、质子（氢核）、α粒子（氦核），此外还有μ子、π介子、K 介子、Σ介子及其他原子核等。

在辐射防护领域，凡是静止质量大于电子的带电粒子，习惯上都称作重带电粒子。

最轻的重带电粒子是μ子，其质量为电子质量的206.9倍（表1-1）。

表1-1 一些常见粒子的基本特性 粒 子 种 类符 号 电 荷/e 质 量/m e 平均寿命/s 轻子 （负）电子正电子μ子中微子e ()−−β e ()++β ±μ ν −1 +1 1± 0 1 1 206.9 ≈0 稳定 稳定 2.26×10−6 稳定 介子 π介子0ππ± 1± 0 273.1 264.32.56×10−8 <4×10−6 K 介子 K ± 0K 1± 0 9679751.22×10−8 1.00×10−8 核子 质子 中子 P n +1 0 1836.121838.65稳定 1.04×10−3 重粒子 氘核 氚核 α粒子 d(D) t(T) α 1± 1± 2± 367054977294稳定 109 稳定 光子 紫外线 γ射线 X 射线γ X 0 0 0 00 1.1.1 带电粒子与物质相互作用的主要过程带电粒子与物质相互作用的过程是很复杂的，主要过程有：弹性散射、电离和激发、轫致辐射、湮没辐射、契伦科夫辐射、核反应（(,n)(p,n)(d,n)α、、等）、化学变化（价态、分解、聚合）等。

电离辐射剂量学基础课件——第一章 电离辐射与物质的相互作用

电离辐射剂量学基础课件——第一章 电离辐射与物质的相互作用

电离辐射损伤效应的发现
1896年美国学者格鲁柏研制X射线管的 实验时，在他手上发生皮炎。此后，一些研究 证实长期X射线、γ射线过量照射可引起皮肤红 斑、脱毛、皮肤溃疡、造血障碍、神经衰弱等， 人们开始认识电离辐射的损伤效应，并进行辐 射剂量单位、辐射防护和辐射损伤防治的研究。
电离辐射
物质（作用对象） 生物效应
∆LΩ=ΦΩ∆V ∆L=Φ∆V
Φ=∆L/∆V
Φ=dL/dV
Ω da
s ∆V
三.辐射传输方程
波尔兹曼扩散方程：
1
v
pE t
uur div pE
.
(E.)pE SE. d' dE'
4
Ecut
E
.
(
E
'
,
'
;
E,
)
p E
'
在稳恒辐射场中: pE / dt 0 ，并考虑到
pEdt E. ，则：
0
Q Q() QEdE
0
（1）注量的谱分布
将Φ和Ψ代入上述式中就得到粒子注量和能量注量谱 分布的表达式。
例如：
E d(E) / dE
E
(E) EdE
0
() EdE
0
（2）辐射度谱分布
pE. j (r) dp j (E, r) / dE
E
PJ (E.r) pE. j (r)dE
0
pj (r) pj (.r) pE. j (r)dE
0
pE. j (r) d4N j (t, E,, r) / dtdEdda
pE,J(r)能揭示辐射场的最详尽的内涵，是完整的描述辐 射场的一个辐射学量。
对某种特定类型辐射：

辐射与物质的相互作用

辐射与物质的相互作用
6.14×10-4 4.78 ×10-4 3.28 ×10-4 1.20 ×10-4
照射量下降百分数(%)
0 22 47 80
使用低滤过高千伏摄影,对受检者十分有害.而厚 度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义.
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律
楔形或 梯形滤 过板
4. X (γ)射线在物质中的衰减
I I 01e
光 子 数
1 x
I 02e
2 x
I 0 ne
n x
单能X线 连续X线
水模厚度
影响因素
4. X (γ)射线在物质中的衰减
B、连续X线在物质中的衰减规律 (2)、X线的滤过
低能X线不能透过人体(吸收)，对形成X线 影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照 射量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组 织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口 放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分， 使平均能量增高。
表5 人体不同组织的线衰减系数μ(m-1)
管电压(kV) 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 脂肪(×102) 0.3393 0.2653 0.2196 0.2009 0.1905 0.1832 0.1801 0.1774 0.1755 0.1742 0.1732 0.1724 肌肉(×102) 0.4012 0.2933 0.2455 0.2213 0.2076 0.1994 0.1942 0.1906 0.1882 0.1864 0.1852 0.1842 骨骼(×102) 2.4434 1.4179 0.9677 0.7342 0.6047 0.5408 0.4865 0.4530 0.4298 0.4132 0.4010 0.3918

电离辐射跟物质两者的相互作用

电离辐射跟物质两者的相互作用

电离辐射跟物质两者的相互作用电离辐射跟物质两者的相互作用在弄清楚电离辐射对人体产生的危害之前,我们首先需要了解电离辐射和物体是如何相互作用的,现在说明4种主要的电离辐射和物体相互作用的情况,即粒子,粒子,射线(包括x射线)和中子。

粒子粒子是带2个单位正电荷,质量数为4的氦原子核,是个带电的粒子,一般由质量较重的放射性原子核发射,能量为不连续的,能量通常为4~9Mev。

粒子通过物质时,能量转移(損失)的主要方式是电离和激发。

在射线和物质相互作用时,电离也是其他各种射线损失能量的主要方式。

粒子的射程非常短。

1个5Mev的粒子在空气中的射程大约是3。

5cm,在铝金属中也只有23m,因此,一般认为粒子不会对人体造成外照射的损害。

但当其进入人体的组织或器官时,其能量会全部被组织和器管所吸收,所以内照射的危害时必须考虑的。

粒子射线是高速运动的电子,带有1个负电荷,质量为氢原子质量的1/1840,当其和物质相互作用时,也会引起物质原子的电离和激发,粒子的质量比粒子的质量要小得多,所以1个与粒子的能量相同的粒子,在同一种物质中的射程要比粒子长得多。

例如,1个能量为5Mev的粒子,在空气中的射程只有3。

5cm,而1个能量为5Mev的粒子,在空气中的最大射程可达20m。

与粒子不同,粒子穿过物质时,有明显的散射现象,其特点是粒子的运动方向发生了改变。

当运动方向发生大的改变(例如偏折)时,粒子的一部分动能会以x射线的形式辐射出来,这种辐射叫韧致辐射。

韧致辐射的强度既与阻止物质的原子序数Z的平方成反比,还与射线的能量成正比。

由于对x射线的屏蔽要比对射线本身的屏蔽困难得多,所以对射线的屏蔽,通常要选用原子序数比较低的物质,诸如像有机玻璃和铝这样的材料,作为射线的屏蔽物质,从而使得射线在屏蔽材料中转变为韧致辐射的份额较少。

但对于放射性活度及粒子的能量均较高的辐射源,最好在轻材料屏蔽的后面,再添加一定厚度的重物质屏蔽材料,以屏蔽掉韧致辐射。

放射防护课件X线与物质的相互作用

放射防护课件X线与物质的相互作用

整理ppt
22
1.光电效应概念
吸收时光子的能量全部变为其他形式的能量； 弹性散射仅改变辐射的传播方向， 非弹性散射改变辐射的方向，也部分地吸收光
子的能量。
整理ppt
11
X射线与物质的相互作用
X射线与物质相互作用的主要过程包括：
光电效应 (photoelectric effect)
康普顿效应(Compton effect)
在光子能量较低时,除低Z以外的所有元素都以光 电效应为主。
光子能量在0.8～4MeV时，无论Z多大，康普顿效 应都占主导地位。
大的hν处电子对效应占优势。图中的曲线表示两 种相邻效应正好相等处的Z和hν值。
②在20～100keV的诊断X线范围内，光电效应和康 普顿效应是重要的，相干散射不占主要地位，电 子对效应不可能发生。
平均30次左右的相互作用，一个入射光 子的全部能量都转移给电子。
X光子进入生物组织后，光子能量在其 中转移、吸收，最终引起生物效应。
整理ppt
10
X线与物质的相互作用
X线在物质中可能与原子的电子、原子核、带电 粒子的电场以及原子核的介子场发生相互作用， 作用的结果可能发生光子的吸收、弹性散射和 非弹性散射。
20 70 30 89 11 94 6
60 7 93 31 69 95 5
100 1 99 9 91 88 12
整理ppt
18
总结
用水来说明低Z组织的情况，如空气、脂肪 和肌肉。
致密骨含有大量钙质，代表中等Z的物质。 相干散射仅占5%左右。 水中除低能光子外，康普顿散射是主要的。 NaI的Z高，主要是光电作用。 骨介于水和NaI之间，低能时主要是光电作
高速电子通过组织时，与原子相互作用， 使其电离或激发，产生化学变化和生物 损伤；在被吸收的能量中，97％的转变 为热能，3%的能量以引起化学变化的形 式积蓄起来。

电离辐射与物质的相互作用

电离辐射与物质的相互作用
37
计算得到：R =23.4 m 。
28
第一节：重带电粒子与物质的相互作用
z2e4 dE 4 1. 能量损失率： = 2 NB dx ion m0v
几点讨论： 1、S与入射粒子质量无关，只与电荷与速= Sm2(v0) Sm1= Sm2 m1 m2 2、S与入射粒子的电荷平方z2成正比
几点讨论：
1、辐射损失率与入射粒子质量平方成反比， 重带电粒子的辐射损失可以忽略不计； 2、辐射损失率与靶物质NZ2成正比； 3、辐射损失率与入射粒子能量E成正比。
31
第一节：重带电粒子与物质的相互作用 2. 重带电粒子在物质中的射程：
入射带电粒子通过空气时，由于与气体分子的电离碰撞而逐次损 失能量，最后被阻止下来。碰撞的结果使气体分子电离或激发，并在 粒子通过的径迹上生成大量的离子对（电子和正离子）。 入射粒子直接与气体分子碰撞引起的电离——初电离 由碰撞打出的高速电子（δ电子）所引起的电离——次电离。
入射带电粒子在物质中经过单位路程损失的能量。 也叫线性阻止本领。
dE S= dx
有：电离损失率，辐射损失率。
所以，
dE dE dE = dx dx ion dx rad
25
Bethe 公式(Bethe formula)
Bethe公式是描写电离能量损失率Sion与带电粒子速度v、 电荷Z等关系的经典公式。 公式推导的简化条件：
Bethe 公式(Bethe formula)
通过以上假设可以得到重带电粒子与 单个电子的碰撞情况： 电子碰撞能量损失率的近似表达式为：
z2e4 dE 4 = 2 NB dx ion m0v
其中：
2m0v B = Z ln I

电离辐射与物质的相互作用

电离辐射与物质的相互作用

电离辐射与物质的相互作用电离辐射是指能够使原子或分子中的电子从原子或分子中脱离并形成带电离子的辐射。

通常包括电磁辐射（如X射线和γ射线）和粒子辐射（如α粒子和β粒子）。

电离辐射与物质的相互作用是一个复杂的过程，涉及辐射的性质以及物质的成分和结构等因素。

电离辐射与物质的相互作用主要包括电离、激发和散射等过程。

在原子或分子中，辐射与物质相互作用时，如果能量足够高，就能够将物质中的电子从其原子或分子中脱离出来，形成带电离子。

这个过程称为电离。

实际上，辐射在与物质相互作用时不仅能够将电子从物质中脱离，还能够激发物质中的电子，使其跃迁到更高的能级。

这个过程称为激发。

此外，辐射还会与物质中的原子或分子进行散射。

散射过程中，原子或分子的运动方向和能量都会发生变化。

这些相互作用过程的发生与辐射的性质有关。

例如，对于电磁辐射而言，能量越高，电离和激发的概率就越大。

因此，γ射线的电离和激发能力要比X射线强。

而对于粒子辐射而言，电离和激发的能力与所带电荷数和质量相关。

例如，α粒子由于带有2个正电荷，其电离和激发能力要比β粒子强。

物质的成分和结构也会影响电离辐射与物质的相互作用。

不同的物质由于其不同的成分和结构，对电离辐射的吸收和散射能力有所不同。

一般来说，密度越大、原子或分子数越多的物质对电离辐射的吸收能力越强。

同时，原子或分子之间的相互作用力也会影响电离辐射与物质的相互作用。

例如，对于固体而言，原子或分子之间的束缚力比较强，因此固体对电离辐射的吸收和散射能力要比气体大。

电离辐射与物质的相互作用不仅在核能技术、医学诊断和治疗等领域起着重要作用，还对环境和人体健康产生一定的影响。

高剂量的电离辐射对生物体可以造成显著的伤害，包括细胞的损伤和遗传物质的变异等。

因此，对于电离辐射的安全使用和防护问题，有必要进行深入的研究。

总之，电离辐射与物质的相互作用是一个复杂而重要的研究领域。

通过研究电离辐射与物质的相互作用过程，可以更好地理解辐射的基本性质以及其在各个领域的应用和影响。

电离辐射与物质的相互作用

电离辐射与物质的相互作用

第二章 电离辐射与物质的相互作用原子的核外电子因与外界相互作用获得足够的能量，挣脱原子核对它的束缚，造成原子的电离。

由带电粒子通过碰撞直接引起的物质的原子或分子的电离称为直接电离；由不带电粒子通过它们与物质的相互作用产生带电粒子引起的原子的电离，称为间接电离。

由带电粒子、不带电粒子、或两者混合组成的辐射称为电离辐射。

电离辐射与物质的相互作用是辐射剂量学的基础。

本章讨论带电粒子、X （γ）射线与物质的相互作用过程，定量分析它们在物质中的转移、吸收规律。

第一节 带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质相互作用的主要方式相互作用的主要方式：（1）与原子核外电子发生非弹性碰撞；（2）与原子核发生弹性碰撞；（3）与原子核发生非弹性碰撞；（4）与原子核发生核反应。

（一）带电粒子与核外电子的非弹性碰撞当带电粒子从靶物质的原子近旁经过时，入射粒子与轨道电子之间的库仑力使轨道电子受到吸引或排斥，从而获得一部分能量。

如果轨道电子获得足够的能量，就会引起原子电离，原子成为正离子，轨道电子成为自由电子。

如果轨道电子获得的能量不足以电离，则可以引起原子激发，使电子从低能级跃迁到高能级。

处于激发态的原子很不稳定，跃迁到高能级的电子会自发跃迁到低能级而使原子回到基态，同时放出特征X 射线或俄歇电子。

如果电离出来的电子具有足够的动能，能进一步引起物质电离，则称它们为次级电子或δ电子，由次级电子引起的电离称为次级电离。

碰撞损失或电离损失：带电粒子因与核外电子的非弹性碰撞，导致物质原子电离和激发而损失的能量。

描述电离（碰撞）损失的两个物理量：线性碰撞阻止本领（linear collision stopping power ）（用符号S col 或()col dE dl 表示）和质量碰撞阻止本领（mass collision stopping power ）（用符号()col S ρ或1()coldE dl ρ表示）。

线性阻止本领是指入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时电离损失的能量，其SI 单位是J.m -1，还常用到MeV .cm -1这一单位。

电离辐射的分析原理

电离辐射的分析原理

电离辐射的分析原理电离辐射的分析原理是指利用辐射对物质产生电离作用，通过对电离过程的研究，可以获得物质的组成、结构和性质等信息。

电离辐射的主要形式有X射线、γ射线和离子束等。

下面将从电离过程的基本原理、分析技术和应用领域等方面介绍电离辐射的分析原理。

1. 电离辐射的基本原理电离辐射的基本原理是指辐射与物质相互作用时，能量转移给原子或分子的过程中，原子或分子中的电子被激发或离去的过程。

电离辐射一般包括两个过程：一是辐射与物质的相互作用过程，二是辐射能量转化为物质中的自由电子能量的过程。

当辐射与物质相互作用时，其能量可以以三种方式传递给物质：光电效应、康普顿散射和电子对产生。

光电效应是指辐射入射到物质上时，能量足够大的光子可以将束缚在原子内的电子打出，形成光电子。

康普顿散射是指辐射与物质中的自由电子碰撞后散射出去，能量由辐射转移给电子，电子则获得动能。

电子对产生是指辐射入射到物质中时，光子能量大于1.022 MeV时，可以与原子核发生相互作用，产生正电子和电子对。

2. 电离辐射的分析技术电离辐射的分析技术主要包括X射线荧光分析、γ射线分析和离子束分析等。

（1）X射线荧光分析X射线荧光分析是利用物质受到X射线或γ射线照射时，样品中的元素会发射出特定能量的X射线的现象，通过检测和分析发射的X射线，可以获得样品的成分信息。

其主要的原理是利用入射到样品中的X射线或γ射线与样品中的原子发生相互作用，使原子电子跃迁到高能级，然后再经过自发辐射跃迁到低能级，释放出X射线。

通过测量这些特定能量的X射线的强度和能谱分布，可以确定样品中元素的含量和种类。

（2）γ射线分析γ射线分析是利用物质受到γ射线照射时，样品中的元素会发射出特定能量的γ射线或/和激活产生一种新的元素核素的现象，进而通过检测和分析发射的γ射线来确定样品的成分信息。

其基本原理是γ射线与物质发生相互作用，通过衰变或激发过程产生特定能量的γ射线。

通过测量这些γ射线的强度和能谱分布，可以获得样品中元素的信息。

2电离辐射与物质的相互作用

2电离辐射与物质的相互作用

2电离辐射与物质的相互作用电离辐射是指能够将物质中的原子或分子转化为带正电或负电离子的辐射。

这种辐射可以是电子、质子、中子、X射线、γ射线等。

当这些带电粒子通过物质时，它们与物质发生相互作用，引起原子或分子的电离和激发。

这种相互作用的过程对于理解电离辐射的性质和应用非常重要。

在物质中，重带电粒子与原子核和电子发生相互作用。

对于比较重的带正电粒子（如质子和α粒子），主要的相互作用是库仑碰撞和电子抛出。

库仑碰撞是指带正电粒子与原子核进行相互作用，通过库仑力来改变粒子的方向和动能。

这种碰撞过程会造成原子核的激发和电离，而带正电粒子的电荷得到补偿后继续前进。

电子的抛出是指带正电粒子与电子进行相互作用，由于带正电粒子的高能量和靠近距离，会导致电子从原子轨道中被脱离，形成正电离子。

对于带负电粒子（如电子），主要的相互作用是库仑碰撞和电离碰撞。

库仑碰撞是指带负电粒子与原子核进行相互作用，通过库仑力来改变粒子的方向和动能。

不同于质子和α粒子，电子与原子核的库仑碰撞能导致电子的散射和损失能量，而不会引起原子核的激发和电离。

电离碰撞是指带负电粒子与原子中的电子进行相互作用，由于电荷的相反和靠近距离，电子会被带负电粒子的高能量电流所激发和抛出，形成自由电子和正电离子。

总体而言，电离辐射与物质的相互作用是一个复杂的过程，它涉及到带电粒子的能量、动量、电荷和质量等因素，以及物质中原子和分子的结构和特性。

这种相互作用的结果包括电子的激发、电离和损失能量，原子和分子的电离、激发和捕获，以及辐射的发射和吸收等。

电离辐射与物质的相互作用在许多领域具有重要的应用价值。

在核能产生和放射治疗中，电离辐射的相互作用被用于能量的释放和损伤的产生。

在材料科学和半导体工业中，电离辐射被用于改变材料的物理和化学性质。

在空间探测和核物理研究中，电离辐射的相互作用被用于探测和测量粒子的能量和性质。

总之，电离辐射与物质的相互作用是一门复杂而有趣的科学。

2、电离辐射与物质的相互作用

2、电离辐射与物质的相互作用

如果电离出来的电子具有足够的动能，能进一 步引起物质电离，则称它们为次级电子或δ电子， 由次级电子引起的电离称为次级电离。 带电粒子因与核外电子的非弹性碰撞，导致物 质原子电离和激发而损失的能量称为碰撞损失或 电离损失。
描述电离（碰撞）损失的两个物理量： 线性碰撞阻止本领（linear collision stopping power）入射带电粒子在靶物质中穿 行单位长度路程时电离损失的平均能量。 用 Scol 或
X（γ）光子与每单位质量厚度物质发生相互 作用的概率称为质量衰减系数（ mass attenuation coefficient） ，单位是m2/kg，或 cm2/g。 与物质密度无关，不 tm 会随热力学状态的变 I I 0e 化而变化
3、线性能量转移系数、质能转移系数 、质能吸 收系数 线性能量转移系数（linear energy transfer coefficiet）定义X（γ）光子在物质中穿行单位距 离时，其总能量由于各种相互作用而转移为带电 粒子动能的份额。
en

tr
(1 g )
g为次级电子的动能因辐射而损失的份额。
4、半价层（HVL） 定义为X（γ）射线束流强度衰减到其初始值一 半时所需的某种物质的衰减块的厚度。它与线性 衰减系数的关系可表示为
HVL
与
0 .6 9 3

与μ的意义一样， HVL表示物质对X（γ）光子 的衰减能力。
S
ra d
(
dE dl
) ra d
或
1

(
dE dl
) ra d
辐射损失与入射粒子及靶物质部分物理量之 间的关系 关系式：
( S ) ra d z Z m

01电离辐射与物质的相互作用

01电离辐射与物质的相互作用
非带电粒子辐射⎩⎨⎧电磁辐中射子(x,γ ,L) 电离辐射：能量大于～10eV量级的射线。
5
一：电离辐射的种类及来源
电离辐射的来源
放射性：原子核自发的发射各种射线的现象 能自发的发射各种射线的核素称为放射性核素， 也叫不稳定的核素。(天然放射性核素、人工放射性核素)
放射性与原子核衰变密切相关。天然放射线主要有三种：α，β和γ射线
能量传递的过程
16
8
第一节：带电粒子与物质的相互作用
二 带电粒子与物质相互作用的主要过程
入射带电粒子所带电荷与原子中核外电子、原子核发生的库 仑相互作用。入射带电粒子在相互作用过程中逐渐慢化。
在入射带电粒子与电子的一次碰撞中，靶原子的电子获得的 动能只占入射离子动能的很小的一部分。
质子入射时：
Emax
NB
其中：
B
=
Z
ln⎜⎜⎝⎛
2m0v 2 I
⎟⎟⎠⎞1
2
按量子理论推导出的公式(非相对论)也可以表示为
只是：
B
=
Z
ln⎜⎜⎝⎛
2m0v 2 I
⎟⎟⎠⎞
22
11
（一）. 电离激发与碰撞阻止本领：
2 碰撞阻止本领 几点讨论：
Sion
=
⎜⎛ − ⎝
dE dx
⎟⎞ ⎠ion
=
4πz 2e4 m0 v 2
NB
或写成：
S ρ
=
⎜⎜⎝⎛
S ρ
⎟⎟⎠⎞col
+ ⎜⎜⎝⎛
S ρ
⎟⎟⎠⎞rad
入射电子能量高，辐射损失起主要作用；
对于重带电粒 子，可忽略
入射电子能量低，电离损失起主要作用。
(− dE dx)rad = ZE (在相对论能区)
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宏观截面
Macroscopic cross section
N
[cm1] [# / cm3 ][cm2 ]
• N为单位体积内原子核的数目。where N is the
number density of the target nuclei in units cm-3
未经碰撞的中子束强度的衰减规律
（4）带电粒子与靶物质原子核外电子的弹性碰撞
带电粒子与靶原子核外电子的弹性碰撞过程只有很小的能量转 移。这种相互作用方式只是在能量极低（100ev）的电子才会考 虑。因此，对粒子的能量损失贡献很小，一般忽略。
3.带电粒子在物质中的能量损失
• 带电粒子进入物质后，受库伦力相互作用损失能量的过程可以看 成是被物质阻止的过程，把某种吸收物质对带电粒子的线性阻止 本领S定义为该粒子在材料中的微分能量损失dE除以相应的微分 路径dx，即： S dE
中子的世界
在中子看来，世界绝大部分都是空空荡荡的。 中子有多大的可能性和原子核发生反应？
微观截面
Microscopic Cross section
设有强度为I （# / cm2 s ）的单能中子束平行入射到一薄靶上， 该薄靶厚度为 Δx，靶的核密度为N。
平行中子束经过薄靶后强度的变 化量ΔI正比于入射中子束的强 度I、靶的厚度Δx及靶的核密度 N.
入射带电粒子与物质原子核通过库伦力的相互作用，使入射带 电粒子受到排斥或吸引，导致粒子的速度和方向发生变化。当带 电粒子加速或减速时必然会产生辐射，因此，这种导致带电粒子 骤然变速时伴随产生的电磁辐射称为轫致辐射，通过这种方式损 失能量称为辐射能量损失。
（3）带电粒子与靶物质原子核的弹性碰撞
带电粒子与靶物质原子核在库伦力作用下发生弹性散射，即卢 瑟福散射。这种过程不会使原子核激发也不会产生轫致辐射，只 是原子核反冲而带走入射粒子的一部分能量，这种能量损失称为 核碰撞能量损失，这种阻止作用称为核阻止。此过程是引起电子 散射严重的主要因素。
I NIx
I I / I
NxI Nx
微观截面
Microscopic cross section
R
I
NA
# cm2s
cm2
# cm2
s
# cm
2
微观截面表征了一个中子 一个原子核相互作用 （发生核反应）的概率 大小。
微观截面
Microscopic cross section
Number of reactions / nucleus / s R / NA
Number of incident neutrons / cm2s
I
每种类型的核反应都有相应的截面，用不同的下标表示。
Scattering s e in
Absorption a γ f
Total
方程：
dI (x) I (x)
t dx
给定边界条件下的解：
I (x) I0et x
宏观截面的物理解释
• 表征了一个中子和单位体积内所有的原子 核发生反应的概率大小。
• 为一个中子在介质内穿行单位距离与原子 核发生反应的概率大小。
N dI / I
dx
2.带电粒子与靶物质原子的碰撞过程
在核工程和核技术应用领域内，主要涉及辐射能量为几kev到20Mev 的范围内。在这个能量范围内，带电粒子穿过靶物质时主要通过库伦 力与靶物质原子发生相互作用，主要有四种作用方式。
第一章、电离辐射与物质相互作用
哈尔滨工程大学核学院
第一节 带电粒子与物质相互作用
一、射线与物质的相互作用
• 射线的种类很多，能量范围也很宽，但一般只关注能量在10ev 量级以上的辐射，能量大于这个最低能值的辐射称作电离辐射。
1.辐射的分类
（1）带电粒子的辐射：电子、正电子、质子、α粒子等。亦可称 为直接致电离辐射，带电粒子通过物质时，沿着粒子径迹通过 许多次的库伦力的相互作用，将其能量传递给物质。
dx
也可以称为粒子的能量损失率，或比能损失。
• 根据带电粒子与靶物质原子碰撞过程的分析，能量损失率由电离 能量损失率Sion、辐射能量损失率Srad及核碰撞能量损失率Sn组成， 故有：
S
Sion
Sn
Srad
(
dE dx
)ion
(
dE dx
)
n
(
dE dx
)
rad
• 对不同的带电粒子三种能量的损失方式所占的比重不一样。
（1）带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞
入射带电粒子与物质原子的核外电子通过库伦力作用发生非弹 性碰撞，引起原子电离和激发。此过程中，核外电子获得能量， 带电粒子的能量减少，速度降低，通过这种方式损失能量称为电 离能量损失。一般是带电粒子穿过物质时损失能量的主要方式。
（2）带电粒子与靶物质原子核的非弹性碰撞
t s a
微观截面工程中常用的单位：靶恩 (barn) ，1靶=10-24cm2
中子束入射到厚靶上
Neutron beam incident on a thick target
未经碰撞的中子束强度的衰减规律
在x处dx间隔内单位面积 上发生反应的中子数为
dR t IdNA t INdx
dI(x) [I(x dx) I(x)] t INdx I(x)Ntdx
• 对快电子来说，电离能量损失Sion仍是能量损失的重要方式，但 辐射能量损失Srad也占重要的地位，当电子能量达到几Mev时， 二者几乎相当。由于电子的质量小，核碰撞能量损失Sn所占份 额很小，但这会引起严重的散射。
3.带电粒子在物质中的能量损失
• 将具有一定能量的质子、氘核、α粒子和π介子等重带电粒子称 为快重带电粒子，将所有z>2并失去了部分电子的原子和裂变碎 片等粒子称为重离子。
• 在我们所关注的能量范围里，快重带电粒子和重离子的电离能 量损失Sion都是最主要的能量损失方式，而辐射能量损失Srad都 可以忽略，快重带电粒子的核碰撞能量损失Sn一般很小，但重 离子（特别速度很低时）的核碰撞能量损失Sn可与电离能量损 失Sion相当。
（2）非带电粒子的辐射：电磁辐射（γ射线和X射线）和中子等。 亦可称为间接致电离辐射，X/γ射线或中子通过物质时，可能会 发生少数几次相对而言较强的相互作用，把其部分或全部能量 转移给它们所通过物质中的某带电粒子，然后，所产生的快速 带电粒子再按直接致电离辐射的方式将能量传递给物质。
X/γ射线将其全部或部分能量传递给物质中原子核外的电子，产生次 级电子；中子几乎总是以核反应或核裂变过程产生次级重带电粒子。