第二章 辐射防护基础知识(三)——射线与物质相互作用

辐射测量与防护

电离辐射与物质相互作用

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核辐射与物质相互作用重带电粒子与物质相互作用 β射线与物质相互作用 射线与物质相互作用

γ 射线与物质相互作用中子与物质相互作用

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一、重带电粒子与物质的相互作用

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1. 作用类型概述—— 重带电粒子可与核外电子发生弹性碰撞，仅在 其能量低于100eV时有意义，所以一般只考虑 带电粒子与核外电子的非弹性碰撞。 重带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞的结果 可使原子发生电离或激发。

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1. 作用类型 1)电离(ionization)—— 电离( 电离带电粒子通过物质时，与物质原子的壳层电子发生静

电作用，电子获得足够能量后使其脱离轨道形成一个带负电荷的自由电子(次级电子),失去一个电子的原 子则变成带正电荷的离子，自由电子与离子构成离子对 。这种使物质中性原子变成离子对的过程称为电离 电离。 电离

原电离—— 次级电离——由原电离产生的电子如果具有足够的动能，它也能使原子电离

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1. 作用类型 1)电离(ionization)—— 电离( 电离δ电子——α粒子与物质原子壳层电子直接碰撞时， 可以产生高能电子的电离，出射的电子 δ电子可以使物质原子再电离或激发

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带电粒子通过物质

物质中原子被电离， 物质中原子被电离，在 粒子通过的路径上形成 许多离子对： 许多离子对： 正离子和自由电子+ ++ + ++ + - + + ++ - + ++ -+ -+ - +-- - + -+ ++ - -+ -

库仑作用

e+

自由电子 正离子+ + + -

α +4He

靶原子

→

正离子 + 电子 + α

+ Ar → Ar+ + e- + 4He

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1. 作用类型电离密度(ionization density ): 电离密度 带电粒子在单位路径长度上形成的离子 对数，单位为离子对/厘米。 比电离应包括原电离和次电离产生的离 子对

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1. 作用类型 2) 激发 激发(excitation)带电粒子通过物质时，壳层电子获得的能量不足以使壳 层电子脱离轨道，则从能量较低的轨道跃迁到能量较高 的轨道，即原子由基态转入高能态，这种过程称为激

发 原子退激——激发态的原子不稳定，处在高能态的电 原子退激子要跳回低能态轨道来，以发射光子的形式放出相应的 能量

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1. 作用类型

3)散射(scattering ) )散射(带电粒子通过物质时，因受物质原子核库仑电场作 用，与带正电的原子核发生库仑排斥作用而改变其 本身的运动方向，称为散射。 入射粒子相对于核的质量愈大，则散射愈小。对于 重带电粒子，散射现象不太明显，可以不予考虑

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1. 作用类型电离和激发两过程构成了重带电粒子在 碰撞过程中的主要能量损失。

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2.几个重要概念 2.几个重要概念1)传能线密度(linear energy transfer,LET ) )传能线密度 带电粒子在一种物质中穿行时单

位长度 路径上与电子碰撞粒子能量的损失。单位 是MeVcm-1

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2.几个重要概念 2.几个重要概念2)带电粒子在物质中的射程– 任何一种带电粒子在进入物质以后，通过与物质相互作用

而不断地损失能量。如果物质的厚度是足够的，带电粒子 最终将完全停留在物质中，这种现象称为物质对带电粒子 的吸收，这种物质称为吸收物质。– 带电粒子从进入物质到完全被吸收沿原入射的方向穿过的

最大距离，称为该粒子在物质中的射程，常用符号R表示。– 如果不指明在哪种物质中，而只是说“射程”多少，就是

指粒子在标准状况下的空气中的射程。

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2.几个重要概念 2.几个重要概念重带电粒子在物质中的射程与能量的关系相同能量的同一种带电粒子在不同物质中的射 程有经验公式：

Ra ρ b = Rb ρ a

Aa Ab

式中ρa和ρb、Aa和Ab分别为物质a和物质b的密 度与相对原子量。

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2.几个重要概念 2.几个重要概念在其它物质中的射程：在其它物质中的射程R可用在空气中的射程Rair 进行换算，其公式如下：R = 3.2 × 104

A

ρ

Raiv

式中，A和ρ分别表示吸收物质原子的质量数和 密度(单位为g/cm3),R的单位为cm。

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2.几个重要概念 2.几个重要概念

射程和路径的区别

带电粒子的射程和路程

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2.几个重要概念 2.几个重要概念3)射程歧离– 一组单能粒子射程的平均值称为平均射程。 – 相同能量的粒子在同一种物质中的射程并不完全相同，这

种现象称为射程歧离。– 产生这种现象的原因——每两次碰撞间粒子穿过的距离以及每次碰撞使带电粒子失去的能 量不完全相同，因而相同能量的粒子的射程不是一个定值。由于 每个粒子都必须经过多次的碰撞，因此，各个粒子的射程间的相 互差别并不很大。重带电子粒子的射程涨落一般都很小。

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3. 阻止本领带电粒子使物质原子电离或激发而损失的能量称 为电离能量损失。 把带电粒子在物质中单位路程上的电离损失称为 电离能量损失率，又称为阻止本领。常用符号(dE / dx) ion 表示。

脚标“ion”表示是由入射粒子使原子电离或激发 所引起的能量损失。

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3. 阻止本领阻止本领的表达式： 2 m eυ 2 C K υ2 πz 2 e 4 dE 4 ln1 2 ÷ = NZ ln 2 I Z dx ion m e υ c υ2 ÷ 2 ÷ c

式中：Z:重带电粒子的电荷数； e:一个电子的电量，等于1.602×10-19C; e 1.602 10 Z:物质原子的原子序数； N:物质在单位体积中包含的原子数目； c:光速； V:重带电粒子的速度； me:电子的静止质量 I :物质原子中电子的平均等效电离电位。

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3. 阻止本领阻止本领表达式重要结论-1 阻止本领表达式重要结论-1:(1) (dE / dx) ion 与重带电粒子电荷数的

平方成正比。如果α粒子和质子的速度相等，物质对α粒子的阻止本领是对质子阻止 本领的4倍。带电粒子的电荷愈多，能量损失率愈大，穿透 能力也就愈弱。 (2) (dE / dx) ion 与带电粒子的质量无关。原因在于重带电粒子的 质量比电子质量至少大1800倍。重带电粒子的质量与电子质 量相比，都可以近似地被看成是无穷大。因此，重带电粒子 的质量的确切数值就对阻止本领没有影响了。

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