2射线和物质的相互作用

辐射防护研究

射线与物质的相互作用Radiation Interactions with Matter

辐射防护研究

射线：电离辐射，泛指核衰变或核裂变放出的粒 子和由加速器加速的离子或核反应产生的各种粒 子，包括 (4He2+)、3He、p、d、t等重带电粒 子，重离子和裂变碎片，e+、e-( 射线)等轻带 电粒子，X、 射线，中子等。 物质：指各种化学元素，可以是单质，也可以是 化合物或混合物；可以是气体、液体和固体状态。 在我们的课程中，各种探测器就是利用射线与物 质的相互作用性质设计和制造的。

辐射防护研究

弹性碰撞与非弹性碰撞

1 1 1 1 2 2 '2 '2 mv MV mv MV E 2 2 2 2 E 为内能项

E 0 E 0

弹性碰撞(即动能守恒) 非弹性碰撞(即动能不守恒) 为第一类非弹性碰撞，如入射粒子与处于基 态的核碰撞，且使核激发；

E 0 E 0

为第二类非弹性碰撞，如入射粒子与处于 激发态的核碰撞，且使其退激。

辐射防护研究

从微观上看： 碰撞机制： 与核外电子、原子核碰撞；弹性、非弹性碰撞。 碰撞后： 或入射粒子能量、方向改变后出射； 或入射粒子消失，产生新粒子。

从宏观上看：不管作用机制如何，穿过物质 的射线强度比入射强度减小。

辐射防护研究

带电粒子( 、 )与物质的相互作用 不带电粒子( 、X)与物质的相互作用

辐射防护研究

带电粒子与靶物质原子的碰撞过程慢化 快速入射带电粒子 库仑相互作用 靶原子中电子和原子核 (带有电荷) (亦带有电荷) 与核外电子碰撞速 度 很 低Emax

4mM 1 E0 Emax E0 (m M ) 2 500

动能转移(每次碰撞转移约1/500) 通过连续的小能量转移，入射粒子 逐渐损失能量，速度变慢。

电子转移(电荷交换效应) 入射带电粒子从靶物质中俘获电子， 如果靶足够厚，入射粒子能量全部耗 尽后，成为中性原子停留在靶物质中。

辐射防护研究

慢化过程中，带电粒子与靶物质原子的相互作用有四类： 与核外电子发生非弹性碰撞(电离损失或电子阻止) 与原子核发生非弹性碰撞(辐射损失或库仑激发) 与原子核发生弹性碰撞(核阻止) 与核外电子发生弹性碰撞

辐射防护研究

入射粒子 运动方向 与电子 非弹性碰撞 与核 非弹性碰撞 与核 弹性碰撞 与电子 弹性碰撞 改变不大 改变较大 改变较大 改变

入射粒子 能量损失 不大 不大 不大 很小

导致结果 电子电离或 激发 电磁辐射或 原子核激发 原子核反冲

重要性 是能量损失的主要方式 对 粒子是损失能量的重要方 式 入射能量很低或低速重离子 入射时，有重要贡献。 只有在很低能量(100eV)的 粒子入射时才需考虑

根据入射粒子种类和能区不同，及对不同靶物质， 各种相互作用的概率是不同的。因此，在一定情

况 下，常常只考虑起主要贡献的一种或几种作用，而 忽略其他的。于是，带电粒子分为“轻”“重”及

“快”“慢”。

辐射防护研究

重带电粒子( 粒子等)与物质的相互作用 轻带电粒子( 射线)与物质的相互作用

辐射防护研究

重带电粒子与物质的相互作用 重带电粒子指 (4He2+)、3He、p、d、t等带电 粒子。 重离子是指Z>2的所有失去部分电子的离子。 重带电粒子入射时，能量损失分为两部分：电子 阻止和核阻止。对快带电粒子入射，比电子阻止小 三个量级，可忽略。只有低速重带 电粒子入射时，才不能被忽略。

辐射防护研究

重带电粒子在物质中的能量损失

辐射防护研究

(一)电离损失或电子阻止本领——与核外电子的非弹性碰撞过程入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作用，使电 子获得能量而引起原子的电离或激发。入射粒子通过这 种方式损失能量称为电离损失或电子阻止本领。

辐射防护研究

快速带电粒子入射时 从经典角度出发，假设入射粒子与“静止”的 “自由电子”的弹性碰撞。入射粒子的电荷数 是确定，等于它的核电荷数。

辐射防护研究

用经典的弹性库仑碰撞理论来推导单位长度上的 I是靶原子的平均 能量损失公式为：激发和电离能。

2m0 v 4 z e dE NZ ln 2 I m0 v dx e 2 4

2

12

从量子理论(非相对论)导出的能量损失公式为：2 4 2m0v 2 dE 4 z e N Z ln 2 m0v I dx e

单位：MeV/cm

二者仅在对 数项中有些 差别

辐射防护研究

考虑了相对论及其他修正因子后，能量损失的精 确表达示为：2 4 2m0v 2 C dE 4 z e 2 2 N Z ln ln( 1 ) 2 m0v I Z dx e

相对论修正值 壳修正项， =v/c,c是光速 入射粒子的 速度不能满足 大于靶原子内 壳层电子轨道 速度时，内层 电子不参与对 入射粒子的阻 止作用

辐射防护研究

电子阻止本领的特点 2m0v 2 dE 4 z 2e 4 C 2 2 N Z ln ln( 1 ) 2 m0v I Z dx ion 阻止本领只与入射粒子的速度有关(1/ 2),而与它的 质量无关。只要两种入射粒子的速度相等，能量损失率 亦相等。 阻止本领与重带电粒子的电荷数平方成正比。入射粒子 电荷越多，能量损失越大，穿透本领越弱。 阻止本领与靶物质的NZ有关。高原子序数和高密度物质 有较大的阻止本领。 电子阻止本领随粒子能量的变化曲线 (见图2.3)

辐射防护研究

低速带电粒子入射时 入射粒子速度低于轨道电子的平均速度时，电 荷交换效应变强。 考虑外层电子对核库仑场的屏蔽，得出：

z Z dE 1/ 6 2 z 8 e Na0 2 / 3 2 / 3 3/ 2 (z Z ) 0 dx e

与速度成正比

辐射防护研究

(二)核阻止本领——与原子核发生弹性碰撞过程采用与电子本领相类似的步骤，得到核阻止本领 公式为： 2 4

4 z e dE NZ 2 Ln 2 m2v dx n

与电子阻止本领的比值为：对高速入射重带电粒子，Ln/Le~2, 核 阻止与电子阻止之比为1/2000。可见 在高能区，核阻止是可以忽略的。只 有入射重带电粒子速度很低时，或入 射低速重离子时，核阻止才显得重要。

辐射防护研究

~

1 2

中速区尚无合适的理论计算 公式，实际使用时都是一些 实验数据的拟合公式。

辐射防护研究

原子阻止截面

e

n

单位：每原子eV cm2

电子阻止截面 e

1 dE ( )e N dx

核阻止截面

各种物质对不同能量的质子和 粒子的阻止本领、 原子阻止截面，已有详细的实验数据和理论计算 值，应用时可查阅相关资料。

辐射防护研究

能量损失的布拉格相加法则对于化合物XaYb,每个化合物分子的分子阻止本领为

X aYb

a X b Y

单位体积内化合物分子数为NXaYb,则

( dE / dx) X aYb N X aYb X aYb只是一种近似，一般只有在中、高能粒子入射到中、重靶 物质时适用，因为忽略了化合物结合能效应 更多相关知识详见《离子束物理》课程

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xl74.html