放射化学第五讲(辐射与物质的作用)

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1、 放射化学放射化学Radiochemistry8/2/2023带电粒子与物质的相互作用1.带电粒子与物质作用的主要过程2.光子与物质作用的主要过程3.带电粒子在物质中的能量损失4.带电粒子在物质中的比电离5.带电粒子在物质中的射程6.中子与物质的相互作用8/2/2023The interaction of radiation with matter Si:14 electrons4.5 10-20m2Nucleu4.1 10-29m21.20.36 10-48/2/2023Secondary ReactionM+R+R(dissociation)M+e M*(recombination)fav

2、oured in liquid or solid.M+X Y+(chemical reaction)M+X M+X+(charge transfer)M+Mn+(n-1)e-(emission of Auger electron)M*M+h(fluorescence)M*2R(dissociation into radicals)M*R+R-(dissociation into ions)M*+X Y(chemical reaction)M*+X M+X*(transfer of excitation energy)8/2/20231.带电粒子与物质作用的主要过程电离和激发弹性散射轫致辐射 湮

3、没辐射、契伦科夫辐射 核反应 化学变化8/2/2023Ionization&Excitation(电离和激发)具有一定动能的带电粒子与原子核的轨道电子发生库伦作用时，把本身的部分能量传递给轨道电子。如果轨道电子获得的动能足以克服原子核的束缚，逃出原子壳层而成为自由电子，此过程称为电离电离。如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚，而是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态，此过程称为激发激发。8/2/2023Ionization&Excitation(电离和激发)Particles带电粒子损失能量的主要方式带电粒子损失能量的主要方式8/2/2023弹性散射(elastic scatteri

4、ng)若带电粒子与原子核库伦场发生相互作用时，只改变带电粒子的运动方向，而作用前后体系的动能和动量保持守恒。这种作用过程称为弹性散射。重带电粒子发生弹性散射的几率很小，散射现象不明显，因此其在物质中的径迹是直线。电子的质量小，不仅受到原子核的散射，而且受到电子的散射。多次散射的结果，使电子在物质中的运动方向发生多次改变。8/2/2023韧致辐射（bremsstrahlung）当高速运动的带电粒子从原子核附近掠过时，它会受到原子核库伦场的作用而产生加速度。根据经典电动力学，受到加速或减速的带电粒子的部分或全部能量将转变成连续的电磁辐射。这就是韧致辐射。8/2/2023湮没辐射一个粒子与其相应的反

5、粒子发生碰撞时，其质量可能转化为辐射。这种辐射称为湮没辐射。发生湮没辐射的两个碰撞粒子之间遵循质量守恒和能量守恒。一个正电子与一个负电子相互碰撞时，产生两个能量为0.511MeV的光子。8/2/2023契伦科夫辐射1934年，前苏联科学家契伦科夫发现：当高速带电粒子束在透明介质中以大于光在该介质中的传播速度运动时，带电粒子的部分能量以蓝色光的形式辐射出来，这种形式的辐射成为契伦科夫辐射契伦科夫辐射。相对速度v/c光在透明介质中的折射率8/2/2023契伦科夫辐射契伦科夫辐射是沿着带电粒子运动方向向前的，观察者只有在与粒子运动方向成角的某一方向才能看到发光。如在水中，n=1.33,若=1，则=4

6、1.240发射契伦科夫辐射的最大角度为：8/2/20232.光子与物质作用的主要过程8/2/2023光电效应能量为h的光子通过物质时，与原子的某一壳层中的一个轨道电子相互作用，把全部的能量传递给这个电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子（光电子）。此效应称为光电效应。8/2/2023光电效应E=hv-BeK层和L层发生光电效应的几率最大；如果入射光子的能量大于K层电子的结合能，则K层电子发生光电效应的几率约为80%；在此能量以上，每个原子发生光电效应的总截面为：低能光子与高原子序数的物质发生相互作用时，光电效应占优势8/2/2023光电效应光电子的角分布与光子的能量有关。光子能量很低

7、时，光电子与入射光子成900角射出的几率最大。随着光子能量的增加，光电子的分布逐渐倾向于前方。8/2/2023康普顿效应能量为h的光子与原子内一个轨道电子相互作用时，光子交给轨道电子部分能量后，其频率发生改变并与入射方向成角散射（康普顿散射光子），获得足够能量的轨道电子与光子入射角成 角方向射出（康普顿反冲电子）。此种效应称康普顿效应。8/2/2023电子对效应 当能量大于1.022MeV的光子通过物质时，在原子核的库伦场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子的过程称为电子对效应。8/2/2023射线三种主要相互作用与光子能量、吸收物质原子序数的关系8/2/2023带电粒子在物质中的能量损失

8、8/2/2023 重带电粒子在物质中的能量损失 电子在物质中的能量损失 光子在物质中的能量损失带电粒子在物质中的能量损失8/2/2023Energy loss by Heavy Charged Particles 带电粒子在物质中的能量损失，主要是通过带电粒子与轨道电子的库伦作用（碰撞）产生的，称为碰撞过程的能量损失或电离损失。带电粒子在物质中的能量损失方式主要是电离和激发、其次为韧致辐射。Bethe-Bloch Formula:stopping power dE/dx:average energy loss per unit path length 8/2/2023 I:mean excit

9、ation potential:density correctionCollision Stopping power(质量碰撞阻止本领)密度效应修正项8/2/2023(质量碰撞阻止本领)能量损失率与入射粒子的速度的平方成反比，说明带电粒子传递给轨道电子的能量与相互作用时间有关，速度越小，作用时间越长，传递给轨道电子的能量越多；因此，带电粒子在停下来以前的某一段路程上的能量损失将达到最大值。而与其质量无关；（由于mparticleme，重带电粒子受到的反冲可忽略；入射粒子的能量越小，单位径迹上的能量损失率越大）。8/2/2023(质量碰撞阻止本领)能量损失率与带电粒子电荷数的平方成正比。说明带电

10、粒子的电荷越大，与轨道电子的库伦作用越强，因此传递给轨道电子的能量越多；（同样能量的粒子与质子通过同一物质时，粒子的能量损失率要比质子大4倍。因此，在物质中的穿透能力弱）。8/2/2023(质量碰撞阻止本领)能量损失率与吸收物质的电子密度和原子序数成正比；（带电粒子在液体、固体中的能量损失率比在气体中的大，在高原子序数的物质中的能量损失率比低原子序数的物质中的大）。8/2/2023Energy loss of ElectronsBethe-Bloch formula:I:mean excitation potential:density correction:kinetic energy of

11、 particle in units of MeV8/2/2023总质量阻止本领8/2/2023总质量阻止本领带电粒子在物质中的一切能量损失，用总质量阻止本领来表示：重带电粒子：8/2/2023总质量阻止本领电子：临界能量：EcPb Ec=9.76MeVAl Ec=61.5MeV8/2/2023Energy loss of PhotonsX、射线是一种比紫外线的波长短得多的电磁波，它与物质相互作用时，能产生次级带电粒子（主要是电子）和次级光子，通过这些次级带电粒子的电离、激发把能量传递给物质；X、射线与物质相互作用，不是通过多次小能量的损失逐渐消耗其能量，而是在一次作用过程中就可能损失大部分或

12、全部能量；在0.110MeV能量范围内，主要的作用过程是光电效应、康普顿效应和电子对效应；8/2/2023带电粒子在物质中的比电离8/2/2023带电粒子在物质中的比电离带电粒子通过物质时，以不同的方式损失能量，引起物质的电离。直接电离：由带电粒子直接作用产生的电离；间接电离：由直接电离产生的射线引起的电离。比电离：单位径迹长度上产生的离子对数。气体中每产生一对离子所消耗的平均能量8/2/2023离子和质子在空气中的相对比电离8/2/2023Specific Ionization(比电离)210Po 3.5 MeV35eV/ion pairSpecific ionization of the

13、particles of 210Po in air8/2/2023射线的比电离与能量的关系8/2/2023带电粒子在物质中的射程8/2/2023带电粒子在物质中的射程带电粒子在某种物质中沿入射方向从进入到被物质吸收所经历的最大直线距离带电粒子在该物质中的射程。射程的大小与粒子的类型、初始能量及吸收物质的性质有关。8/2/2023重带电粒子在物质中的射程Device for the determination of the range of particles in air8/2/2023重带电粒子在物质中的射程1.平坦部分说明，虽然计数率没有改变，但粒子的能量减小了；2.斜坡部分说明，尽管入射

14、粒子的初始能量相同，但由于单个粒子在物质中的能量损失是随机的，因此不同粒子的实际射程不同，围绕平均射程随机分布。Relative number of the particles from 210Po as a function of the distance8/2/2023The Range of The Range of in Various Substances in Various SubstancesTable 5.18/2/2023射线在物质中的射程单能电子的计数率-射程射线的相对计数率-射程8/2/2023Beta Radiation射线在铝中的射程：(mg/cm2)E=0.012

15、.5MeV R=412E1.265-0.0954lnEE2.5MeV R=530E-106Absorption of the radiation of 32P in aluminium8/2/2023Beta Radiation with MatterExcitation and ionizationBremsstrahlungBackscatteringSet-up for the measurement of backscattering8/2/2023BackscatteringBackscattering of radiation of various energies as a fu

16、nction of the atomic number Z of the absorber8/2/2023X、射线与物质的相互作用X、射线是一种比紫外线的波长短得多的电磁波，它与物质相互作用时，能产生次级带电粒子（主要是电子）和次级光子，通过这些次级带电粒子的电离、激发把能量传递给物质；X、射线与物质相互作用，不是通过多次小能量的损失逐渐消耗其能量，而是在一次作用过程中就可能损失大部分或全部能量；在0.110MeV能量范围内，主要的作用过程是光电效应、康普顿效应和电子对效应；X、射线在物质中不存在射程的概念。8/2/2023反应截面光子在物质中穿行一段距离时，有的与物质发生了相互作用，有的则没

17、有发生。光子在物质中穿行时，与物质发生作用的概率用截面表示：单位时间内光子在厚度为x的单位面积物质中相互作用的光子数入射光子数吸收物质的原子密度入射厚度单位：靶(b)=10-24cm28/2/2023射线的吸收-dI=INdx-dI/I=Ndx I=I0e-Nx令：=ph+c+p=N:射线的总线性吸收系数 m=/:射线的总质量吸收系数nI=I0e-x8/2/2023射线的吸收质量吸收系数对一定物质为常数，与物质的物理状态无关；通常用半吸收厚度概念来表示射线的穿透能力d1/2=0.693/混合物或化合物：1、2、3、i 分别为组成元素的重量百分比；由于分子中原子之间的化学结合能非常小，可以把化合

18、物作为混合物来处理8/2/2023Gamma Radiation with MatterTotal absorption coefficient and partial absorption coefficient of radiation in lead as a function of the energy 8/2/2023中子与物质的相互作用8/2/2023中子与物质的相互作用中子几乎不能与电子相互作用；只能与原子核相互作用。作用类型：散射（弹性散射和非弹性散射）、吸收弹性散射：快中子与轻介质的相互作用非弹性散射：快中子与重介质的相互作用吸收：中子被原子核吸收后，产生其他种类的次级粒子，

19、只有慢中子才能被有效吸收。8/2/2023中子的分类类别能量(eV)能量(eV)慢中子0103210-3冷中子0.025热中子0.5超热中子11000共振中子中能中子1035105快中子5 105107非常快中子1075107超快中子5 1071010相对论中子10108/2/2023中子的慢化元素1H2H7Li9Be12C16O238U1.000.725 0.268 0.209 0.158 0.1208.3810-3N1825678611415021722MeV的中子在不同物质中减速到热能(Ef=0.025eV)的参数,每次碰撞的平均对数损失8/2/2023中子与物质的相互作用轻元素（氢）可

20、以作为快中子的良好减速剂；在中子的防护中，常用含氢物质和原子量小的物质（水、聚乙烯、石蜡、石墨、氢化锂）作为快中子的减速剂。8/2/2023The End of Chapter 58/2/2023Slowdown of neutrons8/2/2023韧致辐射（bremsstrahlung）以韧致辐射形势造成的能量损失称为辐射损失。物质的原子序数带电粒子的电荷带电粒子的质量8/2/2023韧致辐射（bremsstrahlung）物质的原子序数越大、带电粒子的电荷数越大，辐射损失越大；带电粒子的质量越大，辐射损失越小。同一物质中，相同能量的粒子的辐射能量损失是电子的辐射能量损失的10-7倍。8/

21、2/2023辐射阻止本领单位路径长度上因辐射而损失的平均能量质量辐射阻止本领8/2/2023弹性散射V1nvcAV2VALL系v1=v1-vcvAv2-vccC系cV2vcV28/2/2023弹性散射设中子与质量数为A的原子核发生弹性散射，在实验室坐标系中（L系），中子的初始速度为v1，原子核静止，碰撞后中子的速度为v2，原子核速度为vA；在质心坐标系中(C系），碰撞前中子以v1-vc飞向原子核，原子核则以-vc的速度向质心运动；在C系中，总动量为零：1（v1-vc)+A(-vc)=0 质心运动的速度为vc=v1/(A+1)在C系中，v1=v1-vc8/2/2023弹性散射在弹性碰撞中，动量和动能都守恒则在C系中将v1和vc代入解得：8/2/2023弹性散射再将C系中碰撞后电子的速度v2通过坐标变换，转换为L系中的v2.cV2vcV28/2/2023弹性散射碰撞前后中子的动能之比为：8/2/2023