1 1）射线是什么射线是什么 电磁辐射谱电磁辐射谱 小小能量高能量高l 大大能量低能量低E=h , =c / 与物质相互作用与物质相互作用1 概述概述两步过程两步过程三种作用效应三种作用效应 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 产生次级电子产生次级电子电离效应电离效应次级电子使次级电子使物质原子电离物质原子电离射线射线第第 1 1 步步初级作用初级作用第第 2 2 步步次级作用次级作用2 2）射线对物质的电离作用射线对物质的电离作用与物质相互作用与物质相互作用1 概述概述自由电子自由电子原子原子受激原子受激原子与物质相互作用与物质相互作用2 光电效应光电效应1 1）作用机制）作用机制）作用机制）作用机制与物质相互作用与物质相互作用2 光电效应光电效应1 1）作用机制）作用机制）作用机制）作用机制光子同光子同( (整个整个) )原子作用把自己的全部能量传递给原子原子作用把自己的全部能量传递给原子, ,壳层中壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来某一电子获得动能克服原子束缚跑出来, ,成为自由电子，光子成为自由电子，光子本身消失了。本身消失了。 + A A* + e- （光电子）（光电子） 原子原子 A + X 射线射线入射入射光子的能量必须大于壳层电子结合能，才能发生光电光子的能量必须大于壳层电子结合能，才能发生光电效应。效应。光子与自由电子不能发生光电效应，只有原子核参加反应，光子与自由电子不能发生光电效应，只有原子核参加反应，才能满足动量守恒。才能满足动量守恒。K层电子发生光电效应几率最大、层电子发生光电效应几率最大、L层次之、层次之、M层更小层更小。实际上，实际上，80得光电效应发生在与得光电效应发生在与K层电子得作用上。层电子得作用上。光电效应伴随着特征光电效应伴随着特征X射线或俄歇电子的发射。发射光电子射线或俄歇电子的发射。发射光电子后，靶原子由于内壳层出现电子空位而处于激发态。后，靶原子由于内壳层出现电子空位而处于激发态。与物质相互作用与物质相互作用2 光电效应光电效应2 2）特点）特点）特点）特点入射入射射线光电子特征射线光电子特征X射线射线处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：处于激发态的靶原子可以通过两种方式退激：外层电外层电子直接跃迁填充内层电子空位，使原子回复到较低的能子直接跃迁填充内层电子空位，使原子回复到较低的能量状态，跃迁过程中，放出电磁辐射，其能量等于两个量状态，跃迁过程中，放出电磁辐射，其能量等于两个电子壳层的结合能之差。电子壳层的结合能之差。与物质相互作用与物质相互作用2 光电效应光电效应2 2）特点）特点）特点）特点壳层电子在跃迁过程中不发射特征壳层电子在跃迁过程中不发射特征X射线，而是将激发能转移给一外射线，而是将激发能转移给一外壳层电子，使它从原子中发射出来。壳层电子，使它从原子中发射出来。俄歇电子俄歇电子电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种电子跃迁过程中释放的电磁辐射是一种X射线。由于其射线。由于其能量取决于原子的结构，故对每一种元素来说，都是特能量取决于原子的结构，故对每一种元素来说，都是特征的，故称其为征的，故称其为“特征特征X射线射线”。与物质相互作用与物质相互作用2 光电效应光电效应2 2）特点）特点）特点）特点如果忽略原子核获得的反冲能，根据能量守恒原理，可以如果忽略原子核获得的反冲能，根据能量守恒原理，可以写出光电子的能量为写出光电子的能量为与物质相互作用与物质相互作用2 光电效应光电效应3 3）光电子的能量）光电子的能量）光电子的能量）光电子的能量4 4）光电效应截面）光电效应截面）光电效应截面）光电效应截面原子的光电截面：原子的光电截面：原子的光电截面：原子的光电截面：一个入射光子与电位面积上一个靶原一个入射光子与电位面积上一个靶原子发生光电效应的几率。子发生光电效应的几率。光电效应截面与入射光子能量核靶物质原子序数有关光电效应截面与入射光子能量核靶物质原子序数有关a为原子与入射光子发生光电效应的几率；为原子与入射光子发生光电效应的几率；K为入射光子在为入射光子在K层发生光电效应的几率；层发生光电效应的几率；l当靶物质为复杂物质时，式中当靶物质为复杂物质时，式中Z应为有效原子序数应为有效原子序数式中式中n在在2.24间选择间选择与物质相互作用与物质相互作用2 光电效应光电效应4 4）光电效应截面）光电效应截面）光电效应截面）光电效应截面Pb元素光电截面与入射射线能量的关系 光子与原子的外层电光子与原子的外层电子发生碰撞，一部分能量传子发生碰撞，一部分能量传给电子使它脱离原子射出而给电子使它脱离原子射出而成为成为“反冲电子反冲电子”，同时光，同时光子损失能量并改变方向成为子损失能量并改变方向成为“散射光子散射光子”。 康普顿效应与光电效应的不同之处主要有两点，一是康普顿效应与光电效应的不同之处主要有两点，一是康普顿效应中反冲电子只获得光子一部分能量，并且作用康普顿效应中反冲电子只获得光子一部分能量，并且作用完后仍然存在散射光子。二是康普顿效应发生在外层电子完后仍然存在散射光子。二是康普顿效应发生在外层电子上，而光电效应主要发生在最内层电子上。上，而光电效应主要发生在最内层电子上。 与物质相互作用与物质相互作用3 康普顿效应康普顿效应1 1）概念）概念）概念）概念设入射光子能量设入射光子能量hv，动量为，动量为hv/c。散射光子能量为。散射光子能量为hv，动量为，动量为hv/c。反冲电子的动能为。反冲电子的动能为Ee，能量为能量为E，动量为，动量为P。散射角散射角，反冲角，反冲角。则有下列关系式成立：。则有下列关系式成立： 与物质相互作用与物质相互作用3 康普顿效应康普顿效应2 2）康普顿散射射线能量）康普顿散射射线能量）康普顿散射射线能量）康普顿散射射线能量在不同的散射角在不同的散射角方向上，散射光子数为：方向上，散射光子数为：单位立体角的微分截面可以按下式计算单位立体角的微分截面可以按下式计算式中，式中，r0电子的经典半径，电子的经典半径， r0 =e2/m0C2=2.81810-13cm 0以静止电子为单位的光子能量以静止电子为单位的光子能量0 =h/ m0C2与物质相互作用与物质相互作用3 康普顿效应康普顿效应3 3）康普顿散射光子的角分布康普顿散射光子的角分布康普顿散射光子的角分布康普顿散射光子的角分布康普顿散射光子的微分截面与散射角的关系能量能量1.02 MeV 的的射线射线与原子核作用产生一对正与原子核作用产生一对正-负电子的过程。负电子的过程。能量转化成能量转化成质量质量M = E /C2与物质相互作用与物质相互作用4 电子对效应电子对效应1 1）概念）概念）概念）概念正电子在自然界是不稳定的，寿命10-1010-7s，当其与负电子相遇时，会发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 光子。利用正物质与负物质发生湮灭放出巨大能量的物理原理，人们正在研制反物质武器。 e+ + e- + me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量质量转化为能量 转化效率转化效率 (100 %） 2 2）正电子湮灭）正电子湮灭）正电子湮灭）正电子湮灭M M M + e M + e+ + + e+ e- - 1 1 + + 2 2 1.02 1.02 MeVMeV m me e m me e 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV0.511MeV基本条件：基本条件： 射线能量射线能量 E E 1.02 1.02 MeVMeV3 3）发生电子对效应的条件发生电子对效应的条件发生电子对效应的条件发生电子对效应的条件(2) (2) 其他条件其他条件其他条件其他条件必须在核库仑场的作用下，即在入射的较高能量的伽玛光必须在核库仑场的作用下，即在入射的较高能量的伽玛光子很靠近原子核周围时，才有可能发生电子对效应。子很靠近原子核周围时，才有可能发生电子对效应。(1) (1) 能量条件能量条件能量条件能量条件与物质相互作用与物质相互作用4 电子对效应电子对效应4 4） 原子的电子对效应作用截面原子的电子对效应作用截面原子的电子对效应作用截面原子的电子对效应作用截面(1) (1) 当当当当h h 稍大于稍大于稍大于稍大于2m2m0 0c c2 2时，有：时，有：时，有：时，有：当当h 稍大于稍大于2m0c2时，随入射射线能量的增加，电子对截面时，随入射射线能量的增加，电子对截面将迅速增加。将迅速增加。(2) (2) 当当当当h h 2m2m0 0c c2 2时，有：时，有：时，有：时，有：当当h 远大于远大于2m0c2时，随入射射线能量的增加，电子对截面时，随入射射线能量的增加，电子对截面的增加速度变缓慢。的增加速度变缓慢。结论：不论结论：不论结论：不论结论：不论h h 为多少，电子对截面都正比于原子序数的平方。为多少，电子对截面都正比于原子序数的平方。为多少，电子对截面都正比于原子序数的平方。为多少，电子对截面都正比于原子序数的平方。天然伽玛射线能量范围：天然伽玛射线能量范围：天然伽玛射线能量范围：天然伽玛射线能量范围：0 03MeV3MeV结论：当天然射线与岩石作用，电子对效应可以忽略。结论：当天然射线与岩石作用，电子对效应可以忽略。天然岩石有效原子序数：天然岩石有效原子序数：天然岩石有效原子序数：天然岩石有效原子序数：10102020Pb：对：对3MeV伽玛射线，电子对效应占总效应的伽玛射线，电子对效应占总效应的15；Al：对：对3MeV伽玛射线，电子对效应占总效应的伽玛射线，电子对效应占总效应的0；射线与物质相互作用时，三种作用效应是相互竞争的。射线与物质相互作用时，三种作用效应是相互竞争的。与物质相互作用与物质相互作用4 电子对效应电子对效应5 5）讨论）讨论）讨论）讨论l当入射光子能量高于1.02Mev时，这三种效应在相互作用时都可能发生。当入射光子能量低于1.02Mev时，只有光电效应与康普顿效应能发生。l若用 分别表示入射光子与物质原子发生光电效应、康普顿效应的截面，则入射光子与物质原子发生作用的总截面为：l当 时 。l三种效应的截面均与物质的原子序数有关，存在下述关系： lph和e均随入射光子能量增大而降低，而p在能量大于等于1.02MeV以后，随Er的增大而增大。 5 三种作用效果比较三种作用效果比较三种主要效应的截面随原子序数和入射光子能量变化的关系 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用三种相互作用方式比较三种相互作用方式比较三种相互作用方式比较三种相互作用方式比较 作用几率大于总几率50区域元素元素主要作用区（主要作用区（MeV）起始作用区（起始作用区（MeV）光电光电康吴康吴 电子对电子对光电光电康吴康吴 电子对电子对铝铝153.0铜铜102.0铅铅52.0不同介质中各种效应为主的不同介质中各种效应为主的不同介质中各种效应为主的不同介质中各种效应为主的 射线能量范围射线能量范围射线能量范围射线能量范围对中等能量的对中等能量的 射线，在各种介质中都以射线，在各种介质中都以射线，在各种介质中都以射线，在各种介质中都以康吴效应为主；康吴效应为主；对低能对低能 射线与重物质，以发生光电效应为主；射线与重物质，以发生光电效应为主；射线与重物质，以发生光电效应为主；射线与重物质，以发生光电效应为主；对高能射线与重物质，以发生电子对效应为主。对高能射线与重物质，以发生电子对效应为主。对高能射线与重物质，以发生电子对效应为主。对高能射线与重物质，以发生电子对效应为主。结论：结论：结论：结论：粒子与物质相互作用过程粒子光电效应康普顿散射电子对效应光电子反冲电子电子正负离子对特征X射线轫致辐射特征X射线散射射线0.511MeV射线带电粒子与物质相互作用过程光电效应康普顿散射电子对效应、粒子正负离子对特征X射线轫致辐射特征X射线散射射线0.511MeV射线