【正文】 失率與粒子能量 E成正比。 3. 能量損失 ? 快速電子在物質(zhì)中的能量損失率可表示為： ? 有公式可以看出：電子的能量低時，電離損失占有主要的地位；而電子能量較高時，輻射損失就會越來越占有重要作用。在相對論區(qū)，有： 4. 彈性散射 ? 電子穿過物質(zhì)時，運動方向的改變雖與原子核和核外電子發(fā)生非彈性碰撞有關(guān)，但主要還是由于原子核的庫倫力作用而發(fā)生彈性碰撞的結(jié)果。彈性碰撞過程中電子的能量變化很小，但方向變化很大，這就是 彈性散射 。 ? 電子穿過物質(zhì)時要先后受到許多次原子核的彈性散射作用，稱為 多次散射 。經(jīng)過多次散射后，散射角可以大于 90176。 ，甚至可能是 180176。 ，通常把大于 90176。 的散射稱為 反散射 。 ? fb隨反散射體厚度增加而增大，但厚度增加到一定程度后， fb達到飽和。 5. 電子的吸收 ? 實驗表明，對于不同的吸收介質(zhì)， μm隨原子序數(shù)的增加而緩慢的上升，對于同一種介質(zhì)，吸收系數(shù) μm與 β粒子最大能量密切相關(guān)。對鋁有如下經(jīng)驗公式： m a x17?? Em ?6. β射線的射程 ? β射線在低 Z材料中的射程有如下經(jīng)驗公式， 當 ≤E ≤： 當 E： R0= 其中，射程 R0用質(zhì)量厚度表示，單位是 gcm2， E為 β粒子的最大能量，單位是 Mev。 EER ??7. 正電子與物質(zhì)的相互作用 ? 正電子在通過物質(zhì)時，與核外電子及原子核相互作用，損失能量的主要過程和負電子一樣，即電離損失和輻射損失。在吸收體中的徑跡類似于負電子，其能量損失率及射程也與初始能量相等的負電子相同。 ? 特點在于，在其慢化而快終止時，會與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮滅而消失，同時放出兩個光子。兩個湮滅光子能量均是，發(fā)生的方向相差 180176。 ，即總動量是零。 四、其它形式的輻射 ? 上述討論了帶電粒子穿過介質(zhì)時的兩種主要的能量損失方式 —電離損失和輻射損失，這也是能量低于 20Mev的帶電粒子與物質(zhì)相互作用損失能量的主要過程。 ? 對于高能帶電粒子而言，除了上述過程外，還會引起切倫科夫輻射和穿越輻射。 ? 切倫科夫輻射 是快速帶電粒子的速度大于光在介質(zhì)中的速度而產(chǎn)生的。 ? 穿越輻射 是快速帶電粒子從一種介質(zhì)突然穿越到另一種具有不同光學(xué)特性（如不同介電常數(shù)）的介質(zhì)時產(chǎn)生的輻射。 ? 上述兩種輻射的能量損失與電離損失相比占的比例很小，特別是低能的粒子，完全可以不考慮在能量損失之中，但是在高能物理中有很重要的意義。 第二節(jié)、光子與物質(zhì)的相互作用 ?作用方式 ： 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng) 電子對效應(yīng) 瑞利散射 第一節(jié) 光子與物質(zhì)相互作用 γ光子與原子的一個束縛電子相互作用，并將自身所有能量轉(zhuǎn)移給此束縛電子，使之發(fā)射出去，而光子本身消失。 T—— 光電子的動能； hν—— 入射 γ光子的能量； EB—— 電子的束縛能。 BEhT ?? ? 光電子打出后，在其原來的殼層產(chǎn)生一個空穴，并且原子處于激發(fā)狀態(tài)，這種激發(fā)狀態(tài)不穩(wěn)定，退激的過程有兩種： 1） 特征 X射線（產(chǎn)額與 Z有關(guān)） 2） 俄歇電子 圖 1. 光電效應(yīng)、特征 X射線和俄歇電子的發(fā)射示意圖 對于 K殼層電子，發(fā)生 光電效應(yīng)的截面 為： 其中， C C2為常數(shù)。可見， （ 1）原子序數(shù) Z越高越容易發(fā)生光電效應(yīng)； （ 2） γ光子能量越高越不易發(fā)生光電效應(yīng)。 2522527100)1(~)1(~cmhZhCcmhZhCkk?????? ?? ?? ??? ????? ?? ?? ????????? 光電子的角分布 在光電效應(yīng)的試驗中，光子入射方向（定為 0o方向）和反方向上（定為 180o方向）均未觀察到光電子。 1） Eγ很低時，光電子 趨于 90o方向發(fā)射 2） Eγ增加時，光電子 逐漸向前方向發(fā)射 圖 2. 不同 Eγ時的光電子角分布 對于能量比較高的 γ射線，能夠忽略原子殼層電子的束縛能而將它們視為自由電子， γ光子可與這些自由電子發(fā)生非彈性碰撞，稱為康普頓散射。 圖 3. 康普頓散射示意圖 康普頓散射符合能量和動量守恒定律： 其中， α是以電子的靜止能量 的能量，可知，當 Eγ很大時， （定值） 。 2020s i ns i n)c o s1(1)c o s1(c o sc o s)c o s1(11cmEcmhPchEEEEPchchEEEhhee??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? c os15 ~??E 當 θ=0o時 ； θ=180o時 Eemax即所謂的“ 康普頓邊界 ”。 θ和 ?存在如下關(guān)系： 康普頓散射截面： 0????? eE,EE ?? )(m a xm in ?? ??? 21121 ?????????? EEEE e2)1(??? tgctg ??????????????? ??????????? ???? ?? ?? ?????? ?? ?? ?????? ?? ?? ?????????)()212( l n)0(2020202020,cmhcmhhcmrZhrZZ ecc???????? 可見，在光子能量很低時，康普頓散射截面與光子能量無關(guān)，僅與 Z成正比，但當光子能量較高時，截面與 Z成正比，近似地與光子能量成反比。 當入射光子能量增加時，康 普頓散射截面下降，但下降 速度比光電截面來得慢。 圖 4. 電子的康普頓散射截面與 入射光子能量的關(guān)系 雖然電子康普頓反應(yīng)截面隨入射光子能量升高而降低，但康普頓電子所得到的平均能量和這種能量占入射光子能量的份額 fa是隨 Eγ升高而不斷增加的，因此可用康普頓散射截面和的 fa乘積來表示“ 康普頓吸收截面 ”。 康普頓電子的角分布 當 θ=0o變化到 180o時， ?=90o變化到 0o； 康普頓電子的角分布的前向散射的程度高于散射光子向前散射的程度。 當光子從原子核旁經(jīng)過時，受核庫侖場的作用，轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個負電子，而光子本身消失，此種過程稱為電子對效應(yīng)。 圖 5. 電子對效應(yīng)示意圖 光子的能量轉(zhuǎn)化為正負電子對的總能量（動能加靜止能量）： 所以要生成電子對，光子能量必須大于 2m0c2=,剩余的能量（ hν2m0c2）作為動能在正負電子間分配。 正電子的湮沒 正電子經(jīng)減速后就同負電子復(fù)合，并放出兩個能量為。 )()( 2020 ?????????????? ???? cmEcmEh ? 在對能量較大 （ ） 的 γ光子進行輻射測量時，湮沒光子的產(chǎn)生會對測量結(jié)果造成一定影響： 湮沒輻射峰 單、雙逃逸峰 圖 NaI探測器測量 24Na γ射線 得到的脈沖幅度譜 電子對效應(yīng)截面 1）能量較低時， σp隨 Eγ線性 增加，高能時， σp與光子 能量的變化就緩慢一些； 2）無論高能低能，都有 關(guān)系。 圖 7. 電子對效應(yīng)截面與Eγ的關(guān)系 ????????????????????????)ln)2202202cmhEZcmhEZp ????? 稍大于2Zp ?? 即相干散射，是光子同束縛電子間的散射，散射過程中光子偏離原方向，但其能量基本上是不變的。 瑞利散射截面 σR隨 Eγ增加而急劇減少， Eγ200keV時，這種散射不能忽略；在 0o時，瑞利散射最強，一般在 30o范圍內(nèi)，相干散射效應(yīng)就大于非相干散射占主要地位。 3,)(~ 2 ????? ?? ??? ?? ????? ? khZ kR ???光子的減弱 ： 光子在物質(zhì)中的衰減，是上述多種相互作用的結(jié)果，因此總的減弱系數(shù)為： 由于瑞利散射的散射角度很小，能量基本不變，可以看做光子未發(fā)生過任何作用，因此在寬束輻射中通?？珊雎?μR或 σR值，而只考慮光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對效應(yīng)對光子衰減的貢獻。 ? ???????????iRpckiRpckN )( ????????? 比較 σk、 σc 和 σp可知： 1）三種效應(yīng)發(fā)生的幾率都隨 Z值增大而增大，因此高原子序數(shù)的物質(zhì)對光子具有更好的阻擋作用，這也是 NaI探測器探測效率比HPGe高的原因 2）三者隨 Eγ的變化不盡相同， σk、 σc都隨 Eγ增加而降低，但 σk降低的速度要比 σc快的多， σp隨 Eγ的增加而增長 圖 8. 光子三種效應(yīng)的優(yōu)勢區(qū)域 圖 9. 鉛的 γ射線截面 γ射線衰減規(guī)律 由 μ的定義可知 兩個相關(guān)概念： 平均自由程 半值層 xeEExdxExExd?????????????????????????),0(),(),(),(00001?? ???? ???H V L第三節(jié)、中子與物質(zhì)的相互作用 ?主要內(nèi)容：