【正文】 z e N Z B????? ?? ? 3 20 .3 1 8R c m E ??? ?粒子在某物質(zhì)中的射程為： ? 如果吸收物質(zhì)為化合物或混合物， 4 03 .2 1 0 ARR??? ? ?1 1 2 2 iiA W A W A W A? ? ?第三節(jié) 電子與物質(zhì)的相互作用 ? 電子與物質(zhì)的相互作用主要有三種方式： ? 1).低能電子與物質(zhì)的相互作用 電離損失； ? 2).高能電子與物質(zhì)相互作用時(shí) ， 與靶物質(zhì)原子核發(fā)生非彈性碰撞 ， 產(chǎn)生軔致輻射損失能量； ? 3).入射電子和吸收物質(zhì)原子核的彈性碰撞將會(huì)使入射粒子改變運(yùn)動(dòng)的方向 — 發(fā)生散射 。 ? 1).入射粒子在吸收物質(zhì)中的射程 R與其質(zhì)量 m及能量 E有關(guān)。 ? 路程是指入射粒子在吸收體中所經(jīng)過的實(shí)際軌跡的長(zhǎng)度。待能量耗盡時(shí)，便停留在物質(zhì) 中。 在中能區(qū)（ — 20MeV），入射粒子能量的電離損失隨入射粒子能量的增加而減小；在低于 500I的能量處，曲線有一最大值；在高能區(qū)（ 20MeV, 入射粒子的速度接近于光速 c），電離能量損失率隨入射粒子能量的增加而緩慢上升，在小于 3mc2附近的能量處有一寬的極小值。 3).能量損失率與靶物質(zhì)的 NZ成正比。 1 222402024 ln mvd E z e N Zd x m v I? ?????? ?????? ??1).能量損失率與入射粒子質(zhì)量無(wú)關(guān)，而只與它的速度有關(guān)。入射帶電粒子與靶物質(zhì)核外電子之間的作用可以看成是彈性碰撞?？焖偃肷淞Ｗ愚D(zhuǎn)移給核外電子的能量要比核外殼層電子的結(jié)合能大的多。重的帶電粒子在物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似直線。只是在入射的帶電粒子的能量很低時(shí)，才需要考慮由它與靶原子核的彈性碰撞引起的能量損失。與原子核發(fā)生彈性碰撞的幾率很小 。帶走大部分動(dòng)能的入射粒子可在靶物質(zhì)中繼續(xù)進(jìn)行多次彈性碰撞，最后被阻止在靶物質(zhì)中。碰撞后入射粒子將動(dòng)能的絕大部分帶走。入射粒子與原子核的這種相互作用叫做非彈性碰撞。 3.射線與原子核的非彈性碰撞： 軔致輻射 入射粒子靠近靶物質(zhì)的原子核時(shí)，受到靶原子核的吸引或者排斥，入射粒子運(yùn)動(dòng)的速度和方向發(fā)生改變。 入射粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞 ， 導(dǎo)致靶物質(zhì)中的原子電離和激發(fā) ， 是射線穿過物質(zhì)時(shí)損失能量的主要方式 ， 稱之為電離損失 . 2.射線與核外電子的彈性碰撞： 散射 當(dāng)入射粒子的能量較低時(shí) ， 入射粒子與靶原子核外電子發(fā)生彈性碰撞 ， 入射粒子改變其運(yùn)動(dòng)方向 ， 核外電子的能量狀態(tài)沒有什么變化 。退激時(shí)釋放出來(lái)的能量以光的形式發(fā)射 (這就是受激原子的發(fā)光 )。 激發(fā) : ? 如果入射粒子傳遞給靶原子核外電子的能量還比較小，不足以使其電離，但仍然可以使其從低能級(jí)狀態(tài)向高能級(jí)狀態(tài)躍遷，其結(jié)果是使靶原子處于激發(fā)狀態(tài)。 ? 原子的最外層電子受原子核的束縛最弱，容易被電離。核外電子獲得能量足以克服原子核對(duì)它的束縛而變成自由電子時(shí)，靶物質(zhì)的原子就變成了一個(gè)失去電子的正離子，即靶物質(zhì)中的原子分離成了一個(gè)自由電子和一個(gè)正離子。 3） 快中子區(qū) （ E10KeV） 此處的中子反應(yīng)截面通常都較小，多說(shuō)情況下小于 10bar，而且截面隨能量的變化變得比較平滑了。 nXXUnU AZAZ 10*236921023592 2211)( ????????????3. 反應(yīng)截面 中子與原子核發(fā)生反應(yīng)的截面與入射中子的能量和靶核的性質(zhì)有關(guān)，對(duì)于大多數(shù)元素，核反應(yīng)截面隨中子能量 E變化的特性大體上存在著三個(gè)區(qū)域： 1） 低能區(qū) （ E1eV） 在該區(qū)吸收截面隨 E的減小而逐漸增大，即與中子的速度成反比，因此這個(gè)區(qū)域也叫 1/v區(qū) 。 ?????????? ?? XXnX A ZA ZAZ 1*110 )( 2） （ n， α）、（ n， p）等反應(yīng) （ n， α）反應(yīng) 此類反應(yīng)的代表 （ n， α）反應(yīng) 此類反應(yīng)的代表 HeYXnX AZA ZAZ 4232*110 )( ?????????? ???HeLinB 427310105 ?????HYXnX AZA ZAZ 111*110 )( ?????????? ??HNnO 1116710168 ?????? 3） 核裂變 反應(yīng)堆內(nèi)最重要的核反應(yīng)， 233U、 235U、 239Pu和 241Pu在各種能量中子作用下均能發(fā)生裂變，且低能中子作用下裂變可能性較大，稱為 易裂變同位素 ，而 232Th、 238U、 240Pu等 只有在中子能量高于某一閾值時(shí)才能發(fā)生裂變，稱作 可裂變同位素 。 nXnXnXXnXAZAZAZAZAZ101010*110 )(??????? ? 中子的吸收 中子吸收反應(yīng)的重要特點(diǎn)是中子消失，是反應(yīng)堆中影響中子平衡的重要因素。 入射中子的能量必須高于某一數(shù)值才能發(fā)生，具有 閾能的特點(diǎn)，這種作用形式在快中子堆中比較常見。 CAnAL EMmME ??2. 作用分類 由上節(jié)的機(jī)理分析，我們可把中子與原子核的相互作用分為兩大類： 散射 ：有彈性散射和非彈性散射 吸收 ：包括輻射俘獲、核裂變、（ n， α）、（ n， p）反應(yīng)等。 XAZ XAZ1?中子和靶核在質(zhì)心坐標(biāo)系的總動(dòng)能 EC和中子的結(jié)合能 B構(gòu)成 復(fù)合核的激發(fā)能 EX ，處于激發(fā)態(tài)的復(fù)合核有幾種衰變或分 解方式： （ n， p）反應(yīng) （ n， α）反應(yīng) （ n， n）反應(yīng) （ n， n′）反應(yīng) （ n， γ）反應(yīng) （ n， f）反應(yīng) 圖 10. 復(fù)合核的形成和衰變 共振現(xiàn)象 當(dāng)入射中子的能量具有某些特定值恰好使形成的復(fù)合核激發(fā)態(tài)接近一個(gè)量子能級(jí)時(shí)，形成復(fù)合核的幾率（截面）就顯著地增大，這種現(xiàn)象就叫 共振現(xiàn)象 。 中子要發(fā)生直接相互作用，必須要具有較高的能量，一般這種作用方式是不重要的。 勢(shì)散射時(shí)入射中子改變運(yùn)動(dòng)方向和能量，勢(shì)散射前后靶核的內(nèi)能沒有變化，中子與靶核系統(tǒng)的動(dòng)能和動(dòng)量守恒，所以勢(shì)散射是一種彈性散射。 ? ???????????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(duì)光子具有更好的阻擋作用，這也是 NaI探測(cè)器探測(cè)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(zhǎng) 圖 8. 光子三種效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)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(gè)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： 作用機(jī)理 作用分類 反應(yīng)截面 1. 作用機(jī)理 中子與原子核的相互作用過程有三種： 勢(shì)散射 、 直接相互作用 和 復(fù)合核的形成 。 瑞利散射截面 σR隨 Eγ增加而急劇減少， Eγ200keV時(shí)，這種散射不能忽略；在 0o時(shí)，瑞利散射最強(qiáng)，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。 )()( 2020 ?????????????? ???? cmEcmEh ? 在對(duì)能量較大 （ ） 的 γ光子進(jìn)行輻射測(cè)量時(shí)，湮沒光子的產(chǎn)生會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定影響： 湮沒輻射峰 單、雙逃逸峰 圖 NaI探測(cè)器測(cè)量 24Na γ射線 得到的脈沖幅度譜 電子對(duì)效應(yīng)截面 1）能量較低時(shí)， σp隨 Eγ線性 增加，高能時(shí)， σp與光子 能量的變化就緩慢一些； 2）無(wú)論高能低能，都有 關(guān)系。 圖 5. 電子對(duì)效應(yīng)示意圖 光子的能量轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對(duì)的總能量（動(dòng)能加靜止能量）： 所以要生成電子對(duì)，光子能量必須大于 2m0c2=,剩余的能量（ hν2m0c2）作為動(dòng)能在正負(fù)電子間分配。 康普頓電子的角分布 當(dāng) θ=0o變化到 180o時(shí)， ?=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(dāng)入射光子能量增加時(shí)，康 普頓散射截面下降，但下降 速度比光電截面來(lái)得慢。 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(dāng) θ=0o時(shí) ； θ=180o時(shí) Eemax即所謂的“ 康普頓邊界 ”。 1） Eγ很低時(shí)，光電子 趨于 90o方向發(fā)射 2） Eγ增加時(shí)，光電子 逐漸向前方向發(fā)射 圖 2. 不同 Eγ時(shí)的光電子角分布 對(duì)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?？梢?， （ 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)。 T—— 光電子的動(dòng)能； hν—— 入射 γ光子的能量； EB—— 電子的束縛能。 ? 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。 ? 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。 四、其它形式的輻射 ? 上述討論了帶電粒子穿過介質(zhì)時(shí)