【正文】 每次碰撞所損失的能量，都是一個(gè)隨機(jī)量，同樣此原因?qū)е铝四芰酷x現(xiàn)象的出現(xiàn)。 三、電子與物質(zhì)的相互作用 ? 快速電子包括 β射線（正電子和電子）和單能電子束。 ? 快速電子與物質(zhì)的相互作用有： （ 1）與原子的電子發(fā)生非彈性碰撞，引起原子的電離和激發(fā)；（ 2）核彈性庫(kù)倫散射，散射嚴(yán)重；（ 3）在電子減速或加速的過(guò)程中發(fā)射電磁輻射（軔致輻射）；（ 4）正電子或負(fù)電子的湮滅。并且在與軌道電子的一次作用中，可以損失相當(dāng)大份額甚至全部的能量，并顯著改變自己的運(yùn)動(dòng)方向?？祀娮优c物質(zhì)相互作用的損失能量率遠(yuǎn)小于重帶電粒子，在相同的能量情況下，電子的速度遠(yuǎn)大于重帶電粒子的速度，因此，電子在單位路程上損失的能量遠(yuǎn)小于重帶電粒子。其能量損失稱為 輻射損失 。對(duì)電子的輻射損失率公式： ? 可以看出幾個(gè)結(jié)論： （ 1） 輻射能量損失率與 m2成反比 。 （ 2） 輻射能量損失率與 Z2成正比。用于產(chǎn)生 X射線源。 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(shí)，電離損失占有主要的地位；而電子能量較高時(shí)，輻射損失就會(huì)越來(lái)越占有重要作用。彈性碰撞過(guò)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 。經(jīng)過(guò)多次散射后，散射角可以大于 90176。 ，通常把大于 90176。 ? 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(dá)到飽和。對(duì)鋁有如下經(jīng)驗(yàn)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(yàn)公式， 當(dāng) ≤E ≤： 當(dāng) E： R0= 其中，射程 R0用質(zhì)量厚度表示，單位是 g EER ??7. 正電子與物質(zhì)的相互作用 ? 正電子在通過(guò)物質(zhì)時(shí)，與核外電子及原子核相互作用，損失能量的主要過(guò)程和負(fù)電子一樣，即電離損失和輻射損失。 ? 特點(diǎn)在于，在其慢化而快終止時(shí)，會(huì)與介質(zhì)中的電子發(fā)生湮滅而消失，同時(shí)放出兩個(gè)光子。 ，即總動(dòng)量是零。 ? 對(duì)于高能帶電粒子而言，除了上述過(guò)程外，還會(huì)引起切倫科夫輻射和穿越輻射。 ? 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(shí)產(chǎn)生的輻射。 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(duì)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(gè)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。 BEhT ?? ? 光電子打出后，在其原來(lái)的殼層產(chǎn)生一個(gè)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(guò)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(duì)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)。 2522527100)1(~)1(~cmhZhCcmhZhCkk?????? ?? ?? ??? ????? ?? ?? ????????? 光電子的角分布 在光電效應(yīng)的試驗(yàn)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。 圖 3. 康普頓散射示意圖 康普頓散射符合能量和動(dòng)量守恒定律： 其中， α是以電子的靜止能量 的能量，可知，當(dāng) Eγ很大時(shí)， （定值） 。 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(shí)，康普頓散射截面與光子能量無(wú)關(guān)，僅與 Z成正比，但當(dāng)光子能量較高時(shí)，截面與 Z成正比，近似地與光子能量成反比。 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(lái)表示“ 康普頓吸收截面 ”。 當(dāng)光子從原子核旁經(jīng)過(guò)時(shí)，受核庫(kù)侖場(chǎng)的作用，轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子，而光子本身消失，此種過(guò)程稱為電子對(duì)效應(yīng)。 正電子的湮沒(méi) 正電子經(jīng)減速后就同負(fù)電子復(fù)合，并放出兩個(gè)能量為。 圖 7. 電子對(duì)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(guò)程中光子偏離原方向，但其能量基本上是不變的。 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(guò)任何作用，因此在寬束輻射中通常可忽略 μR或 σR值，而只考慮光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)對(duì)光子衰減的貢獻(xiàn)。 （ 1） 勢(shì)散射 最簡(jiǎn)單的核反應(yīng)，中子波和核表面勢(shì)相互作用，中子并未進(jìn)入靶核，而是將其自身的部分或全部動(dòng)能傳給靶核，成為靶核的動(dòng)能。 （ 2） 直接相互作用 入射中子直接與靶核內(nèi)的某個(gè)核子碰撞，使該核子從核里發(fā)射出來(lái)，而中子卻留在核內(nèi)。 （ 3） 復(fù)合核的形成 入射中子被靶核 吸收形成一個(gè)新核 —— 復(fù)合核 ，復(fù)合核的形成是中子與原子核發(fā)生作用的最重要形式。 由實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系的動(dòng)能 EL和質(zhì)心坐標(biāo)系的動(dòng)能 EC關(guān)系式： 可知，當(dāng) EC值等于復(fù)合核的一個(gè)量子能級(jí)與結(jié)合能 B之差時(shí)，中子反應(yīng)截面會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，此 EC值對(duì)應(yīng)的 EL即為發(fā)生共振時(shí)中子的動(dòng)能。 中子的散射 1） 非彈性散射 入射中子的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榘泻说膬?nèi)能，使靶核處于激發(fā)態(tài)，然后靶核通過(guò)發(fā)生 γ射線又返回到基態(tài)，因此散射前后中子與靶核系統(tǒng)的動(dòng)量守恒，但動(dòng)能不守恒。 nXXnX AZA ZAZ 10**110 )()( ???? ?2） 彈性散射 彈性散射可分為 共振彈性散射 和 勢(shì)散射 ，前者經(jīng)過(guò)復(fù)合核的形成過(guò)程而后者不經(jīng)過(guò)； 彈性散射過(guò)程中，靶核內(nèi)能沒(méi)有變化，散射前后中子 —— 靶核系統(tǒng)的動(dòng)能和動(dòng)量是守恒的； 在熱中子反應(yīng)堆中，中子從高能慢化到低能起主要作用的是彈性散射。 1） 輻射俘獲（ n， γ） 發(fā)生在中子的所有能區(qū)，但低能中子與中等質(zhì)量核、重核作用易于發(fā)生這種反應(yīng)，此反應(yīng)往往伴隨較高的放射性。 常見的核裂變反應(yīng)： 每次裂變釋放出約 200MeV的能量。 2） 中能區(qū) （ 1eVE103eV） 這個(gè)區(qū)域內(nèi)許多重元素核的截面出現(xiàn)許多共振峰，因而此區(qū)域也叫 共振區(qū) 。 第二章 射線與物質(zhì)的相互作用 第一節(jié) 引言 ? 學(xué)習(xí)本章的意義 ? α、 β等帶電粒子和物質(zhì)的相互作用 ? γ射線和 x射線等不帶電的粒子與物質(zhì)的相互作用 ? 射線與物質(zhì)的相互作用指的是與物質(zhì)當(dāng)中的原子發(fā)生作用，即與原子核和核外電子發(fā)生的作用 ? 射線與物質(zhì)相互作用的過(guò)程，經(jīng)典力學(xué)將其描述為一個(gè)碰撞過(guò)程 彈性碰撞：碰撞前后系統(tǒng)的動(dòng)能之和相等 非彈性碰撞：碰撞前后系統(tǒng)的動(dòng)能之和不相等 射線與物質(zhì)的相互作用主要分為四類： 1. 射線與核外電子的非彈性碰撞：電離 、 激發(fā) 電離： ? 入射的粒子將一部分能量通過(guò)庫(kù)侖力傳遞給了靶原子核外的電子。 ? 如果發(fā)射出來(lái)的自由電子具有足夠的動(dòng)能，還可能與其它的靶原子核繼續(xù)發(fā)生碰撞電離。 ? 如果原子的內(nèi)殼層電子 (像 K層、 L層電子 )被電離，便會(huì)在該殼層上留下空穴 ,外層的高能級(jí)電子就要向內(nèi)層的空穴躍遷 .多余的能量就會(huì)以特征 x射線或者俄歇電子的形式發(fā)射出來(lái)。 ? 處于激發(fā)狀態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，一定要發(fā)生退激而回到基態(tài)。這與原子核處于激發(fā)態(tài)，退激時(shí)發(fā)出 γ 射線的本質(zhì)不同。 通常把這種現(xiàn)象稱之為散射 。隨著入射粒子能量的減弱，有一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成能量連續(xù)的電磁輻射 — 軔致輻射。 4.射線與原子核的彈性碰撞：吸收 入射粒子靠近靶物質(zhì)的原子核時(shí)，改變了運(yùn)動(dòng)的速度和方向。損失的能量并不產(chǎn)生電子，也不使核激發(fā)，而是傳遞給靶原子核，使其反沖。 第二節(jié) 重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用 ? 重帶電粒子：比電子質(zhì)量大的多的荷電粒子 (α 粒子、質(zhì)子、氘核 ). ? 主要與物質(zhì)中靶原子核中的核外電子發(fā)生非彈性碰撞 (使得原子發(fā)生電離或者激發(fā) )。 ? 快速帶電粒子與靶原子核發(fā)生彈性碰撞損失的能量要比與靶原子的核外電子發(fā)生非彈性碰撞所損失的能量小三個(gè)量級(jí)。 ? 碰撞后入射粒子的運(yùn)動(dòng)方向幾乎保持不變。 ? 重帶電粒子的能量損失： ? 入射粒子的一部分能量轉(zhuǎn)移給核外電子，導(dǎo)致靶物質(zhì)原子電離或者激發(fā)。把核外電子看成是靶物質(zhì)中的一個(gè) “ 自由電子 ” 。和快速入射粒子的運(yùn)動(dòng)相比，可以把靶原子中作軌道運(yùn)動(dòng)的電子，在碰撞前看成是處于 “ 靜止 ” 狀態(tài)。 2).能量損失率與入射粒子的電荷數(shù)平方成正比。密度越大，原子序數(shù)越高的物質(zhì)，對(duì)入射粒子的阻止本領(lǐng)越大。 ? 帶電粒子在物質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，不斷損失能量。 ? 入射粒子沿原來(lái)運(yùn)動(dòng)方向，從入射點(diǎn)到它終止點(diǎn)（速度等于 0）之間的直線距離，即入射粒子沿入射方向穿透物質(zhì)的深度，是路程在入射方向上的投影， 稱之為入射粒子在該物質(zhì)中的射程，以 R表示。路程大于或者等于射程。入射粒子質(zhì)量越小，能量約大，速度越大，射程越長(zhǎng) ? 2).射程 R和吸收物質(zhì)的電子密度 NZ成反比。 多次散射使電子在物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡十分曲折 。 ? 低能入射電子的電離能量損失率為： ? ?粒子電離能量損失率最大值為 ；電子電離能量損失率最大值為 146eV。 因而能量損失率小的多 ， 其穿透本領(lǐng)要比