放射性地球物理但第二章 射线与物质相互作用.ppt
《放射性地球物理但第二章 射线与物质相互作用.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《放射性地球物理但第二章 射线与物质相互作用.ppt(85页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、放射性地球物理,核技术与自动化工程学院,第二章 射线与物质相互作用,第一节 带电粒子与物质相互作用 第二节 伽玛射线与物质相互作用 第三节 伽玛射线在物质中的衰减 第四节 伽玛射线通过物质时谱成分变化 第五节 伽玛射线在物质中迁移 第六节 中子与物质相互作用,核辐射的基本性质,载能的 粒子 : 1 有没有作用 2 具体的作用机制是什麽 3 有什麽样的规律 4 产生什麽样的结果,核辐射与物质的基本作用,。 。 。 。原子。, n,物 质:气体 液体 固体 包括人体 等,微观粒子间碰撞有动量和能量的传递 库仑作用 1 电离作用 2 电离效应,第一节 带电粒子与物质相互作用,作用对象: 原子(核外电
2、子) 原子核 作用方式 与核外电子发生非弹性碰撞 与原子核发生非弹性碰撞 与原子核发生弹性碰撞 与核外电子发生弹性碰撞,一、带电粒子与物质相互作用的一般特征,第一节 带电粒子与物质相互作用,与核外电子发生非弹性碰撞 带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致原子的电离与激发。引起能量的电离损失。 1)电离,一、带电粒子与物质相互作用的一般特征,自由电子,正离子,+,库仑作用,称为电子,第一节 带电粒子与物质相互作用,与核外电子发生非弹性碰撞 带电粒子与核外电子的非弹性碰撞导致原子的电离与激发。引起能量的电离损失。 2)激发 入射带电粒子传递给电子的能量较少,不足以使电子摆脱原子核的束缚而成为自由电子,
3、但可以使原子从低能级状态跃迁到相对高能级状态,此时原子处于激发状态,此过程称为激发。 激发态时间短返回基态,即退激并发射出光子。,一、带电粒子与物质相互作用的一般特征,第一节 带电粒子与物质相互作用,与原子核发生弹性碰撞,一、带电粒子与物质相互作用的一般特征,带电粒子靠近原子核时,由于库仑作用使入射粒子的速度和运动方向发生变化。入射粒子损失的部分能量转移给原子核,绝大部分能量由入射粒子带走。在此过程中不发射辐射。,粒子质量大,与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量小,运动状态改变大。而原子核获得的反冲能将使晶体原子位移,形成缺陷。,核,库仑作用,反冲,第一节 带电粒子与物质相互作用,与原子核发生非
4、弹性碰撞,一、带电粒子与物质相互作用的一般特征,带电粒子靠近原子核时,由于库仑作用使入射粒子的速度和运动方向发生变化。伴随着发射电磁辐射,并大大减弱入射光子的能量,以辐射光子的形式损失其动能,称为辐射损失。,粒子质量大,与核碰撞后运动方向变化小。粒子质量小,运动状态改变大。,核,库仑作用,反冲,第一节 带电粒子与物质相互作用,与核外电子的弹性碰撞,一、带电粒子与物质相互作用的一般特征,带电粒子靠近原子时,由于与核外电子的库仑作用使入射粒子的速度和运动方向发生变化。入射粒子损失的部分能量转移给原子,在此过程种不发射辐射。,与核外电子的弹性碰撞实际上应视为与整个原子的作用。 这种作用只发生在极低能
5、量的入射粒子身上。,原子,库仑作用,反冲,第一节 带电粒子与物质相互作用,1、粒子与物质相互作用的主要形式,二、粒子与物质的相互作用,粒子是氦的原子核,带两个单位正电荷,质量数为4。,粒子与物质相互作用的主要形式是电离与激发。,天然核素衰变放出的粒子能量在48MeV。初始速度约在(12)109cm/s。,由于为重粒子,与物质散射作用不明显,在气体中的径迹是直线。,第一节 带电粒子与物质相互作用,2、 粒子的射程,二、粒子与物质的相互作用,讨论: 1、粒子的射程用平均射程代表; 2、粒子是重粒子,射程涨落小。5MeV 粒子1; 3、同一物质中,粒子的射程与初始能量有关,能量大,射程长; 4、4
6、8MeV粒子在空气中射程可以用经验公式计算:,天然粒子在空气中的射程有表可查。,第一节 带电粒子与物质相互作用,2、 粒子的射程,二、粒子与物质的相互作用,讨论: 5、4 8MeV粒子在其他物质中射程可以用它在空气中的射程,采用布喇格克利曼经验公式计算:,ni原子量为Ai的元素所占百分比。,第一节 带电粒子与物质相互作用,2、 粒子的射程,二、粒子与物质的相互作用,讨论: 6、天然粒子在空气中的射程最大为8.62cm(212Po, 能量8.785MeV)。 7、相同能量的粒子在不同物质中的射程不同。 8、 粒子在液体与固体物质中的射程为空气中的千分 之一。实际上一张纸就可以完全挡住天然粒子。,
7、1 MeV 的粒子穿透物质能力, 1 页 60页/本,铅,地 下 1-2 米深,铅室,n,4580本,中子源,射线穿透物质能力, 射线穿透 人体皮肤情况,第一节 带电粒子与物质相互作用,3、 粒子与核外电子的作用,二、粒子与物质的相互作用,粒子产生的电离:原电离、次级电离,原电离由粒子与原子壳层电子直接作用形成的电离,次级电离原电离中产生的电子继续与其他原子作用产 生的电离,平均电离能每产生一对离子(包括原电离与次级电离) 粒子所损耗的平均能量。,(1) 平均电离能,第一节 带电粒子与物质相互作用,3、 粒子与核外电子的作用,二、粒子与物质的相互作用,单位距离上粒子作用所产生的离子对总数。,在
8、距离小处, 粒子速度快,作用时间短,比电离小;末端前,速度慢作用时间长,有极大值;此后,能量耗尽,比电离快速衰减到0。,(2) 比电离(电离比度),比电离,距离,空气中各点的比电离变化,带电粒子通过物质时,在单位距离上由于电离和激发损失的平均能量称为,(3) 碰撞电离能量损失率,m0,e电子的静止质量与电荷; z,v粒子的电荷数与速度; v /c,c光速; Z介质的原子序数; N介质单位体积(1cm3)内的原子数目; I吸收介质原子的平均电离电位; W平均电离能; n电离比度;,碰撞电离能量损失率与入射粒子速度v2有关,而与入射粒子的质量无关。能量( v2 )越小,碰撞电离能量损失率越大。这就
9、是粒子射程末端比电离大的原因。 碰撞电离能量损失率与入射粒子z2有关,因此在同一介质中,多电荷粒子的能量损失率大 (dE/dX)电离可以表示物质对带电粒子的碰撞阻止本领,此外,尚用质量阻止本领,讨论:,第一节 带电粒子与物质相互作用,3、 粒子与核外电子的作用,二、粒子与物质的相互作用,粒子与核作用形式:卢瑟福散射;核反应。,卢瑟福散射粒子与核库仑场作用而改变方向;,核反应进入原子核,使原来的原子核发生变化,从而产生新核并放出1个或几个粒子。记为A(,n)B。,几个利用射线完成的著名的核反应: 1)利用210Po放出的粒子轰击9Be制成的靶,可以产生12C和中子(查德威克1932 ),导致中子
10、的发现:,(4) 粒子与原子核的作用,2)世界上第一个制造的人工放射性核素,约里奥.居里夫妇 1934 年 27Al + 4He 30P + n,30Si + e+ + ,提供许多种放射性核素,为研究和广泛应用开辟了广阔前景 例如:超铀元素的发现 (人工制造) Z = 92 93 94 95 96 114,+ 衰变,弹核 靶核 反应产物 4He + 14N 17O + 1H + Q,210Po 7.68 MeV,开辟了人工方法变革原子核的基本途径,人类能够将一种元素变成另一种元素,实现了中世纪“炼金术士们”的梦想,3). 卢瑟福进行的第一个 核反应(1919),第一节 带电粒子与物质相互作用,
11、1、 弹性散射,三、射线与物质的相互作用,粒子与轨道电子或原子核在库仑场作用下,仅改变运动方向,动能不变的作用过程。弹性散射是低能粒子与物质作用的主要形式。,根据量子的理论,有,对一定能量粒子,有,中等元素与重元素,原子核的散射占主要。,第一节 带电粒子与物质相互作用,1、 弹性散射,三、射线与物质的相互作用,由于粒子受到轨道电子或原子核的散射,粒子的运动方向不断改变,因此, 粒子的运动轨迹不是一条直线,而是一条不规则的折线。 粒子在物质中的路程,比穿过物质的厚度大很多,一般是1.54倍。,2、 电离与激发,粒子产生的直接电离约占总电离的2030;次级电离约占7080;,m0,e电子的静止质量
12、与电荷; z,v粒子的电荷数与速度; v /c,c光速; Z介质的原子序数; N介质单位体积(1cm3)内的原子数目; I吸收介质原子的平均电离电位; E入射电子动能;, 射线与射线电离效应比较, 射线 射线 径迹 粗 直 细 弯, 电离作用强 电离作用严重 产生离子对数目多,电离作用 Z1Z2 /v2 Z1 入射粒子原子序数 Z1 靶粒子原子序数 v 入射粒子速度,实验结果,粒子径迹是一条直线 5.3 MeV粒子在空气中 的射程3.83 cm,电子径迹是折线,第一节 带电粒子与物质相互作用,3、 韧致辐射,三、射线与物质的相互作用,高速运动的粒子或其它带电粒子通过物质时,在核库仑场作用下,改
13、变运动速度,伴随放出电磁辐射。,轫致辐射放出的电磁辐射是连续能量的X射线。,原子核,使用辐射损耗率描述在单位距离上轫致辐射的能量损耗。,讨论:,故用轻介质屏蔽轫致辐射。,1) 电子的辐射损失比、P粒子大。,2) 高速电子、重介质辐射损失大。,3) 能量增加,辐射损失增大。,辐射损耗率定义为:,讨论:,4),当粒子能量为10MeV,Z82(Pb),电离损耗与辐射损耗相等。,天然辐射的粒子能量一般小于3MeV,与一般岩石等作用时,辐射损耗可以忽略不计。,Pb,Al,5)轫致辐射释放的X射线,可以作为X射线源,用于X射线荧光分析,也可用于X光透视。荧光屏也是利用轫致辐射原理制成。,电子打在荧光屏上产
14、生X射线 电视机显像管,特征: x 射线能量连续 0 EMax(电子能量) 电视机 高压15 kV 电子束能量15 keV x 射线能量 0 -15 keV,产生机制,第一节 带电粒子与物质相互作用,4、 线阻止本领 S,三、射线与物质的相互作用,在核反应可以忽略的(不是太高)能量范围,带电粒子主要的能量损失方式是碰撞电离损失核轫致辐射损失。,总的线阻止本领 S 为,总的质量阻止本领 S / 为,单位: J m2 kg-1,5、正电子湮灭,正粒子与物质的相互作用与粒子基本相同。,正电子与负电子相遇发生湮灭,产生两个 0.511 MeV的 光子。,e+ + e- + me+ + me - = 0
15、.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率 (100 %),第一节 带电粒子与物质相互作用,1、 射线被物质吸收,四、射线在物质中的衰减,2)半吸收厚度:粒子在物质中衰减1半所经过的厚度。,3)射程:粒子经过10倍半吸收厚度,剩余1/1024。小 于1/1000,故将10倍半吸收厚度定义为粒子 的射程。 射程单位:cm,g/cm2,第一节 带电粒子与物质相互作用,1、 射线被物质吸收,四、射线在物质中的衰减,4)射程计算:低能粒子射程可以用以下经验公式,I(d)= I0 e-d,第二节 射线与物质的相互作用,1、 射线是什么,一、概述,电磁辐射谱, 小 能量高,大 能量低,E=
16、h , =c / ,电磁辐射谱, 小 能量高,E=h , =c / ,大 能量低,电离辐射 直接或间接使介质发生电离 效应的带电或不带电的射线 或粒子 (能量 keV ) 、 x、 n、p、 裂变碎片 介子等 来 源 1)放射性物质 (人造 天然) 2)加速器 3)反应堆 4)宇宙射线 5)地球环境,电离辐射和非电离辐射,非电离辐射 紫外线、红外线、微波等 这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应 eV 量级 移动电话 800-1800 MHz 0.01 eV (没有电离作用),射线是波长很短能量高的电磁辐射 ( 10-11 米,keV,MeV),来自原子核衰变, 不带电, 静止
17、质量 0 。,能够同物质原子发生作用,但不能直接使原子 电离;有动量和能量交换,能够产生载能次级 带电粒子,可以对物质发生电离作用。,能量 E = h 动量 p = h / c,2 射线对物质的电离作用 两步过程,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,电离效应 次级电子使 物质原子电离,射线,第 1 步 初级作用,第 2 步 次级作用,光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子,光子本身消失了。 + A A* + e- (光电子) 原子 A + X 射线,二、光电效应,1、作用机制,1)入射光子的全部能量转移
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 放射性地球物理但第二章 射线与物质相互作用 放射性 地球物理 第二 射线 物质 相互作用
链接地址:https://www.31doc.com/p-2871066.html