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1、第一章射線與物質(zhì)的相互作用RadiationInteractionswithMatter1.1概述1、什么是射線？射線，指的是如X射線、?射線、?射線、?射線等，本質(zhì)都是輻射粒子。射線與物質(zhì)相互作用是輻射探測的基礎(chǔ)，也是認(rèn)識(shí)微觀世界的基本手段。本課程討論對(duì)象為致電離輻射，輻射能量大于10eV。即可使探測介質(zhì)的原子發(fā)生電離的能量。2、射線與物質(zhì)相互作用的分類ChargedParticulateRadiationsUnchargedRadiationsHeavychargedparticlesNeutronsFastelectronsX-raysan
2、d?rays3、彈性碰撞與非彈性碰撞為內(nèi)能項(xiàng)彈性碰撞（即動(dòng)能守恒）非彈性碰撞（即動(dòng)能不守恒）為第一類非彈性碰撞，如入射粒子與處于基態(tài)的核碰撞，且使核激發(fā)；為第二類非彈性碰撞，如入射粒子與處于激發(fā)態(tài)的核碰撞，且使其退激。4、帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化載能帶電粒子在靶物質(zhì)中的慢化過程，可分為四種，其中前兩種是主要的：(a)電離損失－帶電粒子與靶物質(zhì)原子中核外電子的非彈性碰撞過程。(b)輻射損失－帶電粒子與靶原子核的非彈性碰撞過程。(c)帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞(d)帶電粒子與核外電子彈性碰撞(1)電離損失——與核外電子的非彈性碰撞過程入射帶電粒子與
3、靶原子的核外電子通過庫侖作用，使電子獲得能量而引起原子的電離或激發(fā)。電離——核外層電子克服束縛成為自由電子，原子成為正離子。激發(fā)——使核外層電子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)而使原子處于激發(fā)狀態(tài)，退激發(fā)光。當(dāng)入射帶電粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，以使靶物質(zhì)原子電離或激發(fā)的方式而損失其能量，我們稱它為電離損失。(2)、輻射損失——與原子核的非彈性碰撞過程入射帶電粒子與原子核之間的庫侖力作用，使入射帶電粒子的速度和方向發(fā)生變化，伴隨著發(fā)射電磁輻射—軔致輻射Bremsstrahlung。當(dāng)入射帶電粒子與原子核發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，以輻射光子損失其能量，我們稱它為輻射
4、損失。尤其對(duì)β粒子與物質(zhì)相互作用時(shí)，輻射損失是其重要的一種能量損失方式。(3)、帶電粒子與靶原子核的彈性碰撞帶電粒子與靶原子核的庫侖場作用而發(fā)生彈性散射。彈性散射過程中，入射粒子和原子核的總動(dòng)能不變，即入射粒子既不輻射光子，也不激發(fā)或電離原子核，但入射粒子受到偏轉(zhuǎn)，其運(yùn)動(dòng)方向改變。彈性碰撞過程中，為滿足入射粒子和原子核之間的能量和動(dòng)量守恒，入射粒子損失一部分動(dòng)能使核得到反沖。碰撞后，絕大部分能量仍由入射粒子帶走，但運(yùn)動(dòng)方向被偏轉(zhuǎn)核碰撞能量損失只是在入射帶電粒子能量很低或低速重離子入射時(shí)，對(duì)粒子能量損失的貢獻(xiàn)才是重要的。但對(duì)電子卻是引起反散射的主要
5、過程。這種由入射帶電粒子與靶原子核發(fā)生彈性碰撞引起入射粒子的能量損失稱之為核碰撞能量損失，我們把原子核對(duì)入射粒子的阻止作用稱為核阻止。(4)、帶電粒子與核外電子的彈性碰撞受核外電子的庫侖力作用，入射粒子改變運(yùn)動(dòng)方向。同樣為滿足能量和動(dòng)量守恒，入射粒子要損失一點(diǎn)動(dòng)能，但這種能量的轉(zhuǎn)移很小，比原子中電子的最低激發(fā)能還小，電子的能量狀態(tài)沒有變化。實(shí)際上，這是入射粒子與整個(gè)靶原子的相互作用。這種相互作用方式只是在極低能量(100eV)的β粒子方需考慮,其它情況下完全可以忽略掉。1.2重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用1、重帶電粒子與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)重帶電粒子均
6、為帶正電荷的離子；重帶電粒子主要通過電離損失而損失能量，同時(shí)使介質(zhì)原子電離或激發(fā)；重帶電粒子在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)徑跡近似為直線。InteractionofHeavyChargedParticles2、重帶電粒子在物質(zhì)中的能量損失規(guī)律1)能量損失率(SpecificEnergyLoss)指單位路徑上引起的能量損失，又稱為比能損失或阻止本領(lǐng)(StoppingPower)。按能量損失作用的不同，能量損失率可分為“電離能量損失率”和“輻射能量損失率”。對(duì)重帶電粒子，輻射能量損失率相比小的多，因此重帶電粒子的能量損失率就約等于其電離能量損失率。2)Bethe公式
7、(Betheformula)Bethe公式是描寫電離能量損失率Sion與帶電粒子速度v、電荷Z等關(guān)系的經(jīng)典公式。Bethe公式的推導(dǎo)1)物質(zhì)原子的電子可看成是自由的。(入射粒子的動(dòng)能遠(yuǎn)大于電子的結(jié)合能)2)物質(zhì)原子的電子可看成是靜止的。(入射粒子的速度遠(yuǎn)大于軌道電子的運(yùn)動(dòng)速度)3)碰撞后入射粒子仍按原方向運(yùn)動(dòng)。(碰撞中入射粒子傳給電子的能量比其自身能量小得多,入射粒子方向幾乎不變)公式推導(dǎo)的簡化條件：重帶電粒子與單個(gè)電子的碰撞情況：電子受到的庫侖力：該作用過程的時(shí)間為：在時(shí)間內(nèi)，帶電粒子傳給電子的動(dòng)量為：整個(gè)作用過程中，傳給電子的總動(dòng)量為：在x方
8、向，電子獲得的動(dòng)量為：因此，有：由于：所以：令：則：碰撞參量為b時(shí)，單個(gè)電子所得動(dòng)量為：碰撞參數(shù)為b時(shí)，單個(gè)電子所得的動(dòng)能為：碰撞參數(shù)為
