射线与物质的相互作

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1、第五节射线与物质的相互作用前面介绍了放射性核素会放出α、β、γ和中子等射线。掌握各种射线与物质相互作用的规律有三方面意义：(1)对射线进行必要的防护，以免对人体造成危害；、、、、、、(2)对各种射线加以利用，使之用来治病、诊断和测厚、探伤及育种等等；、、人头核磁共振图考古断代(3)以便制造出各种有效的探测器械。原子核在衰变过程中发出的各种射线通过物质时，将和物质发生的一系列相互作用。、、、、粒子轨迹图下面就原子核在衰变过程中发出的各种射线通过物质时，将和物质发生的一系列相互作用进行分类介绍。一、γ射线与物质的相互作用：γ射线是电磁波

2、，波长比X射线更短。γ射线透过物质时将会逐渐减弱，其强度随吸收物的厚度按指数规律衰减：γ线衰减有两种原因，一是吸收，二是散射(改变方向，没有能量散失)，因此μ是由两部分构成的。、、γ光子进入物质被吸收的方式有以下几种：光电效应、康普顿散射和电子对生成。此外还可能发生光致核反应、核共振反应和相干散射，只是可能性一般很小。当能量很高(大于30MeV)时，才考虑光致核反应和核共振反应；而当能量很低(小于100keV)时，才虑及相干散射。1．光电效应(photoelectriceffect)——当γ光子与物质中原子相互作用时，将其全部能量交给

3、原子中的内层电子(主要是K壳层电子，也可以是L壳层或其他壳层的电子)，电子获得能量后，随即脱离原子而飞出。光电效应——K壳层电子获能后，飞出原子。K层光电效应——L壳层电子获能后，飞出原子。L层光电效应中释放的电子叫光电子。当光电子的能量等于或略高于壳层电子与原子的结合能时，发生这种过程的几率最大。在医学上常用能量较低的γ和X射线跟原子序数较高的物质作用时，光电效应往往占主导地位。在光电效应中，由于发射了光电子的原子内壳层上出现了一个空位，因而该原子便处于激发态，但这一空位很快将被外层电子填充掉，并放出该元素的标识射线。L层K层M层所

4、以，在光电效应发生时，照射的光子被消失，伴随着出现光电子和元素的标识谱线。模式图KrKβ2．康普顿散射效应——能量较大的γ光子与原子中比较外层的、束缚不太紧密的电子相碰撞时，γ光子将其部分能量传给较外层的电子，使之脱离原子成为反冲电子，而γ光子由于损失一部分能量，就改变了频率和运动方向。M层电子飞出原子。γ光子损失部分能量，改变了频率和运动方向。M层对于散射作用来说，入射光束在其前行方向上的射线强度有明显的减弱。另一种散射过程是：光子与原子核结合较紧密的内层电子碰撞时，光子只是改变其行进的方向，但光子的能量可以不损失。原因——内层电子

5、被原子核紧紧地束缚着，故只能吸收特定的能量。当光子的能量不足以把内层电子轰出原子时，内层电子也不会吸收能量。光子只改变行进方向，但光子的能量不损失。K层以上两种情况统称为散射。只有光子的散射才能使射线在原来前行方向上的强度有所减弱。物质中发生的大多数散射效应，是属于中等能量的光子。3．对电子生成(pairproduction)——入射光子的能量大于两个电子的静止质量所对应的能量(大于1.02MeV)，光子经过原子核附近时，在原子核场的作用下会转化为一个正电子(positron)和一个负电子，这一现象叫做对电子生成。光子能量一部分转变为

6、正、负电子的静止质量外，剩余能量转化为正、负电子的动能。虽然在真空中正电子是稳定的，但它在物质中却不能长期存在，正电子与物质中的原子碰撞后将逐渐失去其动能。4.电子对湮灭(pairannihilation)——正电子与一个负电子结合，并一起化为两个反方向飞行的、同能量（0.511MeV）的光子对。γ射线的穿透能力比X射线还要强。当γ射线通过物质并与原子相互作用时会产生①光电效应、②康普顿效应和③正负电子对三种效应。原子核释放出的γ光子与核外电子相碰时，会把全部能量交给电子，使电子电离成为光电子，此即光电效应。①光电效应:因核外电子壳层

7、出现空位，将产生内层电子的跃迁并发射X射线标识谱。高能γ光子（＞2兆电子伏特）的光电效应较弱。低能量γ光子和高原子序数的物质作用，以光电效应为主；②康普顿效应:γ光子的能量较高时，除上述光电效应外，还可能与核外电子发生弹性碰撞，γ光子的能量和运动方向均有改变，从而产生康普顿效应。中等能量γ光子则以康普顿散射为主③正负电子对:当γ光子的能量大于电子静质量的两倍时，由于受原子核的作用而转变成正负电子对，此效应随γ光子能量的增高而增强。低能量γ光子以光电效应为主；中等能量γ光子则以康普顿散射为主在高能γ光子以电子对生成为主。γ光子与物质作用

8、的三种形式与光子的能量和物质的原子序数有关。γ光子不带电，故不能用磁偏转法测出其能量，通常利用γ光子造成的上述次级效应间接求出，例如通过测量光电子或正负电子对的能量推算出来。此外还可用γ谱仪（利用晶体对γ射线的衍射）直接