带电粒子与物质相互作用

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1、带电粒子穿过靶物质时，与路径上靶物质的原子核及核外电子发生相互作用，随着入射粒子种类和能量的不同，各种相互作用的强度和特征也不相同，最终决定了入射带电粒子在靶物质屮的能量损失与射程分布等。带电粒了与物质相互作用的特征带电粒子在物质中的慢化过程具有一定能量的带电粒子（如质子，a粒子，电子等）入射到靶物质屮吋,带电粒子与其路径上靶物质的原子核或电子会发生库伦相互作用，从而把一部分动能转移给靶物质的电子或原子核而逐渐损失能量，最终停止在靶物质屮，这个过程称为慢化过程。快速带电粒子与靶物质中电子的库伦相互作用在慢化过程中起主要作用。对重带电粒子来说，由于电子

2、的质量非常小，在和电子的每次碰撞屮，转移给电子的能量只占其本身能量的很少一部分。重带电粒子在每次碰撞后的运动状态可以认为没冇改变。所以重带电粒子穿过靶物质时，要与靶物质屮的电子连续地发生许多次这样的小能量转移碰撞，才逐渐损失掉它的能量。重带电粒子经过多次碰撞而不断损失能量，当速度减少到一定程度吋，就会与靶物质发生电荷交换效应。原来高速运动的重带电粒子的外层电子是全部剥离的，随着速度的降低而会俘获靶物质中的电子，从而使自身所带的有效正电荷数逐渐减少。如呆靶物质足够厚，则经过许多次碰撞后，重入射带电粒子的能量会全部耗尽，并俘获电了成为中性原了，停止在靶物

3、质中。重带电粒了被阻止在靶物质中所需的时间与它的能量及靶物质的性质冇关。对能量在MeV量级的a粒了和质了，整个慢化过程在气体物质中约为IO®秒，在固体物质中约为10竝秒。高速重带电粒了（如a粒了）与靶原了核的库伦碰撞造成的能量损失，和与靶原子的屯子的碰撞造成的能量损失相比可以忽略不计，只冇在重带屯粒子速度非常低吋才显得重要。但对于快速电子，它与靶原子核的碰撞对能量损失和角度偏移则有较大的影响。入射电子与靶物质中电子的单次碰撞也可能损失较多的能量。总Z,慢化过程屮带电粒子在靶物质中的能量损失和角度偏传，完全是入射带电粒了与靶物质中的电了和原了核发生齐种

4、相互作用的结果，主要有卜•列四种碰撞过程：①带电粒子与靶原子的核外电子发生非弹性碰撞；②带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞；①带电粒了与靶原了核发生非弹性碰撞；②带屯粒子与靶原子的核外屯子发生弹性碰撞；在所讨论的能量范围内，入射粒子与原子核发生核反应的概率非常小，可以不予考虑。各种碰撞过程的特点（1）带电粒了与靶原了的核外电了发生非弹性碰撞当带正电或负电的入射粒子从靶原子附近掠过时，靶原子的核外电子因库伦相互作用而受到吸引活排斥，从而获得一部分能量。如果核外电子获得的能量大于它在轨道上的结合能时，就会脱离原子核的束缚而逸岀，成为一个自由电子（乂称5电了）

5、，而剩卜•的原了成为正离了。这就是入射带电粒了引起的靶原了的电离过程。原子的最外层电子受核的束缚最弱，从而最容易被电离。如果电离过程屮发射出的电子具有足够高的动能，它述可以与其他靶原子的核外电子发牛库伦相互作用而导致电离。这种过程称为二次电离。二次电离约占总电离的60%〜80%o如呆电离过程屮被电离的是内层电子，当外层电子向该壳层跃迁时，还会发射出相应的特征X射线或俄歇电了。如果核外电子在库伦相互作用中获得的动能较小，不足以被屯离，但冇可能从原来较低的能级跃迁到较高的能级，从而使原子处于激发状态，这种过程称为激发。处于激发态的原子是不稳定的，会通过跃

6、迁返冋基态（称为“退激"），退激过程屮会释放出可见光或紫外光，这就是受激原子的发光现彖。总Z,入射带电粒了与靶原了的核外电了Z间的非弹性碰撞所引起的能量损失，是带电粒子穿过物质吋损失能量的主要方式。出于该碰撞过程导致靶原子的电离或激发，所以这种能量损失又称为“电离损失二从靶物质对入射粒子的阻止作用来讲，也称为“电子阻止二（2）带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞当入射带电粒了到达靶原了核的库伦场时，其库伦引力或斥力会使入射粒子的速度和方向发生变化。由电磁学理论可知，伴随着这种运动状态的改变会产生电磁辐射（称为“韧致辐射从而造成入射粒子的能量损失，这种能量损

7、失称为“辐射损失a粒子及跟重的带电粒子由于质量较大，与靶核碰撞后运动状态改变不大，辐射损失比电离损失耍小。而卩粒子由于质量较小，与靶核库伦相互作用后其运动状态改变显著，因此辐射损失是轻带电粒了损失能量的一种重要方式。重带电粒子与靶原子核发生非弹性碰撞吋，还可能使靶核激发而损失它的能量，这种过程的激发称为库伦激发。(3)带电粒子与靶原子核的弹性碰撞在这种过程中，带电粒了与靶原了核发生库伦相互作用而改变其运动速度和方向，但不辐射光子，也不激发原子核，碰撞前后保持动量守恒和总能量守恒,入射粒子损失能量，靶原子核反冲。入射粒子可以多次与靶原子核发生这种弹性碰

8、撞，造成能量损失。同时反冲的靶原子核如果能量较高，也可以与其他原子核碰撞，这种级联碰撞可造成靶物质的辐射损伤