【精品】重带电粒子与物质相互作用

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1、辐射与物质的相互作用：能量沉积生物学效应是…系列长时期现象的最终结果，是通过辐射穿过介质的运动形成的。重带电粒子的作用能量损失机制：・运动带电粒子慢化的基本机理是介质中粒子与电子间的库仑作用・重带电粒子穿过物质损失能量主要通过原子的电离和激发・运动的带电粒子给原子的电子施加电磁力并传递能量给他们。传递的能量足够从原子中打出电子并将其电离，或者使电子处于非电离状态原子的激发态。•重带电粒子在与一个电子碰撞中，仅传递一小部分能量。碰撞中方向偏转可以忽略・所有重带电粒子均直线穿过物质单次碰撞中的最大能量转移如碰撞是

2、正面碰撞，则会发生最大能量转移假设：・与电子相比，粒子运动得更快•对于最大能量转移，碰撞是正面的・与原子中电子的束缚能比，能量转移是大的・在这些情况下，电子被认为是自由的和静止的，且碰撞是弹性的动能守恒：[°[1TV1V"=7mv»+齐时动量守恒:MV=MV(+/；7V

3、.1JIQmax=7MV-"4MV其中E=MV2/2是入射粒子的初始动能一定能量范围质子的Q吨值除了在极端相对能量下，重带电粒子损失的最大转换能量是很小的。质子与电子碰撞，可能传输的最大能量ProtonKineticEnergyE(MeV)Q

4、inax(MeV)Maximuml^rcentaueEnergyTransfer^IOOQmax/E0.10.000220.2210.00220.22100.02190.221000.2290.231033.330.331041361.41051.06x10*10.6IO65.38x10s53.81079.21x1(?92.14mME(A/+/〃)2单次碰撞能量损失谱Y轴代表计算得到的给定碰撞中能量损失为Q的概率。以上计算得到的1MeV质子最大能量损失，21.8keV的N.B.超岀坐标范围。最可能的能量损失在

5、20eV量级。N.B.,快带电粒子的能量损失谱很可能在10-70eV区间慢带电粒子的能量损失谱不同，最可能的能量损失接近Qmax。阻止本领・重带电粒子在介质中的平均线性能量损失率（MeVcmj）在辐射物理、剂量学和辐射生物学中具有基本重要性•这个量，-dE/dx,叫做粒子在介质中的阻止本领・它也被称为粒子的线性能量转换（LET）,通常表示为水中的keV^im-1・阻止本领和线性能量转换与剂量及不同种类辐射的生物学效应紧密有关。阻止本领可以由能量损失谱来估算。・宏观截面卩表示单位路径上电子发生碰撞的概率。・卩的

6、倒数表示在两次碰撞间带电粒子走过的平均距离或平均自由程。・阻止本领是宏观截面与每次碰撞损失的平均能量的积。-半=pQaveclx例如：1MeV的质子在水中的宏观截面为41OjLim-1,每次碰撞的平均能量损失为72eV。阻止本领和平均自由程为多少？阻止本领，dE_八=410屮『x72eV=2.95xIO4eVjLinf11MeV质子的平均自由程为1/

7、i=1(410

8、im-1)=0.0024

9、im=24A°［原子直径量级］阻止本领的计算1913年，波尔推导得出重带电粒子的阻止本领的计算公式。波尔计算了重带电粒

10、子与电子碰撞中的能量损失，然后将所有可能的路径和能量阻止本领可以由能量损失谱来估算。・宏观截面卩表示单位路径上电子发生碰撞的概率。・卩的倒数表示在两次碰撞间带电粒子走过的平均距离或平均自由程。・阻止本领是宏观截面与每次碰撞损失的平均能量的积。-半=pQaveclx例如：1MeV的质子在水中的宏观截面为41OjLim-1,每次碰撞的平均能量损失为72eV。阻止本领和平均自由程为多少？阻止本领，dE_八=410屮『x72eV=2.95xIO4eVjLinf11MeV质子的平均自由程为1/

11、i=1(410

12、im-1

13、)=0.0024

14、im=24A°［原子直径量级］阻止本领的计算1913年，波尔推导得出重带电粒子的阻止本领的计算公式。波尔计算了重带电粒子与电子碰撞中的能量损失，然后将所有可能的路径和能量进行平均。阻止本领的Bethe公式使用相对论量子力学,Bethe得到了重带电粒子在均匀介质中的阻止本领表达式。dE_二「

15、2/zzc2//2小'—=ln7ryr'p-k°=.99X109Nm2C-2,（波尔滋曼常数）z=重粒子的原子序数e=电子的电荷量n=介质单位体积中的电子数目m=电子静止质量c=真空里光速（^▼心=粒子相

16、对于光速的速度

17、=介质的平均激发能•阻止本领表达式中只含有重带电粒子的电荷ze和速度V•对于介质，只有电子密度n是重要的阻止本领计算表如果将Bethe阻止本领方程dE/dX中的常数项合并，则得到以下的形式:c/E—■clx5.()8xl()-3,z2/?ILVZ?x.f

18、-妙？M(0)WMeVcm'1where.，小i1.（gob厂（0）川、口2P~p更简便地说，对于给定的B值，一个粒子的动能与静止