带电粒子与物质的相互作用.pptx

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1、带电粒子与物质的相互作用带电粒子主要分为两种，一是重带电粒子（特征穿透距离≈10-3m），二是快电子（特征穿透距离≈10-8m）。带电粒子与电荷借助库仑力不断地与所经过的介质中的电子或原子核相互作用，从而损失能量，当介质厚度足够时，最后沉积再介质中。重带电粒子与物质的相互作用重带电粒子（如α粒子）与物质的相互作用主要是通过它们的正电荷与吸收体原子中轨道电子的负电荷之间的库仑力。虽然重带电粒子也可能与和核发生相互作用（如卢瑟福散射或α粒子引起的核反应），但是这种相互作用很少发生，因而它们大多数情况下并不重要，可以忽略

2、掉。带电粒子进入任一种吸收介质后，就立即同时与许多电子相互作用，在任一次这样的相互作用中，电子当粒子从其附近经过时都受到一次库伦引力的冲击。根据相互作用的接近程度，这种冲击可能使电子升至吸收体原子中的较高位壳层（激发）或使电子完全脱离原子（电离）。传递给电子的能量必然来自带电粒子，隐刺带电粒子的速度由于相互作用而降低，在一次碰撞中，质量为m、动能为E的带电粒子传递给质量为me的电子的最大能量为4Eme/m，即大约为每个核子的粒子能量的1/500，由于这是总能量的很小的一部分，初级粒子经过吸收体时，一定是通过许多次这

3、样的相互作用才损失掉它的能量。在任何时刻，带电粒子都是在与许多电子相互作用，因此总效果是粒子速度不断降低，知道粒子被阻止。重带电粒子由于本身质量很重，不容易通过碰撞改变运动方向，其径迹如图所示，除末尾以外，径迹相当平直。因此重带电粒子可以用在某一吸收物质中的一定射程来表征，这个射程的表示没有粒子穿透到这个距离以外。重带电粒子的比电离损失用经典方法或者量子力学方法可以求得，重带电粒子穿过厚度为dx的介质层，与介质原子电子的碰撞所丢失的能量可以用Bethe-Bloch公式来描述：dE/dx(MeV/g⋅cm2)称为带电

4、粒子的比电离损失(粒子在单位质量厚度的介质中损失的能量)，其前面的负号表示粒子的能量不断减小。k=4πNavore2mec2，是由普适常数阿佛加德罗常数Navo，电子的经典半径re，电子的质量me组成，其数值k=0.30705(MeV·mol⋅cm2)，是入射带电粒子的相对论速度。为粒子的洛仑兹因子。I为介质原子的平均激发能，Tmax为一次碰撞中可能传递给一个自由电子的最大动能。带电粒子的比能损失沿其径迹的变化曲线（如图所示）称为Bragg曲线。这个例子是对初始能量为几MeV的α粒子的。在径迹的绝大部分，α的电荷是

5、两个电子的电荷，比能损失粗略的随1/E增加，如同Bathe公式预计的一样，接近径迹末端时，α粒子的电荷由于拾取电子而减少，Bragg曲线现将下降。快电子与物质的相互作用与重带电粒子相比，快电子能量损失较慢，而且通过吸收材料的径迹曲折得多，单能电子源的一组径迹可能如下图示意图所示，电子路径这里可能发生较大的偏转是因为电子的质量等于与之相互作用的轨道电子的质量，从而在单次碰撞中电子可能损失其很大部分能量，此外，有时还发生能急剧改变电子方向的电子——核子相互作用。为了描述快电子由于电离和激发引起的比能损失（“碰撞损失”）

6、，Bethe也推出类似重带电粒子比能损失的公式。式中符号意义与前式相同。电子与重带电粒子也不同，除经过库伦相互作用以外，还能经过辐射过程损失能量。这些辐射损失的形式是轫致辐射，及电磁波，它可以从电子径迹的任何位置发出。根据经典理论，电子被加速时必然发射能量，而电子与吸收体相互作用而偏转时相当于这种加速，经过这样辐射过程的线性比能损失为式中分子中的因子E和Z2表明，对于电子能量较高呵呵吸收体材料原子序数较大的情况，辐射损失是最重要的。在一般情况下，轫致辐射光子的平均能量是十分低的。电子的总线性组织本领是碰撞损失和轫致

7、辐射损失之和两种比能损失之比近似为：单能电子的射程和透射曲线由于电子散射使它显著地偏离入射方向，因此被测到的电子数与吸收体厚度的关系曲线起始就下降，而在吸收体厚度大时渐渐趋于零，穿透最大吸收体厚度的那些电子是在它们经过吸收体的路径中改变初始方向最小的那些电子与重带电粒子相比，快电子的射程的概念不太明确，因为电子的总路程的长度比沿初始速度方向穿透的距离大得多。通常，电子的射程是从图中那样的曲线将末端直线部分外推到零求得的，它表示几乎没有电子能穿透的吸收体厚度。