第1章核辐射防护射线与物质相互作用.ppt

1、第1章 射线与物质相互作用,核辐射测量与防护,电离辐射警告标志,电离辐射标志,放射性警示标志：,要尽量避开贴有这些标志的物体！,辐射防护是：原子能科学技术的一个重要分支，它是研究人类免受或少受电离危害的一门综合性的边缘学科。它涉及到原子核物理、放射化学、辐射剂量学、核电子学、放射医学、放射生物学及放射生态学等学科。,基本任务是：保护环境、保障从事放射性工作的人员和一般居民的健康与安全、保护他们的后代、促进原子能事业的发展。,实现辐射防护目的的办法是：为了防止确定性效应的发生，把剂量当量限值定在足够低的水平上，以保证从业者在终生全部时间内受到的照射也不会达到产生有害效应的阈值。使一切具有正当理由

2、的照射保持在合理的可以达到的尽量低的水平。,为了达到辐射防护目的，一切辐射实践和设施的选址设计、建造、运行和退役，必须遵守辐射防护三原则:辐射实践正当化 辐射防护最优化 个人剂量的限制 辐射防护的三原则是一个有机的统一体，在应用时必须综合考虑。,考核方式,平时20%（出勤率+作业）期末80%（考试）,教学内容,第1章 射线与物质的相互作用第2章 辐射剂量学基础第3章 核辐射探测方法第4章 辐射来源及其影响第5章 辐射防护,参考书,电离辐射防护与安全基础 杨朝文 主编 教材辐射防护导论 方杰 主编辐射防护基础 李星洪 主编 网络教学平台下载,第1章 射线与物质的相互作用,1.1 粒子与物质相互作

3、用1.2 射线与物质相互作用1.3 和X射线与物质相互作用1.4 中子与物质相互作用1.5 射线与物质相互作用特点小结,1.1 粒子与物质相互作用,1.1.1 粒子的性质 高速运动的氦核，带两个正电荷，质量数为4，约为电子质量的7300倍。能进行衰变的天然放射性核素绝大部分原子序数大于82，如,原子序数小于82是极个别，且半衰期相当长，如：,T1/2=1.71011a,T1/2=21015a,T1/2=6.11011a,1.1.2 粒子与物质相互作用,概述重带电粒子可与核外电子发生弹性碰撞，仅在其能量低于100eV时有意义，所以一般只考虑带电粒子与核外电子的非弹性碰撞。重带电粒子与核外电子发生

4、非弹性碰撞的结果可使原子发生电离或激发。,带电粒子通过物质,自由电子,正离子,+靶原子 正离子+电子+4He+Ar Ar+e-+4He,物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子,+,e-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,+-,库仑作用,带电粒子通过物质时，与物质原子的壳层电子发生静电作用电子获得足够能量后使其脱离轨道形成一个带负电荷的自由电子（次级电子），失去一个电子的原子则变成带正电荷的离子，自由电子与离子构成离子对。这种使物质中

5、性原子变成离子对的过程称为电离。原电离入射粒子直接作用引起的电离次级电离由原电离产生的电子如果具有足够的动能，它也能使原子电离，电子。,电离（ionization）,电子粒子与物质原子壳层电子直接碰撞时，可以产生高能电子的电离，出射的电子。电子可以使物质原子再电离或激发。,电离,带电粒子通过物质时，壳层电子获得的能量不足以使壳层电子脱离轨道，则从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，即原子由基态转入高能态，这种过程称为激发。原子退激激发态的原子不稳定，处在高能态的电子要跳回低能态轨道来，以发射光子的形式放出相应的能量。,激发(excitation),电离和激发两过程构成了重带电粒子在碰撞过程中的

6、主要能量损失。,阻止本领公式,式中：z：重带电粒子的电荷数；e：一个电子的电量，等于1.60210-19C;Z：物质原子的原子序数；N：物质在单位体积中包含的原子数目；c：光速；V：重带电粒子的速度；me：电子的静止质量 I：物质原子中电子的平均等效电离电位。,-,-,-,+,=,-,2,2,2,2,2,e,2,4,2,1,ln,2,ln,4,c,c,Z,C,I,m,NZ,m,e,z,dx,dE,e,ion,u,u,u,u,p,阻止本领,带电粒子使物质原子电离或激发而损失的能量称为电离能量损失。把带电粒子在物质中单位路程上的电离损失称为电离能量损失率，又称为阻止本领。常用符号 表示。脚标“io

7、n”表示是由入射粒子使原子电离或激发所引起的能量损失。,(1)与重带电粒子电荷数的平方成正比。如果粒子和质子的速度相等，物质对粒子的阻止本领是对质子阻止本领的4倍。带电粒子的电荷愈多，能量损失率愈大，穿透能力也就愈弱。(2)与带电粒子的质量无关。原因在于重带电粒子的质量比电子质量至少大1800倍。重带电粒子的质量与电子质量相比，都可以近似地被看成是无穷大。因此，重带电粒子的质量的确切数值就对阻止本领没有影响了。,阻止本领表达式重要结论1：,(3)与重带电粒子的速度有关。当速度较小时，可以近似地认为电离能量损失率与速度的平方成反比，对数项的数值影响不大；当速度比较高时，项变化很小，对数项的影响较

8、大。当两种粒子的速度相等时，即具有相同的E/m和相等的电荷，则两种粒子在同一靶物质中的阻止本领就相同。例如质子、氘核和氚核，它们的质量不同，如果它们的速度一样，则它们在同一物质中的阻止本领就一样。(4)与物质的电子密度NZ成正比。物质密度越大，物质中原子的原子序数越高，则此种物质对重带电粒子的阻止本领也越大。,阻止本领表达式重要结论2：,阻止本领表达式重要结论3：,（5）在中能区，阻止本领与入射粒子的能量成反比,电子的阻止截面：,电离密度（ionization density),带电粒子在单位路径长度上形成的离子对数，单位为离子对/厘米。比电离应包括原电离和次电离产生的离子对。,带电粒子在物质

9、中的射程,任何一种带电粒子在进入物质以后，通过与物质相互作用而不断地损失能量。如果物质的厚度是足够的，带电粒子最终将完全停留在物质中，这种现象称为物质对带电粒子的吸收，这种物质称为吸收物质。带电粒子从进入物质到完全被吸收沿原入射的方向穿过的最大距离，称为该粒子在物质中的射程，常用符号R表示。如果不指明在哪种物质中，而只是说“射程”多少，就是指粒子在标准状况下的空气中的射程。,带电粒子的射程和路程,射程和路径的区别,射程歧离,一组单能粒子射程的平均值称为平均射程。相同能量的粒子在同一种物质中的射程并不完全相同，这种现象称为射程歧离。产生这种现象的原因 每两次碰撞间粒子穿过的距离以及每次碰撞使带电

10、粒子失去的能量不完全相同，因而相同能量的粒子的射程不是一个定值。由于每个粒子都必须经过多次的碰撞，因此，各个粒子的射程间的相互差别并不很大。重带电子粒子的射程涨落一般都很小。,经验公式,对于能量为3-7MeV的粒子在标准状态下空气中的平均射程可用下面的经验公式表示：,E 是粒子的能量，单位是MeV.R0 是粒子在标准状态下的空气中的平均射程，单位是cm.,相同能量的同一种带电粒子在不同物质中的射程有经验公式：式中a和b、Aa和Ab分别为物质a和物质b的密度与相对原子量。,重带电粒子在物质中的射程与能量的关系,在其它物质中的射程R可用在空气中的射程R0进行换算，其公式如下：式中，A和分别表示吸收

11、物质原子的质量数和密度（单位为g/cm3），R的单位为cm。,在其它物质中的射程：,问题一：已知5MeV的粒子在空气中的平均射程是3.5cm，求其在铝和铅中的平均射程？,粒子在几种物质中的平均射程,1.2 射线与物质相互作用,1.2.1 射线的产生和特点,快速电子或射线（正电子和电子）与物质发生三种相互作用：非弹性散射、弹性散射和轫致辐射。由于电子的静止质量约是粒子的1/7000，所以它与物质相互作用及在物质中的运动轨迹都与重带电粒子有很大差异。快速电子在物质中的损失一般需考虑电离损失和轫致辐射损失。电子与原子核库仑场作用发生非弹性碰撞，产生轫致辐射，能量为几个MeV的电子在铅中的轫致辐射能量

12、损失率接近电离损失率。,组织本领公式,低能时：,高能时：,快速运动电子通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用，速度大小和运动方向都发生变化，一部分能量以电磁波的形式辐射出来，这种辐射称为轫致辐射。,辐射能量损失（bremsstrahlung),电子打在荧光屏上产生X射线电视机显像管,特征:x 射线能量连续 0 EMax(电子能量)电视机 高压15 kV 电子束能量15 keV x 射线能量 0-15 keV,产生机制,原子核,轫致辐射,辐射能量损失率公式：,m:入射粒子的质量E：入射粒子的能量z：入射粒子的电荷数Z：靶物质的原子序数N：单位体积内靶物质的原子序数,辐射能量损失率表达式重要结

13、论：,（1）辐射能量损失率与z2成正比，与m2成反比。由于电子的质量小，在能量相同的情况下，电子的辐射能量损失要比粒子、质子和重带电粒子大得多。（2）辐射能量损失率与Z2和N成正比。表明粒子打在重元素中，容易发生轫致辐射。（3）辐射能量损失率与入射粒子能量E成正比。,20MeV的电子穿过 时，辐射损失和电离损失之比是多少?,问题二,粒子的多次散射,弹性散射概念（简称散射）电子穿过物质时，运动方向的改变虽与原子核和核外电子发生非弹性碰撞有关，但主要是由于原子核的库仑力作用而发生的弹性碰撞结果，发生弹性碰撞时电子的能量变化很小，但电子的运行方向变化很大，电子愈靠近原子核，散射愈厉害，散射角度也愈大

14、。,多次散射和反散射电子穿过物质时先后受到许多原子核的弹性散射作用，称为“多次散射”。电子在物质中的行程较大，散射次数愈多，电子的偏转就显著。电子经过多次散射，最终散射角可以大于900，甚至可能是折返去，这种大于900的散射称为反散射。,在放射源的活度测量中，为了减少散射的影响，放射源的衬托物、支架等都利用原子序数Z低的物质，这是因为Z低，原子核的库仑场作用小一些。在进行源活度的绝对测量时，必须对放射线的反散射衬托物的反射因素造成计数的增长予以修正，利用射线的反散射计数变化与散射体厚度的关系，可以做成反散射厚度计来测量各种金属薄层及胶片、塑料布等材料的厚度，这是射线反散射技术的一项专门应用。,

15、粒子多次散射和反散射的应用,非弹性散射,非弹性碰撞当快速电子通过物质时，它与物质原子的壳层电子发生碰撞，而体系功能不守恒，入射电子将自己的一部分能量给于原子壳层电子，使原子发生电离或激发。电子电子碰撞：实质上是静电相互作用。,1.2.3 吸收和射程,吸收无论是单能电子束，还是能量连续分布的射线，在经过一定厚度的物质时，电子的数目随着距离的增加而逐步减少，这种现象称为吸收。,半吸收厚度：,1.2.3吸收和射程,为何不能用粒子那样的平均射程的概念来说明粒子的情况,在物质中的路径和射程,1.2.3吸收和射程,射线的射程一束单能粒子具有平均射程，这个射程与粒子能量有关，对于射线来说，因为粒子的能量是从

16、零到E最大连续分布，所以各个粒子的射程差别很大。即使是初始能量相同的一束电子，由于它们在电离过程中损失的能量涨落很大，同时还存在轫致辐射和多次散射，因而它们在同一物质中经过直线距离差别也是很大的，所以不能用粒子那样的平均射程的概念来说明粒子的情况。,射线的最大射程,几种物质中粒子的射程,射线与射线电离效应比较,射线 射线径迹 粗 直 细 弯,电离作用强 电离作用严重 产生离子对数目多,电离作用 Z1Z2/v2 Z1 入射粒子原子序数 Z1 靶粒子原子序数 v 入射粒子速度,实验结果,1.2.3吸收和射程,当e+粒子与物质作用，正电子的速度接近于零时，与附近原子中的电子（e-）结合，正负电荷抵消

17、，两个电子的静止质量转化为两个方向相反，能量各为0.511Mev 的 光子而自身消失的过程成为湮没辐射或光化辐射。,1.2.4 正电子与物质的相互作用,湮没辐射（annihilation radiation),正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 光子。,e+e-+me+me-=0.511+0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率(100%）,湮没辐射,1.3 射线与物质的相互作用,X和 射线的区别是什么？,射线对物质的电离作用:两步过程,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,电离效应次级电子使物质原子电离,射线,第 1 步初级作用,第 2 步

18、次级作用,光子与物质原子相撞时，把全部能量交给原子的一个轨道电子，光子本身消失，电子获得能量后成为高能电子而摆脱原子核的束缚成为自由电子，使物质电离，此过程称为光电效应。光子能量越低，物质原子序数越大，发生光电效应的几率也越高。,1.3.1光电效应（photoelectric effect),自由电子,作用机制：光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。+A A*+e-（光电子）原子 A+X 射线,原子,受激原子,光电效应,光电子的能量,Bi是壳层电子的结合能，不仅与原子序数Z有关，也与电子所在壳层有关。光子的能量

19、必须大于壳层电子的结合能才能发生光电效应。,光电效应的截面,光电效应的截面 称为光电截面，它表示一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生光电效应的概率。光电效应截面的大小与光子能量和吸收物质的原子序数有关，而与物质所处的化学和物理状态无关。,光电效应发生在束缚最紧的内层电子上，K壳层发生光电效应的概率最大。,当光子与核外电子发生非弹性相撞时，将部分能量传给电子，电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿吴有训电子，而使物质电离。光子本身能量减少又改变了运动方向。当光子的能量为0.5-1.0MeV时，该效应比较明显。,1.3.2 康普顿吴友训效应（Compton-Wu effect),康普顿效应

20、,散射光子与反冲电子,不同入射光子能量对应的反散射光子的能量,当入射光子能量大于1.022MeV时，光子在原子核的库仑电场作用下，射线消失，转换成一对正负电子（二者又可结合转化为光子），此过程称为电子对生成。电子对效应通常发生在能量较大的光子。,1.3.3 电子对生成（pair production),能量1.02 MeV 的射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。,M M+e+e-1+2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV基本条件：射线能量 E 1.02 MeV 为什么？,能量转化成质量M=E/C2,电子对生成,1.电子对的能量,2.电子对效应截面,h稍大于2m

21、0c2时，,h远大于2m0c2时，,三种效应与原子序数和光子能量的关系,1.3.4 射线的吸收,1.射线吸收规律,射线穿过物质时，强度按指数规律衰减，沿入射方向透过的光子的能量不变。射线比带电粒子的穿透本领大得多，因此屏蔽和防护射线比带电粒子要困难。不同能量的射线，在入射到物质中时，三种相互作用对总吸收的贡献是不一样的。,2.射线吸收的特点,瑞利散射当光子能量很低时，它进入物质后与原子壳层电子发生弹性碰撞，受到电子的散射，瑞利散射的几率用R 表示：R常量Z，N物质原子序数与原子密度E 入射 光子的能量,1.4 中子与物质的相互作用,1.4.1 中子的特性,自由中子不稳定，能自发地衰变为质子，同

22、时发射电子和反中微子,中子波长与它的动能及动量的关系：,慢中子：小于1KeV 中能中子：1100KeV 快中子：0.1100MeV 热中子：0.0253eV 冷中子：小于0.005eV,1.4.2 中子的来源,放射性同位素中子源（，n）中子源：光（，n）中子源自发裂变（f，n）中子源反应堆中子源加速器中子源,中子与物质中原子核碰撞时把部分能量传给原子核，带有能量的原子核脱出原子,此原子核称反冲核，而中子本身带着较低能量改变运动方向继续行进成中子散射，这种现象称弹性碰撞。带电荷的反冲核获得能量后，在其运动途中可引起物质电离和激发。,1)弹性碰撞(elastic collision),（一）作用类

23、型,1.4.3 中子与物质相互作用,1)弹性碰撞(elastic collision),在弹性散射过程中，由于散射后靶核的内能没有变化，它仍保持在基态，散射前后中子靶核系统的动能和动量守恒，可以把这一过程看作“弹性球”式的碰撞，对此种过程，可根据动能和动量守恒，用经典的方法来处理。,快中子冲入物质原子核内，把部分能量传给原子核 使核处于激发态，中子带着剩余的能量从核内飞出，激发态核从中子得到能量以 光子的形式释出，原子核回到基态，这种现象称为非弹性碰撞。,2)非弹性碰撞(inelastic collision),2)非弹性碰撞(inelastic collision),非弹性碰撞中，入射中子的

24、一部分（通常为绝大部分）动能转变成靶核的内能，使靶核处于激发态，然后靶核通过发射射线又反射回到基态。散射前后中子与靶核系统的动量守恒，但动能不守恒。只有入射中子的动能高于靶核的第一激发态的能量时才能使靶核激发，即只有入射中子的能量高于某一数值时才能发生非弹性散射，非弹性散射具有阈能的特点。,慢中子被物质原子核俘获后，形成稳定或不稳定的新核素，这种现象称中子俘获。常被用来生产人工放射性核素 中子俘获包括(n,),(n,f),(n,)(n,p)四种类型反应,）中子俘获,）中子俘获,（1）辐射俘获(n,)反应,）中子俘获,(2)(n,)(n,p)等反应,）中子俘获,(2)核裂变,（二）作用特点,弹性

25、散射：运动方向改变 非弹性散射：中子的一部分能量使核 激发、产生光子,A.中子不与原子核外层电子发生作用,B、中子不带电不能直接使原子电离但中子容易进入原子核内同原子核发生作用引起核反应,1）与 H 原子核的弹性碰撞 传递能量 质子跑出来 中子被慢化 n+H n+p 第一步 打出质子（载能）第二步 质子引起物质电离 慢化剂:轻水(1H2O)重水(2D2O),n,H,n,n,p,电离,2）中子核反应 例如(n,p)反应 n+14N 14C+p 第一步 核反应产生质子 第二步 质子对物质产生 电离作用,n,p电离,14N,14C,人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重 伤害也严重,1

26、,2,C.穿透力强,（三）中子在物质中减弱过程结论,结论1,快中子在物质中减弱包括两个过程：快中子的慢化；慢中子的吸收。快中子慢化的相互作用过程是中子与原子核的弹性碰撞和非弹性碰撞。非弹性碰撞能量在几个MeV以上快中子主要通过与高原子序数的原子核发生非弹性碰撞降低能量。非弹性碰撞时入射中子一部分动能转变为原子核的激发能，激发核退激时会发射光子。为使原子核达到激发态，中子能量必须高于原子核的第一激发态能量，所以发生非弹性碰撞要求中子能量大于阈值。,对不同原子核，阈值大体在0.1-5MeV之间，原子序数高的重原子核阈值低，这种非弹性碰撞的几率随入射中子能量增大而增大。所以高原子序数的重物质对高能中

27、子的慢化非常有效。例如10MeV左右的快中子只要与铁原子核发生很少次非弹性碰撞，就能把能量降到1MeV左右。能量低于1-2MeV的快中子慢化主要通过与轻原子核的弹性碰撞。中子与氢的弹性碰撞几率最大，而且每一次碰撞中转移给反冲质子的能量也最多，所以氢是能量在1-2MeV以下快中子的最好的慢化剂。由于弹性碰撞截面随中子能量降低而增大，所以在含氢多的材料中，中子经受一次碰撞后，再次受到碰撞的几率增大，结果导致中子能量很快降低到热中子水平，最后被吸收。,结论2,热中子可以较容易地被任何原子核吸收。其过程是中子与原子核形成处于激发态的核，该核退激时会发射光子。这个过程叫做中子的辐射俘获。除少数核素(如L

28、i等)外，这种热中子的俘获总伴随发射射线，称为俘获辐射。吸收作用使中子不复存在，中子被吸收的主要反应是辐射俘获反应，即（n、）反应。,结论3,结论4,散射和吸收都使原子核发生某种变化，常伴随着有次级带电粒子或射线的发射。因此，中子的屏蔽一般较为复杂，除考虑减弱过程和吸收过程外，还应考虑射线的屏蔽。,强透射性 射线具有穿透物质的特殊能力。不同的射线种类穿透能力是不一样的。其中，、穿透力很小，射线一张纸就可以隔离，射线一层金属薄板也可以隔离，穿透力最强，必须非常厚的混凝土或铅块才能阻挡。因此，人们害怕的放射性主要是指射线。,1.5 三种射线穿透性的比较,射线的穿透力,1903年 索迪第一次提出：人

29、们一旦驾驭原子核内存在的神秘力量就会带来 或造福世界或毁灭世界的后果。,不 能 忘 记 的 告 戒！,1913年 一本轰动一时的科幻小说解放了的世界,书中令人惊奇地指出：1933年发现了人工放射性，描写了原子能工业军事上的应用。地球上一些大城市在1956年发生的世界大战中，毁灭于大火与核辐射。小说结局令人高兴：在意大利马若湖畔举行了和平会议，劫后余生的人们建成了一个新世界，被解放的人们充分利用原子能带来的好处。,放射性核素 利 弊,1903年 皮埃尔 居里在领取诺贝尔奖时说：“人们可以设想，镭在罪恶的手里会变得十分危险。这里，我们要问：人类认识自然界的秘密究竟有什麽好处？即使这种认识对人类无害，那麽人类是否已经成熟到能够利用它的地步？”他在列举了诺贝尔发明炸药的用途之后，乐观地指出：“我属于与诺贝尔有相同观点的人之一，人类从新的发现中获得的好处将比坏处多得多。,1.原子核可以提供：1）巨大的能量 2）强有力的射线,2.人们可以掌握它，但是对于物质中蕴藏着的无限能量，有人做玫瑰色的梦，梦想利用它融化极地的冰川，消除沙漠，建成地球上的天堂；有人做黑色的梦，梦想用大量的放射性炸弹毁灭城市和文明。有时梦梦相随，幸福大同世界与世界的废墟交映出现。,作 业,P53:4、6、7,