射线与物质的相互作用概要

电离——核外层电子克服束缚成为自由电子，原子成为正离子
激发——使核外层电子由低能级跃迁到高能级而使原子处于激发状态，退激发光

射线

致电离辐射

慢化

电离损失：带电粒子与靶物质原子中核外电子的非弹性碰撞过程
- 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑力作用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发
辐射损失：带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞过程
- 入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的速度和方向发生变化，伴随着发射电磁辐射（轫致辐射）
带电粒子与靶原子核的弹性碰撞（库仑场作用）
- 核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低速重离子入射时，对粒子能量损失的贡献才是重要的
带电粒子与核外电子的弹性碰撞（核外电子的库仑力作用）
- 只是在极低能量(100eV)的β粒子方需考虑

重带电粒子与物质的相互作用

对于重带电粒子α，辐射损失的能量份额不大
重带电粒子一般为荷正电的粒子
重带电粒子主要通过电离损失的方式来损失能量，使介质原子电离或者激发
重带电粒子在介质中的运动轨迹近似为直线
单位路径上有多次作用:单位路径上会产生许多离子对和较大的能量转移
在所有材料中的射程均很短

能量损失规律

能量损失率
- 单位路径上引起的能量损失，又称为比能损失或阻止本领
电离能量损失率
辐射能量损失率

Bethe公式

Bragg曲线
- 带电粒子的能量损失率沿其径迹的变化曲线
Bethe-Bloch公式
- z:入射例子电荷数
- m_0 电子静止质量
- v 入射粒子速度
- N:靶物质单位体积的原子数
- Z:靶物质原子的原子序数
- 靶物质平均等效电离电位

$-\frac{dE}{dx}=(\frac{1}{4\pi\varepsilon _0})^2\frac{4\pi z^2 e^4}{m_0 v^2}N B$

$B=Z\begin{bmatrix} ln(\frac{2m_0v^2}{I})-ln(1-\frac{v^2}{c^2})-\frac{v^2}{c^2} \end{bmatrix}$

粒子径迹

粒子径迹的特征
- 基本是直线
比电离(specific Ionization)
- 带电粒子在穿透单位距离介质时产生的离子对的平均数
δ射线
- 带电粒子在穿透介质时产生的电子-离子对中的电子具有足够的能量而可引起进一步电离的电子
粒子的射程
- 带电粒子沿入射方向所行经的最大距离
- 重带电粒子的射程等于路径

定比定律

同种粒子不同材料

$\frac{R_1}{R_0}\approx\frac{\rho_0\sqrt{A_1}}{\rho_1\sqrt{A_0}}$

同种材料不同粒子

$\frac{R_1}{R_2}\approx\frac{m_1z_2^2}{m_2z_1^2}$

能量歧离和射程歧离

能量歧离(Energy Straggling)：一组单能粒子穿过一定厚度的物质后，将不再是单能的，而发生了能量的离散
射程歧离(Range Straggling)：由于带电粒子与物质相互作用是一个随机过程，因而与能量歧离一样，单能粒子的射程也是涨落的

对于β粒子，辐射损失是其能量损失的重要方式

快电子与物质的相互作用

电离能量损失和辐射能量损失
单位路径上较少相互作用:单位路径上产生较少的离子对和较小的能量转移
每次碰撞损失能量大
路径不是直线，散射大

能量损失率

必须考虑相对论效应时快电子的电离能量损失和辐射能量损失
辐射能量损失：带电粒子穿过物质时受物质原子核的库仑作用，其速度和运动方向发生变化，会伴随发射电磁波，即轫致辐射(bremsstrahlung)
辐射能量损失率：单位路径上，由于轫致辐射而损失的能量

比能损失

电离损失

$-(\frac{dE}{dx})_c=\frac{2\pi e^4 NZ}{m_0 v^2}[ln(\frac{m_0v^2E}{2I^2(1-\beta^2)})-ln2*(2\sqrt{1-\beta^2}-1+\beta^2)+(1-\beta^2)+\frac{1}{8}(1-\sqrt{1-\beta^2})^2]$

韧致辐射

$-(\frac{dE}{dx})_r=\frac{NEZ(Z+1)e^4}{137m_0^2c^4}(4ln\frac{2E}{m_0c^2}-\frac{4}{3})$

电子的吸收

单能电子
- 初始能量相等的电子在各种材料中的射程与吸收体密度的乘积近似为常数
当吸收介质的厚度远小于R(βmax)时，β粒子的吸收衰减曲线近似服从“指数规律”

电子的散射与反散射

反散射
- 由于电子质量小，因而散射的角度可以很大，而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向，电子沿其入射方向发生大角度偏转
- 对同种材料，入射电子能量越低，反散射越严重
- 对同样能量的入射电子，原子序数越高的材料，反散射越严重。

正电子与物质的相互作用

高速正电子进入物质后迅速慢化
- 在正电子径迹的末端与介质中的电子发生湮灭(annihilation)，放出γ光子
- 与一个电子结合成正电子素(电子偶素positronium)

测厚仪

使用α离子源做成的测厚仪的原理是测量α离子能量随穿透物质厚度的变化关系
使用β射线源做成的测厚仪的原理是测量β射线数目随穿透物质厚度的变化关系

γ射线与物质的相互作用

当一个γ光子射向某个物体时：它可能与物质发生作用，也可能不发生作用。
- 一旦发生作用
  - gamma光子“消失”→单次性、随机性
  - 或者变成低能量的γ光子（康普顿散射光子、湮没光子、特征X射线）
- 在此过程中形成了次级电子
  - 光电子
  - 康普顿反冲电子
  - 正负电子对
通过测量次级电子的能量，可以实现对γ光子的探测
- 电子通过电离效应损失能量