射线与物质的相互作用

γ射线和物质的相互作用~

γ射线是一种强电磁波，它的波长比X射线短，一般波长<0.001nm。
在原子核反应中，当原子核发生α、β衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过射线辐射来实现的，这种射线就是γ射线。
γ射线起源于原子核能量状态变化过程；X射线起源于原子核外电子能量状态变化过程；湮没辐射起源于正负电子的结合；轫致辐射起源于带电粒子的加速运动，这些辐射能量各不相同，但同属电磁辐射，也满足 Ε=hν。
γ射线与物质的相互作用机制属于全或无相互作用，不同于α、β射线的多次小相互作用，γ射线穿透物质后强度减小但能量几乎不降低，α、β射线穿透物质后强度减小，能量也降低。
γ射线具有极强的穿透本领。人体受到γ射线照射时，γ射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦它们遭到破坏，就会导致人体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。

具有一定能量的γ光子进入物质后，由于与物质中原子相互作用，能量减小，变成能量较低的γ光子离开物质，或再次在物质中与原子作用，再次失去能量。这就是γ射线与物质的作用，正是这种作用使γ射线被吸收了，或衰减了。γ射线与物质作用不是能量逐步消耗掉，往往是整个γ光子被吸收而转变成其他形式，如光电子、反冲电子等。γ射线与物质的作用主要有三种形式，即光电效应、康普顿-吴有训效应、形成电子对效应。如图2-2所示。

图2-2 γ射线通过物质的三种效应示意图

(a)光电效应；(b)康普顿-吴有训效应；(c)形成电子对效应
(一)光电效应
当γ光子与物质中原子发生碰撞时，将全部能量交给原子中的壳层电子，获得能量的电子克服电离能的控制脱离原子而运动。光子能量完全被吸收，同时放出自由电子称光电子，如图2-2(a)所示。光电子的动能表达式：

放射性勘探方法

对于各壳层εK=13.6· (Z-1)2eV;εL=3.4· (Z-5)2eV;εM=1.51· (Z-13)2eV;式中：h·ν为入射光子能量；Z为介质的原子序数。常用的NaI(Tl)晶体其有效原子序数约为50，εK≈0.033MeV，则对一般的入射光子有h·ν≫εK，则上式可简化为Ee≈h·ν。由于这种关系，可以用测光电子能量Ee的办法来确定人射光子的能量h·ν。
常用符号τ表示的光电线吸收系数，来描写入射光子在介质中发生光电效应的几率。对于天然γ射线其经验公式为

放射性勘探方法

式中：ρ为介质密度；λ为光子波长；Z为原子序数；n为Z的函数。
(二)康普顿-吴有训效应
通常又称为康普顿效应、康普顿散射、康-吴散射。在不同场合采用不同的叫法，但都是同一个含义。即：当入射光子与壳层电子直接碰撞时，光子只将部分能量给了电子，电子以此能量为动能反冲出去，取名反冲电子(或康普顿电子)；入射光子本身改变了原来的方向并不消失，取名散射光子，如图2-2(b)所示。
根据能量和动量守恒定律，可得到散射光子和反冲电子的能量表达式，散射光子能量：

放射性勘探方法


放射性勘探方法

式中：θ(散射角)与φ(反冲角)间的关系式为

放射性勘探方法

描写康普顿散射几率常用线吸收系数，符号σ称康普顿线吸收系数，其表达式为

放射性勘探方法

式中：ρ、Z、A分别为介质的密度、原子序数和核质量数；NA为阿伏伽德罗常数。
取 为康普顿质量吸收系数时，由于对造岩元素有 ，所以σm近似为一常数。
(三)形成电子对效应
形成电子对效应又简称为电子对效应。能量较高(大于1.02MeV)的γ光子与原子核库仑场作用时，光子本身完全被吸收，并转化为一对正、负电子，如图2-2(c)所示。由能量守恒定律可知

放射性勘探方法

(2-8)式表明，只有Eγ>1.02MeV(=2m0c2)时，才能发生形成电子对效应。生成的正电子不稳定，很快与电子碰撞而同时消失，转变为一对能量皆为0.51MeV的γ光子，称为正电子湮没。可见在电子对效应中，高能光子将转变为低能的γ光子。
描写形成电子对效应的几率，用电子对线吸收系数表示，一般用符号κ表达如下：

放射性勘探方法

以上三种效应在介质中是独立进行的，当考虑γ射线在介质中的吸收时，要用三种作用的总和，并以符号μ代表它们的总和几率，即

放射性勘探方法

式中：NA为阿伏伽德罗常数；A为原子量； 为单位体积吸收物质的原子数；σPh、σc、σp分别是光电效应、康普顿效应和形成电子对效应的原子截面。
三种效应的特点对比列入表2-5中。

表2-5 三种效应的次级电子能量及作用几率

γ射线与物质相互作用的几率与γ射线的能量以及作用的物质的原子序数Z有关，如图2-3所示。从图中可见：
1)对于高能γ光子和高原子序数的吸收物质来说，形成电子对效应占优势；

图2-3 γ射线与物质相互作用的关系

2)对于中能γ光子和低原子序数的吸收物质来说，康普顿效应占优势；
3)对于低能γ光子和高原子序数的吸收物质来说，光电效应占优势。
对于通常的岩石放出的γ射线能量范围一般在中能，其原子序数一般为10～20，所以对于普通岩石放出的γ射线主要与物质作用是康普顿效应。

11.6.1 α粒子与物质的相互作用

11.6.1.1 电离和激发

电离和激发是α粒子与物质相互作用的主要形式。α粒子（）质量较大，因而速度比光速低得多。α粒子穿过物质时，主要是与物质原子中的壳层电子作用，使之获得能量。如果电子获得的能量大于它的电离能，它将脱离原子而成为自由电子，而原子则变成带正电的离子，电子和正离子组成离子对，这个过程称为电离。由原始入射粒子产生的电离称为原电离。当原电离产生的自由电子仍具有较高的能量时，还会再次与壳层电子作用，产生次级电离。如果壳层电子获得的能量不足以克服原子对它的束缚，它就只能跃迁到较高的能级，使原子处于激发态，这种效应称为激发。

带电粒子在单位路程上形成的离子对数目称为电离比度，以n表示（单位为对／cm）。在同一物质中，电离比度与α粒子的速度有关。α粒子速度愈大，它与原子壳层上的电子传递能量的时间就愈短，电离机会就少，因而电离比度也就小，反之亦然。

带电粒子在物质中平均形成一对离子时所消耗的能量称为平均电离能，以表示，则

勘查技术工程学

式中E为带电粒子的初始能量；N为带电粒子被完全阻止时形成的总离子对数。不同能量的α粒子在同一物质中的平均电离能是相同的，例如α粒子在空气中的平均电离能为34 eV。相同能量的α粒子的平均电离能随物质的不同而异。

带电粒子进入物质后，因使原子电离或激发而在单位路程上损失的平均能量称为电离损失率（单位为MeV/cm），用（-dE/dx）_ion表示，则有

勘查技术工程学

式中负号表示能量的减少。

11.6.1.2 α粒子的射程

带电粒子与物质作用时会逐步损失能量，并最终被物质吸收。通常把带电粒子在物质中从能量为E₀的那一点开始，直至能量耗尽最终停下来所经过的距离，称为带电粒子在物质中的射程。射程可以以物质厚度（cm）为单位，也可以以面密度（g/cm²）为单位。用后者表示射程时，与吸收介质的密度无关，使用起来更方便。

应当指出，射程和路程是不同的概念，射程是指入射粒子从入射点至终止点的直线距离，而路程则是粒子在物质中经过的实际径迹长度。α粒子与物质中原子的壳层电子碰撞时，由于其质量比电子质量大得多，因此它基本上不会改变其运动方向。此外，它在物质中被原子核散射的几率也很小。所以α粒子在物质中的径迹几乎是一条直线，径迹长度与射程近于相等。

α粒子的射程与物质密度、温度、压力及初始能量有关。能量为4～7 MeV的α粒子在15℃、1.01×10⁵ Pa的空气中的射程R_空可采用以下经验公式表示

勘查技术工程学

式中R_空的单位为cm，能量E的单位为MeV。

11.6.2 β粒子与物质的相互作用

11.6.2.1 电离和激发

与α粒子相似，β粒子（电子和正电子）通过物质时也会使原子电离或激发，产生许多离子对。在能量相同的情况下，β粒子的速度比α粒子速度大得多，因而其电离比度小，电离损失率也小，穿透物质的本领也强。

11.6.2.2 轫致辐射

高速β粒子掠过原子核附近时，会受到核库仑力的阻滞而急剧减速，其动能将以电磁辐射的形式释放出来，这种辐射称为轫致辐射，轫致辐射产生的射线称为轫致伦琴射线。

带电粒子进入物质后，因轫致辐射在单位距离上损失的能量称为辐射损失率，以（-dE/dx）_rad表示，有

勘查技术工程学

式中E和m分别为带电粒子的能量和质量，Z为物质的原子序数，N为单位体积内靶物质的原子核数。

由上式可见，辐射损失与物质原子序数的平方成正比。这表明，电子打到重元素上容易发生轫致辐射，所以常用低原子序数的介质去屏蔽β射线。同时，辐射损失还与入射粒子质量的平方成反比，因此电子的辐射损失比重带电粒子（α粒子、质子等）大得多。一般重带电粒子产生的轫致辐射损失的能量可忽略不计。

11.6.2.3 弹性散射

β粒子质量很小，在原子核的库仑场作用下，其运动方向会发生改变，但并不损失能量，这个现象称为弹性散射。能量大于10 MeV的β粒子在物质中改变运动方向，主要是弹性散射的贡献。β粒子在前进的路上可能发生多次散射，因此，其径迹是一条不规则的折线（图11-13）。

图11-13 β粒子通过物质的径迹

11.6.2.4 吸收及湮灭

β粒子与物质作用时，由于电离损失、辐射损失以

及散射而损耗能量。当其能量耗尽时，电子就停止下来，或者附着在原子上，使之变成负离子；或者与正离子结合，使之成为一个原子。这些过程都表明电子不再存在，而被物质吸收了。正电子则在其能量与周围物质达到热平衡时，被壳层电子吸引，继而很快与其中一个电子相遇而发生湮灭，并放出两个或三个光子。

由于吸收作用，β射线在物质层中按指数衰减，即

勘查技术工程学

式中I₀和I分别为入射β射线和通过物质层后β射线的计数率；d为物质层厚度（单位为cm），μ为物质的吸收系数（单位为cm^-1）。

β射线通过具有一定厚度的β放射层时，同样会被吸收，这种现象称为放射层的自吸收。由于自吸收作用，在放射层表面测到的β计数率将不会随放射层厚度的增加而呈线性增长。

β粒子在物质中的径迹为折线，故其射程不像重带电粒子那样确切。

11.6.3 γ粒子与物质的相互作用

γ光子是一种不带电粒子，因而γ光子通过物质时，一般不会使物质中的原子电离或激发，与电子或原子核碰撞的几率也很小，但碰撞一次就会损失其大部或全部能量。γ光子的静止质量为零，因此γ光子除能穿透物质外，还能在物质中被吸引或散射。

11.6.3.1 γ光子与物质作用的主要方式

1）光电效应。低能量（<0.5 MeV）的γ光子与物质作用时，可将其全部能量传递给原子中的一个壳层电子而本身被吸收，获得能量的电子要耗去一部分能量以脱离原子，多余的能量则成为它的动能，这个过程称为光电效应。逸出的电子称为光电子，如图11-14所示。

光电效应过程中，原子内壳层打出电子后留下空位，使原子处于激发态。退激的方式有两种：或是由外壳层电子填补空位，将两壳层结合能之差以特征 X 射线形式释放出来。或是在外壳层电子向内壳层跃迁时，直接将多余能量交给同层电子，使之成为俄歇电子逸出。

图11-14 光电效应

2）康普顿效应。能量较高（0.5～1.02 MeV）的γ光子可以直接与原子中的壳层电子（有时也与自由电子）发生弹性碰撞，碰撞后光子损失能量从而改变方向，电子获得能量从原子中飞出，这种现象称为康普顿效应或康普顿散射。由原子中逸出的电子称为反冲电子，改变了运动方向的γ光子称为散射γ光子（图11-15）。康普顿效应是γ射线与岩石作用的主要形式。

3）电子对效应。能量大于1.02 MeV的γ光子经过物质的原子核（特别是重原子核）附近时，γ光子会被吸收并转化成一个电子和一个正电子，这个过程称为电子对效应（图11-16）。入射光子的能量除一部分转变为电子对的静止能量（1.02 MeV）外，其余能量则作为它们的动能。正电子存在的时间极短（空气中约10^-7s，固体中约10^-10s），它很快被物质中的电子结合而湮灭，并放出一对能量为0.51 MeV、方向相反的γ光子。

图11-15 康普顿效应

图11-16 电子对效应

11.6.3.2 γ射线在物质中的衰减

由于γ光子同物质发生三种效应而损失了能量，因而通过物质后的γ射线同样会被衰减。衰减的程度可用吸收系数μ表示，且有

勘查技术工程学

式中τ为光电吸收系数，σ为康普顿吸收系数，χ为电子对吸收系数。

单色窄束γ射线在物质中的衰减服从指数规律，即

勘查技术工程学

式中：d为物质层厚度（cm）；I₀和I分别为入射γ射线和通过物质层后γ射线的计数率。μ（cm^-1）的大小与γ射线的能量和吸收物质的密度ρ（g/cm³）有关，密度愈大，单位体积中原子、电子数愈多，γ射线衰减愈快，μ就愈大。为方便起见，常用质量吸收系数μ_m（cm²／g）来描写γ射线在物质中的衰减程度，μ_m=μ／ρ，它与物质密度和物理状态无关。这时（11.6-7）式可写成如下形式

勘查技术工程学

式中：d_m称为物质层的面密度或质量厚度（g/cm²），d_m=ρd。

单色宽束γ射线通过物质时，其衰减不服从指数规律。这是因为探测器所记录的宽束射线中只有部分γ光子是经康普顿散射后穿出物质层的。因此通过物质层后的γ射线其强度比按（11.6-7）式计算出来的大。这表明，宽束γ射线的吸收系数比窄束γ射线的小。为克服这种因测量条件不同而导致的实测吸收系数与理论吸收系数的差异，实际工作中常用有效吸收系数表示γ射线的衰减程度，即

勘查技术工程学

用代替（11.6-7）式中的μ，则宽束γ射线的衰减仍可等效成窄束γ射线的衰减，于是有

勘查技术工程学

式中：称为物质层的有效质量吸收系数，/ρ。

γ射线通过γ放射层时，由于自吸收作用，会使计数率不随放射层厚度增加而呈线性增长。

---

谷城县18029545068： X射线与物质有哪些相互作用,规律如何,对分析有何影响 - ？
从悦升迈：[答案] X射线与物质相互作用有:光电效应、康普顿效应、电子对效应、瑞利效应

谷城县18029545068： 试述射线与物质相互作用导致强度减弱,四种效应各起什么作用 - ？
从悦升迈： 四种效应(即光电效应、康普顿效应、电子对效应、汤姆逊效应)的发生几率与入射光子能量及物质原子序数有关.一般说来,对低能量射线和原子序数高的物质,光电效应占优势,对中等能量射线和原子序数低的物质,康普顿效应占优势,对...

谷城县18029545068： 康普顿散射中的反冲电子是什么意思? - ？
从悦升迈：[答案] X射线与物质相互作用会产生:散射X射线、电子、荧光X射线;还有穿过物质的透射X射线 和 热能.反冲电子就是其中的一种电子. 产生的电子包括有俄歇电子、光电子、和反冲电子. X射线散射中的非相干散射,当能量为hv的光子与自由电子或与受核...

谷城县18029545068： 谁能介绍下放射性同位素的射线与物质的相互作用呢? ？
从悦升迈： γ射线的穿透力最强,射程最大,1MeV的r射线在空气中的射程约有米之远,r射线作用于物质可产生光电效应、康普顿效应和电子对效应,它不会被物质完全吸收,只会随着物质厚度的增加而逐渐减弱

谷城县18029545068： 介绍下三种射线α射线,β射线,γ射线, - ？
从悦升迈：[答案] α射线: [编辑本段]α粒子 即氦核 由两个质子及两个中子组成,并不带任何电子,亦即等同于氦-4的内核,或电离化后的氦-4,... 再添加一定厚度的重物质屏蔽材料,以屏蔽掉韧致辐射. β射线与物质的相互作用 (1)电子的能量损失: a.电离损失——快...

谷城县18029545068： 电子与物质存在什么样的相互作用?这些作用有什么用途? - ？
从悦升迈：[答案] 1、电子与物质的相互作用:电子束通过物质时发生的散射、电离、轫致辐射吸收等过程.β射线同物质的相互作用作为特例也属这个范畴.散射电子和物质的原子核发生弹性散射时电子运动方向受到偏折,根据所穿过物质层的厚度,电子射可分为单次...