輻射與物質的作用—非帶電粒子

前言

電離輻射的種類按照不同的劃分標準可以有很多，在討論射線與物質的相互作用時，我們把電離輻射分為：帶電粒子輻射和非帶電粒子輻射

帶電粒子輻射就是組成輻射的粒子是帶有電荷的，比如α粒子、質子、電子等。帶電荷，就可以藉助庫侖力不斷地與所經過的物質中的電子相互作用，在物質中留下信息。

非帶電粒子輻射就是組成輻射的粒子是不帶電荷的，比如γ射線、X射線、中子等。不帶電，不受庫侖力，與物質作用是一種隨機事件，當未發生作用時，可以貫穿物質而不留下任何蹤跡。

非帶電粒子輻射與物質的相互作用

這裡我們避開中子輻射不談，因為中子輻射與物質的作用過程比較複雜，另外，一般的工作環境中也很難會遇到中子輻射，這裡我們主要看γ和X射線與物質的相互作用。

γ和X射線的實質是一樣的，都是光子。自然，它們與物質發生相互作用的規律也是一樣的。我們以下只討論γ射線。

?γ射線可以和物質發生多種相互作用：光核反應，湯姆遜散射，瑞利散射，拉曼散射，光電效應，康普頓散射，電子對效應。

?對於不同能量的γ射線，這些相互作用的截面大小是不同的。

?對於我們感興趣的keV～數十MeV的γ射線，最主要的三種反應類型是：

?光電效應，光電吸收(Photoelectric effect,absorption)

?康普頓散射(Compton scattering)

?電子對效應(Pair production)

光電效應：g射線(光子)與物質原子中束縛電子作用，把全部能量轉移給某個束縛電子，使之發射出去(稱為光電子photoelectron)，而光子本身消失的過程，稱為光電效應。

?光電效應是光子與原子整體相互作用，而不是與自由電子發生相互作用。

?光電效應主要發生在原子中結合的最緊的K層電子上。

?光電效應發生後，由於原子內層電子出現空位，將發生髮出特徵X射線或俄歇電子的過程。

康普頓散射：康普頓散射是g射線(光子)與核外電子的非彈性碰撞過程。在作用過程中：

?入射光子的一部分能量轉移給電子，使它脫離原子成為反衝電子

?而光子受到散射，其運動方向和能量都發生變化，稱為散射光子

1923年，美國物理學家康普頓在研究X射線與物質散射的實驗里，發現了康普頓散射。

?康普頓效應主要發生在原子中結合的最松的外層電子上，可認為是：

?「自由」電子，電離能很小。

?「靜止」電子：軌道電子速度遠小於光速。

電子對效應：當入射g射線(光子)能量較高(>1.022MeV)時，當它從原子核旁經過時，在核庫侖場的作用下，入射光子轉化為一個正電子和一個電子的過程。

?電子對效應除涉及入射光子與電子對以外，必須有第三者——原子核的參與，否則不能同時滿足能量和動量守恆。

?電子對效應要求入射光子的能量必須大於1.022MeV。

?在電子的庫侖場中也可以發生，但是要求入射光子的能量更高

總結

當一個g光子射向某個物體時：

?它可能與物質發生作用，也可能不發生作用。

?一旦發生作用，則：

?g光子「消失」→單次性、隨機性

?或者變成低能量的g光子（康普頓散射光子、湮沒光子）

?在此過程中形成了次級電子

?光電子

?康普頓反衝電子

?正負電子對

通過測量次級電子的能量，可以實現對g光子的探測

註：參考清華大學輻射探測課件製作

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