射线与物质的相互作用

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第516页（3646字）

电离辐射计量测量的基础是射线与物质的相互作用。不同的射线与物质的相互作用不同，同一种射线在不同的能量情况下与物质的相互作用也不相同，因此测量方法不仅决定于所要测量的量，而且取决于射线的种类、强度和能量。显然，了解射线与物质的相互作用以及射线源的特性对电离辐射计量是极为重要的。因此它是电离辐射计量工作者所必需了解的基础知识。

1．带电粒子。带电粒子穿过物质时主要是通过原子核及外层电子的静电场与物质起作用。这种作用可使带电粒子发生弹性散射或非弹性散射，前者使带电粒子改变方向，后者使带电粒子损失能量。能量损失的方式主要有三种；①电离：带电粒子将能量传递给壳层的束缚电子，使其脱离原子成为自由电子，失去电子的原子或分子就成为离子。②激发：当带电粒子能量较低时给与束缚电子的能量不足以使它脱离轨道而成为自由电子，这时束缚电子可能从低能级的轨道跳到较高能级的轨道上，使原子处于较高能级的不稳定状态，这一过程称为激发。由于低能级(内层)的轨道上缺少的电子会由高能级(外层)轨道上的电子补充，这时就以特征X－射线的形式放出多余的能量。③轫致辐射：当高能电子能量很大，在原子核库伦场中急剧减速而发出电磁辐射，这种辐射就叫轫致辐射。

2．X、γ－射线。X、γ－射线与物质的相互作用主要有三种类型。①光电效应：光子将能量全部传递给原子壳层的束缚电子，使其脱离原子。这一过程称为光电效应，所释放出来的电子称为光电子，对于较低能量的光子，这种效应占主要地位。②康普顿效应：随着光子的能量增加，光子的粒子性也增加，在与物质作用时光电效应的几率在减少，光子将一部分能量传递给电子使脱离壳层而成为自由电子，光子则能量减少并发生方向变化。③电子对产生：如果光子能量大于1．022MeV时，光子在原子核的库伦场中能产生一个正电子和一个负电子。1．022MeV是产生电子对所必需的能量，光子超出这一能量的部分为正负电子均分成为它们的动能。正电子能被介质吸收，与物质中负电子相遇而湮灭，产生两个湮灭光子。一直到几MeV的能量，电子对产生的几率都增加得很慢，因此，电子对效应湮灭仅限于高能γ射线。

3．中子。和光子一样，中子是不带电的粒子，它不能与原子的库伦力起作用，但是，中子可与原子核起反应，所起反应的类型和几率与中子的能量和核素种类有关。

(1)中子按能量的分类。从计量的角度通常可将中子分为以下三类：①热中子，原指与介质处于热平衡的中子，实用中常指能量低于镉切割能(约0．5eV)以下的中子。②快中子。一般指10keV至20MeV的中子。③中能中子。介于上述两能量之间的中子。

(2)中子的反应截面。有时简称截面。它表示与中子反应的核素与中子反应几率的大小。截面用σ表示，单位是靶(恩)(barn)，1barn=10^－24cm^－2。有时在σ右下角加下标，表示反应的类型，例如用σ_t、σ_s和σ_ab分别表示全截面、散射截面和吸收截面。

(3)中子与原子核的几种反应。如果中子轰击靶核素X，生成Y核和a粒子，可以写成X(n，a)Y或X+n→Y+a+Q，其中a可以是α，γ或质子，也可是中子，Q是反应热。X和Y左侧还通常注明原子量和原子序数。如果只考虑反应类型，可简单写成(n，p)，(n，α)等。

以下是几种常用来探测中子的几种反应：①(n，γ)反应。这一反应又称辐射俘获。靶核吸收中子以后，形成该靶核的同位素核并发射γ－射线。生成的同位素核素通常是放射性核素，通过测量它的放射性可测量中子。例如¹⁹⁷Au(n，γ)¹⁹⁸Au，是常用来测热中子的反应。②弹性散射。中子与散射核碰撞，在碰撞前后总动能不变，中子的部分能量传给散射核。散射核质量愈小获得的有量愈大，获得足够能量时可能形成反冲核。氢的质量最小，因此可获最多能量，形成反冲质子。反冲质子法广泛用于探测中子和中子束的能谱测量。③(n，p)和(n，d)反应。这种反应要求中子有足够能量，但慢中子可与轻的核素起这两种反应。例如³He(n，p)³H，⁶Li(n，α)³H和¹⁰B(n，α)⁷Li等是常用来探测中子的反应。④(n，f)反应，即裂变反应，它总是发生于原子序数较高的核素。(n，f)反应截面随中子能量和核素种类变化很大。如²³³U，²³⁵U和²³⁹P_U对低能中子截面大，而²³⁸U则对高能(＞1MeV)的中子有足够大的截面，所以它们可分别用来测热和快中子。

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