γ射线与物质的相互作用
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（-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μm（cm2／g）来描写γ射线在物质中的衰减程度，μm=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：dm称为物质层的面密度或质量厚度（g/cm2），dm=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。
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
(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；
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。
X射线与物质的相互作用
X射线照射在物质表面上，主要会产生吸收和散射两种效应。固体物质可以吸收一部分射线，并可以使X射线在固体表面发生散射，使X射线的强度衰减。X射线的衰减主要是由吸收效应引起的，被吸收的X射线的能量又转变成次级效应的光电子、二次X射线和热量等(图10.2)。图10.2 X射线与物质的相互作用 10.1.2....
γ射线与物质的相互作用
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...
物质与X光线的相互作用规律,以及在CT成像中主要有意义的作用分析
d 为吸收物质的厚度。u 为 吸收常数，物质不同，这个常数不同。I为 X射线透过物质厚度d后的强度。exp 为自然指数运算。在CT成像中，由于病变局域的存在，该区域的厚度以及吸收常数都会与周围相比出现突变性的不同。也就是对X射线的吸收出现了突变性质的不同。成像片上的感光也因此有突变。
γ射线与物质的相互作用光电效应
光电子与普通电子相似，它在介质中可以继续进行激发和电离活动。当电子被释放后，原子的电子壳层中会出现一个空位。此时，外层电子会填补这个空缺，这个过程中发射出的特定能量的光子就是特征X射线。这种X射线的产生是光电效应过程中一个显著的现象，对于理解原子结构和物质与射线的相互作用具有重要意义。
γ射线与物质的相互作用的γ射线基本性质
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γ射线与物质的相互作用γ射线基本性质
这种能量释放源于原子核内部能量状态的调整，与X射线的电子能量变化、正负电子结合产生的湮没辐射，以及带电粒子加速运动产生的轫致辐射，虽然来源不同，但都属于电磁辐射，遵循能量公式Ε=hν。γ射线与物质的交互方式独特，属于全或无型，与α、β射线的多次小相互作用形成鲜明对比。γ射线穿透物质时，...
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
在稍过100keV后两相等，此时汤姆逊效应趋于最大，但其发生率也不到10%，1MeV附近射线的衰减基本上都是康普顿效应造成的；电子对效应自1.02MeV以后开始发生，并随能量的增大发生几率逐渐增加，在10MeV附近，电子对效应与康普顿效应作用大致相等；超过10MeV以后，电子对效应对射线强度衰减起主要作用。
什么是X射线与物质的交互作用?
电子与物质的交互作用通常指的是透射电子显微镜(TEM)中电子束与样品中原子的相互作用。电子束与样品中原子相互作用时，会散射电子并且使得电子束的强度发生改变。这些散射电子的信息被记录下来，进而生成高分辨率的物质结构图像。而X射线与物质的交互作用则是指X射线在物质中的散射和吸收现象。当X射线与物质...
简述X射线照射固体物质时,可能发生的各种相互作用。
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β射线相互作用
首先，电离和激发过程是β粒子与物质相互作用时产生的关键现象。在电离过程中，快速电子通过物质时，将原子内层电子击出，形成空位，并向外层电子发射特征X射线。X射线能量固定，与电子能量无关。同时，电子激发物质原子至更高能级，在返回基态时发出可见光和紫外线，形成激发过程。其次，散射和吸收现象揭示...