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    我们常说的射线(核辐射),泛指核衰变或核裂变放出的粒子和由加速器加速的离子或核反应产生的各种粒子,包括α、3He、p、d、t等重带电粒子,重离子和裂变碎片,e+、e-等轻带电粒子,γ、X射线,中子等。射线与物质的相互作用,诞生了各种各样的应用,例如放射性矿藏和各种环境中的放射性水平监测、放射性防护与屏蔽、材料元素分析、工业探伤、农作物辐照以及医学诊断等。

    今天咱们先介绍带电的粒子(射线)与靶物质的相互作用。

    带电粒子穿过靶物质时,与靶物质原子的电子和原子核发生一系列的相互作用,这些相互作用决定了带电粒子在靶物质中的命运。相互作用大致可以分为以下4种:

     

    1,与核外电子发生非弹性碰撞

    2,与原子核发生非弹性碰撞

    3,与核外电子发生弹性碰撞

    4,与原子核发生弹性碰撞

     

    1,与核外电子发生非弹性碰撞

    当载能带电粒子从靶物质原子近旁掠过时,粒子与靶原子的核外电子之间发生库仑力作用,使电子受到吸引或排斥,从而使电子获得一定的能量。

     

    如果电子获得的能量足以使电子克服原子核的束缚,那么该电子就脱离原子成为自由电子。此时靶原子分离成一个自由电子和一个正离子,这个过程称为电离。电离过程中发射的自由电子如果动能足够高,还可以继续与靶原子发生相互作用,进一步产生电离。这些高速电子有时被称为δ射线。当原子的内壳层电子被电离后,该层留下空位,外层电子就要向内层跃迁,同时放出特征X射线或者俄歇电子。

     

    如果电子获得能量较小,不足以使其摆脱原子核的束缚,但可以使电子从低能级状态跃迁到高能级状态,这个过程称为激发。处于激发状态的原子不稳定,在激发态停留很短时间后,就从激发态回到基态,这种过程称为退激。退激时,释放出的能量以光的形式发出,这就是受激原子的发光现象。

     

    电离或激发是带电粒子穿过物质损失能量的主要方式,称为电离损失或者电子非弹性碰撞能量损失或者电子阻止。

     

    2,与原子核发生非弹性碰撞

    入射带电粒子靠近靶物质的原子核时,它与原子核之间的库仑力使得带电粒子收到吸引或排斥,并使其速度和方向发生改变。入射粒子这种运动状态的改变,伴随着发射电磁辐射,并使粒子的能量有很大的减弱。这种以辐射电磁波的方式损失能量,我们称为辐射损失。除了粒子的运动状态发生改变,靶原子核也有可能从基态跃迁到激发态,这个过程称为库仑激发,但这种概率很小,可忽略不计。

     

    3,与核外电子发生弹性碰撞

    入射带电粒子与靶物质原子核的核外电子发生弹性碰撞时,核外电子的库仑力使入射粒子改变运动方向。这种作用方式只在极低能量的β粒子(100eV)入射到物质时才考虑。

     

    4,与原子核发生弹性碰撞

    在弹性碰撞中,入射带电粒子靠近靶原子核。由于库仑力作用,粒子同样受到偏转,改变运动方向但不辐射光子,也不激发原子核。为了满足能量及动量守恒,入射粒子损失一部分能量并转移给原子核,使之反冲。原子核获得反冲能量后,可以使晶格原子位移,形成缺陷,即造成靶物质辐射损伤。这种弹性碰撞只在入射粒子能量很低时和低速重离子入射时,对能力损失的贡献才考虑。

     

    总的来说,入射带电粒子与靶物质的原子核和核外电子作用十分复杂,不同类型的带电粒子和不同能量以及不同的靶物质,情况十分不同。在讨论相互作用时,咱们常区分”轻“带电粒子(正负电子)和重带电粒子(α、3He、p、d、t),以及区分快速和慢速粒子。更重的重离子入射粒子不在本篇介绍范围内。

     

    参考文献:

    [1]原子核物理实验方法

    [2]粒子探测技术及数据获取

    [3]核电子学

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    《中国古代有没有科学?》
    https://zhuanlan.zhihu.com/p/82988325

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