射线与物质的相互作用

射线与物质的相互作用与射线的辐射源和辐射强度有关。核辐射是伴随原子核过程发射的电磁辐射或各种粒子束的总称。

1.带电粒子与物质的相互作用

具有一定动能的带电粒子射进靶物质（吸收介质或阻止介质）时，会与靶原子核和核外电子发生库伦相互作用。如带电粒子的动能足够高，可克服靶原子核的库伦势垒而靠近到核力作用范围（10－12 cm～10 fm），它们也能发生核相互作用，其作用截面（约10－26 cm2）比库伦相互作用截面（约10－16 cm2）小很多，在分析带电粒子与物质相互作用时，往往只考虑库伦相互作用。

用带电粒子轰击靶核时，带电粒子与核外电子间可发生弹性和非弹性碰撞，这种非弹性碰撞会使核外电子改变其在原子中的能量态。发生靶原子被带电粒子激发、受激发的原子很快（10－9～10－6 s）退激到基态，并发射X射线，靶原子核被带电粒子电离，并发射特征X射线或俄歇（Auger Electron）电子等物理现象。带电粒子在靶介质中，因与靶核外电子的非弹性碰撞使靶原子发生激发或电离而损失自身的能量，称为电离损失；从靶介质对入射离子的作用来讲又称作电子阻止。

当入射带电粒子在原子核附近时，由于库伦相互作用将获得加速度，伴随发射电磁辐射，这种电磁辐射称为韧致辐射。入射带电粒子因此会损失能量，称为辐射能量损失。电子的静质量非常小，容易获得加速度，辐射能量损失是其与物质相互作用的一种重要能量损失形式。对质子等重带电粒子，在许多情况下辐射能量损失可以忽略。靶原子核与质子、α粒子，特别是更重要的带电粒子，由于库伦相互作用，有可能从基态激发到激发态，这个过程称为库伦激发，同样，发生这种作用方式的概率很小，通常也可忽略。

带电粒子还可能与靶原子核发生弹性碰撞，碰撞体系总动能和总动量守恒，带电粒子和靶原子核都不改变内部能量状态，也不发射电磁辐射。但入射带电粒子会因转移部分动能给原子核而损失自身动量，而靶介质原子核因获得动能发生反冲，产生晶格位移形成缺陷，称为辐射损伤。入射带电粒子的这种能量损失称为核碰撞能量损失，从靶核来讲又称核阻止。

带电粒子受靶原子核的库伦相互作用，速度v会发生变化而发射电磁辐射。由于电子的质量比质子等重带电粒子小三个量级以上，如果重带电粒子穿透靶介质时的辐射能量损失可以忽略的话，那么必须考虑电子产生的辐射能量损失。电子在靶介质铅中，电离和辐射两种能量损失机制的贡献变得大致相同，差不多都为1.45 keV/μm，对能量大于9 MeV的电子，在铅中的辐射能量损失迅速变成主要的能量损失方式。现在已知，带电粒子穿过介质时会使原子发生暂时极化。当这些原子退极时，也会发射电磁辐射，波长在可见光范围（谌蓝色）称为契仑科夫辐射，在水堆停堆过程中容易观察到。

2.γ射线与物质的相互作用

γ射线、X射线、正负电子结合发生的湮没辐射、运动电子受阻产生的契致辐射构成了一种重要的核辐射类别，即电磁辐射。它们都由能量E的光子组成。从与物质相互作用的角度看，它们的性质并不因起源不同而不同，只取决于其组成的光子的能量。本节只以γ射线与物质的相互作用为例，可推广到其他类似的光子情况。

γ射线与物质相互作用的原理明显不同于带电粒子，它通过与介质原子核和核外电子的单次作用损失很大一部分能量或完全被吸收。Γ射线与物质相互作用主要有三种：光电效应、康普顿散射和电子—正电子对产生。其他作用如瑞利散射、光核反应等，在通常情况下截面要小得多，所以可以忽略，高能时才须考虑。准直γ射线透射实验发现，经准直后进入探测器的γ相对强度服从指数衰减规律：

式中，I/I0是穿过吸收介质d后，γ射线的相对强度；μ是γ穿过吸收介质的总线性衰减系数（cm－1），包括γ真正被介质吸收和被散射离开准直束两种贡献。总衰减系数μ可以分解为相对于光电效应、康普顿散射和电子对效应三部分，即μ＝τ＋б＋k。通常采用半衰减厚度X 1/2描述γ射线穿过吸收介质被吸收的行为。X 1/2是使初始γ光子强度减小一半所需某种吸收体的厚度，它与总线性衰减系数μ之间有如下关系：

在实际应用中，常使用质量厚度d＝ρx（g/cm2）描述靶介质对γ射线的吸收特性，而μ转换成μ/p（cm2/g）。因为正电子在介质中只有很短的寿命，当它被减速到静止时会与介质中的一个电子发生湮没，从而在彼此成180°方向发射两个能量各为0.511 MeV的γ光子，探测湮没辐射式判断正电子产生的可靠的实验证据。