β射线与物质的相互作用探究

同位素仪表中所用β射线能量最高约2MeV，较少采用正电子发射体，因此我们常说的β射线就是高速运动的电子。β射线通过物质时，经过电离激发、多次散射、次级辐射等作用，其能量逐渐减小，最后损失掉全部能量而被吸收。

1.电子的能量损失

（1）电离损失β射线通过物质时，与原子核外电子发生非弹性碰撞，使物质原子电离或激发，在此过程中β粒子要损失一部分能量。β粒子在吸收物质中产生一电子-离子对所消耗的平均电离能只与吸收物质有关，与入射电子能量无关。在空气或其他气体中的平均电离能大约是30eV。

（2）辐射损失β射线通过物质时，还可能由于原子核库仑场的作用而发生偏转。根据经典电磁理论，电子运动速度发生变化时，总要伴随发射电磁波，称为轫致辐射。轫致辐射具有连续的能谱，其能量可以从零直到入射电子的最大能量。轫致辐射能量损失率与物质原子序数的平方Z²成正比，即重元素更容易产生轫致辐射。辐射损失率与粒子能量成正比，这一点与电离损失不同。所以当电子能量低时，电离损失占优势，在能量高时，辐射损失变得重要了。图2.5-3给出了某些元素这两种能量损失的比较。

2.电子的散射

β粒子在物质中与原子核库仑场作用只改变运动方向，不辐射能量，这种过程称为弹性散射。由于β粒子质量很小，散射角度可以很大，而且可能产生多次散射。β粒子能量越低，物质的原子序数越大，散射越强烈，低能β射线在高原子序数材料上的散射系数可达百分之几十，在具体应用中是不可忽略的影响。

3.β射线的吸收

β射线通过物质时，由于电离、激发、散射及辐射等各种方式，损失了能量，最终被物质吸收。射线在物质中所通过的路程称为射程。因β射线在吸收以前要经过多次散射，其路程并不是一条直线，所以其射程的概念并不严格。由于β射线的能量是连续分布的，所以，只能用其最大能量E_max对应的射程来表示。以下用到的β射线能量都是指某种同位素发出β射线的最大能量。图2.5-4示出了几种物质中β粒子最大射程与能量的关系。

图2.5-3 电子的辐射损失和电离损失

图2.5-4 几种物质中β粒子最大射程与能量的关系

在β射线穿透物质厚度x比射程小很多时，其强度变化大致遵循以下规律

式中 I₀和I——β粒子经过厚度为x密度为ρ的物质前后的强度；

μ_m——质量吸收系数，μ_m=μ/ρ；(www.xing528.com)

x_m——质量厚度，x_m=ρx。

μ_m正比于Z/A，Z和A分别表示吸收体的原子序数和相对原子质量。试验表明，对不同吸收物质，μm随原子序数Z的增加而缓慢地增加。μ_m与β射线最大能量E_max关系的经验公式如下

式中 μ_m——质量吸收系数（cm²/g）；

E_max——β射线最大能量（MeV）。

表2.5-1列出了不同能量β射线在铝中的线吸收系数μ和质量吸收系数μ_m。

表2.5-1 不同能量β射线在铝中的线吸收系数μ的质量吸收系数μ_m

β射线减弱一半的质量厚度Δ_1/2称为半吸收厚度

Δ_1/2=ln2/μ_m=0.693/μ_m （2.5-3）

或经验公式

Δ_1/2=0.032E^1.33_max （2.5-4）

不同能量的β射线在铝中的半吸收厚度列于表2.5-2中。

表2.5-2 不同能量β射线在Al中的半吸收厚度Δ_1/2