第二節(jié)　電離輻射與物質(zhì)的相互作用

電離輻射是指所有具有足夠能量使電子脫離原子軌道束縛的輻射的總稱。主要包括高速帶電粒子如α粒子、β 粒子、電子和質(zhì)子，以及非帶電粒子X 射線、γ 射線和中子等。電離輻射與物質(zhì)的相互作用是放射線探測和顯像、放射性核素治療等應(yīng)用的基礎(chǔ)。

一、帶電粒子和物質(zhì)的相互作用

（一）電離

具有足夠能量的帶電粒子與原子中的軌道電子發(fā)生碰撞，使軌道電子獲得足夠的能量脫離原子，造成原子的電離，形成正負(fù)離子對(duì)，這個(gè)過程稱電離（ionization）。

電離的強(qiáng)弱常用電離密度（ionization density）來表示，即帶電粒子在單位路徑上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)。帶電粒子的電荷量越大、運(yùn)動(dòng)速度越慢、所經(jīng)過的物質(zhì)密度越大，電離密度就越大。電離作用已廣泛應(yīng)用于多種粒子探測器，測定帶電粒子的強(qiáng)度和速度，包括電離室、云室和核乳膠等。

（二）激發(fā)

入射帶電粒子所攜帶的能量不足，使原子內(nèi)的軌道電子不能脫離原子，只能使低能級(jí)的軌道電子躍遷到高能級(jí)軌道上去，整個(gè)原子處于能量較高的狀態(tài)的過程，這個(gè)過程稱激發(fā)（excitation）。處于激發(fā)態(tài)的原子很容易自發(fā)躍遷回到基態(tài)，同時(shí)釋放出特征X 射線或俄歇電子，可以產(chǎn)生次級(jí)電離。

（三）軔致輻射

高速帶電粒子在原子庫侖場的作用下，運(yùn)動(dòng)方向和速度發(fā)生變化，帶電粒子的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為連續(xù)能譜的電磁輻射，這種輻射稱軔致輻射（bremsstrahlung）。產(chǎn)生軔致輻射的能量與帶電粒子能量成正比，與原子序數(shù)Z2成正比，與帶電粒子的質(zhì)量平方成反比。

（四）散射

入射的帶電粒子受到物質(zhì)中原子核庫侖電場的作用而改變速度和運(yùn)動(dòng)方向，但不輻射光子，也不激發(fā)原子核的過程稱散射（scattering）。其中僅運(yùn)動(dòng)方向改變而能量不變者稱彈性散射。α 粒子的質(zhì)量較大，其徑跡基本上是直線進(jìn)行的，散射不甚明顯；β 粒子的質(zhì)量較小，其徑跡是折線進(jìn)行的，散射較為明顯。

（五）湮沒輻射

湮沒輻射（annihilation radiation）是指一個(gè)粒子與其反粒子發(fā)生碰撞時(shí)，其質(zhì)量可能轉(zhuǎn)化為γ 射線的過程，如正電子湮沒輻射。正電子的平均壽命僅有10-9s，它與物質(zhì)相互作用并完全耗盡其動(dòng)能前，與物質(zhì)中的自由電子相結(jié)合，正負(fù)兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量可轉(zhuǎn)化為方向相反、能量各為0.511MeV 的兩個(gè)γ 光子。

（六）契倫科夫輻射

當(dāng)高速帶電粒子在透明介質(zhì)中以大于光在這種介質(zhì)中的傳播速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶電粒子的部分能量以電磁波的形式輻射出來，這種現(xiàn)象即契倫科夫輻射。

二、光子與物質(zhì)的相互作用

X（γ）射線既是一種電磁輻射，也是一種粒子（光子）。與帶電粒子相比，X（γ）光子與物質(zhì)相互作用時(shí)并不能直接引起物質(zhì)原子電離和激發(fā)，而是首先把能量傳遞給帶電粒子，繼而發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)等作用。

（一）光電效應(yīng)

光電效應(yīng)是低能時(shí)X（γ）光子與物質(zhì)相互作用的最主要形式。相對(duì)于水，光電效應(yīng)發(fā)生概率占優(yōu)勢的能量范圍為10～30keV。具有一定能量的X（γ）光子和物質(zhì)原子的軌道電子發(fā)生相互作用，把其全部能量傳遞給軌道電子，X（γ）光子消失，獲得能量的軌道電子脫離原子成為自由電子（光電子）；原子由于軌道電子的脫離處于激發(fā)態(tài)，繼而發(fā)射特征X 線或俄歇電子回到基態(tài)，這種過程稱為光電效應(yīng)（photoelectric effect）。隨著原子序數(shù)的增加，光電效應(yīng)發(fā)生的概率增加；X（γ）光子的能量越大，光電效應(yīng)發(fā)生的概率減少。

（二）康普頓效應(yīng)

康普頓效應(yīng)主要發(fā)生在X（γ）光子能量較大范圍時(shí)。相對(duì)于水，康普頓效應(yīng)發(fā)生概率占優(yōu)勢的能量范圍為30keV～25MeV。X（γ）光子和物質(zhì)原子內(nèi)的軌道電子發(fā)生相互作用，部分能量傳遞給軌道電子，X（γ）光子本身能量減少，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變；獲得能量的軌道電子脫離原子成為自由電子（反沖電子）。這種過程稱為康普頓效應(yīng)。

（三）電子對(duì)效應(yīng)

電子對(duì)效應(yīng)僅發(fā)生在入射X（γ）光子能量高于1.02MeV 時(shí)。相對(duì)于水，光電效應(yīng)發(fā)生概率占優(yōu)勢的能量范圍為25～100MeV。當(dāng)X（γ）光子從原子核旁經(jīng)過時(shí)，在原子核庫侖場的作用下形成一對(duì)正負(fù)電子，稱為電子對(duì)效應(yīng)。形成的正電子可繼而在物質(zhì)中與一個(gè)自由電子結(jié)合發(fā)生電子對(duì)湮沒作用，產(chǎn)生湮沒輻射。

三、電離輻射與物質(zhì)相互作用的計(jì)量

（一）照射量

照射量（exposure）其定義是X（γ）光子在單位質(zhì)量為dm 的空氣中釋放的所有次級(jí)電子完全被空氣阻止，形成的同一種符號(hào)離子的總電荷（dQ）。主要用于衡量X（γ）光子輻射在空氣中的電離能力，用符號(hào)X表示。由于現(xiàn)有技術(shù)不能對(duì)能量很低和很高的X（γ）光子的照射量做精確的測量，因此，照射量僅適用于能量介于10keV～3MeV 的X（γ）射線。

X=dQ·dm-1

照射量的國際單位為庫侖·千克-1（C·kg-1）。曾用單位是倫琴（roentgen，R），1R=2.58×10-4（C·kg-1）。

照射量率是指單位時(shí)間內(nèi)的照射量增加量，其國際單位為庫侖·千克-1·秒-1（C·kg-1·S-1），曾用單位為倫琴·分-1（R·min-1）。

（二）吸收劑量

吸收劑量（absorbed dose）是度量單位質(zhì)量被照射物質(zhì)所吸收輻射能量多少的一個(gè)值，用符號(hào)D 表示。其定義為電離輻射給予質(zhì)量為dm被照射物質(zhì)的平均授予能（dE）。吸收劑量是計(jì)算輻射損傷效應(yīng)最重要的一個(gè)計(jì)量，適用于任何類型、任何能量及任何照射物質(zhì)。同樣照射條件下，不同物質(zhì)的吸收能力均不一樣。因此，在論及吸收劑量時(shí)，應(yīng)該明確輻射類型和物質(zhì)特征。

D=dE·dm-1

吸收劑量的國際單位是戈瑞（gray，Gy），1Gy=1（J·kg-1）。曾用單位為拉德（rad），1Gy=100rad。

單位時(shí)間內(nèi)的吸收劑量增加量，稱為吸收劑量率。單位為戈瑞·秒-1（Gy·s-1）。

（三）當(dāng)量劑量

當(dāng)量劑量是用于輻射防護(hù)劑量學(xué)的一個(gè)基本量，是一個(gè)嚴(yán)格意義的吸收劑量，用符號(hào)HT表示。其定義為某一組織器官T 所接受的平均吸收劑量DT·R，經(jīng)輻射全重因子（WR）加權(quán)處理的吸收劑量。

當(dāng)量劑量的國際單位是希沃特（Sv），1Sv =1（J·kg-1）。

在吸收劑量相同的情況下，不同輻射類型所產(chǎn)生的生物效應(yīng)的嚴(yán)重性各不同，為了便于比較，在輻射防護(hù)中引入輻射全重因子。輻射全重因子代表特定輻射在小劑量照射時(shí)誘發(fā)隨機(jī)效應(yīng)的相對(duì)生物效應(yīng)數(shù)值。常用的輻射類型權(quán)重因子見表1-2。

（劉建軍　李林法）