射线与物质：相互作用及优化

1.基本概念

电离：具有一定能量的带电和不带电粒子与靶原子的核外电子发生库伦作用及其他相互作用，把本身的部分或全部能量传递给核外电子，使电子克服原子核的束缚，成为自由电子，此过程称为电离。

电离辐射与非电离辐射：辐射是指某种物质发出的粒子或波，按其电离能力分为电离辐射和非电离辐射。能够引起电离的带电粒子和不带电粒子称作电离辐射，如X射线、γ射线、α射线、β射线、中子等。

不能够引起电离的带电粒子和不带电粒子称作非电离辐射。如紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波等。

射线与物质相互作用时，不断损耗能量，接受射线能量的原子、分子发生能量状态、原子结构甚至核结构的变化。这些物理变化过程和结果对于射线应用、射线防护都有十分重要的意义。

2.α、β射线与物质相互作用

（1）电离和激发

带电粒子在从吸收物质原子旁掠过时，由于它们与原子的核外电子电子之间发生库仑作用，使其能够克服原子核的束缚而脱离出来成为自由电子，产生电离。这时，物质的原子便被分离成一个自由电子和一个正离子，它脱离出来的自由电子通常具有较高的功能，它又可以引起其他原子或分子电离，产生次级电离。为了衡量带电粒子电离本领的大小，定义一个叫“比电离”的量，它是指带电粒子在单位路程上所产生的离子对总数。带电粒子通过物质时，因电离和激发在单位路程上损失的平均能量，与入射带电粒子的速度成反比、与入射带电子粒子电荷数的平方成正比。

α粒子带两个电荷，质量数大速度慢，同样能量的α、β粒子，其比电离大约相差一千倍。因此，α粒子在物质中的射程很短。例如核素放出的4.2MeV的α粒子，在人体组织中的射程仅为34μm，所以，不必考虑α射线外照射对人体引起的危害。但是，一旦放射性核素进入体内发射α粒子，或沉积于机体组织，由于其比电离大，对组织细胞破坏集中，不易修复。因此，应特别注意α内照射防护。

β粒子的质量小、速度高，电荷量只是α粒子的一半，比电离比较小，因此β离子的射程要比α粒子的射程大得多。β粒子在与物质原子作用时，由于不断受到原子中轨道电子及原子核的电磁场作用，偏离原来运动方向，β粒子在物质中的路径不是一条直线，不像α粒子那样有确定的射程。

（2）轫致辐射

带电粒子与被通过的介质原子核相互作用，带电粒子突然减速，一部分动能转变为连续能谱的电磁辐射释放出来，所产生的辐射称为轫致辐射，亦称为X射线。这种作用随粒子的能量增加而增大，与粒子的质量平方成反比，与被通过介质的原子序数Z的平方成正比。因此，常用原子序数较低的铝板或塑料板去屏蔽防护β射线，尽量降低轫致辐射的产生率。

（3）吸收

带电粒子在物质中碰撞电离、激发、散射而损失动能，当其动能为零时被物质吸收，这种现象称为被介质吸收。

α射线是单能粒子流，在物质中有确定的射程，能量高的α射线有较长的射程。在射程之内，几乎所有入射α粒子都能穿过物质层；射程之外，即物质层厚度大于其射程，就测量不到α粒子的存在。

由于β射线是连续能谱的高速电子流，它被物质吸收的规律不同于α粒子。β射线束随吸收物质厚度的减弱近似服从指数规律。辐射防护中有意义的是β粒子的最大射程（Rmax）。β粒子在几种物质中的最大射程见表1.3。

表1.3　β粒子在几种物质中的最大射程

续表

3.X、γ射线与物质相互作用(www.xing528.com)

X射线并非放射性核素衰变产生的射线，但因其与物质的相互作用与γ射线相同也是电离的过程，属电离辐射，在此与γ射线一起介绍。

X、γ射线与物质相互作用时，主要过程有光电效应、康普顿效应和电子对效应。

（1）光电效应

γ光子与介质的原子相互作用时，整个光子被原子吸收，其所有能量交给原子中的一个电子。该电子获得能量后就离开原子而被发射出来，称为光电子。光电子能继续与介质作用。

（2）康普顿效应

γ光子只将部分能量传递给原子中最外层电子，使该电子脱离核的束缚从原子中逸出。光子本身改变运动方向。被发射出的电子称康普顿电子，能继续与介质发生相互作用。

（3）电子对产生

当射线能量大于1.02 MeV时，X、γ光子从原子核旁经过时，光子被吸收，转变成一个电子和一个正电子，这一作用过程称为电子对效应。入射光子能量的一部分转化为两个电子的静止质量，剩余部分被正负电子以动能形式带走。被发射出的电子和正电子还能继续与介质发生相互作用。

X、γ射线通过上述三种效应，能量逐渐减弱、方向发生不同的改变，最终被介质吸收。

4.中子与物质的相互作用

由于中子是不带电粒子，因此与所通过物质原子核没有库仑力的作用，与原子核直接碰撞的机会比带电粒子大。中子与物质原子核常发生下列四种形式的作用：弹性散射，非弹性散射，辐射俘获和带电粒子发射。

（1）弹性散射

中子能量不高时，与一些轻核物质作用，弹性碰撞是主要作用过程。在弹性碰撞中，中子动能的一部分（乃至全部）交给受撞核。碰撞后的中子被散射。散射中子的能量与其散射角、受撞核原子量有关。中子与氢核发生对头碰撞时，中子可失去全部动能；如果中子与一原子量为200的核相撞，中子在一次碰撞中最大能量损失不超过2%。因此防护中子用低原子序数的轻核材料较用高原子序数的重核材料更有效。

（2）非弹性散射

中子能量大于是0.5 MeV时，中子还可能发生非弹性散射。这种作用过程中，中子动能的一部分转化为靶核的激发能，使靶核处于激发态。中子改变原来的运动方向。激发态靶核可以通过发射一个或几个γ光子回到基态。

（3）辐射俘获（n、γ）

辐射俘获过程是靶核吸收一个中子后变成放射性核素，并放出一个或几个γ光子。这样生成的放射性就是常说的感生放射性。

辐射俘获多发生在低能中子与重靶核物质作用过程中，而在与轻核作用中发生俘获的概率很小。从这一点看，用轻材料屏蔽中子也是正确的。

（4）带电粒子的发射

原子核吸收中子而发射出带电粒子的核反应是中子与物质相互作用的又一种形式。例如（n、α）和（n、p）反应。、都能吸收中子放出α粒子，因此常用硼和锂作为中子防护材料。

在人体中轻元素（氢、碳、氢和氧）的重量大约占96%，高能中子与人体组织中轻元素原子核发生弹性碰撞时把大部分能量授予了机体组织。因此，高能中子对人体比低能中子有更大的危害作用。目前使用的中子“源”本身都带有γ辐射，中子和γ外照射防护都不能忽视。