第二节
电离辐射与物质的相互作用

电离辐射是指所有具有足够能量使电子脱离原子轨道束缚的辐射的总称。主要包括高速带电粒子如α粒子、β粒子、电子和质子，以及非带电粒子X射线、γ射线和中子等。电离辐射与物质的相互作用是放射线探测和显像、放射性核素治疗等应用的基础。

一、带电粒子和物质的相互作用

（一）电离

具有足够能量的带电粒子与原子中的轨道电子发生碰撞，使轨道电子获得足够的能量脱离原子，造成原子的电离，形成正负离子对，这个过程称电离（ionization）。

电离的强弱常用电离密度（ionization density）来表示，即带电粒子在单位路径上产生的离子对数。带电粒子的电荷量越大、运动速度越慢、所经过的物质密度越大，电离密度就越大。电离作用已广泛应用于多种粒子探测器，测定带电粒子的强度和速度，包括电离室、云室和核乳胶等。

（二）激发

入射带电粒子所携带的能量不足，使原子内的轨道电子不能脱离原子，只能使低能级的轨道电子跃迁到高能级轨道上去，整个原子处于能量较高的状态的过程，这个过程称激发（excitation）。处于激发态的原子很容易自发跃迁回到基态，同时释放出特征X射线或俄歇电子，可以产生次级电离。

（三）轫致辐射

高速带电粒子在原子库仑场的作用下，运动方向和速度发生变化，带电粒子的部分动能转化为连续能谱的电磁辐射，这种辐射称轫致辐射（bremsstrahlung）。产生轫致辐射的能量与带电粒子能量成正比，与原子序数Z ² 成正比，与带电粒子的质量平方成反比。

（四）散射

入射的带电粒子受到物质中原子核库仑电场的作用而改变速度和运动方向，但不辐射光子，也不激发原子核的过程称散射（scattering）。其中仅运动方向改变而能量不变者称弹性散射。α粒子的质量较大，其径迹基本上是直线进行的，散射不甚明显；β粒子的质量较小，其径迹是折线进行的，散射较为明显。

（五）湮没辐射

湮没辐射（annihilation radiation）是指一个粒子与其反粒子发生碰撞时，其质量可能转化为γ射线的过程，如正电子湮没辐射。正电子的平均寿命仅有10 ^-9 s，它与物质相互作用并完全耗尽其动能前，与物质中的自由电子相结合，正负两个电子的静止质量可转化为方向相反、能量各为0.511MeV的两个γ光子。

（六）契伦科夫辐射

当高速带电粒子在透明介质中以大于光在这种介质中的传播速度运动时，带电粒子的部分能量以电磁波的形式辐射出来，这种现象即契伦科夫辐射。

二、光子与物质的相互作用

X（γ）射线既是一种电磁辐射，也是一种粒子（光子）。与带电粒子相比，X（γ）光子与物质相互作用时并不能直接引起物质原子电离和激发，而是首先把能量传递给带电粒子，继而发生光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用。

（一）光电效应

光电效应是低能时X（γ）光子与物质相互作用的最主要形式。相对于水，光电效应发生概率占优势的能量范围为10～30keV。具有一定能量的X（γ）光子和物质原子的轨道电子发生相互作用，把其全部能量传递给轨道电子，X（γ）光子消失，获得能量的轨道电子脱离原子成为自由电子（光电子）；原子由于轨道电子的脱离处于激发态，继而发射特征X线或俄歇电子回到基态，这种过程称为光电效应（photoelectric effect）。随着原子序数的增加，光电效应发生的概率增加；X（γ）光子的能量越大，光电效应发生的概率减少。

（二）康普顿效应

康普顿效应主要发生在X（γ）光子能量较大范围时。相对于水，康普顿效应发生概率占优势的能量范围为30keV～25MeV。X（γ）光子和物质原子内的轨道电子发生相互作用，部分能量传递给轨道电子，X（γ）光子本身能量减少，运动方向发生改变；获得能量的轨道电子脱离原子成为自由电子（反冲电子）。这种过程称为康普顿效应。

（三）电子对效应

电子对效应仅发生在入射X（γ）光子能量高于1.02MeV时。相对于水，光电效应发生概率占优势的能量范围为25～100MeV。当X（γ）光子从原子核旁经过时，在原子核库仑场的作用下形成一对正负电子，称为电子对效应。形成的正电子可继而在物质中与一个自由电子结合发生电子对湮没作用，产生湮没辐射。

三、电离辐射与物质相互作用的计量

（一）照射量

照射量（exposure）其定义是X（γ）光子在单位质量为dm 的空气中释放的所有次级电子完全被空气阻止，形成的同一种符号离子的总电荷（dQ）。主要用于衡量X（γ）光子辐射在空气中的电离能力，用符号 X 表示。由于现有技术不能对能量很低和很高的X（γ）光子的照射量做精确的测量，因此，照射量仅适用于能量介于10keV～3MeV的X（γ）射线。

X=dQ·dm ^-1

照射量的国际单位为库仑·千克 ^-1 （C·kg ^-1 ）。曾用单位是伦琴（roentgen，R），1R=2.58×10 ^-4 （C·kg ^-1 ）。

照射量率是指单位时间内的照射量增加量，其国际单位为库仑·千克 ^-1 ·秒 ^-1 （C·kg ^-1 ·S ^-1 ），曾用单位为伦琴·分 ^-1 （R·min ^-1 ）。

（二）吸收剂量

吸收剂量（absorbed dose）是度量单位质量被照射物质所吸收辐射能量多少的一个值，用符号D表示。其定义为电离辐射给予质量为 dm 被照射物质的平均授予能（dE）。吸收剂量是计算辐射损伤效应最重要的一个计量，适用于任何类型、任何能量及任何照射物质。同样照射条件下，不同物质的吸收能力均不一样。因此，在论及吸收剂量时，应该明确辐射类型和物质特征。

D=dE·dm ^-1

吸收剂量的国际单位是戈瑞（gray，Gy），1Gy=1（J·kg ^-1 ）。曾用单位为拉德（rad），1Gy=100rad。

单位时间内的吸收剂量增加量，称为吸收剂量率。单位为戈瑞·秒 ^-1 （Gy·s ^-1 ）。

（三）当量剂量

当量剂量是用于辐射防护剂量学的一个基本量，是一个严格意义的吸收剂量，用符号 H _T 表示。其定义为某一组织器官T所接受的平均吸收剂量 D _T·R ，经辐射全重因子（ W _R ）加权处理的吸收剂量。

当量剂量的国际单位是希沃特（Sv），1Sv =1（J·kg ^-1 ）。

在吸收剂量相同的情况下，不同辐射类型所产生的生物效应的严重性各不同，为了便于比较，在辐射防护中引入辐射全重因子。辐射全重因子代表特定辐射在小剂量照射时诱发随机效应的相对生物效应数值。常用的辐射类型权重因子见表1-2。

（刘建军　李林法） pw2HSzGDhOTAz/nlezViUtzOJ1rFWTuVzIXZtvcXyBpB1UjTS6KYWOlzJ1QKZ85s