電離輻射與物質(zhì)的相互作用

1、第二章 電離輻射與物質(zhì)的相互作用原子的核外電子因與外界相互作用獲得足夠的能量，掙脫原子核對(duì)它的束縛，造成原子的電離。由帶電粒子通過碰撞直接引起的物質(zhì)的原子或分子的電離稱為直接電離；由不帶電粒子通過它們與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生帶電粒子引起的原子的電離，稱為間接電離。由帶電粒子、不帶電粒子、或兩者混合組成的輻射稱為電離輻射。電離輻射與物質(zhì)的相互作用是輻射劑量學(xué)的基礎(chǔ)。本章討論帶電粒子、X（）射線與物質(zhì)的相互作用過程，定量分析它們?cè)谖镔|(zhì)中的轉(zhuǎn)移、吸收規(guī)律。第一節(jié) 帶電粒子與物質(zhì)的相互作用一、帶電粒子與物質(zhì)相互作用的主要方式相互作用的主要方式：（1）與原子核外電子發(fā)生非彈性碰撞；（2）與原子核發(fā)生彈性碰撞

2、；（3）與原子核發(fā)生非彈性碰撞；（4）與原子核發(fā)生核反應(yīng)。（一）帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞當(dāng)帶電粒子從靶物質(zhì)的原子近旁經(jīng)過時(shí)，入射粒子與軌道電子之間的庫侖力使軌道電子受到吸引或排斥，從而獲得一部分能量。如果軌道電子獲得足夠的能量，就會(huì)引起原子電離，原子成為正離子，軌道電子成為自由電子。如果軌道電子獲得的能量不足以電離，則可以引起原子激發(fā)，使電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。處于激發(fā)態(tài)的原子很不穩(wěn)定，躍遷到高能級(jí)的電子會(huì)自發(fā)躍遷到低能級(jí)而使原子回到基態(tài)，同時(shí)放出特征X射線或俄歇電子。如果電離出來的電子具有足夠的動(dòng)能，能進(jìn)一步引起物質(zhì)電離，則稱它們?yōu)榇渭?jí)電子或電子，由次級(jí)電子引起的電離稱為次級(jí)電離。碰

3、撞損失或電離損失：帶電粒子因與核外電子的非彈性碰撞，導(dǎo)致物質(zhì)原子電離和激發(fā)而損失的能量。描述電離（碰撞）損失的兩個(gè)物理量：線性碰撞阻止本領(lǐng)（linear collision stopping power）（用符號(hào)Scol或表示）和質(zhì)量碰撞阻止本領(lǐng)（mass collision stopping power）（用符號(hào)或表示）。線性阻止本領(lǐng)是指入射帶電粒子在靶物質(zhì)中穿行單位長度路程時(shí)電離損失的能量，其SI單位是J.m-1，還常用到MeV.cm-1這一單位。質(zhì)量阻止本領(lǐng)是線性碰撞阻止本領(lǐng)除以靶物質(zhì)的密度，其SI單位為J.m2.kg-1，還常用到MeV.cm2.g-1這一單位。對(duì)于重帶電粒子：（1）電

4、離損失近似與重帶電粒子的能量成反比，這是因?yàn)閹щ娏Ｗ铀俣仍铰c軌道電子相互作用的時(shí)間越長，軌道電子獲得的能量就越大；（2）電離損失與物質(zhì)的每克電子數(shù)成正比；（3）電離損失與重帶電粒子的電荷數(shù)平方成正比。對(duì)于電子：（1）電子的電離損失也和物質(zhì)的每克電子數(shù)成正比；（2）電子的電離損失與能量的關(guān)系較復(fù)雜：低能時(shí)，電離損失近似與電子能量成反比；高能時(shí)，電離損失隨能量緩慢增加；（二）帶電粒子與原子核的非彈性碰撞 當(dāng)帶電粒子從原子核附近掠過時(shí)，在原子核庫侖場作用下，運(yùn)動(dòng)方向和速度發(fā)生變化，此時(shí)帶電粒子的一部分動(dòng)能就變成具連續(xù)能譜的X射線輻射出來，這種輻射稱為韌致輻射。用線性輻射阻止本領(lǐng)推薦精選（或）和質(zhì)

5、量輻射阻止本領(lǐng)（或）來描述單位長度和單位質(zhì)量厚度的輻射能量損失。三點(diǎn)結(jié)論：（1）輻射損失與入射帶電粒子的質(zhì)量m的平方成反比；（2）輻射損失與Z2成正比，說明重元素物質(zhì)中的韌致輻射損失比輕元素物質(zhì)大；（3）輻射損失與粒子的能量成正比，這與電離損失的情況不同。（三）帶電粒子與原子核的彈性碰撞當(dāng)帶電粒子與靶物質(zhì)原子核庫侖場發(fā)生相互作用時(shí)，盡管帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向和速度發(fā)生變化，但不輻射光子，也不激發(fā)原子核，它滿足動(dòng)能和動(dòng)量守恒定律，屬彈性碰撞，也稱彈性散射。碰撞發(fā)生后，絕大部分能量由散射粒子帶走。重帶電粒子由于質(zhì)量比較大，與原子核發(fā)生彈性碰撞時(shí)運(yùn)動(dòng)方向改變小，散射現(xiàn)象不明顯，因此它在物質(zhì)中的徑跡比較直

6、。電子質(zhì)量很小，與原子核發(fā)生彈性碰撞時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向改變可以很大，而且還會(huì)與軌道電子發(fā)生彈性碰撞。經(jīng)多次散射后，電子的運(yùn)動(dòng)方向偏離原來方向，最后的散射角可以大于90o，甚至可能是180o，因此它在物質(zhì)中的徑跡很曲折。彈性散射發(fā)生的概率與帶電粒子的種類和能量有關(guān)。只有當(dāng)帶電粒子的能量很低，其速度比玻爾軌道電子速度v0小很多時(shí)，才會(huì)有明顯的彈性碰撞過程。與速度v0對(duì)應(yīng)的粒子、質(zhì)子和電子的能量分別0.1MeV、0.025MeV、0.0135KeV。通常粒子、質(zhì)子的能量比上述能量高很多，因此對(duì)重帶電粒子，發(fā)生彈性碰撞的概率很小。對(duì)于能量在10KeV100KeV的電子，其概率也僅占5。當(dāng)能量高出這個(gè)范圍時(shí)，

7、彈性碰撞發(fā)生的概率進(jìn)一步減小。（四）帶電粒子與原子核發(fā)生核反應(yīng)當(dāng)一個(gè)重帶電粒子具有足夠高的能量（約100MeV），并且與原子核的碰撞距離小于原子核的半徑時(shí)，如果有一個(gè)或數(shù)個(gè)核子被入射粒子擊中，它們將會(huì)在一個(gè)內(nèi)部級(jí)聯(lián)過程中離開原子核，其飛行方向主要傾向于粒子的入射方向。失去核子的原子核處于高能量的激發(fā)態(tài)，將通過發(fā)射所謂的“蒸發(fā)粒子”（主要是一些能量較低的核子）和射線而退激。當(dāng)核反應(yīng)發(fā)生時(shí)，入射粒子的一部分動(dòng)能被中子和射線帶走，而不是以原子激發(fā)和電離的形式被局部吸收，這將影響吸收劑量的空間分布。對(duì)于質(zhì)子束，如果在計(jì)算劑量時(shí)未考慮核反應(yīng)，計(jì)算值將會(huì)偏高12。100MeV的質(zhì)子束照射厚度為2.5cm的

8、石墨，石墨的實(shí)際吸收劑量比不考慮核反應(yīng)時(shí)平均偏低2.5。因?yàn)?.5是通過假設(shè)轉(zhuǎn)移給中子和射線的能量均被帶離了石墨。對(duì)于電子束，核反應(yīng)的貢獻(xiàn)相對(duì)于韌致輻射的貢獻(xiàn)完全可以忽律。其它一些作用方式：淹沒輻射、契倫科夫輻射。二、總質(zhì)量阻止本領(lǐng)（total mass stopping power）定義：帶電粒子在密度為的介質(zhì)中穿過路程dl時(shí)，一切形式損失的能量dE除以dl而得的商。符號(hào)：或?qū)τ陔娮?，在常?guī)的能量范圍內(nèi)，可以認(rèn)為就是電離損失和輻射損失之和。推薦精選對(duì)于重帶電粒子，輻射損失可以忽略，因此對(duì)于電子，輻射損失和電離損失的相對(duì)重要性可以用公式表示為當(dāng)電子的能量很低時(shí)，電離損失占優(yōu)勢(shì)；當(dāng)能量變高時(shí)，輻

9、射損失變得重要。電離損失與輻射損失相等時(shí)的電子能量稱為臨界能量。隨物質(zhì)原子的原子序數(shù)或有效原子序數(shù)增加，電子的臨界能量減少。三、射程射程：沿入射方向從入射位置至完全停止位置所經(jīng)過的距離。由于粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡總是曲折的，因此射程總是小于路徑長度。射程可用實(shí)驗(yàn)來測量，測量條件為：一束單能平行粒子束垂直入射到不同厚度的吸收塊上，用探測器測量穿過吸收塊的粒子數(shù)。設(shè)N（t）是穿透厚度t的粒子數(shù)，則平均射程為重帶電粒子因其質(zhì)量大，與核外電子的一次碰撞只損失很小的一部分能量，運(yùn)動(dòng)方向也改變很小，并且與原子核發(fā)生彈性碰撞的概率小，其運(yùn)動(dòng)路徑比較直，因此粒子數(shù)隨吸收塊厚度變化曲線表現(xiàn)為開始時(shí)的平坦部分和尾部的快速

10、下降部分。電子因其質(zhì)量小，每次碰撞的電離損失和輻射損失比重帶電粒子大得多，同時(shí)運(yùn)動(dòng)方向改變大，并且與原子核發(fā)生彈性碰撞概率大，其運(yùn)動(dòng)路徑曲折，粒子的射程分布在一個(gè)很寬的范圍，也就是說電子的射程發(fā)生了較嚴(yán)重的歧離，因此粒子數(shù)隨吸收塊厚度變化曲線呈逐漸下降趨勢(shì)。外推射程（Re）：粒子數(shù)隨吸收塊厚度變化曲線最陡部分做切線外推與橫坐標(biāo)相交，相交位置對(duì)應(yīng)的吸收塊厚度。四、傳能線密度（linear energy transfer， 簡稱LET） 描述輻射品質(zhì)的物理量。推薦精選定義：dE除以dl而得的商，即式中是傳能線密度，dE是特定能量的帶電粒子在物質(zhì)中穿行dl距離時(shí)，由能量轉(zhuǎn)移小于某一特定值的歷次碰撞所

11、造成的能量損失。是能量截止值，即凡由能量轉(zhuǎn)移值小于值的碰撞所造成的能量傳遞均認(rèn)為是在局部授予物質(zhì)的。值通常以“電子伏”為單位。重帶電粒子的能量損失沿其徑跡的分布，要比電子的密集得多，因而它們具有較高的和值。生物效應(yīng)依賴于電離輻射微觀體積內(nèi)局部授予的能量。就一級(jí)近似而言，相等的輻射預(yù)期能產(chǎn)生相同的生物效應(yīng)，高的輻射比低的輻射有著更高的生物效能。推薦精選第二節(jié) X（）射線與物質(zhì)的相互作用與帶電粒子相比，X（）射線與物質(zhì)的相互作用表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)：（1）X（）光子不能直接引起物質(zhì)原子電離或激發(fā)，而是先把能量傳遞給帶電粒子；（2）X（）光子與物質(zhì)的一次相互作用可以損失其能量的大部分或全部，而帶電粒子則

12、是通過許多次相互作用逐漸損失其能量；（3）X（）光子入射到物體時(shí)，其強(qiáng)度隨穿透物質(zhì)厚度近似呈指數(shù)衰減，而帶電粒子有確定的射程，在射程之外觀察不到帶電粒子。X（）射線與物質(zhì)的相互作用主要過程有：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)；其它次要作用過程有相干散射、光致核反應(yīng)等。一、光子與物質(zhì)相互作用系數(shù)（一）線性衰減系數(shù)與截面的關(guān)系設(shè)靶物質(zhì)單位體積的靶粒子數(shù)為n，密度為；在厚度t0處，與X（）光子束入射方向垂直的單位面積上的光子數(shù)為I0；在厚度t處，單位面積上的光子數(shù)為I；穿過dt薄層時(shí)，有dI個(gè)光子與物質(zhì)發(fā)生了相互作用。如果散射光子不會(huì)照射到探測器，則探測器測量到的就是未與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子，因而

13、測到的光子數(shù)目變化就是（-dI）。根據(jù)微分截面的定義可得如下的微分方程：根據(jù)初始條件，t0時(shí)，II0，解微分方程得表示X（）光子與每單位厚度物質(zhì)發(fā)生相互作用的概率，稱為線性衰減系數(shù)（linear attenuation coefficient），單位m-1或cm-1。容易得到，說明線性衰減系數(shù)也表示X（）光子束穿過靶物質(zhì)時(shí)在單位厚度上入射X（推薦精選）光子數(shù)減少的百分?jǐn)?shù)。線性衰減系數(shù)是光子束能量和靶物質(zhì)材料的函數(shù)，與入射光子數(shù)無關(guān)；越小，X（）光子的穿透能量就越強(qiáng)。對(duì)于每一種相互作用形式，可以定義相應(yīng)的線性衰減系數(shù)，總線性衰減系數(shù)等于各種相互作用的線性衰減系數(shù)的和質(zhì)量衰減系數(shù)（mass att

14、enuation coefficient）表示X（）光子與每單位質(zhì)量厚度物質(zhì)發(fā)生相互作用的概率，單位是m2/kg，或cm2/g。任何物質(zhì)都會(huì)熱脹冷縮，并且有氣、液和固的三相的變化，也就是說物質(zhì)密度會(huì)隨溫度、氣壓、濕度等因素的變化而變化，因此線性衰減系數(shù)會(huì)隨熱力學(xué)狀態(tài)的變化而變化。根據(jù)定義可知，質(zhì)量衰減系數(shù)與物質(zhì)密度無關(guān)的，不會(huì)隨熱力學(xué)狀態(tài)的變化而變化，因此在許多情況下，使用質(zhì)量衰減系數(shù)更方便。（二）線性能量轉(zhuǎn)移系數(shù)和質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)線性能量轉(zhuǎn)移系數(shù)（linear energy transfer coefficiet）定義X（）光子在物質(zhì)中穿行單位距離時(shí)，其總能量由于各種相互作用而轉(zhuǎn)移為帶電粒子動(dòng)能

15、的份額。單位為m-1或cm-1?？傓D(zhuǎn)移系數(shù)等于各個(gè)轉(zhuǎn)移系數(shù)之和質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)（mass energy transfer coefficient）定義為除以而得的商，即是該能量的入射X（）光子穿過“質(zhì)量厚度”為的物質(zhì)層時(shí)，其總能量中，因相互作用而轉(zhuǎn)移為帶電粒子動(dòng)能的份額，E是入射X（）光子的能量，N是入射X（）光子數(shù)。質(zhì)能吸收系數(shù)（mass energy absorption coefficient），定義為X（）光子在物質(zhì)中穿過單位質(zhì)量厚度時(shí)，其能量真正被受照射物質(zhì)吸收的那部分所占份額。X（）光子轉(zhuǎn)移給次級(jí)電子的動(dòng)能，有一部分通過軔致輻射和淹沒輻射輻射而損失掉，真正被物質(zhì)吸收的能量應(yīng)等于X（）光

16、子轉(zhuǎn)移給次級(jí)電子的動(dòng)能減去因輻射而損失的能量。其與質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)的關(guān)系為g為次級(jí)電子的動(dòng)能因輻射而損失的份額。質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)和質(zhì)能吸收系數(shù)均與質(zhì)量衰減系數(shù)具有相同的量綱，為m2/kg，或cm2/g。推薦精選（三）半價(jià)層半價(jià)層（HVL）定義為X（）射線束流強(qiáng)度衰減到其初始值一半時(shí)所需的某種物質(zhì)的衰減塊的厚度。它與線性衰減系數(shù)的關(guān)系可表示為與的意義一樣， HVL表示物質(zhì)對(duì)X（）光子的衰減能力。二、光電效應(yīng) 1、作用過程能量為h的X（）光子與物質(zhì)原子的軌道電子發(fā)生相互作用，把全部的能量傳遞給對(duì)方，X（）光子消失，獲得能量電子掙脫原子的束縛成為自由電子（稱為光電子）；原子的電子軌道出現(xiàn)一個(gè)空位而處于激發(fā)態(tài)

17、，它將通過發(fā)射特征X射線或俄歇電子的形式很快回到基態(tài)，這個(gè)過程稱為光電效應(yīng)。2、作用系數(shù)K層和L層電子發(fā)生光電效應(yīng)的概率最大，如果入射X（）光子能量大于K層電子結(jié)合能，則K層電子光電效應(yīng)截面占原子總截面的80以上，此時(shí)每個(gè)原子的光電效應(yīng)總截面與原子序數(shù)、X（）光子能量之間的關(guān)系可表示為n是原子序數(shù)的函數(shù)，對(duì)低原子序數(shù)n近似取4，高原子序數(shù)近似取4.8。光電線性衰減系數(shù)：光電質(zhì)量衰減系數(shù)：以上三式說明：（1）原子的光電效應(yīng)總截面和光電線性衰減系數(shù)與Z的44.8次方成正比，光電質(zhì)量衰減系數(shù)與Z的33.8次方成正比；隨原子序數(shù)的增加，光電效應(yīng)發(fā)生的概率迅速增加，也就是說，電子在原子中束縛越緊，其參與

18、光電效應(yīng)的概率越大。（2）三個(gè)作用系數(shù)均與光子能量的3次方成反比，隨著能量增大，光電效應(yīng)發(fā)生的概率迅速減小。推薦精選由上可知，入射X（）光子的能量最終轉(zhuǎn)化為兩部分，一部分為次級(jí)電子（光電子和俄歇電子）的動(dòng)能，另一部分為特征X射線能量。與其它相互作用相比，低能時(shí)光電效應(yīng)是X（）光子與物質(zhì)相互作用的最主要的形式，而低能X（）光子的光電效應(yīng)只能產(chǎn)生低動(dòng)能的次級(jí)電子；當(dāng)電子動(dòng)能低時(shí)，其輻射損失能量可以忽略。 三、康普頓效應(yīng) 1、作用過程當(dāng)X（）光子與物質(zhì)原子的軌道電子發(fā)生相互作用時(shí)，光子損失一部分能量，并改變運(yùn)動(dòng)方向，電子獲得能量而脫離原子，此種作用過程稱為康普頓效應(yīng)。損失能量后的X（）光子稱為散射光

19、子，獲得能量的電子稱為反沖電子。2、作用系數(shù)康普頓效應(yīng)看做是X（）光子與處于靜止的自由電子之間的彈性碰撞，因此每個(gè)原子的康普頓效應(yīng)總截面、散射截面和轉(zhuǎn)移截面分別近似等于電子的相應(yīng)截面與原子序數(shù)的乘積，即與原子序數(shù)成正比，線性衰減系數(shù)：線性能量轉(zhuǎn)移系數(shù)：質(zhì)量衰減系數(shù)：質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)：由于所有物質(zhì)的每克電子數(shù)均十分接近（氫除外），故康普頓效應(yīng)的質(zhì)量衰減系數(shù)和質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)與原子序數(shù)Z近似無關(guān)，也即，所有物質(zhì)的這些系數(shù)值都基本相等。四、電子對(duì)效應(yīng) 1、作用過程當(dāng)X（）光子從原子旁經(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，此過程稱為電子對(duì)效應(yīng)。與光電效應(yīng)類似，除了入射X（）光子和軌道電子外，還需原子

20、核的參與，才能滿足動(dòng)量守恒定律。推薦精選因原子核的質(zhì)量大，它獲得的能量很小，可以忽略，因此可以認(rèn)為X（）光子能量的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)檎?fù)電子的靜止質(zhì)量，另一部分作為正負(fù)電子的動(dòng)能?？梢钥闯鲋挥挟?dāng)入射X（）光子的能量大于，才能發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)。獲得動(dòng)能的正負(fù)電子在物質(zhì)中通過電離或輻射的方式損失能量。當(dāng)正電子停下來時(shí)，與一個(gè)自由電子結(jié)合而轉(zhuǎn)變成為兩個(gè)光子，此過程稱電子對(duì)湮沒，湮沒時(shí)放出的光子屬于湮沒輻射。根據(jù)能量和動(dòng)量守恒定律，兩個(gè)光子的能量均為0.511MeV，飛行方向正好相反。2、作用系數(shù)原子的電子對(duì)效應(yīng)截面與原子序數(shù)Z和入射X（）光子能量的關(guān)系，當(dāng)時(shí)，隨Z迅速增加，隨線性增加。當(dāng)時(shí)，隨Z迅速增加，隨增加逐漸變慢。線性衰減系數(shù)：線性能量轉(zhuǎn)移系數(shù)：質(zhì)量衰減系數(shù)：當(dāng)X（）光子能量大于時(shí)，在電子庫侖場中也能發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)，但概率相對(duì)于在原子核庫侖場中要小很多。六、各種相互作用的相對(duì)重要性X（）光子與物質(zhì)相互作用的三種主要形式與X（）光子的能量、吸收物質(zhì)的原子序數(shù)的關(guān)系各不相同，表現(xiàn)為對(duì)不同原子序數(shù)在不同能量范圍，它們的作用截面占總截面的份額有變化。推薦精選如果將骨，肌肉和脂肪這三種人體組織的質(zhì)能吸收系數(shù)對(duì)同能量的的空氣的質(zhì)能吸