電離輻射基本知識

蘇州大學公共衛(wèi)生學院曹毅醫(yī)學博士國家注冊核安全工程師yicao@65881552基本內(nèi)容輻射概念原子與原子核放射性活度及衰減電離輻射與物質(zhì)相互作用19世紀末，人類相繼發(fā)現(xiàn)了X射線、放射性和電子，這三大發(fā)現(xiàn)揭開了近代物理的序幕，物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究開始進入微觀領(lǐng)域。三大發(fā)現(xiàn)為核能和核技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)一、輻射輻射:以粒子或電磁波形式傳遞的能量。粒子：中子n，質(zhì)子p，α、β、帶電粒子等。電磁波：普通電磁波、X射線、γ射線。輻射之所以有健康危害,是因為其具有能量。大體上，能量越大，輻射的危害越大。電離與非電離輻射電離輻射-能量能夠引起原子電離的輻射(>10eV)

核輻射(n,p,d,T,e,X/γ,帶電粒子等)都是電離輻射非電離輻射-能量不足以引起原子電離的輻射(<10eV)紫外線、可見光、紅外線、微波、無線電波(電離:原子失去電子)放射性工作者主要關(guān)心電離輻射(核輻射)輻射源：發(fā)射電離輻射或者釋放放射性物質(zhì)而引起輻射照射的一切物質(zhì)或者實體。放射源：輻射源中一類源的稱謂。除研究堆和核動力堆核燃料循環(huán)范疇的材料以外，永久密封在容器中或者有嚴密包層并呈固態(tài)的放射性物質(zhì)。電離輻射源天然輻射源人工輻射源宇宙射線宇生放射性核素宇宙射線原生放射性核素核恐怖核爆核技術(shù)應(yīng)用核設(shè)施222Rn及其子體核技術(shù)醫(yī)學應(yīng)用二、原子與原子核核素

(nuclide)處于一定能級的具有相同質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的同一類原子的總稱。如99Tcm、99Tc等。同位素(isotopes)―質(zhì)子數(shù)Z相同,中子數(shù)N不同的核素互為同位素。234,235,238U是鈾的三種天然同位素。放射性核素(radionuclide)－能夠自發(fā)地發(fā)射粒子(射線)或自發(fā)裂變的核素。如60Co、137Cs等。e-e-e-1H2H3HDTH99％1％PPnnnPH同位素

人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)近2800多種核素，天然核素330多個，人工合成約2500種，天然核素中穩(wěn)定核素～279，放射性核素～50。三、放射性原子核自發(fā)地發(fā)射各種粒子(射線)的行為稱為原子核的放射性。原子核自發(fā)地發(fā)射各種粒子而轉(zhuǎn)變成另外的原子核的過程則稱為原子核衰變。(α、β-、β+

、γ,等)

天然放射性核素天然放射性核素天然放射系238U、235U、232Th半衰期很長40K天然核反應(yīng)3H、14C天然放射系鈾系（238U）錒系（235U）釷系（232Th）鐳（226Ra）鐳（223Ra）鐳(228Ra,224Ra)氡（222Rn）氡（219Rn）氡（220Rn）短壽命子體(218Po,214Pb,214Bi)短壽命子體(216Po,212Pb,212Bi)終止核素(206Pb)終止核素(207Pb)終止核素(208Pb)人工放射性核素加速器生產(chǎn)；反應(yīng)堆生產(chǎn)。Example:重核裂變產(chǎn)物：90Sr,137Cs,99Mo。反應(yīng)堆:125I,131I,60Co,99Mo。加速器:186Re,18F,11C。四、放射源強度與衰減放射性核素(天然/人工)都要發(fā)生衰變;以固定的衰變幾率(λ)衰變;(λ又稱衰變常數(shù))表征放射性強弱的量:活度(A)

A=λN活度單位:1貝克(Bq)=1d/s(SI)1居里(Ci)=3.7×1010d/s=3.7×1010Bq核素數(shù)目與活度的衰減

放射性核素衰變遵從指數(shù)衰變規(guī)律半衰期

(T1/2):放射性核素的數(shù)目減少至原來一半所需要的時間.No=100T1/2=5dTime(days)020406080100051015核素半衰期232Th1.411010a238U4.47109a235U7.04108a137Cs30.17a60Co5.27a125I60.2d131I8.04d99Tcm6.02h18F1.82h五、電離輻射與物質(zhì)相互作用各種粒子/射線的穿透能力1.帶電粒子與物質(zhì)相互作用電離與激發(fā)輻射損失.高速運動的帶電粒子突然加速或減速時會發(fā)出具有連續(xù)能量的電磁輻射，通常稱作韌致輻射。β正電子湮滅輻射：正負電子電子相遇，產(chǎn)生0.511MeV的γ湮滅輻射(方向相反).2.射線與物質(zhì)相互作用光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對效應(yīng)3.中子與物質(zhì)相互作用散射俘獲電離（Ionization）：

從原子、分子或其他束縛狀態(tài)釋放一個或多個電子的過程。在電離過程中產(chǎn)生的負離子和正離子形成離子對。帶電粒子通過物質(zhì)自由電子正離子α+靶原子→正離子

+電子

+α

4He+Ar→Ar+

+e-+4He物質(zhì)中原子被電離，在粒子通過的路徑上形成許多離子對：正離子和自由電子

+e-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-庫侖作用激發(fā)（Excitation）：

如果上述過程中電子尚不能擺脫原子核的束縛，只能從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，則稱為激發(fā)。軔致輻射（Bremsstrahlung）物質(zhì)中帶電粒子受到原子核、電子電場的作用，運動方向發(fā)生大的偏折，部分動能變成能量連續(xù)分布的X射線的光子能量。物質(zhì)中X、γ射線能量的轉(zhuǎn)移和吸收X、γ射線與

可見光、紫外線

無線電波、紅外線

一樣屬于電磁輻射，

具有波粒二象性。γ射線對物質(zhì)的電離作用:兩步過程三種作用效應(yīng)

光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對效應(yīng)

產(chǎn)生次級電子電離效應(yīng)次級電子使物質(zhì)原子電離γ射線第1步初級作用第2步次級作用

該過程中，原子吸收整個入射光子，繼而從原子殼層釋放出一個電子(光電子)1）光電效應(yīng)（photoelectriceffect)自由電子

作用機制光子同(整個)原子作用把自己的全部能量傳遞給原子,殼層中某一電子獲得動能克服原子束縛跑出來,成為自由電子，光子本身消失了。

γ+AA*+e-

（光電子）

原子

A+X射線原子受激原子1)光電效應(yīng)

如果入射光子的能量比原子中束縛電子的結(jié)合能大很多，則就光子而言，可認為原子中的束縛電子是”自由”的。

康普頓散射就是入射光子與“自由電子”的彈性碰撞。2）康普頓－吳友訓效應(yīng)（Compton--Wueffect)

當入射光子能量大于1.022MeV時，光子在原子核的庫侖電場作用下，γ射線消失，轉(zhuǎn)換成一對正負電子（二者又可結(jié)合轉(zhuǎn)化為γ光子），此過程稱為電子對生成。電子對效應(yīng)通常發(fā)生在能量較大的光子。

3)電子對生成（pairproduction)能量≥1.02MeV的γ射線與原子核作用可能產(chǎn)生一對正-負電子。

M＋γ→M+e++e-→

γ1+γ2

1.02MeVmeme0.511MeV0.511MeV基本條件：γ射線能量Eγ1.02MeV能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量M=E/C23)電子對生成三種效應(yīng)與原子序數(shù)和光子能量的關(guān)系

X、γ射線進入物質(zhì)后，有可能不經(jīng)過任何相互作用而穿透出去。

一旦發(fā)生了相互作用，則會按照前述過程被吸收或散射。正電子與負電子相遇發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個0.511MeV的γ光子。

e++e-→

γ+γme++me-=0.511+0.511MeV

質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量轉(zhuǎn)化效率(100%）

γ

γ湮沒輻射中子能量在物質(zhì)中的轉(zhuǎn)移和吸收中子不帶電

它只與物質(zhì)的原子核發(fā)生相互作用

作用過程有兩類：

散射和吸收散射：

彈性散射（n；n’），中子部分動能向與其碰撞的原子核轉(zhuǎn)移，自身則改變原來的運動方向。原子核越輕，得到的能量越多。氫核易受彈性散射，得到的能量最多。散射：

非彈性散射（n；γ,n’），中子損失部分能量，使原子核變成激發(fā)態(tài)，退激時放出γ

光子。

該過程發(fā)生存在閾值：En>0.1MeV且重核的截面大于輕核的截面散射：

去彈性散射（n；多個n’），中子與原子核作用后產(chǎn)生多個中子，核內(nèi)質(zhì)子數(shù)照舊。

唯