第1章-核輻射防護(hù)射線與物質(zhì)相互作用

第1章射線與物質(zhì)相互作用核輻射測(cè)量與防護(hù)電離輻射警告標(biāo)志

電離輻射標(biāo)志

放射性警示標(biāo)志：要盡量避開(kāi)貼有這些標(biāo)志的物體！輻射防護(hù)是：原子能科學(xué)技術(shù)的一個(gè)重要分支，它是研究人類(lèi)免受或少受電離危害的一門(mén)綜合性的邊緣學(xué)科。它涉及到原子核物理、放射化學(xué)、輻射劑量學(xué)、核電子學(xué)、放射醫(yī)學(xué)、放射生物學(xué)及放射生態(tài)學(xué)等學(xué)科?；救蝿?wù)是：保護(hù)環(huán)境、保障從事放射性工作的人員和一般居民的健康與安全、保護(hù)他們的后代、促進(jìn)原子能事業(yè)的發(fā)展。實(shí)現(xiàn)輻射防護(hù)目的的辦法是：為了防止確定性效應(yīng)的發(fā)生，把劑量當(dāng)量限值定在足夠低的水平上，以保證從業(yè)者在終生全部時(shí)間內(nèi)受到的照射也不會(huì)達(dá)到產(chǎn)生有害效應(yīng)的閾值。使一切具有正當(dāng)理由的照射保持在合理的可以達(dá)到的盡量低的水平。

為了達(dá)到輻射防護(hù)目的，一切輻射實(shí)踐和設(shè)施的選址設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行和退役，必須遵守輻射防護(hù)三原則:輻射實(shí)踐正當(dāng)化輻射防護(hù)最優(yōu)化個(gè)人劑量的限制輻射防護(hù)的三原則是一個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一體，在應(yīng)用時(shí)必須綜合考慮?？己朔绞狡綍r(shí)20%（出勤率+作業(yè)）期末80%（考試）教學(xué)內(nèi)容第1章射線與物質(zhì)的相互作用第2章輻射劑量學(xué)基礎(chǔ)第3章核輻射探測(cè)方法第4章輻射來(lái)源及其影響第5章輻射防護(hù)參考書(shū)《電離輻射防護(hù)與安全基礎(chǔ)》楊朝文主編教材《輻射防護(hù)導(dǎo)論》方杰主編《輻射防護(hù)基礎(chǔ)》李星洪主編網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)下載第1章射線與物質(zhì)的相互作用1.1α

粒子與物質(zhì)相互作用1.2射線與物質(zhì)相互作用1.3

和X射線與物質(zhì)相互作用1.4中子與物質(zhì)相互作用1.5射線與物質(zhì)相互作用特點(diǎn)小結(jié)1.1α粒子與物質(zhì)相互作用1.1.1α粒子的性質(zhì)高速運(yùn)動(dòng)的氦核，帶兩個(gè)正電荷，質(zhì)量數(shù)為4，約為電子質(zhì)量的7300倍。能進(jìn)行衰變的天然放射性核素絕大部分原子序數(shù)大于82，如原子序數(shù)小于82是極個(gè)別，且半衰期相當(dāng)長(zhǎng)，如：T1/2=1.7×1011aT1/2=2×1015aT1/2=6.1×1011a1.1.2粒子與物質(zhì)相互作用概述——重帶電粒子可與核外電子發(fā)生彈性碰撞，僅在其能量低于100eV時(shí)有意義，所以一般只考慮帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞。重帶電粒子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)果可使原子發(fā)生電離或激發(fā)。帶電粒子通過(guò)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(guò)的路徑上形成許多離子對(duì)：正離子和自由電子

+e-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-庫(kù)侖作用帶電粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)原子的殼層電子發(fā)生靜電作用電子獲得足夠能量后使其脫離軌道形成一個(gè)帶負(fù)電荷的自由電子（次級(jí)電子），失去一個(gè)電子的原子則變成帶正電荷的離子，自由電子與離子構(gòu)成離子對(duì)。這種使物質(zhì)中性原子變成離子對(duì)的過(guò)程稱(chēng)為電離。原電離——入射粒子直接作用引起的電離次級(jí)電離——由原電離產(chǎn)生的電子如果具有足夠的動(dòng)能，它也能使原子電離，δ電子。電離（ionization）δ電子——α粒子與物質(zhì)原子殼層電子直接碰撞時(shí)，可以產(chǎn)生高能電子的電離，出射的電子。δ電子可以使物質(zhì)原子再電離或激發(fā)。電離帶電粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，殼層電子獲得的能量不足以使殼層電子脫離軌道，則從能量較低的軌道躍遷到能量較高的軌道，即原子由基態(tài)轉(zhuǎn)入高能態(tài)，這種過(guò)程稱(chēng)為激發(fā)。原子退激——激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，處在高能態(tài)的電子要跳回低能態(tài)軌道來(lái)，以發(fā)射光子的形式放出相應(yīng)的能量。激發(fā)(excitation)電離和激發(fā)兩過(guò)程構(gòu)成了重帶電粒子在碰撞過(guò)程中的主要能量損失。阻止本領(lǐng)公式式中：z：重帶電粒子的電荷數(shù)；e：一個(gè)電子的電量，等于1.602×10-19C;Z：物質(zhì)原子的原子序數(shù)；N：物質(zhì)在單位體積中包含的原子數(shù)目；c：光速；

V：重帶電粒子的速度；me：電子的靜止質(zhì)量I：物質(zhì)原子中電子的平均等效電離電位。ú?ùê?é-????è?--+=???è?-22222e2421ln2ln4ccZCImNZmezdxdEeionuuuup阻止本領(lǐng)帶電粒子使物質(zhì)原子電離或激發(fā)而損失的能量稱(chēng)為電離能量損失。把帶電粒子在物質(zhì)中單位路程上的電離損失稱(chēng)為電離能量損失率，又稱(chēng)為阻止本領(lǐng)。常用符號(hào)表示。腳標(biāo)“ion”表示是由入射粒子使原子電離或激發(fā)所引起的能量損失。(1)與重帶電粒子電荷數(shù)的平方成正比。如果α粒子和質(zhì)子的速度相等，物質(zhì)對(duì)α粒子的阻止本領(lǐng)是對(duì)質(zhì)子阻止本領(lǐng)的4倍。帶電粒子的電荷愈多，能量損失率愈大，穿透能力也就愈弱。(2)與帶電粒子的質(zhì)量無(wú)關(guān)。原因在于重帶電粒子的質(zhì)量比電子質(zhì)量至少大1800倍。重帶電粒子的質(zhì)量與電子質(zhì)量相比，都可以近似地被看成是無(wú)窮大。因此，重帶電粒子的質(zhì)量的確切數(shù)值就對(duì)阻止本領(lǐng)沒(méi)有影響了。阻止本領(lǐng)表達(dá)式重要結(jié)論－1：(3)與重帶電粒子的速度有關(guān)。當(dāng)速度較小時(shí)，可以近似地認(rèn)為電離能量損失率與速度的平方成反比，對(duì)數(shù)項(xiàng)的數(shù)值影響不大；當(dāng)速度比較高時(shí)，項(xiàng)變化很小，對(duì)數(shù)項(xiàng)的影響較大。當(dāng)兩種粒子的速度相等時(shí)，即具有相同的E/m和相等的電荷，則兩種粒子在同一靶物質(zhì)中的阻止本領(lǐng)就相同。例如質(zhì)子、氘核和氚核，它們的質(zhì)量不同，如果它們的速度一樣，則它們?cè)谕晃镔|(zhì)中的阻止本領(lǐng)就一樣。(4)與物質(zhì)的電子密度NZ成正比。物質(zhì)密度越大，物質(zhì)中原子的原子序數(shù)越高，則此種物質(zhì)對(duì)重帶電粒子的阻止本領(lǐng)也越大。

阻止本領(lǐng)表達(dá)式重要結(jié)論－2：阻止本領(lǐng)表達(dá)式重要結(jié)論－3：（5）在中能區(qū)，阻止本領(lǐng)與入射粒子的能量成反比電子的阻止截面：電離密度（ionizationdensity)

帶電粒子在單位路徑長(zhǎng)度上形成的離子對(duì)數(shù)，單位為離子對(duì)/厘米。比電離應(yīng)包括原電離和次電離產(chǎn)生的離子對(duì)。帶電粒子在物質(zhì)中的射程任何一種帶電粒子在進(jìn)入物質(zhì)以后，通過(guò)與物質(zhì)相互作用而不斷地?fù)p失能量。如果物質(zhì)的厚度是足夠的，帶電粒子最終將完全停留在物質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱(chēng)為物質(zhì)對(duì)帶電粒子的吸收，這種物質(zhì)稱(chēng)為吸收物質(zhì)。帶電粒子從進(jìn)入物質(zhì)到完全被吸收沿原入射的方向穿過(guò)的最大距離，稱(chēng)為該粒子在物質(zhì)中的射程，常用符號(hào)R表示。如果不指明在哪種物質(zhì)中，而只是說(shuō)“射程”多少，就是指粒子在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的空氣中的射程。帶電粒子的射程和路程

射程和路徑的區(qū)別射程歧離一組單能粒子射程的平均值稱(chēng)為平均射程。相同能量的粒子在同一種物質(zhì)中的射程并不完全相同，這種現(xiàn)象稱(chēng)為射程歧離。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因——每?jī)纱闻鲎查g粒子穿過(guò)的距離以及每次碰撞使帶電粒子失去的能量不完全相同，因而相同能量的粒子的射程不是一個(gè)定值。由于每個(gè)粒子都必須經(jīng)過(guò)多次的碰撞，因此，各個(gè)粒子的射程間的相互差別并不很大。重帶電子粒子的射程漲落一般都很小。經(jīng)驗(yàn)公式

對(duì)于能量為3-7MeV的α粒子在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣中的平均射程可用下面的經(jīng)驗(yàn)公式表示：Eα是α粒子的能量，單位是MeV.R0

是α粒子在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣中的平均射程，單位是cm.相同能量的同一種帶電粒子在不同物質(zhì)中的射程有經(jīng)驗(yàn)公式：式中ρa(bǔ)和ρb、Aa和Ab分別為物質(zhì)a和物質(zhì)b的密度與相對(duì)原子量。重帶電粒子在物質(zhì)中的射程與能量的關(guān)系在其它物質(zhì)中的射程R可用在空氣中的射程R0進(jìn)行換算，其公式如下：式中，A和ρ分別表示吸收物質(zhì)原子的質(zhì)量數(shù)和密度（單位為g/cm3），R的單位為cm。在其它物質(zhì)中的射程：?jiǎn)栴}一：已知5MeV的α粒子在空氣中的平均射程是3.5cm，求其在鋁和鉛中的平均射程？α粒子能/MeV空氣R/cm生物組織/鋁/42.5311653.5432364.6563075.9723887.4914898.9110581010.613069α粒子在幾種物質(zhì)中的平均射程1.2β射線與物質(zhì)相互作用1.2.1β射線的產(chǎn)生和特點(diǎn)快速電子或β射線（正電子和電子）與物質(zhì)發(fā)生三種相互作用：非彈性散射、彈性散射和軔致輻射。由于電子的靜止質(zhì)量約是α粒子的1/7000，所以它與物質(zhì)相互作用及在物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)軌跡都與重帶電粒子有很大差異。快速電子在物質(zhì)中的損失一般需考慮電離損失和軔致輻射損失。電子與原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用發(fā)生非彈性碰撞，產(chǎn)生軔致輻射，能量為幾個(gè)MeV的電子在鉛中的軔致輻射能量損失率接近電離損失率。組織本領(lǐng)公式低能時(shí)：高能時(shí)：快速運(yùn)動(dòng)電子通過(guò)原子核附近時(shí)，受到原子核庫(kù)侖電場(chǎng)的作用，速度大小和運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生變化，一部分能量以電磁波的形式輻射出來(lái)，這種輻射稱(chēng)為軔致輻射。輻射能量損失（bremsstrahlung)電子打在熒光屏上產(chǎn)生X射線電視機(jī)顯像管特征:x射線能量連續(xù)0–EMax(電子能量)電視機(jī)高壓15kV電子束能量15keVx射線能量0-15keV產(chǎn)生機(jī)制原子核軔致輻射輻射能量損失率公式：m:入射粒子的質(zhì)量E：入射粒子的能量z：入射粒子的電荷數(shù)Z：靶物質(zhì)的原子序數(shù)N：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)靶物質(zhì)的原子序數(shù)輻射能量損失率表達(dá)式重要結(jié)論：（1）輻射能量損失率與z2成正比，與m2成反比。由于電子的質(zhì)量小，在能量相同的情況下，電子的輻射能量損失要比α粒子、質(zhì)子和重帶電粒子大得多。（2）輻射能量損失率與Z2和N成正比。表明β粒子打在重元素中，容易發(fā)生軔致輻射。（3）輻射能量損失率與入射粒子能量E成正比。20MeV的電子穿過(guò)時(shí)，輻射損失和電離損失之比是多少?問(wèn)題二β粒子的多次散射彈性散射概念（簡(jiǎn)稱(chēng)散射）——電子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向的改變雖與原子核和核外電子發(fā)生非彈性碰撞有關(guān)，但主要是由于原子核的庫(kù)侖力作用而發(fā)生的彈性碰撞結(jié)果，發(fā)生彈性碰撞時(shí)電子的能量變化很小，但電子的運(yùn)行方向變化很大，電子愈靠近原子核，散射愈厲害，散射角度也愈大。多次散射和反散射電子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)先后受到許多原子核的彈性散射作用，稱(chēng)為“多次散射”。電子在物質(zhì)中的行程較大，散射次數(shù)愈多，電子的偏轉(zhuǎn)就顯著。電子經(jīng)過(guò)多次散射，最終散射角可以大于900，甚至可能是折返去，這種大于900的散射稱(chēng)為反散射。在β放射源的活度測(cè)量中，為了減少散射的影響，放射源的襯托物、支架等都利用原子序數(shù)Z低的物質(zhì)，這是因?yàn)閆低，原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用小一些。在進(jìn)行β源活度的絕對(duì)測(cè)量時(shí)，必須對(duì)放射線的反散射襯托物的反射因素造成計(jì)數(shù)的增長(zhǎng)予以修正，利用β射線的反散射計(jì)數(shù)變化與散射體厚度的關(guān)系，可以做成反散射厚度計(jì)來(lái)測(cè)量各種金屬薄層及膠片、塑料布等材料的厚度，這是射線反散射技術(shù)的一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)應(yīng)用。

β粒子多次散射和反散射的應(yīng)用非彈性散射非彈性碰撞——當(dāng)快速電子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，它與物質(zhì)原子的殼層電子發(fā)生碰撞，而體系功能不守恒，入射電子將自己的一部分能量給于原子殼層電子，使原子發(fā)生電離或激發(fā)。電子——電子碰撞：實(shí)質(zhì)上是靜電相互作用。1.2.3吸收和射程吸收——無(wú)論是單能電子束，還是能量連續(xù)分布的β射線，在經(jīng)過(guò)一定厚度的物質(zhì)時(shí)，電子的數(shù)目隨著距離的增加而逐步減少，這種現(xiàn)象稱(chēng)為吸收。半吸收厚度：1.2.3吸收和射程為何不能用α粒子那樣的平均射程的概念來(lái)說(shuō)明β粒子的情況

在物質(zhì)中的路徑和射程1.2.3吸收和射程β射線的射程一束單能α粒子具有平均射程，這個(gè)射程與α粒子能量有關(guān)，對(duì)于β射線來(lái)說(shuō)，因?yàn)棣铝Ｗ拥哪芰渴菑牧愕紼β最大連續(xù)分布，所以各個(gè)β粒子的射程差別很大。即使是初始能量相同的一束電子，由于它們?cè)陔婋x過(guò)程中損失的能量漲落很大，同時(shí)還存在軔致輻射和多次散射，因而它們?cè)谕晃镔|(zhì)中經(jīng)過(guò)直線距離差別也是很大的，所以不能用α粒子那樣的平均射程的概念來(lái)說(shuō)明β粒子的情況。β射線的最大射程β射線能量/MeV空氣(cm)生物組織(cm)鋁(cm)0.110.10.0160.0050.231.10.0490.01550.356.70.0890.0280.485.70.1870.0590.5119.00.1870.0591.03060.480.153.011001.740.555.019002.980.94幾種物質(zhì)中β粒子的射程α射線與β射線電離效應(yīng)比較

α射線

β射線徑跡粗直細(xì)彎

α

電離作用強(qiáng)電離作用嚴(yán)重產(chǎn)生離子對(duì)數(shù)目多電離作用Z1Z2/v2

Z1入射粒子原子序數(shù)Z1靶粒子原子序數(shù)

v入射粒子速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果1.2.3吸收和射程當(dāng)e+粒子與物質(zhì)作用，正電子的速度接近于零時(shí)，與附近原子中的電子（e-）結(jié)合，正負(fù)電荷抵消，兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量轉(zhuǎn)化為兩個(gè)方向相反，能量各為0.511Mev的光子而自身消失的過(guò)程成為湮沒(méi)輻射或光化輻射。1.2.4正電子與物質(zhì)的相互作用湮沒(méi)輻射（annihilationradiation)正電子與負(fù)電子相遇發(fā)生湮滅，產(chǎn)生兩個(gè)0.511MeV的γ光子。

e++e-

→

γ+γ

me++me-=0.511+0.511MeV質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量

轉(zhuǎn)化效率

(100%）

γ

γ湮沒(méi)輻射1.3射線與物質(zhì)的相互作用X和射線的區(qū)別是什么？γ射線對(duì)物質(zhì)的電離作用:兩步過(guò)程三種作用效應(yīng)

光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)

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

光子與物質(zhì)原子相撞時(shí)，把全部能量交給原子的一個(gè)軌道電子，光子本身消失，電子獲得能量后成為高能電子而擺脫原子核的束縛成為自由電子，使物質(zhì)電離，此過(guò)程稱(chēng)為光電效應(yīng)。光子能量越低，物質(zhì)原子序數(shù)越大，發(fā)生光電效應(yīng)的幾率也越高。

1.3.1光電效應(yīng)（photoelectriceffect)自由電子作用機(jī)制：光子同(整個(gè))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(dòng)能克服原子束縛跑出來(lái),成為自由電子，光子本身消失了。

γ+A

A*+e-（光電子）

原子

A+X射線原子受激原子光電效應(yīng)

光電子的能量Bi是殼層電子的結(jié)合能，不僅與原子序數(shù)Z有關(guān)，也與電子所在殼層有關(guān)。光子的能量必須大于殼層電子的結(jié)合能才能發(fā)生光電效應(yīng)。光電效應(yīng)的截面

光電效應(yīng)的截面稱(chēng)為光電截面，它表示一個(gè)入射光子與單位面積上一個(gè)靶原子發(fā)生光電效應(yīng)的概率。光電效應(yīng)截面的大小與光子能量和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)，而與物質(zhì)所處的化學(xué)和物理狀態(tài)無(wú)關(guān)。光電效應(yīng)發(fā)生在束縛最緊的內(nèi)層電子上，K殼層發(fā)生光電效應(yīng)的概率最大。

當(dāng)光子與核外電子發(fā)生非彈性相撞時(shí)，將部分能量傳給電子，電子獲得能量后脫離原子而運(yùn)動(dòng)，該電子稱(chēng)康普頓－吳有訓(xùn)電子，而使物質(zhì)電離。光子本身能量減少又改變了運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)光子的能量為0.5--1.0MeV時(shí)，該效應(yīng)比較明顯。1.3.2康普頓－吳友訓(xùn)效應(yīng)（Compton--Wueffect)

康普頓效應(yīng)散射光子與反沖電子入射光子能量（MeV）0.50.6621.01.52.03.04.0反散射光子能量（MeV）0.1690.1840.2030.2180.2260.2350.24不同入射光子能量對(duì)應(yīng)的反散射光子的能量

當(dāng)入射光子能量大于1.022MeV時(shí)，光子在原子核的庫(kù)侖電場(chǎng)作用下，γ射線消失，轉(zhuǎn)換成一對(duì)正負(fù)電子（二者又可結(jié)合轉(zhuǎn)化為γ光子），此過(guò)程稱(chēng)為電子對(duì)生成。電子對(duì)效應(yīng)通常發(fā)生在能量較大的光子。

1.3.3電子對(duì)生成（pairproduction)能量≥1.02MeV的γ射線與原子核作用可能產(chǎn)生一對(duì)正-負(fù)電子。

M＋γ→M+e++e-→

γ1+γ2

1.02MeV

meme0.511MeV0.511MeV基本條件：γ射線能量Eγ≥

1.02MeV為什么？能量轉(zhuǎn)化成質(zhì)量M=E/C2電子對(duì)生成1.電子對(duì)的能量2.電子對(duì)效應(yīng)截面hν稍大于2m0c2時(shí)，hν遠(yuǎn)大于2m0c2時(shí)，三種效應(yīng)與原子序數(shù)和光子能量的關(guān)系1.3.4

射線的吸收1.

射線吸收規(guī)律

射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，沿入射方向透過(guò)的

光子的能量不變。

射線比帶電粒子的穿透本領(lǐng)大得多，因此屏蔽和防護(hù)

射線比帶電粒子要困難。不同能量的

射線，在入射到物質(zhì)中時(shí)，三種相互作用對(duì)總吸收的貢獻(xiàn)是不一樣的。2.

射線吸收的特點(diǎn)瑞利散射——當(dāng)γ光子能量很低時(shí)，它進(jìn)入物質(zhì)后與原子殼層電子發(fā)生彈性碰撞，受到電子的散射，瑞利散射的幾率用μR表示：R——常量Z，N——物質(zhì)原子序數(shù)與原子密度Eγ——入射γ光子的能量1.