第二节 放射与物质的相互作用
一、带电粒子与物质的相互作用
(一)电离(ionization)
带电粒子在从吸收物质原子旁掠过时，由于它们与壳层电子之间发生静电库仑作用，壳层电子便获得能量。如果壳层电子获得的能量足够大，它便能够克服原子核的束缚而脱离出来成为自由电子。这时，物质的原子便被分离成一个自由电子和一个正离子，它们合称离子对。这样一个过程就称为电离。脱离出来的自由电子通常具有较高的功能，它又可以引起其它原子或分子电离，称为次级电离。
(二)激发(excitation)
带电粒子给予壳层电子的能量较小，还不足以使它脱离原子的束缚而成为自由电子，但是却由能量较低的轨道跃迁到较高的轨道上去，这个现象称为原子的激发。处于激发态的原子是不稳定的。它要自发地跳回到原来的基态，其中多余的能量将以可见光或紫外光的形式释放出来，这就是受激原子的发光现象。
(三)散射(scattering)
散射是带电粒子与被通过的介质的原子核发生相互作用的结果。在这种作用下，带电粒子只改变运动方向，不改变能量。方向改变的大小与带电粒子的质量有关。
(四)轫致辐射(bremsstrahlung)
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。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。
(五)吸收(absorption)
带电粒子在介质中通过，由于与介质相互作用耗尽了能量而最终停止下来，这种现象称为被介质吸收。
二、光子与物质的相互作用
光子是电磁辐射，可通过以下三种效应与介质发生作用。
(一)光电效应(photoelectric effect)
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。
(二)康普顿效应(Compton effect)
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。
(三)电子对产生(electron pair production)
能量大于1.02M eV的γ光子在物质中通过时，可与原子核碰撞，转变成一个电子和一个正电子，从原子中发射出来。被发射出的电子和正电子还能继续与介质发生相互作用。
γ光子通过上述三种效应，能量逐渐减弱、方向发生不同的改变，最终也可表现为被吸收。
三、中子与物质的相互作用
中子本身不带电，在通过物质时主要是与原子核发生作用，产生次级电离粒子而使物质电离。
(一)弹性散射(elastic scattering)
弹性散射是中子通过物质时损失能量的重要方式。原子核从中子动能中得到一部分能量而形成反冲核，中子则失去部分动能且偏离原方向。反冲核越轻、反冲角越大、反冲核得到的能量越多。反冲核动能和入射中子能量成正比。
(二)非弹性散射(inelastic scattering)
入射中子与原子核作用形成复合核，复合核放出中子后如处在激发态，则会立即会放出γ射线而回到基态。入射中子的能量必须大于原子核的最低激发能，非弹性散射才可能发生。
(三)中子俘获(neutron capture)
慢中子或热中子与物质作用时，很容易被原子核俘获而产生核反应。核反应的产物可能是稳定核素，也可能是放射性核素，同时还释放出γ光子和其它粒子。某些稳定核素，在慢中子作用下，生成放射性核素，称为感生放射性核素(inducedradionuclide)，它具有的放射性，称为感生放射性(induced radioactivity)。
四、传能线密度和相对生物效应
(一)传能线密度(linear energy transfer，LET)
LET是反映能量在微观空间分布的物理量，以L△表示。
L△=(dE/dl)△
式中dl是带电粒子的物质中穿行的路程，以微米计；△是能量截止值、以eV为单位。只有能量转移小于△的碰撞才有意义；dE是在dl路程内能量转移小于△的历次碰撞造成的能量丧失的总和。
所以，传能线密度是带电粒子在物质中穿行单位路程时，由能量转移小于△的历次碰撞所造成的能量损失。LET反映的是很小一个空间中单位长度(μm)路程上能量转移的多少。
L△的SI单位是“焦耳每米”(J·m-1)，也可使用keV·μm-1。重带电位粒子具有较高的L△值(表1-1)。高LET辐射(如α粒子、中子)比低LET辐射(如X、γ射线)的生物效应大。
表1-1 不同类型和不同能量的电离辐射的传能线密度
辐射类型
粒子动能(MeV)
传能线密度(keV/μm)
辐射类型
粒子动能(MeV)
传能线密度(keV/μm)
γ-线
1.17～1.33
0.3
中子
4
17
8
0.2
14
12
X-线
250kVp
3.3～3.8
质子
0.95
45
0.2
2.5
2.0
17
β-粒子
0.0055
5.5
7.0
12
0.01
4.0
340
0.3
0.1
0.7
α-粒子
3.4
130
1.0
0.25
5.0
90
2.0
0.21
27
25
(二)相对生物效应(relative biological effectiveness，RBE)
由于各种辐射的品质不同，在相同吸收剂量下，不同辐射的生物效应是不同的，反映这种差异的量称为相对生物效应(RBE)。相对生物效应是引起相同类型相同水平生物效应时，参考辐射的吸收剂量比所研究辐射所需剂量增加的倍数。通常以X线或γ线作为参考辐射，参考辐射本身的RBE＝1。辐射的RBE越大，其生物效应越高(表1-2)。
表1-2 各种电离辐射的相对生物效应
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(一)电离(ionization)
带电粒子在从吸收物质原子旁掠过时，由于它们与壳层电子之间发生静电库仑作用，壳层电子便获得能量。如果壳层电子获得的能量足够大，它便能够克服原子核的束缚而脱离出来成为自由电子。这时，物质的原子便被分离成一个自由电子和一个正离子，它们合称离子对。这样一个过程就称为电离。脱离出来的自由电子通常具有较高的功能，它又可以引起其它原子或分子电离，称为次级电离。
(二)激发(excitation)
带电粒子给予壳层电子的能量较小，还不足以使它脱离原子的束缚而成为自由电子，但是却由能量较低的轨道跃迁到较高的轨道上去，这个现象称为原子的激发。处于激发态的原子是不稳定的。它要自发地跳回到原来的基态，其中多余的能量将以可见光或紫外光的形式释放出来，这就是受激原子的发光现象。
(三)散射(scattering)
散射是带电粒子与被通过的介质的原子核发生相互作用的结果。在这种作用下，带电粒子只改变运动方向，不改变能量。方向改变的大小与带电粒子的质量有关。
(四)轫致辐射(bremsstrahlung)
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。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。
(五)吸收(absorption)
带电粒子在介质中通过，由于与介质相互作用耗尽了能量而最终停止下来，这种现象称为被介质吸收。
二、光子与物质的相互作用
光子是电磁辐射，可通过以下三种效应与介质发生作用。
(一)光电效应(photoelectric effect)
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。
(二)康普顿效应(Compton effect)
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。
(三)电子对产生(electron pair production)
能量大于1.02M eV的γ光子在物质中通过时，可与原子核碰撞，转变成一个电子和一个正电子，从原子中发射出来。被发射出的电子和正电子还能继续与介质发生相互作用。
γ光子通过上述三种效应，能量逐渐减弱、方向发生不同的改变，最终也可表现为被吸收。
三、中子与物质的相互作用
中子本身不带电，在通过物质时主要是与原子核发生作用，产生次级电离粒子而使物质电离。
(一)弹性散射(elastic scattering)
弹性散射是中子通过物质时损失能量的重要方式。原子核从中子动能中得到一部分能量而形成反冲核，中子则失去部分动能且偏离原方向。反冲核越轻、反冲角越大、反冲核得到的能量越多。反冲核动能和入射中子能量成正比。
(二)非弹性散射(inelastic scattering)
入射中子与原子核作用形成复合核，复合核放出中子后如处在激发态，则会立即会放出γ射线而回到基态。入射中子的能量必须大于原子核的最低激发能，非弹性散射才可能发生。
(三)中子俘获(neutron capture)
慢中子或热中子与物质作用时，很容易被原子核俘获而产生核反应。核反应的产物可能是稳定核素，也可能是放射性核素，同时还释放出γ光子和其它粒子。某些稳定核素，在慢中子作用下，生成放射性核素，称为感生放射性核素(inducedradionuclide)，它具有的放射性，称为感生放射性(induced radioactivity)。
四、传能线密度和相对生物效应
(一)传能线密度(linear energy transfer，LET)
LET是反映能量在微观空间分布的物理量，以L△表示。
L△=(dE/dl)△
式中dl是带电粒子的物质中穿行的路程，以微米计；△是能量截止值、以eV为单位。只有能量转移小于△的碰撞才有意义；dE是在dl路程内能量转移小于△的历次碰撞造成的能量丧失的总和。
所以，传能线密度是带电粒子在物质中穿行单位路程时，由能量转移小于△的历次碰撞所造成的能量损失。LET反映的是很小一个空间中单位长度(μm)路程上能量转移的多少。
L△的SI单位是“焦耳每米”(J·m-1)，也可使用keV·μm-1。重带电位粒子具有较高的L△值(表1-1)。高LET辐射(如α粒子、中子)比低LET辐射(如X、γ射线)的生物效应大。
表1-1 不同类型和不同能量的电离辐射的传能线密度
辐射类型
粒子动能(MeV)
传能线密度(keV/μm)
辐射类型
粒子动能(MeV)
传能线密度(keV/μm)
γ-线
1.17～1.33
0.3
中子
4
17
8
0.2
14
12
X-线
250kVp
3.3～3.8
质子
0.95
45
0.2
2.5
2.0
17
β-粒子
0.0055
5.5
7.0
12
0.01
4.0
340
0.3
0.1
0.7
α-粒子
3.4
130
1.0
0.25
5.0
90
2.0
0.21
27
25
(二)相对生物效应(relative biological effectiveness，RBE)
由于各种辐射的品质不同，在相同吸收剂量下，不同辐射的生物效应是不同的，反映这种差异的量称为相对生物效应(RBE)。相对生物效应是引起相同类型相同水平生物效应时，参考辐射的吸收剂量比所研究辐射所需剂量增加的倍数。通常以X线或γ线作为参考辐射，参考辐射本身的RBE＝1。辐射的RBE越大，其生物效应越高(表1-2)。
表1-2 各种电离辐射的相对生物效应
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第一章 核物理基础
第一节 原子核及原子核的转变(缺)
第一篇 核武器损伤
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