第四节　射线与物质的相互作用

一、带电粒子与物质的相互作用

（一）作用的一般过程

1.带电粒子与轨道电子作用，引起原子的电离和激发。

2.带电粒子与原子核作用，产生轫致辐射、散射和核反应。

（二）电离

带电粒子（α、β射线）与物质的原子相互作用，使核外轨道电子获得足够的能量而脱离原子，成为自由电子。原子失去电子成为离子。原子或原子团由于失去电子（或得到电子）而变成离子的过程称为电离（ionization）。

1.一次电离（原电离）

入射带电粒子引起的电离。

2.次（级）电离

一次电离产生的自由电子有一些能量较高，又可引起电离，称为次电离。

3.总电离

原电离与次电离之和称为总电离。

4.电离密度（ionization density）

带电粒子在单位路程上产生的电子-离子对的数目称为电离密度。用η表示，它和粒子电荷量q、粒子速度v以及物质密度ρ有关：

例如，α粒子（q大，v慢）和β粒子相比，α粒子的电离能力强。

（三）激发

如果在带电粒子与原子的相互作用中传递给轨道电子的能量不足以使原子电离，相互作用的结果是轨道电子运动到更高的壳层，即原子激发（excitation）。激发后的原子放出特征X射线或产生俄歇效应。

（四）散射

入射粒子与粒子或粒子系统碰撞而改变运动方向和能量的过程，称为散射（scattering）。若仅改变方向而不改变能量者称为弹性散射。散射时粒子偏转角度θ与粒子和物质性质有关：

粒子电荷q↑；物质原子序数Z↑；粒子质量m↓；粒子速度v↑；偏转角θ↑。

在一次或多次散射后，粒子可能转向入射方向运动，称为反散射。

（五）韧致辐射

高速带电粒子穿过物质时，受原子核的作用力而改变速度，失去动能，其中的一部分动能以电磁波的形式辐射出来，称之为韧致辐射（bremsstrahlung）。韧致辐射发射的能量分布从0到粒子的最大能量。

韧致辐射中发射电磁波的多少与粒子和物质性质的关系：

轻元素（H、C）产生韧致辐射较少，而重元素（如铅）产生的韧致辐射多。

1.只有当粒子能量较高时，韧致辐射才显著。

2.轻粒子（如β粒子）才有显著的韧致辐射。

3.防护屏的材料应采用原子序数较低的物质作为第一层。

（六）吸收

入射带电粒子经电离、激发和韧致辐射等失去能量后，被物质吸收。α粒子俘获周围原子的两个电子成为氦原子，β-粒子成为自由电子，β+粒子与电子产生湮灭反应后消失。带电粒子在物质中运动从起点到终点的直线距离称为射程。

对α粒子来说，能量相同的α粒子射程基本相同。它在空气中的射程与能量的关系为：

其中R的单位为厘米，E的单位为MeV。比如，241 Am发射的α粒子（E=5.49MeV）在空气中的射程为

对于β粒子，由于其能量是连续的，而且有较多的散射和轫致辐射，因此β粒子的射程有很大不同。能量最大的β粒子所运动的最大距离称为最大射程，这个射程不便测量。通常是实际测量吸收曲线，将其外直线部分外推到与本底线相交，此处的吸收物质厚度称为外推射程（图1-15）。

除了考虑β粒子的射程外，还经常关心经一定厚度的物质吸收后的数量。其公式为：

其中Nβ0为吸收前的数量，Nβ为吸收后的数量，d为吸收物质的厚度，μ是物质的线性衰减系数，它是单位厚度的物质所吸收和散射的粒子数与入射粒子总数的比例，常用单位为厘米-1。

线性衰减系数与物质密度和β粒子的能量有关。物质密度增加或粒子能量减少时，线性衰减系数都会增加。

将入射粒子的数量吸收一半的物质厚度称为半值层（d1/2），d1/2=0.692/μ。

除了用线性衰减系数表示物质的吸收能力外，还可用质量吸收系数表示。

二、γ射线与物质的相互作用

根据物理学中的“波-粒二象性”原理，γ射线和X射线既是电磁波，又是光子。γ光子不带电，与物质的相互作用有三种方式。

（一）光电效应

光电效应（photoelectric effect）也称光电吸收（photoelectric absorption），是指光子在与原子的作用中，把全部能量传递给一个轨道电子，使其脱离原子，成为自由电子，原子被电离，光子本身消失。

电子的动能为E pe=Eγ-Eb，其中Eγ为γ光子能量，Eb为电子所在壳层的结合能，可见γ光子的能量必须大于轨道电子的结合能才能产生光电效应。如果γ光子的能量足够大，则光电子最可能从更内层的轨道上发射。例如，如果γ光子的能量大于K壳层电子的结合能，则光电效应中发射K壳层电子的概率比发射L壳层电子的概率高4～7倍。带有能量的自由电子通过电离、激发等作用失去能量。失去电子的原子通过产生特征X射线等回到基态。原子序数低的原子，特征X射线能量较低，如几个keV，而原子序数高的原子，如碘和铅，特征X射线能量较高，为20～100keV。

光电效应发生的概率，随原子序数Z的增加而增加，随光子能量的增加而减少。

（二）康普顿效应

康普顿效应（compton effect）又称为康普顿-吴有训效应和康普顿散射。其过程是γ光子与物质的电子相互作用，把一部分能量传递给电子，使其脱离原子，光子改变运动方向。入射γ光子的能量分配情况为：

因为散射中γ光子是与原子外层结合松散的电子作用，Eb很小，通常忽略不计。即认为γ光子是与自由电子发生作用。因此，γ光子的散射与物质的特性无关。

γ光子在散射中损失的能量（即电子获得的动能）与散射角度有关。

可以看出，当散射角θ很小时，γ光子在散射中几乎不损失能量，而当θ=180°时，损失的能量最大。散射角θ=180°的散射称为反散射，反散射中电子获得的能量为：

而反散射后γ光子的能量为：

γ光子的散射概率有以下特点：

1.与γ光子的能量成反比，即高能光子散射少，低能光子散射多。

2.能量较低时，在各个方向散射的概率大致相等。

3.能量增加时，小角度的散射概率增加。

（三）电子对生成

当能量大于1.02MeV的γ光子从核附近穿过时，可能产生一个正负电子对（electron pair production），而光子本身消失。正、负电子的能量分配是随机的。

1.02MeV是两个电子的质量所对应的能量。

电子对生成的概率与γ光子的能量和物质的原子序数成正比。

（四）γ射线的吸收规律

多个γ光子与物质作用后，其数量的变化在能量单一和射线束很窄的条件下服从指数规律。

μ是线性衰减系数，它是γ光子与物质作用的各种途径的线性衰减系数之和。

三、中子与物质的相互作用

（一）中子按能量分类

（二）作用形式

中子不带电，主要与原子核作用，有以下几种形式：

1.弹性碰撞

中子与核作用，将一部分能量传递给核，引起核的运动（称为反冲）。其特点是中子与轻核碰撞能量损失大，与重核碰撞能量损失小，因此常用轻物质（含H）吸收中子。

2.非弹性碰撞

中子穿入核内，将一部分能量传递给核后，核吸收能量后处于激发态，最后放出γ射线回到基态。

3.辐射俘获，（n，γ）反应

中子与核作用，并被核吸收，使核处于激发态。激发态的核通过发射γ射线、发射质子、发射α粒子、裂变等方式释放能量。

四、辐射剂量的基本概念

α、β、γ、n等，它们和物质作用时，都把能量传递给物质，引起原子的电离，因此常把它们统称为电离辐射。

（一）照射量、照射量率

照射量（exposure）是X射线和γ光子对空气的电离能力的量度。其定义为：在空气中的某一点上，X射线或γ光子在质量为dm的一个无限小的体积元中，与原子相互作用产生的全部次级电子，在空气中完全被阻止所产生的正、负离子对中某一种符号的总电荷的dQ，与该质量之比。表示为：X=dQ/dm

照射计量的单位：①SI制：库仑/千克（C/kg）；②专用单位（常用）：伦琴（R）、毫伦（mR）、微伦（μR）。

照射量率的定义：单位时间内的照射量，称为照射量率。表示为：P=dX/d t，其单位为库仑/（千克·秒）[C/（kg·S）]。

照射量率与放射性样品的活度的关系为：

Kr是照射率常数，或电离常数，表示距离1mCi的点状放射源1cm处1小时内产生的照射量率，单位为（伦琴·平方厘米）/（小时·毫居里），不同核素的Kr可查有关手册获得。

C是点源的放射性活度，单位是毫居里。

R是距点源的距离，单位是厘米。

若在所考虑时间内照射量率不变化，则照射量与放射性样品的活度的关系为：

上式揭示了外照射防护中的三个重要因素，即时间T、距离R和屏蔽（Kr C）。为了减少照射，应尽量缩短照射时间，增大与源的距离，并采用适当的屏蔽措施。

（二）吸收剂量

吸收剂量（D）的定义：任何被照射物质每单位质量所吸收的任何电离辐射的平均能量称为吸收剂量。

吸收剂量的单位为格雷（Gy）和拉德（rad）。

吸收剂量可从照射量换算获得：

其中f是换算因子，与介质和射线能量有关，可查表获得。

（三）当量剂量

辐射类型和照射条件不同时，相同的吸收剂量引起的生物效应不同。

当量剂量是用适当修正系数对吸收剂量进行修正，把吸收剂量与射线对生物机体的影响统一起来，使修正后的吸收剂量能更好地反映辐射对机体的危害。

单位：西沃特（SV）

Q：品质因数，相同剂量的不同辐射的生物效应的强弱。

N：其他修正，吸收剂量的空间和时间分布等因素的修正系数。

（四）内照射剂量计算

在核医学检查和治疗中，常关心体内某一器官所受到的照射的吸收剂量。当放射性核素进入人体后，器官所受到的照射可能来自本器官，也可能来自体内的其他器官。被照射的器官称为靶器官，对其照射的器官称为源器官。靶器官和源器官可以是同一个器官。

计算靶器官的吸收剂量通常采用以下步骤：

1.确定源器官中的放射性活度和停留时间，用累积活性来表示：

A（t）为放射性活度随时间的变化函数。

2.计算源器官中的放射性发出的总的放射性能量，用平衡吸收剂量常数表示，平衡吸收剂量常数与射线的类型有关，

Ei为第i种发射的平均能量，Ni为发射的分支比（即每次衰变发射的次数）。总的平衡吸收剂量常数

如 Δ=Δα+Δβ+Δγ+Δx

3.计算靶器官吸收了多少由源器官发出的放射性能量，用吸收分数表示，吸收分数与靶器官的组成和体积、射线的类型和能量以及源器官和靶器官之间的解剖关系都有关。因此用ϕi（rk←rh）表示由核素的第i种发射引起的从源器官rh发出，被靶器官rk吸收的能量的吸收分数。于是，从源器官rh发出，被靶器官rk吸收的总能量为，单位为g·rad。平均吸收剂量为靶器官吸收的能量除以器官的重量，

靶器官总吸收剂量是从体内所有源器官来的剂量的总和。