第1章-核輻射防護射線與物質相互作用

第1章射線與物質相互作用核輻射測量與防護電離輻射警告標志

電離輻射標志

放射性警示標志：要盡量避開貼有這些標志的物體！輻射防護是：原子能科學技術的一個重要分支，它是研究人類免受或少受電離危害的一門綜合性的邊緣學科。它涉及到原子核物理、放射化學、輻射劑量學、核電子學、放射醫(yī)學、放射生物學及放射生態(tài)學等學科?；救蝿帐牵罕Ｗo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、保護他們的后代、促進原子能事業(yè)的發(fā)展。實現(xiàn)輻射防護目的的辦法是：為了防止確定性效應的發(fā)生，把劑量當量限值定在足夠低的水平上，以保證從業(yè)者在終生全部時間內(nèi)受到的照射也不會達到產(chǎn)生有害效應的閾值。使一切具有正當理由的照射保持在合理的可以達到的盡量低的水平。

為了達到輻射防護目的，一切輻射實踐和設施的選址設計、建造、運行和退役，必須遵守輻射防護三原則:輻射實踐正當化輻射防護最優(yōu)化個人劑量的限制輻射防護的三原則是一個有機的統(tǒng)一體，在應用時必須綜合考慮。考核方式平時20%（出勤率+作業(yè)）期末80%（考試）教學內(nèi)容第1章射線與物質的相互作用第2章輻射劑量學基礎第3章核輻射探測方法第4章輻射來源及其影響第5章輻射防護參考書《電離輻射防護與安全基礎》楊朝文主編教材《輻射防護導論》方杰主編《輻射防護基礎》李星洪主編網(wǎng)絡教學平臺下載第1章射線與物質的相互作用1.1α

粒子與物質相互作用1.2射線與物質相互作用1.3

和X射線與物質相互作用1.4中子與物質相互作用1.5射線與物質相互作用特點小結1.1α粒子與物質相互作用1.1.1α粒子的性質高速運動的氦核，帶兩個正電荷，質量數(shù)為4，約為電子質量的7300倍。能進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是極個別，且半衰期相當長，如：T1/2=1.7×1011aT1/2=2×1015aT1/2=6.1×1011a1.1.2粒子與物質相互作用概述——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)生非彈性碰撞的結果可使原子發(fā)生電離或激發(fā)。帶電粒子通過物質自由電子正離子α+靶原子→正離子+電子+α

4He+Ar→Ar+

+e-+4He物質中原子被電離，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-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-庫侖作用帶電粒子通過物質時，與物質原子的殼層電子發(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帶負電荷的自由電子（次級電子），失去一個電子的原子則變成帶正電荷的離子，自由電子與離子構成離子對。這種使物質中性原子變成離子對的過程稱為電離。原電離——入射粒子直接作用引起的電離次級電離——由原電離產(chǎn)生的電子如果具有足夠的動能，它也能使原子電離，δ電子。電離（ionization）δ電子——α粒子與物質原子殼層電子直接碰撞時，可以產(chǎn)生高能電子的電離，出射的電子。δ電子可以使物質原子再電離或激發(fā)。電離帶電粒子通過物質時，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)轉入高能態(tài)，這種過程稱為激發(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，以發(fā)射光子的形式放出相應的能量。激發(fā)(excitation)電離和激發(fā)兩過程構成了重帶電粒子在碰撞過程中的主要能量損失。阻止本領公式式中：z：重帶電粒子的電荷數(shù)；e：一個電子的電量，等于1.602×10-19C;Z：物質原子的原子序數(shù)；N：物質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：電子的靜止質量I：物質原子中電子的平均等效電離電位。ú?ùê?é-????è?--+=???è?-22222e2421ln2ln4ccZCImNZmezdxdEeionuuuup阻止本領帶電粒子使物質原子電離或激發(fā)而損失的能量稱為電離能量損失。把帶電粒子在物質中單位路程上的電離損失稱為電離能量損失率，又稱為阻止本領。常用符號表示。腳標“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粒子和質子的速度相等，物質對α粒子的阻止本領是對質子阻止本領的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)與帶電粒子的質量無關。原因在于重帶電粒子的質量比電子質量至少大1800倍。重帶電粒子的質量與電子質量相比，都可以近似地被看成是無窮大。因此，重帶電粒子的質量的確切數(shù)值就對阻止本領沒有影響了。阻止本領表達式重要結論－1：(3)與重帶電粒子的速度有關。當速度較小時，可以近似地認為電離能量損失率與速度的平方成反比，對數(shù)項的數(shù)值影響不大；當速度比較高時，項變化很小，對數(shù)項的影響較大。當兩種粒子的速度相等時，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中的阻止本領就相同。例如質子、氘核和氚核，它們的質量不同，如果它們的速度一樣，則它們在同一物質中的阻止本領就一樣。(4)與物質的電子密度NZ成正比。物質密度越大，物質中原子的原子序數(shù)越高，則此種物質對重帶電粒子的阻止本領也越大。

阻止本領表達式重要結論－2：阻止本領表達式重要結論－3：（5）在中能區(qū)，阻止本領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度上形成的離子對數(shù)，單位為離子對/厘米。比電離應包括原電離和次電離產(chǎn)生的離子對。帶電粒子在物質中的射程任何一種帶電粒子在進入物質以后，通過與物質相互作用而不斷地損失能量。如果物質的厚度是足夠的，帶電粒子最終將完全停留在物質中，這種現(xiàn)象稱為物質對帶電粒子的吸收，這種物質稱為吸收物質。帶電粒子從進入物質到完全被吸收沿原入射的方向穿過的最大距離，稱為該粒子在物質中的射程，常用符號R表示。如果不指明在哪種物質中，而只是說“射程”多少，就是指粒子在標準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為平均射程。相同能量的粒子在同一種物質中的射程并不完全相同，這種現(xiàn)象稱為射程歧離。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因——每兩次碰撞間粒子穿過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定值。由于每個粒子都必須經(jīng)過多次的碰撞，因此，各個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)驗公式

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

是α粒子在標準狀態(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中的射程有經(jīng)驗公式：式中ρa和ρb、Aa和Ab分別為物質a和物質b的密度與相對原子量。重帶電粒子在物質中的射程與能量的關系在其它物質中的射程R可用在空氣中的射程R0進行換算，其公式如下：式中，A和ρ分別表示吸收物質原子的質量數(shù)和密度（單位為g/cm3），R的單位為cm。在其它物質中的射程：問題一：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粒子在幾種物質中的平均射程1.2β射線與物質相互作用1.2.1β射線的產(chǎn)生和特點快速電子或β射線（正電子和電子）與物質發(fā)生三種相互作用：非彈性散射、彈性散射和軔致輻射。由于電子的靜止質量約是α粒子的1/7000，所以它與物質相互作用及在物質中的運動軌跡都與重帶電粒子有很大差異。快速電子在物質中的損失一般需考慮電離損失和軔致輻射損失。電子與原子核庫侖場作用發(fā)生非彈性碰撞，產(chǎn)生軔致輻射，能量為幾個MeV的電子在鉛中的軔致輻射能量損失率接近電離損失率。組織本領公式低能時：高能時：快速運動電子通過原子核附近時，受到原子核庫侖電場的作用，速度大小和運動方向都發(fā)生變化，一部分能量以電磁波的形式輻射出來，這種輻射稱為軔致輻射。輻射能量損失（bremsstrahlung)電子打在熒光屏上產(chǎn)生X射線電視機顯像管特征:x射線能量連續(xù)0–EMax(電子能量)電視機高壓15kV電子束能量15keVx射線能量0-15keV產(chǎn)生機制原子核軔致輻射輻射能量損失率公式：m:入射粒子的質量E：入射粒子的能量z：入射粒子的電荷數(shù)Z：靶物質的原子序數(shù)N：單位體積內(nèi)靶物質的原子序數(shù)輻射能量損失率表達式重要結論：（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的電子穿過時，輻射損失和電離損失之比是多少?問題二β粒子的多次散射彈性散射概念（簡稱散射）——電子穿過物質時，運動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，但主要是由于原子核的庫侖力作用而發(fā)生的彈性碰撞結果，發(fā)生彈性碰撞時電子的能量變化很小，但電子的運行方向變化很大，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物質時先后受到許多原子核的彈性散射作用，稱為“多次散射”。電子在物質中的行程較大，散射次數(shù)愈多，電子的偏轉就顯著。電子經(jīng)過多次散射，最終散射角可以大于900，甚至可能是折返去，這種大于900的散射稱為反散射。在β放射源的活度測量中，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，這是因為Z低，原子核的庫侖場作用小一些。在進行β源活度的絕對測量時，必須對放射線的反散射襯托物的反射因素造成計數(shù)的增長予以修正，利用β射線的反散射計數(shù)變化與散射體厚度的關系，可以做成反散射厚度計來測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的一項專門應用。

β粒子多次散射和反散射的應用非彈性散射非彈性碰撞——當快速電子通過物質時，它與物質原子的殼層電子發(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：實質上是靜電相互作用。1.2.3吸收和射程吸收——無論是單能電子束，還是能量連續(xù)分布的β射線，在經(jīng)過一定厚度的物質時，電子的數(shù)目隨著距離的增加而逐步減少，這種現(xiàn)象稱為吸收。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說明β粒子的情況

在物質中的路徑和射程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，這個射程與α粒子能量有關，對于β射線來說，因為β粒子的能量是從零到Eβ最大連續(xù)分布，所以各個β粒子的射程差別很大。即使是初始能量相同的一束電子，由于它們在電離過程中損失的能量漲落很大，同時還存在軔致輻射和多次散射，因而它們在同一物質中經(jīng)過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說明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幾種物質中β粒子的射程α射線與β射線電離效應比較

α射線

β射線徑跡粗直細彎

α

電離作用強電離作用嚴重產(chǎn)生離子對數(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入射粒子速度實驗結果1.2.3吸收和射程當e+粒子與物質作用，正電子的速度接近于零時，與附近原子中的電子（e-）結合，正負電荷抵消，兩個電子的靜止質量轉化為兩個方向相反，能量各為0.511Mev的光子而自身消失的過程成為湮沒輻射或光化輻射。1.2.4正電子與物質的相互作用湮沒輻射（annihilationradiation)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+γ

me++me-=0.511+0.511MeV質量轉化為能量

轉化效率

(100%）

γ

γ湮沒輻射1.3射線與物質的相互作用X和射線的區(qū)別是什么？γ射線對物質的電離作用:兩步過程三種作用效應

光電效應康普頓效應電子對效應

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

光子與物質原子相撞時，把全部能量交給原子的一個軌道電子，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，使物質電離，此過程稱為光電效應。光子能量越低，物質原子序數(shù)越大，發(fā)生光電效應的幾率也越高。

1.3.1光電效應（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+A

A*+e-（光電子）

原子

A+X射線原子受激原子光電效應

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

光電效應的截面稱為光電截面，它表示一個入射光子與單位面積上一個靶原子發(fā)生光電效應的概率。光電效應截面的大小與光子能量和吸收物質的原子序數(shù)有關，而與物質所處的化學和物理狀態(tài)無關。光電效應發(fā)生在束縛最緊的內(nèi)層電子上，K殼層發(fā)生光電效應的概率最大。

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

康普頓效應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應的反散射光子的能量

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，轉換成一對正負電子（二者又可結合轉化為γ光子），此過程稱為電子對生成。電子對效應通常發(fā)生在能量較大的光子。

1.3.3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

1.02MeV

meme0.511MeV0.511MeV基本條件：γ射線能量Eγ≥

1.02MeV為什么？能量轉化成質量M=E/C2電子對生成1.電子對的能量2.電子對效應截面hν稍大于2m0c2時，hν遠大于2m0c2時，三種效應與原子序數(shù)和光子能量的關系1.3.4

射線的吸收1.

射線吸收規(guī)律

射線穿過物質時，強度按指數(shù)規(guī)律衰減，沿入射方向透過的

光子的能量不變。

射線比帶電粒子的穿透本領大得多，因此屏蔽和防護

射線比帶電粒子要困難。不同能量的

射線，在入射到物質中時，三種相互作用對總吸收的貢獻是不一樣的。2.

射線吸收的特點瑞利散射——當γ光子能量很低時，它進入物質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——物質原子序數(shù)與原子密度Eγ——入射γ光子的能量1.