第二節　電離輻射與物質的相互作用

電離輻射是指所有具有足夠能量使電子脫離原子軌道束縛的輻射的總稱。主要包括高速帶電粒子如α粒子、β 粒子、電子和質子，以及非帶電粒子X 射線、γ 射線和中子等。電離輻射與物質的相互作用是放射線探測和顯像、放射性核素治療等應用的基礎。

一、帶電粒子和物質的相互作用

（一）電離

具有足夠能量的帶電粒子與原子中的軌道電子發生碰撞，使軌道電子獲得足夠的能量脫離原子，造成原子的電離，形成正負離子對，這個過程稱電離（ionization）。

電離的強弱常用電離密度（ionization density）來表示，即帶電粒子在單位路徑上產生的離子對數。帶電粒子的電荷量越大、運動速度越慢、所經過的物質密度越大，電離密度就越大。電離作用已廣泛應用于多種粒子探測器，測定帶電粒子的強度和速度，包括電離室、云室和核乳膠等。

（二）激發

入射帶電粒子所攜帶的能量不足，使原子內的軌道電子不能脫離原子，只能使低能級的軌道電子躍遷到高能級軌道上去，整個原子處于能量較高的狀態的過程，這個過程稱激發（excitation）。處于激發態的原子很容易自發躍遷回到基態，同時釋放出特征X 射線或俄歇電子，可以產生次級電離。

（三）軔致輻射

高速帶電粒子在原子庫侖場的作用下，運動方向和速度發生變化，帶電粒子的部分動能轉化為連續能譜的電磁輻射，這種輻射稱軔致輻射（bremsstrahlung）。產生軔致輻射的能量與帶電粒子能量成正比，與原子序數Z2成正比，與帶電粒子的質量平方成反比。

（四）散射

入射的帶電粒子受到物質中原子核庫侖電場的作用而改變速度和運動方向，但不輻射光子，也不激發原子核的過程稱散射（scattering）。其中僅運動方向改變而能量不變者稱彈性散射。α 粒子的質量較大，其徑跡基本上是直線進行的，散射不甚明顯；β 粒子的質量較小，其徑跡是折線進行的，散射較為明顯。

（五）湮沒輻射

湮沒輻射（annihilation radiation）是指一個粒子與其反粒子發生碰撞時，其質量可能轉化為γ 射線的過程，如正電子湮沒輻射。正電子的平均壽命僅有10-9s，它與物質相互作用并完全耗盡其動能前，與物質中的自由電子相結合，正負兩個電子的靜止質量可轉化為方向相反、能量各為0.511MeV 的兩個γ 光子。

（六）契倫科夫輻射

當高速帶電粒子在透明介質中以大于光在這種介質中的傳播速度運動時，帶電粒子的部分能量以電磁波的形式輻射出來，這種現象即契倫科夫輻射。

二、光子與物質的相互作用

X（γ）射線既是一種電磁輻射，也是一種粒子（光子）。與帶電粒子相比，X（γ）光子與物質相互作用時并不能直接引起物質原子電離和激發，而是首先把能量傳遞給帶電粒子，繼而發生光電效應、康普頓效應和電子對效應等作用。

（一）光電效應

光電效應是低能時X（γ）光子與物質相互作用的最主要形式。相對于水，光電效應發生概率占優勢的能量范圍為10～30keV。具有一定能量的X（γ）光子和物質原子的軌道電子發生相互作用，把其全部能量傳遞給軌道電子，X（γ）光子消失，獲得能量的軌道電子脫離原子成為自由電子（光電子）；原子由于軌道電子的脫離處于激發態，繼而發射特征X 線或俄歇電子回到基態，這種過程稱為光電效應（photoelectric effect）。隨著原子序數的增加，光電效應發生的概率增加；X（γ）光子的能量越大，光電效應發生的概率減少。

（二）康普頓效應

康普頓效應主要發生在X（γ）光子能量較大范圍時。相對于水，康普頓效應發生概率占優勢的能量范圍為30keV～25MeV。X（γ）光子和物質原子內的軌道電子發生相互作用，部分能量傳遞給軌道電子，X（γ）光子本身能量減少，運動方向發生改變；獲得能量的軌道電子脫離原子成為自由電子（反沖電子）。這種過程稱為康普頓效應。

（三）電子對效應

電子對效應僅發生在入射X（γ）光子能量高于1.02MeV 時。相對于水，光電效應發生概率占優勢的能量范圍為25～100MeV。當X（γ）光子從原子核旁經過時，在原子核庫侖場的作用下形成一對正負電子，稱為電子對效應。形成的正電子可繼而在物質中與一個自由電子結合發生電子對湮沒作用，產生湮沒輻射。

三、電離輻射與物質相互作用的計量

（一）照射量

照射量（exposure）其定義是X（γ）光子在單位質量為dm 的空氣中釋放的所有次級電子完全被空氣阻止，形成的同一種符號離子的總電荷（dQ）。主要用于衡量X（γ）光子輻射在空氣中的電離能力，用符號X表示。由于現有技術不能對能量很低和很高的X（γ）光子的照射量做精確的測量，因此，照射量僅適用于能量介于10keV～3MeV 的X（γ）射線。

X=dQ·dm-1

照射量的國際單位為庫侖·千克-1（C·kg-1）。曾用單位是倫琴（roentgen，R），1R=2.58×10-4（C·kg-1）。

照射量率是指單位時間內的照射量增加量，其國際單位為庫侖·千克-1·秒-1（C·kg-1·S-1），曾用單位為倫琴·分-1（R·min-1）。

（二）吸收劑量

吸收劑量（absorbed dose）是度量單位質量被照射物質所吸收輻射能量多少的一個值，用符號D 表示。其定義為電離輻射給予質量為dm被照射物質的平均授予能（dE）。吸收劑量是計算輻射損傷效應最重要的一個計量，適用于任何類型、任何能量及任何照射物質。同樣照射條件下，不同物質的吸收能力均不一樣。因此，在論及吸收劑量時，應該明確輻射類型和物質特征。

D=dE·dm-1

吸收劑量的國際單位是戈瑞（gray，Gy），1Gy=1（J·kg-1）。曾用單位為拉德（rad），1Gy=100rad。

單位時間內的吸收劑量增加量，稱為吸收劑量率。單位為戈瑞·秒-1（Gy·s-1）。

（三）當量劑量

當量劑量是用于輻射防護劑量學的一個基本量，是一個嚴格意義的吸收劑量，用符號HT表示。其定義為某一組織器官T 所接受的平均吸收劑量DT·R，經輻射全重因子（WR）加權處理的吸收劑量。

當量劑量的國際單位是希沃特（Sv），1Sv =1（J·kg-1）。

在吸收劑量相同的情況下，不同輻射類型所產生的生物效應的嚴重性各不同，為了便于比較，在輻射防護中引入輻射全重因子。輻射全重因子代表特定輻射在小劑量照射時誘發隨機效應的相對生物效應數值。常用的輻射類型權重因子見表1-2。

（劉建軍　李林法）