电离辐射基本知识

苏州大学公共卫生学院曹毅医学博士国家注册核安全工程师yicao@65881552基本内容辐射概念原子与原子核放射性活度及衰减电离辐射与物质相互作用19世纪末，人类相继发现了X射线、放射性和电子，这三大发现揭开了近代物理的序幕，物质结构的研究开始进入微观领域。三大发现为核能和核技术应用奠定了基础一、辐射辐射:以粒子或电磁波形式传递的能量。粒子：中子n，质子p，α、β、带电粒子等。电磁波：普通电磁波、X射线、γ射线。辐射之所以有健康危害,是因为其具有能量。大体上，能量越大，辐射的危害越大。电离与非电离辐射电离辐射-能量能够引起原子电离的辐射(>10eV)

核辐射(n,p,d,T,e,X/γ,带电粒子等)都是电离辐射非电离辐射-能量不足以引起原子电离的辐射(<10eV)紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波(电离:原子失去电子)放射性工作者主要关心电离辐射(核辐射)辐射源：发射电离辐射或者释放放射性物质而引起辐射照射的一切物质或者实体。放射源：辐射源中一类源的称谓。除研究堆和核动力堆核燃料循环范畴的材料以外，永久密封在容器中或者有严密包层并呈固态的放射性物质。电离辐射源天然辐射源人工辐射源宇宙射线宇生放射性核素宇宙射线原生放射性核素核恐怖核爆核技术应用核设施222Rn及其子体核技术医学应用二、原子与原子核核素

(nuclide)处于一定能级的具有相同质子数和中子数的同一类原子的总称。如99Tcm、99Tc等。同位素(isotopes)―质子数Z相同,中子数N不同的核素互为同位素。234,235,238U是铀的三种天然同位素。放射性核素(radionuclide)－能够自发地发射粒子(射线)或自发裂变的核素。如60Co、137Cs等。e-e-e-1H2H3HDTH99％1％PPnnnPH同位素

人类已经发现近2800多种核素，天然核素330多个，人工合成约2500种，天然核素中稳定核素～279，放射性核素～50。三、放射性原子核自发地发射各种粒子(射线)的行为称为原子核的放射性。原子核自发地发射各种粒子而转变成另外的原子核的过程则称为原子核衰变。(α、β-、β+

、γ,等)

天然放射性核素天然放射性核素天然放射系238U、235U、232Th半衰期很长40K天然核反应3H、14C天然放射系铀系（238U）锕系（235U）钍系（232Th）镭（226Ra）镭（223Ra）镭(228Ra,224Ra)氡（222Rn）氡（219Rn）氡（220Rn）短寿命子体(218Po,214Pb,214Bi)短寿命子体(216Po,212Pb,212Bi)终止核素(206Pb)终止核素(207Pb)终止核素(208Pb)人工放射性核素加速器生产；反应堆生产。Example:重核裂变产物：90Sr,137Cs,99Mo。反应堆:125I,131I,60Co,99Mo。加速器:186Re,18F,11C。四、放射源强度与衰减放射性核素(天然/人工)都要发生衰变;以固定的衰变几率(λ)衰变;(λ又称衰变常数)表征放射性强弱的量:活度(A)

A=λN活度单位:1贝克(Bq)=1d/s(SI)1居里(Ci)=3.7×1010d/s=3.7×1010Bq核素数目与活度的衰减

放射性核素衰变遵从指数衰变规律半衰期

(T1/2):放射性核素的数目减少至原来一半所需要的时间.No=100T1/2=5dTime(days)020406080100051015核素半衰期232Th1.411010a238U4.47109a235U7.04108a137Cs30.17a60Co5.27a125I60.2d131I8.04d99Tcm6.02h18F1.82h五、电离辐射与物质相互作用各种粒子/射线的穿透能力1.带电粒子与物质相互作用电离与激发辐射损失.高速运动的带电粒子突然加速或减速时会发出具有连续能量的电磁辐射，通常称作韧致辐射。β正电子湮灭辐射：正负电子电子相遇，产生0.511MeV的γ湮灭辐射(方向相反).2.射线与物质相互作用光电效应康普顿效应电子对效应3.中子与物质相互作用散射俘获电离（Ionization）：

从原子、分子或其他束缚状态释放一个或多个电子的过程。在电离过程中产生的负离子和正离子形成离子对。带电粒子通过物质自由电子正离子α+靶原子→正离子

+电子

+α

4He+Ar→Ar+

+e-+4He物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对：正离子和自由电子

+e-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-库仑作用激发（Excitation）：

如果上述过程中电子尚不能摆脱原子核的束缚，只能从低能态跃迁到高能态，则称为激发。轫致辐射（Bremsstrahlung）物质中带电粒子受到原子核、电子电场的作用，运动方向发生大的偏折，部分动能变成能量连续分布的X射线的光子能量。物质中X、γ射线能量的转移和吸收X、γ射线与

可见光、紫外线

无线电波、红外线

一样属于电磁辐射，

具有波粒二象性。γ射线对物质的电离作用:两步过程三种作用效应

光电效应康普顿效应电子对效应

产生次级电子电离效应次级电子使物质原子电离γ射线第1步初级作用第2步次级作用

该过程中，原子吸收整个入射光子，继而从原子壳层释放出一个电子(光电子)1）光电效应（photoelectriceffect)自由电子

作用机制光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。

γ+AA*+e-

（光电子）

原子

A+X射线原子受激原子1)光电效应

如果入射光子的能量比原子中束缚电子的结合能大很多，则就光子而言，可认为原子中的束缚电子是”自由”的。

康普顿散射就是入射光子与“自由电子”的弹性碰撞。2）康普顿－吴友训效应（Compton--Wueffect)

当入射光子能量大于1.022MeV时，光子在原子核的库仑电场作用下，γ射线消失，转换成一对正负电子（二者又可结合转化为γ光子），此过程称为电子对生成。电子对效应通常发生在能量较大的光子。

3)电子对生成（pairproduction)能量≥1.02MeV的γ射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。

M＋γ→M+e++e-→

γ1+γ2

1.02MeVmeme0.511MeV0.511MeV基本条件：γ射线能量Eγ1.02MeV能量转化成质量M=E/C23)电子对生成三种效应与原子序数和光子能量的关系

X、γ射线进入物质后，有可能不经过任何相互作用而穿透出去。

一旦发生了相互作用，则会按照前述过程被吸收或散射。正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个0.511MeV的γ光子。

e++e-→

γ+γme++me-=0.511+0.511MeV

质量转化为能量转化效率(100%）

γ

γ湮没辐射中子能量在物质中的转移和吸收中子不带电

它只与物质的原子核发生相互作用

作用过程有两类：

散射和吸收散射：

弹性散射（n；n’），中子部分动能向与其碰撞的原子核转移，自身则改变原来的运动方向。原子核越轻，得到的能量越多。氢核易受弹性散射，得到的能量最多。散射：

非弹性散射（n；γ,n’），中子损失部分能量，使原子核变成激发态，退激时放出γ

光子。

该过程发生存在阈值：En>0.1MeV且重核的截面大于轻核的截面散射：

去弹性散射（n；多个n’），中子与原子核作用后产生多个中子，核内质子数照旧。

唯