第1章-核辐射防护射线与物质相互作用

第1章射线与物质相互作用核辐射测量与防护电离辐射警告标志

电离辐射标志

放射性警示标志：要尽量避开贴有这些标志的物体！辐射防护是：原子能科学技术的一个重要分支，它是研究人类免受或少受电离危害的一门综合性的边缘学科。它涉及到原子核物理、放射化学、辐射剂量学、核电子学、放射医学、放射生物学及放射生态学等学科。基本任务是：保护环境、保障从事放射性工作的人员和一般居民的健康与安全、保护他们的后代、促进原子能事业的发展。实现辐射防护目的的办法是：为了防止确定性效应的发生，把剂量当量限值定在足够低的水平上，以保证从业者在终生全部时间内受到的照射也不会达到产生有害效应的阈值。使一切具有正当理由的照射保持在合理的可以达到的尽量低的水平。

为了达到辐射防护目的，一切辐射实践和设施的选址设计、建造、运行和退役，必须遵守辐射防护三原则:辐射实践正当化辐射防护最优化个人剂量的限制辐射防护的三原则是一个有机的统一体，在应用时必须综合考虑。考核方式平时20%（出勤率+作业）期末80%（考试）教学内容第1章射线与物质的相互作用第2章辐射剂量学基础第3章核辐射探测方法第4章辐射来源及其影响第5章辐射防护参考书《电离辐射防护与安全基础》杨朝文主编教材《辐射防护导论》方杰主编《辐射防护基础》李星洪主编网络教学平台下载第1章射线与物质的相互作用1.1α

粒子与物质相互作用1.2射线与物质相互作用1.3

和X射线与物质相互作用1.4中子与物质相互作用1.5射线与物质相互作用特点小结1.1α粒子与物质相互作用1.1.1α粒子的性质高速运动的氦核，带两个正电荷，质量数为4，约为电子质量的7300倍。能进行衰变的天然放射性核素绝大部分原子序数大于82，如原子序数小于82是极个别，且半衰期相当长，如：T1/2=1.7×1011aT1/2=2×1015aT1/2=6.1×1011a1.1.2粒子与物质相互作用概述——重带电粒子可与核外电子发生弹性碰撞，仅在其能量低于100eV时有意义，所以一般只考虑带电粒子与核外电子的非弹性碰撞。重带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞的结果可使原子发生电离或激发。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-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-库仑作用带电粒子通过物质时，与物质原子的壳层电子发生静电作用电子获得足够能量后使其脱离轨道形成一个带负电荷的自由电子（次级电子），失去一个电子的原子则变成带正电荷的离子，自由电子与离子构成离子对。这种使物质中性原子变成离子对的过程称为电离。原电离——入射粒子直接作用引起的电离次级电离——由原电离产生的电子如果具有足够的动能，它也能使原子电离，δ电子。电离（ionization）δ电子——α粒子与物质原子壳层电子直接碰撞时，可以产生高能电子的电离，出射的电子。δ电子可以使物质原子再电离或激发。电离带电粒子通过物质时，壳层电子获得的能量不足以使壳层电子脱离轨道，则从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，即原子由基态转入高能态，这种过程称为激发。原子退激——激发态的原子不稳定，处在高能态的电子要跳回低能态轨道来，以发射光子的形式放出相应的能量。激发(excitation)电离和激发两过程构成了重带电粒子在碰撞过程中的主要能量损失。阻止本领公式式中：z：重带电粒子的电荷数；e：一个电子的电量，等于1.602×10-19C;Z：物质原子的原子序数；N：物质在单位体积中包含的原子数目；c：光速；

V：重带电粒子的速度；me：电子的静止质量I：物质原子中电子的平均等效电离电位。úûùêëé-øöççèæ--+=øöçèæ-22222e2421ln2ln4ccZCImNZmezdxdEeionuuuup阻止本领带电粒子使物质原子电离或激发而损失的能量称为电离能量损失。把带电粒子在物质中单位路程上的电离损失称为电离能量损失率，又称为阻止本领。常用符号表示。脚标“ion”表示是由入射粒子使原子电离或激发所引起的能量损失。(1)与重带电粒子电荷数的平方成正比。如果α粒子和质子的速度相等，物质对α粒子的阻止本领是对质子阻止本领的4倍。带电粒子的电荷愈多，能量损失率愈大，穿透能力也就愈弱。(2)与带电粒子的质量无关。原因在于重带电粒子的质量比电子质量至少大1800倍。重带电粒子的质量与电子质量相比，都可以近似地被看成是无穷大。因此，重带电粒子的质量的确切数值就对阻止本领没有影响了。阻止本领表达式重要结论－1：(3)与重带电粒子的速度有关。当速度较小时，可以近似地认为电离能量损失率与速度的平方成反比，对数项的数值影响不大；当速度比较高时，项变化很小，对数项的影响较大。当两种粒子的速度相等时，即具有相同的E/m和相等的电荷，则两种粒子在同一靶物质中的阻止本领就相同。例如质子、氘核和氚核，它们的质量不同，如果它们的速度一样，则它们在同一物质中的阻止本领就一样。(4)与物质的电子密度NZ成正比。物质密度越大，物质中原子的原子序数越高，则此种物质对重带电粒子的阻止本领也越大。

阻止本领表达式重要结论－2：阻止本领表达式重要结论－3：（5）在中能区，阻止本领与入射粒子的能量成反比电子的阻止截面：电离密度（ionizationdensity)

带电粒子在单位路径长度上形成的离子对数，单位为离子对/厘米。比电离应包括原电离和次电离产生的离子对。带电粒子在物质中的射程任何一种带电粒子在进入物质以后，通过与物质相互作用而不断地损失能量。如果物质的厚度是足够的，带电粒子最终将完全停留在物质中，这种现象称为物质对带电粒子的吸收，这种物质称为吸收物质。带电粒子从进入物质到完全被吸收沿原入射的方向穿过的最大距离，称为该粒子在物质中的射程，常用符号R表示。如果不指明在哪种物质中，而只是说“射程”多少，就是指粒子在标准状况下的空气中的射程。带电粒子的射程和路程

射程和路径的区别射程歧离一组单能粒子射程的平均值称为平均射程。相同能量的粒子在同一种物质中的射程并不完全相同，这种现象称为射程歧离。产生这种现象的原因——每两次碰撞间粒子穿过的距离以及每次碰撞使带电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个定值。由于每个粒子都必须经过多次的碰撞，因此，各个粒子的射程间的相互差别并不很大。重带电子粒子的射程涨落一般都很小。经验公式

对于能量为3-7MeV的α粒子在标准状态下空气中的平均射程可用下面的经验公式表示：Eα是α粒子的能量，单位是MeV.R0

是α粒子在标准状态下的空气中的平均射程，单位是cm.相同能量的同一种带电粒子在不同物质中的射程有经验公式：式中ρa和ρb、Aa和Ab分别为物质a和物质b的密度与相对原子量。重带电粒子在物质中的射程与能量的关系在其它物质中的射程R可用在空气中的射程R0进行换算，其公式如下：式中，A和ρ分别表示吸收物质原子的质量数和密度（单位为g/cm3），R的单位为cm。在其它物质中的射程：问题一：已知5MeV的α粒子在空气中的平均射程是3.5cm，求其在铝和铅中的平均射程？α粒子能/MeV空气R/cm生物组织/铝/42.5311653.5432364.6563075.9723887.4914898.9110581010.613069α粒子在几种物质中的平均射程1.2β射线与物质相互作用1.2.1β射线的产生和特点快速电子或β射线（正电子和电子）与物质发生三种相互作用：非弹性散射、弹性散射和轫致辐射。由于电子的静止质量约是α粒子的1/7000，所以它与物质相互作用及在物质中的运动轨迹都与重带电粒子有很大差异。快速电子在物质中的损失一般需考虑电离损失和轫致辐射损失。电子与原子核库仑场作用发生非弹性碰撞，产生轫致辐射，能量为几个MeV的电子在铅中的轫致辐射能量损失率接近电离损失率。组织本领公式低能时：高能时：快速运动电子通过原子核附近时，受到原子核库仑电场的作用，速度大小和运动方向都发生变化，一部分能量以电磁波的形式辐射出来，这种辐射称为轫致辐射。辐射能量损失（bremsstrahlung)电子打在荧光屏上产生X射线电视机显像管特征:x射线能量连续0–EMax(电子能量)电视机高压15kV电子束能量15keVx射线能量0-15keV产生机制原子核轫致辐射辐射能量损失率公式：m:入射粒子的质量E：入射粒子的能量z：入射粒子的电荷数Z：靶物质的原子序数N：单位体积内靶物质的原子序数辐射能量损失率表达式重要结论：（1）辐射能量损失率与z2成正比，与m2成反比。由于电子的质量小，在能量相同的情况下，电子的辐射能量损失要比α粒子、质子和重带电粒子大得多。（2）辐射能量损失率与Z2和N成正比。表明β粒子打在重元素中，容易发生轫致辐射。（3）辐射能量损失率与入射粒子能量E成正比。20MeV的电子穿过时，辐射损失和电离损失之比是多少?问题二β粒子的多次散射弹性散射概念（简称散射）——电子穿过物质时，运动方向的改变虽与原子核和核外电子发生非弹性碰撞有关，但主要是由于原子核的库仑力作用而发生的弹性碰撞结果，发生弹性碰撞时电子的能量变化很小，但电子的运行方向变化很大，电子愈靠近原子核，散射愈厉害，散射角度也愈大。多次散射和反散射电子穿过物质时先后受到许多原子核的弹性散射作用，称为“多次散射”。电子在物质中的行程较大，散射次数愈多，电子的偏转就显著。电子经过多次散射，最终散射角可以大于900，甚至可能是折返去，这种大于900的散射称为反散射。在β放射源的活度测量中，为了减少散射的影响，放射源的衬托物、支架等都利用原子序数Z低的物质，这是因为Z低，原子核的库仑场作用小一些。在进行β源活度的绝对测量时，必须对放射线的反散射衬托物的反射因素造成计数的增长予以修正，利用β射线的反散射计数变化与散射体厚度的关系，可以做成反散射厚度计来测量各种金属薄层及胶片、塑料布等材料的厚度，这是射线反散射技术的一项专门应用。

β粒子多次散射和反散射的应用非弹性散射非弹性碰撞——当快速电子通过物质时，它与物质原子的壳层电子发生碰撞，而体系功能不守恒，入射电子将自己的一部分能量给于原子壳层电子，使原子发生电离或激发。电子——电子碰撞：实质上是静电相互作用。1.2.3吸收和射程吸收——无论是单能电子束，还是能量连续分布的β射线，在经过一定厚度的物质时，电子的数目随着距离的增加而逐步减少，这种现象称为吸收。半吸收厚度：1.2.3吸收和射程为何不能用α粒子那样的平均射程的概念来说明β粒子的情况

在物质中的路径和射程1.2.3吸收和射程β射线的射程一束单能α粒子具有平均射程，这个射程与α粒子能量有关，对于β射线来说，因为β粒子的能量是从零到Eβ最大连续分布，所以各个β粒子的射程差别很大。即使是初始能量相同的一束电子，由于它们在电离过程中损失的能量涨落很大，同时还存在轫致辐射和多次散射，因而它们在同一物质中经过直线距离差别也是很大的，所以不能用α粒子那样的平均射程的概念来说明β粒子的情况。β射线的最大射程β射线能量/MeV空气(cm)生物组织(cm)铝(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几种物质中β粒子的射程α射线与β射线电离效应比较

α射线

β射线径迹粗直细弯

α

电离作用强电离作用严重产生离子对数目多电离作用Z1Z2/v2

Z1入射粒子原子序数Z1靶粒子原子序数

v入射粒子速度实验结果1.2.3吸收和射程当e+粒子与物质作用，正电子的速度接近于零时，与附近原子中的电子（e-）结合，正负电荷抵消，两个电子的静止质量转化为两个方向相反，能量各为0.511Mev的光子而自身消失的过程成为湮没辐射或光化辐射。1.2.4正电子与物质的相互作用湮没辐射（annihilationradiation)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+γ

me++me-=0.511+0.511MeV质量转化为能量

转化效率

(100%）

γ

γ湮没辐射1.3射线与物质的相互作用X和射线的区别是什么？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

光子与物质原子相撞时，把全部能量交给原子的一个轨道电子，光子本身消失，电子获得能量后成为高能电子而摆脱原子核的束缚成为自由电子，使物质电离，此过程称为光电效应。光子能量越低，物质原子序数越大，发生光电效应的几率也越高。

1.3.1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+A

A*+e-（光电子）

原子

A+X射线原子受激原子光电效应

光电子的能量Bi是壳层电子的结合能，不仅与原子序数Z有关，也与电子所在壳层有关。光子的能量必须大于壳层电子的结合能才能发生光电效应。光电效应的截面

光电效应的截面称为光电截面，它表示一个入射光子与单位面积上一个靶原子发生光电效应的概率。光电效应截面的大小与光子能量和吸收物质的原子序数有关，而与物质所处的化学和物理状态无关。光电效应发生在束缚最紧的内层电子上，K壳层发生光电效应的概率最大。

当光子与核外电子发生非弹性相撞时，将部分能量传给电子，电子获得能量后脱离原子而运动，该电子称康普顿－吴有训电子，而使物质电离。光子本身能量减少又改变了运动方向。当光子的能量为0.5--1.0MeV时，该效应比较明显。1.3.2康普顿－吴友训效应（Compton--Wueffect)

康普顿效应散射光子与反冲电子入射光子能量（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不同入射光子能量对应的反散射光子的能量

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。

1.3.3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

1.02MeV

meme0.511MeV0.511MeV基本条件：γ射线能量Eγ≥

1.02MeV为什么？能量转化成质量M=E/C2电子对生成1.电子对的能量2.电子对效应截面hν稍大于2m0c2时，hν远大于2m0c2时，三种效应与原子序数和光子能量的关系1.3.4

射线的吸收1.

射线吸收规律

射线穿过物质时，强度按指数规律衰减，沿入射方向透过的

光子的能量不变。

射线比带电粒子的穿透本领大得多，因此屏蔽和防护

射线比带电粒子要困难。不同能量的

射线，在入射到物质中时，三种相互作用对总吸收的贡献是不一样的。2.

射线吸收的特点瑞利散射——当γ光子能量很低时，它进入物质后与原子壳层电子发生弹性碰撞，受到电子的散射，瑞利散射的几率用μR表示：R——常量Z，N——物质原子序数与原子密度Eγ——入射γ光子的能量1.