高等电离辐射防护教程夏益华4第二章电离辐射与物质的相互作用汇总.
2-射线与物质的相互作用
α粒子在通过物质时， 其路径近乎一条直线，只是 在它路径的末端略有一些弯 曲；对于一束单能的α粒子， 它们在物质中的射程几乎相 同。α粒子的射程与能量相 关，能量越大射程越大。相
图2-1 α粒子在核乳胶中的径迹
同能量的α粒子在同一均匀
物质中的射程服从统计规律， 但涨落很小。
不同能量的α粒子在空气、生物阻织和铝中的平均射 程已由实验测出，如表2-1所示。
准直成平行束的γ射线，通常称为窄束γ射线。单能窄 束γ射线在穿过物质时，由于上述三种效应，其强度会减弱，
运动方向，即卢瑟福散射，还可能进入原子核，使原来的 原子核发生根本性变化，即产生一新核并放出一个或几个 粒子，属于核反应过程。例如用210Po放出的α粒子打击9Be 制成的靶，产生12C和中子，这一过程可写成核反应式：
9 4
Be α C n 5.901MeV
4 2 12 6 1 0
或简单写成：
dE dx rad
表示，贝特（Bether）给出的具体表达式为
NEZ ( Z 1)e 4 dE 2 4 d x 137 m rad 0c
2E 4 4 ln m c 2 3 0
（2-6）
其中各物理量的意义与（2-5）式相同。 由于辐射能量损失率与吸收物质原子序数Z 的平方成 正比，这表明高能电子射到重元素上更容易产生韧致辐射。
E max
Eγ m0 c 2 1 2Eγ
表明康普顿效应产生的反冲电子的能量 有一上限最大值，称为康普顿边界。
Cs-137放射源的γ 射线能谱图
⑶ 电子对效应
当γ光子能量大于2 m0c2时， γ光子从原子核旁经过并受到 核的库仑场作用，可能转化为 一个正电子和一个负电子，称
电离辐射与物质的相互作用
电离辐射与物质的相互作用问题:问题一：什么是辐射？问题二：什么是电离辐射？问题三：辐射的种类有哪些？问题四：电离辐射从哪里来？23来源：劳伦斯伯克利实验室概述4第一章：电离辐射与物质的相互作用基础知识复习：基本的概念：辐射：能量通过物质或空间的传播，有电磁波和高能粒子两种形式电离辐射：能够从原子中轰击出电子，即电离，凡是与物质直接或间接作用时能使物质电离的一切辐射非电离辐射：没有足够的能量使与之作用的物质原子发生电离由于能量低，不能引起物质电离。
5±)(),,,(e t d p 快速电子重带电粒子辐射带电粒子辐射L α 电离辐射的种类中子电磁辐射非带电粒子辐射),,(L γx 电离辐射：能量大于～10eV量级的射线。
一：电离辐射的种类及来源6电离辐射的来源放射性：原子核自发的发射各种射线的现象能自发的发射各种射线的核素称为放射性核素，也叫不稳定的核素。
(天然放射性核素、人工放射性核素)放射性与原子核衰变密切相关。
天然放射线主要有三种：α，β和γ射线①α射线是高速运动的氦原子核（又称α粒子）组成的，所以，它在磁场中的偏转方向与正离子流的偏转相同。
它的电离作用大，贯穿本领小。
②β射线是高速运动的电子流。
它的电离作用较小，贯穿本领较大。
③γ射线是波长很短的电磁波。
它的电离作用小，贯穿本领大。
一：电离辐射的种类及来源7原子核衰变是指原子核自发的放射出α或β等粒子而发生的转变。
电离辐射的来源定义：不稳定核自发地放出α粒子，并转变成另一种原子核的现象，称为α衰变。
α+→Pb Po 206210（1）α衰变能量分布：α粒子能量分布在4~9MeV 能量是分立的HeY X A Z A Z 4242+→??表达式：α衰变实例：一：电离辐射的种类及来源8定义：原子核自发地放出β粒子或俘获轨道电子，并转变成另一种原子核的现象，称为β衰变。
原子核衰变时发射β?粒子，称为β?衰变；原子核衰变时发射β+粒子，称为β+衰变；原子核从核外的电子壳层俘获一个轨道电子，称为轨道电子俘获。
第2章电离辐射与物质的相互作用.
第二章电离辐射与物质的相互作用个人觉得第二章是整个内容中理论性最强的一部分，要掌握这些内容得多看几遍书才行，要是感到不好理解的话，只能死记了！而且整个第二章内容已经很精简了，短短的二十页内容，几乎处处都是考点，好好多看几遍书才行！第一节带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质相互作用的主要方式：1、与核外电子发生非弹性碰撞；2、与原子核发上非弹性碰撞；3、与原子核发上弹性碰撞；4、与原子核发生核反应掌握以上各种作用方式的作用过程以及每种作用的关系式、由关系式得出的结论。
掌握概念电离辐射，直接致电离辐射，间接致电离辐射；线性碰撞阻止本领，质量碰撞阻止本领；（线性碰撞阻止本领linear collision stopping power）入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时电离损失的平均能量（J*m-1）质量碰撞阻止本领（mass collision stopping power）线性碰撞阻止本领除以靶物质的密度线性辐射阻止本领，质量辐射阻止本领；单位路程长度和单位质量厚度的辐射能量损失。
总质量阻止本领，质量角散射本领；带电粒子在密度为p的介质中穿过路程dl时，一切形式的能量损失dE除以pdl而得的商。
质量角散射本领指均方散射角除以吸收块密度p和厚度l之积所得的商，与原子序数的平方成正比，与入射电子的动量平方近似成反比。
射程，路经，半值深度，实际射程；沿入射方向从入射位置至完全停止位置所经过的距离称为射程。
粒子从入射位置至完全停止位置沿运动轨迹所经过的距离称为路径长度；比电离；带电粒子穿过靶物质时使物质原子电离产生电子-离子对，单位路程上产生的电子-离子对数目称为比电离，它与带电粒子在靶物质中的碰撞阻止本领成正比。
传能线密度。
（linear energy transfer, LET）描述辐射品质的物理量，定义为dE除以dl而得的商。
第二节X（r）射线与物质的相互作用1、X（r）射线与物质相互作用的特点：（区别与带电粒子与物质的相互作用）1）不能直接引起物质原子电离或激发，而是首先把能量传递给带电粒子；2）与物质的一次相互作用可以损失其能量的全部或很大一部分，而带电粒子则是通过许多次相互作用逐渐损失其能量；3）光子束入射到物体时，其强度随穿透物质厚度近似呈指数衰减，而带电粒子有确定的射程，在射程之外观察不到带电粒子。
辐射防护知识课件
•单位是「希沃特」，简称「希」，简写成Sv
也有毫希沃特（mSv），微希沃特（μSv）。
我们拍一张胸部X光片，胸部组织大约接受0.1毫希沃 特剂量。
•从辐射权重因数W值可知，α粒子虽然穿透力很弱但 健康危害却很大，如把铀235等放射α粒子的同位素吃 进体内，则会对体内组织造成较大的伤害。
• X射线与 γ射线类似
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4、中子与物质的相互作用
• 中子： 质量与质子的质量大约相等,并且中子与γ射线一样也不带电。 因此,
中子与原子核或电子之间没有静电作用。 当中子与物质相互作用时,主要 是和原子核内的核力相互作用, 与外壳层的电子不会发生作用。 • 中子与物质相互作用的类型主要取决于中子的能量。 • 根据中子能量的高低,可以把中子分为：慢中子、中能中子、快中子
在于地球的岩石、土壤、江河湖海中。 eg. 238U系、232Th系、40K
• 人工辐射源
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与核相关的人为活动引起的对公众的照射主要 包括：
（1）核武器生产、试验； （2）核能生产； （3）核技术应用； （4）核事故； （5）电离辐射在医学诊断和治疗中的应用 环境中，大气核试验是地域分布最广的人工辐
质子等，能直接引起被穿透的物质产生电离。
间接电离粒子：不带电粒子，如光子（X射线和γ射线）及
中子等，是与物质相互作用时产生带电的次级粒子而引起物 质电离。
非电离辐射：不能使物质电离的辐射。
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常见电离辐射特性
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2、放射性简述
• 1）什么是放射性？
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加速器中子源：
2 H (d , n)3He
3 H (d , n)4He
反应堆中子源： 裂变反应(n,f)
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放射源衰变规律
由统计性，以放射源总体考虑衰减规律 设：t时刻放射性原子核的数目为N(t)，t～t+dt内发生的核 衰变数目-dN(t)，正比于N(t) 和时间间隔dt ，则有：
b a
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带电粒子与物质相互作用
阻止本领随粒子能量（速率）的变化
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不带电粒子与物质相互作用
γ射线与物质相互作用
γ光子是通过次级效应与物质的原子或原子核外电子作用 ，一旦光子与物质发生作用，光子或者消失或者受到散 射而损失能量，同时产生次级电子。主要作用方式有三 种：光电效应、康普顿效应和电子对效应。
高等电离辐射防护
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教学安排
基础
» 第2、3章 共12学时
生物效应
» 第4章 共4学时
剂量计算及防护
» 第7、8、9章 共8学时
体系
» 第6、12章 共8学时
天然及实用辐射
» 第5、11章 共4学时
辐射监测与数据处理
» 第10章 共8学时
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9月11、18、25日 10月9日 10月16、23日 10月30、11月6日 11月13日 11月20日、11月27日。12月4日习题课
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第2章
射线与物质相互作用
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辐射防护第2章- 相互作用
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2.2 描述辐射场的量和单位
一、核素、同位素及放射性活度 放射性核素，如：60Co、239Pu
核素：
稳定核素，如：12C、16O
同位素：
质子数相同，中子数不同，如： 氢的同• 电离辐射存在的空间称为辐射场； • 辐射场是由辐射源产生的，根据辐射源的种类，辐射场可 以分为γ辐射场，中子辐射场，β辐射场等。（如果存在两 种或两种以上的辐射源，称为混合场，例如：中子-γ混合 场，β-γ混合场等） • 辐射场的特征如何去描述？ ICRU（国际辐射单位与测量委员会）定义一些物理 量来描述辐射场，在辐射防护中，常用粒子数、辐射能、 粒子注量、注量率、能注量和能注量率等来描述辐射场的 特征 理解并掌握粒子注量、注量率、能注量和能注量率的 概念、物理意义
单能电子束入射厚靶： F＝5.8×10-4 Z E
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带电粒子与物质相互作用
β射线入射厚靶： F3.33×10-4Z Eβmax 屏蔽计算中，对韧致辐射谱 常取E(平均) 1/3 Eβmax
例如，32P的Eβmax=1. 709 MeV ，当β射线在铅中
被吸收时，用上式算得转变为轫致辐射的份额为入射
A 放射性活度，SI单位：贝克勒尔（Bq）。 1 Bq＝1s－1 dN dt 时间内发生的核转变数。
历史上曾使用过的单位：居里（Ci） 1 Ci=3.71010Bq
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小结：对于点源，距点源γ处的任一点的注量率与距离
的平方成反比例关系,即：点源的注量和能量注量在空间的 分布存在距离反平方关系。 应用上述关系，在电离辐射仪器仪表刻度时，若已知
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带电粒子与物质相互作用
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当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时，以辐射光子损失其 能量，我们称它为辐射损失。
第二章 电离辐射的生物学效应及放射防护PPT课件
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二、影响辐射生物学效应的因素
（一）与辐射有关的因素
1．辐射类型 高电离密度的电离辐射，电离密度大， 射程小，如、射线，在组织内能量分布密集，内照射时 生物学效应相对较强。而γ（X）射线是低电离密度的电 离辐射，电离密度小，射程大，因此外照射时生物学效 应强。
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二、放射卫生防护的基本原则
为了实现放射防护的目的，ICRP提出放射卫生防护的基 本原则。（International Commission on Radiological Protection，国际辐射防护委员会）
1．放射实践的正当化（justification of radiological practice） 2．放射防护的最优化（optimization of radiological
时内死亡。
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2．缓发效应 在照射后的几年乃至二、三十年内出现， ①小剂量外照射 ②慢性内照射
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四、低剂量辐射的兴奋效应
低剂量辐射对生物体的影响尚有不少争议。但有一点可 以肯定：低剂量辐射既可使人体出现防御和免疫功能增 强等有益的生物学反应，也可以出现染色体畸变、癌变 发生率增加等不利的反应，说明低剂量辐射的效果可能 是由其所引起的不同的生物学反应之间的竞争决定的。
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三、剂量与效应的关系
（一）早期效应和缓发效应 1．早期效应 人体受辐照剂量当量： <1Sv，看不到明显症状 <5Sv，出现以造血系统损伤为主的放射病 >8Sv，出现以消化道损伤为主的胃肠急性放射病，症状
第二章 辐射防护基础知识(三)——射线与物质相互作用
υ
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。
二、β射线与物质相互作用
1. 与物质的相互作用
1) 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。 2) 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。 3) 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。
6 吸收和射程
α射线与 射线电离效应比较 射线与β 4) α射线与β射线电离效应比较 α 射线 径迹 粗 直 电离作用 ∝ β 射线 细 弯 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
α 电离作用强
电离作用严重 实验结果 产生离子对数目多
三、γ 射线与物质的相互作用
R = 3.2 × 10
4
A
ρ
Raiv
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。
2.几个重要概念 2.几个重要概念
射程和路径的区别
带电粒子的射程和路程
2.几个重要概念 2.几个重要概念
3）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
5 湮没辐射
正电子与负电子相遇发生湮 灭，产生两个 0.511 MeV 的 γ光子。 光子。
γ
γ
e+ +
me+ +
电离辐射防护的基本概念概况
辐射防护的基本概念1．β射线与物质的相互作用：•电子的能量损失：•电离损失——快电子通过靶物质时，与原子的核外电子发生非弹性碰撞，使物质原子电离或激发，因而损失其能量，这与重带电粒子情况相类似。
电离损失（电子碰撞能量损失）是β射线在物质中损失能量的重要方式。
•辐射损失——这是β粒子与物质原子的原子核非弹性碰撞时产生的一种能量损失。
当带电粒子接近原子核时，速度迅速减低，会发射出电磁波（光子），这种电磁辐射叫轫致辐射。
•电子的散射；β 粒子与靶物质原子核库仑场作用时，只改变运动方向，而不辐射能量，这种过程称为弹性散射。
由于电子的质量小，因而散射角度可以很大（与α粒子相比，β粒子的散射要大得多），而且会发生多次散射，最后偏离原来的运动方向。
同时，入射电子能量越低，及靶物质的原子序数越大，散射也就越厉害。
β粒子在物质中经过多次散射其最后的散射角可以大于90 °，这种散射成为反散射。
•β射线的射程和吸收；2．γ射线与物质的相互作用：•光电效应——γ光子与靶物质原子相互作用，γ光子的全部能量转移给原子中的束缚电子，使这些电子从原子中发射出来，γ光子本身消失。
•康普顿效应（又称康普顿散射）——入射γ光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子，使它反冲出来，而光子的运动方向和能量都发生都发生了变化，成为散射光子。
•电子对效应——γ光子与靶物质原子的原子核库仑场作用，光子转化为正- 负电子对。
•相干散射——低能光子（h ν〈〈m 0 c 2 〉与束缚电子之间的弹性碰撞，而靶原子保持它的初始状态。
碰撞后的光子能量不变，即电磁波波长不变，称汤姆逊散射或相干散射。
•光致核反应——大于一定能量的γ光子与物质原子的原子核作用，能发射出粒子，例如（γ，n ）反应。
但这种相互作用的大小与其它效应相比是小的，所以可以忽略不计。
•核共振反应——入射光子把原子核激发到激发态，然后退激时再放出γ光子。
★探测器分类几类探测器气体探测器电离室脉冲电离室电流电离室累计电离室正比计数器G-M 计数管闪烁探测器NaI(Tl) 单晶γ谱仪半导体探测器金硅面垒半导体探测器高纯锗（HPGe ）探测器锂漂移硅探测器原子核乳胶固体径迹探测器气泡室火花放电室多丝正比室切伦科夫计数器热释光探测器3．气体探测器特点：以气体为探测介质。
第二章 辐射防护基础知识(三)――射线与物质相互作用
第二章辐射防护基础知识(三)――射线与物质相互作用第二章辐射防护基础知识(三)――射线与物质相互作用辐射测量与防护电离辐射与物质相互作用辐射测量与防护核辐射与物质相互作用轻带电粒子与物质相互作用β射线与物质相互作用射线与物质相互作用γ射线与物质相互作用中子与物质相互作用电磁辐射测量与防水一、重带电粒子与物质的相互作用电磁辐射测量与防水1.作用类型概述――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。
电磁辐射测量与防水1.作用类型1)电离(ionization)――电离(电离带电粒子通过物质时，与物质原子的壳层电子发生静电促进作用，电子赢得足够多能量后并使其瓦解轨道构成一个拎负电荷的自由电子(次级电子),丧失一个电子的原子则变为拎正电荷的离子，自由电子与离子形成离子对。
这种并使物质中性原子变为离子对的过程称作电离电离。
电离原电离――次级电离――由原电离产生的电子如果具有足够的动能，它也能使原子电离电磁辐射测量与防水1.作用类型1)电离(ionization)――电离(电离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磁辐射测量与防水带电粒子通过物质物质中原子被电离，物质中原子被电离，在粒子通过的路径上构成许多离子对：许多离子对：正离子和自由电子+++++++-++++-+++-+-+-+---+-+++--+-库仑作用e+自由电子正离子+++-α+4he靶原子→正离子+电子+α+ar→ar++e-+4he辐射测量与防护1.促进作用类型电离密度(ionizationdensity):电离密度带电粒子在单位路径长度上构成的离子对数，单位为离子对/厘米。
比电离应当包含原电离和次电离产生的离子对辐射测量与防护1.促进作用类型2)唤起唤起(excitation)带电粒子通过物质时，壳层电子赢得的能量无法并使壳层电子瓦解轨道，则从能量较低的轨道光子至能量较低的轨道，即为原子由基态转至高能态，这种过程称作激发原子退激――激发态的原子不稳定，处在高能态的电原子退激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电磁辐射测量与防水1.作用类型3)反射(scattering))反射(带电粒子通过物质时，因受到物质原子核库仑电场促进作用，与拎正电的原子核出现库仑排挤促进作用而发生改变其本身的运动方向，称作反射。
放射防护课件X线与物质的相互作用
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1.光电效应概念
吸收时光子的能量全部变为其他形式的能量； 弹性散射仅改变辐射的传播方向， 非弹性散射改变辐射的方向，也部分地吸收光
子的能量。
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X射线与物质的相互作用
X射线与物质相互作用的主要过程包括：
光电效应 (photoelectric effect)
康普顿效应(Compton effect)
在光子能量较低时,除低Z以外的所有元素都以光 电效应为主。
光子能量在0.8～4MeV时，无论Z多大，康普顿效 应都占主导地位。
大的hν处电子对效应占优势。图中的曲线表示两 种相邻效应正好相等处的Z和hν值。
②在20～100keV的诊断X线范围内，光电效应和康 普顿效应是重要的，相干散射不占主要地位，电 子对效应不可能发生。
平均30次左右的相互作用，一个入射光 子的全部能量都转移给电子。
X光子进入生物组织后，光子能量在其 中转移、吸收，最终引起生物效应。
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X线与物质的相互作用
X线在物质中可能与原子的电子、原子核、带电 粒子的电场以及原子核的介子场发生相互作用， 作用的结果可能发生光子的吸收、弹性散射和 非弹性散射。
20 70 30 89 11 94 6
60 7 93 31 69 95 5
100 1 99 9 91 88 12
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总结
用水来说明低Z组织的情况，如空气、脂肪 和肌肉。
致密骨含有大量钙质，代表中等Z的物质。 相干散射仅占5%左右。 水中除低能光子外，康普顿散射是主要的。 NaI的Z高，主要是光电作用。 骨介于水和NaI之间，低能时主要是光电作
高速电子通过组织时，与原子相互作用， 使其电离或激发，产生化学变化和生物 损伤；在被吸收的能量中，97％的转变 为热能，3%的能量以引起化学变化的形 式积蓄起来。
《放射物理与防护》教学课件：4第四章2：X线与物质的相互作用
碘化钠—Z=49.8 光电 康普顿
94 6 95 5 88 12
第四节 各种作用发生的相对几率
随hv增大，光电效应几率下降。
对低Z物质的水呈迅速下降趋势； 对高Z物质的碘化钠呈缓慢下降趋势； 对中等Z物质的下降速度介于两者之间。
第四节 各种作用发生的相对几率
• 我们掌握不同能量的X线对不同Z物质的作 用类型和几率，对研究提高X线影像质量， 降低受照射剂量和优选屏蔽防护材料都有 着重要的意义。
hv光子跃迁特征辐射光电子当一个能量为hv的光子通过物质时它与原子的某壳层中某个轨道上一个电子发生相互作用把全部能量传递给这个电子而光子本身则整个被原子吸收而消失获得能量的电子摆脱原子的束缚以速度v而自由运动这种电子称为光电子原子的电子轨道出现一个空位而处于激发态它将通过发射标识x射线或俄歇电子的形式很快回到基态这种现象称为光电效应
• 在20~100keV诊断X线能量范围内，只有光 电效应和康普顿效应是重要的；相干散射 所占比例很小，并不重要；电子对效应不 可能发生。
第四节 各种作用发生的相对几率
X线能量 keV
20 60 100
水—Z=7.4 光电 康普顿
70 30 7 93 1 99
骨Z—=13.8 光电 康普顿
89 11 31 69 9 91
• 康普顿效应是一种散射效应，在高千伏摄 影及胸腹部X线摄影时必须使用滤线栅以消 除散射线对影像质量的影响。
X射线与物质的相互作用
1.X射线在物质内的传播过程中，同物质发生 相互作用的种类有哪几种？
X射线与物质相互作用的主要过程有： 光电效应、康普顿效应、电子对效应。 其他次要的作用过程有相干散射、光 核反应等。
• 当一个能量为hv的光子通过物质时，它与 原子的某壳层中某个轨道上一个电子发生 相互作用，把全部能量传递给这个电子， 而光子本身则整个被原子吸收而消失，获 得能量的电子摆脱原子的束缚以速度v而自 由运动，这种电子称为光电子，原子的电 子轨道出现一个空位而处于激发态，它将 通过发射标识X射线或俄歇电子的形式很快 回到基态，这种现象称为光电效应。
2 电离辐射与物质的相互作用(重带电粒子)
2.1.1 带电粒子与物质相互作用的 主要过程
带电粒子与物质相互作用的过程是复杂的，
主要过程是电离和激发，弹性散射和轫致辐 射。 带电粒子主要通过电离和激发过程损失能量， 其次是通过轫致辐射。 这两种过程构成了带电粒子在碰撞过程中的 能量损失。
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带电粒子能量损失方式之一---电离损失 入射带电粒子与靶原子的核外电子通过库仑作 用，使电子获得能量而引起原子的电离或激发
d.
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
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原子的阻止本领
原子核对入射离子的阻止作用称为核阻止。 当入射粒子速度很低时，阻止本领是两种成
分的叠加。一部分是电子阻止本领，就是入 射粒子的能量转移给靶物质原子中的电子； 另一部分是核阻止本领，就是能量转移给靶 物质中的原子核。
第二章 电离辐射与物质的相互作用
王德忠 教授 核科学与工程学院
2009/9/14
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辐射：电离辐射，非电离辐射。 有些辐射如红外线、微波等，由于能量低，不 能引起物质电离，称为非电离辐射。 凡是与物质直接或间接作用时能使物质电离的 一切辐射，称为电离辐射。 电离辐射：直接或间接电离粒子或由两者混合 组成的任何辐射。 直接电离粒子：那些具有足够大的动能，以至 通过碰撞就能引起物质电离的带电粒子。 间接电离粒子：能够释放出直接电离粒子或引 起核变化的非带电粒子，如光子、中子等。
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α粒子的比电离与它们在空气中的剩余射程的关系
右图为α粒子射入标准 状况空气后，在它路 径上各点的比电离值 变化情况。 图中纵坐标为α粒子在 路径上各点的比电离 值，横纵坐标为α粒子 在路径上某一点距路 程末端的距离
电离辐射与物质的相互作用
第1章 电离辐射与物质的相互作用辐射可分为电离辐射和非电离辐射。
频率在16310×Hz 以下的辐射，如红外线、可见光、紫外线等，其光子能量hv 很低，不能引起物质电离，这类辐射叫非电离辐射；凡是能直接或间接使物质电离的一切辐射，统称为电离辐射（Ionizing Radiation ）。
电离辐射是由带电的电离粒子，或者不带电的电离粒子，或者前两者的混合组成的任何辐射。
电离辐射包括能使物质直接电离的带电粒子（如α粒子、质子、电子等）和能使物质间接电离的非带电粒子（如频率大于16310×Hz 的光子、中子等）。
辐射剂量学、辐射屏蔽、辐射生物效应等都涉及电离辐射与物质的相互作用，电离辐射与物质相互作用时所引起的物理、化学、生物变化都是通过能量转移和吸收过程实现的。
1.1 带电粒子与物质的相互作用带电粒子的种类很多，最常见的有电子（指核外电子）、β射线（核衰变发射的高速电子）、质子（氢核）、α粒子（氦核），此外还有μ子、π介子、K 介子、Σ介子及其他原子核等。
在辐射防护领域，凡是静止质量大于电子的带电粒子，习惯上都称作重带电粒子。
最轻的重带电粒子是μ子，其质量为电子质量的206.9倍（表1-1）。
表1-1 一些常见粒子的基本特性 粒 子 种 类符 号 电 荷/e 质 量/m e 平均寿命/s 轻子 （负）电子正电子μ子中微子e ()−−β e ()++β ±μ ν −1 +1 1± 0 1 1 206.9 ≈0 稳定 稳定 2.26×10−6 稳定 介子 π介子0ππ± 1± 0 273.1 264.32.56×10−8 <4×10−6 K 介子 K ± 0K 1± 0 9679751.22×10−8 1.00×10−8 核子 质子 中子 P n +1 0 1836.121838.65稳定 1.04×10−3 重粒子 氘核 氚核 α粒子 d(D) t(T) α 1± 1± 2± 367054977294稳定 109 稳定 光子 紫外线 γ射线 X 射线γ X 0 0 0 00 1.1.1 带电粒子与物质相互作用的主要过程带电粒子与物质相互作用的过程是很复杂的，主要过程有：弹性散射、电离和激发、轫致辐射、湮没辐射、契伦科夫辐射、核反应（(,n)(p,n)(d,n)α、、等）、化学变化（价态、分解、聚合）等。
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电离和激发
具有一定动能的带电粒子与原子的轨道电子发生库仑 作用时，把本身的部分能量传递给轨道电子。如果轨 道电子获得的动能足以克服原子核的束缚，逃出原子
壳层而成为自由电子，此过程称为电离。
Particles
电离和激发
如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚， 而是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态，此 过程称为激发。
带电粒子在物质中的能量损失：电离损失或辐射 损失。
重带电粒子主要为电离损失 电子主要为电离损失和辐射损失
描述带电粒子与物质相互作用的几个概念
阻止本领——带电粒子在物质中的能量损失
射程——带电粒子在某种物质中沿着入射方向从
进入到最后被物质吸收所经过的最大直线距离
比电离——单位径迹长度上产生的电离对数
理学院 张慧娟
电离辐射与非电离辐射
射线的种类很多，能量范围也很宽，但一般只关注 能量在10ev量级以上的辐射，能量大于这个最低能 值的辐射称作电离辐射。
电离辐射
凡是与物质直接或间接作用时能使物质电离的一切 辐射，称为电离辐射。
带电粒子的辐射：电子、正电子、质子、α粒子等。亦可称 为直接电离辐射，带电粒子通过物质时，沿着粒子径迹通过 许多次的库伦力的相互作用，将其能量传递给物质。 非带电粒子的辐射：电磁辐射（γ射线和X射线）和中子等。 亦可称为间接电离辐射，X/γ射线或中子通过物质时，可能 会发生少数几次相对而言较强的相互作用，把其部分或全部 能量转移给它们所通过物质中的某带电粒子，然后，所产生 的快速带电粒子再按直接致电离辐射的方式将能量传递给物 质。 X/γ射线将其全部或部分能量传递给物质中原子核外的电子， 产生次级电子；中子几乎总是以核反应或核裂变过程产生次 级重带电粒子。
辐射损失——轻带电离子 损失能量的主要方式
重带电粒子由于质量较大，
与靶原子核碰撞后运动状态 改变不大，辐射损失较电离 损失小。
粒子质量较小，与靶原子
核作用后运动状态改变显著， 辐射损失明显
带电粒子与靶原子核的弹性碰撞
带电粒子与靶物质原子核在库伦力作用下，只改变 带电粒子的运动方向，而作用前后体系的动能和动 量保持守恒，这种过程称为弹性散射，即卢瑟福散 射。 这种过程不会使原子核激发也不会产生轫致辐射， 只是原子核反冲而带走入射粒子的一部分能量，这 种能量损失称为核碰撞能量损失，这种阻止作用称 为核阻止。
如果被电离的是内层电子，外层电
子向该壳层跃迁时，会发射特征X 射线或俄歇电子
电离和激发
如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚， 而是从低能级跃迁到高能级，使原子处于激发态，此 过程称为激发。
Particles
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。
退激过程会发射可见光或紫外线
阻止本领
带电粒子进入物质后，受库伦力相互作用损失能量的过程 可以看成是被物质阻止的过程，定义某种吸收物质对带电 粒子的线性阻止本领， 也可以称为粒子的能量损失率， 或比能损失。 线性阻止本领（S）
质量不同——静止质量大于电子的带电粒子称为重带电粒 子 电荷数不同——电离能力不同
带电粒子穿过靶物质时
+ + Байду номын сангаас -
+ ++ + ++ + + + -++ -+ +-+ - - + ++ - -+ -
++ ++ ---
e-
自由电子
库仑作用
+
正离子
物质中原 子被电离， 在粒子通 过的路径 上形成许 多离子对
带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞
入射带电粒子与物质原 子核通过库伦力的相互 作用，使入射带电粒子 受到排斥或吸引，导致 粒子的速度和方向发生 变化。当带电粒子加速 或减速时必然会产生辐 射，这种导致带电粒子 骤然变速时伴随产生的 电磁辐射称为轫致辐射
通过这种方式损失的能 量称为辐射损失
带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞
说明：
1. 2.
此过程是引起电子散射严重的主要因素。
如果反冲靶原子核能量较高，也可以与其它原子发生碰撞， 造成靶物质的辐射损失 重带电粒子发生弹性散射的几率很小，散射现象不明显，因 此其在物质中的径迹是直线。 电子的质量小，不仅受到原子核的散射，而且受到电子的散 射。多次散射的结果，使电子在物质中的运动方向发生多次 改变。
带电粒子与物质相互作用的方式
带电粒子与靶原子核外电子的非弹性 碰撞
带电粒子与靶原子核的非弹性碰撞 带电粒子与靶原子核的弹性碰撞 带电粒子与靶原子核外电子的弹性碰 撞
带电粒子与靶原子核外电子的非弹性碰撞
引起原子的电离和激发过程。 电离激发的过程中，核外电子获得能量，带电粒子的 能量减少，速度降低，通过这种方式损失的能量称为 电离能量损失——带电粒子损失能量的主要方式 Particles
带电粒子与靶原子核的弹性碰撞
带电粒子与靶物质原子核在库伦力作用下，只改变带电粒子的运动方 向，而作用前后体系的动能和动量保持守恒，这种过程称为弹性散射， 即卢瑟福散射。
这种过程不会使原子核激发也不会产生轫致辐射，只是原子核反冲而 带走入射粒子的一部分能量，这种能量损失称为核碰撞能量损失，这 种阻止作用称为核阻止。
电离辐射与物质的相互作用
带电粒子与物质的相互作用 射线与物质的相互作用 中子与物质的相互作用
带电粒子的种类
常见的带电粒子：电子、β射线、质子、α粒子等。
重带电粒子
α粒子、μ介子、π介子、质子、被加速的原子核等
电子
核外电子、β射线（原子核发射出来的高速电子）
两者区别：
3.
带电粒子与靶原子核外电子的弹性碰撞
带电粒子与靶原子核外电子的弹性碰撞 过程只有很小的能量转移。这种相互作 用方式只是在能量极低（100ev）的电子 才会考虑。因此，对粒子的能量损失贡 献很小，一般忽略。
小结
带电粒子在物质中的能量损失方式主要是通过电 离和激发、其次为韧致辐射。
重带电粒子主要为电离与激发 电子主要为韧致辐射与弹性散射
Particles
电离和激发
具有一定动能的带电粒子与原子的轨道电子发生库仑 作用时，把本身的部分能量传递给轨道电子。如果轨 道电子获得的动能足以克服原子核的束缚，逃出原子
壳层而成为自由电子，此过程称为电离。
Particles
如果电离过程中发射出的电子具有
足够高的动能，他也可能与靶原子 作用发生二次电离