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

原子的核外电子因与外界相互作用获得足够的能量，挣脱原子核对它的束缚，造成原子的电离。由带电粒子通过碰撞直接引起的物质的原子或分子的电离称为直接电离；由不带电粒子通过它们与物质的相互作用产生带电粒子引起的原子的电离，称为间接电离。由带电粒子、不带电粒子、或两者混合组成的辐射称为电离辐射。电离辐射与物质的相互作用是辐射剂量学的基础。本章讨论带电粒子、X （γ）射线与物质的相互作用过程，定量分析它们在物质中的转移、吸收规律。

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

相互作用的主要方式：（1）与原子核外电子发生非弹性碰撞；（2）与原子核发生弹性碰撞；（3）与原子核发生非弹性碰撞；（4）与原子核发生核反应。

（一）带电粒子与核外电子的非弹性碰撞

当带电粒子从靶物质的原子近旁经过时，入射粒子与轨道电子之间的库仑力使轨道电子受到吸引或排斥，从而获得一部分能量。如果轨道电子获得足够的能量，就会引起原子电离，原子成为正离子，轨道电子成为自由电子。如果轨道电子获得的能量不足以电离，则可以引起原子激发，使电子从低能级跃迁到高能级。处于激发态的原子很不稳定，跃迁到高能级的电子会自发跃迁到低能级而使原子回到基态，同时放出特征X 射线或俄歇电子。如果电离出来的电子具有足够的动能，能进一步引起物质电离，则称它们为次级电子或δ电子，由次级电子引起的电离称为次级电离。

碰撞损失或电离损失：带电粒子因与核外电子的非弹性碰撞，导致物质原子电离和激发而损失的能量。描述电离（碰撞）损失的两个物理量：线性碰撞阻止本领（linear collision stopping power ）（用符号S col 或()col dE dl

表示）和质量碰撞阻止本领（mass collision stopping power ）（用符号()col S ρ或1()col

dE dl ρ表示）。线性阻止本领是指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能量，其SI 单位是，还常用到这一单位。质量阻止本领是线性碰撞阻止本领除以靶物质的密度，其SI 单位为，还常用到这一单位。

对于重带电粒子：

（1）电离损失近似与重带电粒子的能量成反比，这是因为带电粒子速度越慢，与轨道电子相

互作用的时间越长，轨道电子获得的能量就越大；

（2）电离损失与物质的每克电子数成正比；

（3）电离损失与重带电粒子的电荷数平方成正比。

对于电子：

（1）电子的电离损失也和物质的每克电子数成正比；

（2）电子的电离损失与能量的关系较复杂：低能时，电离损失近似与电子能量成反比；高能时，电离损失随能量缓慢增加；

（二）带电粒子与原子核的非弹性碰撞

当带电粒子从原子核附近掠过时，在原子核库仑场作用下，运动方向和速度发生变化，此时带电粒子的一部分动能就变成具连续能谱的X 射线辐射出来，这种辐射称为韧致辐射。用线性辐射阻止本领（rad S 或()rad dE dl ）和质量辐射阻止本领（()rad S ρ或1()rad dE dl ρ）来描述单位长度和单位质量厚度的辐射能量损失。

三点结论：

（1）辐射损失与入射带电粒子的质量m 的平方成反比；

（2）辐射损失与Z 2成正比，说明重元素物质中的韧致辐射损失比轻元素物质大；

（3）辐射损失与粒子的能量成正比，这与电离损失的情况不同。

（三）带电粒子与原子核的弹性碰撞

当带电粒子与靶物质原子核库仑场发生相互作用时，尽管带电粒子的运动方向和速度发生变化，但不辐射光子，也不激发原子核，它满足动能和动量守恒定律，属弹性碰撞，也称弹性散射。碰撞发生后，绝大部分能量由散射粒子带走。重带电粒子由于质量比较大，与原子核发生弹性碰撞时运动方向改变小，散射现象不明显，因此它在物质中的径迹比较直。电子质量很小，与原子核发生弹性碰撞时，运动方向改变可以很大，而且还会与轨道电子发生弹性碰撞。经多次散射后，电子的运动方向偏离原来方向，最后的散射角可以大于90o ，甚至可能是180o ，因此它在物质中的径迹很曲折。

弹性散射发生的概率与带电粒子的种类和能量有关。只有当带电粒子的能量很低，其速度比玻尔轨道电子速度v 0小很多时，才会有明显的弹性碰撞过程。与速度v 0对应的α粒子、质子和电子的能量分别、、。通常α粒子、质子的能量比上述能量高很多，因此对重带电粒子，发生弹性碰撞的概率很小。对于能量在10KeV ～100KeV 的电子，其概率也仅占5％。当能量高出这个范围时，弹性碰撞发生的概率进一步减小。

（四）带电粒子与原子核发生核反应

当一个重带电粒子具有足够高的能量（约100MeV ），并且与原子核的碰撞距离小于原子核的半径时，如果有一个或数个核子被入射粒子击中，它们将会在一个内部级联过程中离开原子核，其飞行方向主要倾向于粒子的入射方向。失去核子的原子核处于高能量的激发态，将通过发射所谓的“蒸发粒子”（主要是一些能量较低的核子）和γ射线而退激。当核反应发生时，入射粒子的一部分动能被中子和γ射线带走，而不是以原子激发和电离的形式被局部吸收，这将影响吸收剂量的空间分布。对于质子束，如果在计算剂量时未考虑核反应，计算值将会偏高1％～2％。100MeV 的质子束照射厚度为的石墨，石墨的实际吸收剂量比不考虑核反应时平均偏低％。因为％是通过假设转移给中子和γ射线的能量均被带离了石墨。对于电子束，核反应的贡献相对于韧致辐射的贡献完全可以忽律。

其它一些作用方式：淹没辐射、契伦科夫辐射。

二、总质量阻止本领（total mass stopping power ）

定义：带电粒子在密度为ρ的介质中穿过路程dl 时，一切形式损失的能量dE 除以ρdl 而得的商。符号：S ρ或1()dE dl

ρ 对于电子，在常规的能量范围内，可以认为就是电离损失和辐射损失之和。

()()col rad S

S S ρρρ

=+ 对于重带电粒子，辐射损失可以忽略，因此

()col S

S ρρ

= 对于电子，辐射损失和电离损失的相对重要性可以用公式表示为