第四章 射线与物质相互作用及辐射防护

计算粒子在其他物质中的射程R(cm):
R 3.2 10 4
A

R0
和A分别表示物质的密度和相对原子质量.

为了消除密度对于射程值的影响,常用质量厚度来表示射程,它等于线
性厚度与该物质密度的乘积,单位为mg.cm-2.

对于很多不同物质，相同能量 粒子的质量厚度射程 (mg/cm2)均相似，但在具有较高原子序数的物质中也有显著
(分 解) （复合） （化学反应） (电 荷 转 移 )
发的M*原子或分子引
发的反应称为次级反
M M n ＋( n 1)e 发 射 俄 歇 电 子 ） （
（荧光） （分解成两个自由基）
应.
(分 解 为 两 个 离 ) 子 （化学反应）
M *＋X M＋X * （激发能转移）
产生离子称为电离辐射：
M ~~ M e
一、电离与激发
2.激发：
当电子获得的能量E<e （电子的电离能）， 核外电子获得的动能不足以克服原子核的束缚, 只能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.
M ~~ M *
一、电离与激发
3.退激：

特征X射线
10.1
6.9 11.0 16.3 14.7 16.3 20.2 27.0
铅
0.00241
11.34
27.3
1.3 粒子与物质的相互作用
作用方式
电离和激发（低能β 韧致辐射（高能β
粒子）
粒子）
切伦科夫辐射（电子损失能量小）
核散射（电子几乎不损失能量）
粒子与物质作用方式
1.电离与激发
贝特推得电子质量碰撞阻止本领的计算公式:
1 dE Z K1 dl col M A 2
2
m 2 E 2 1 2 1 2 ln 2 ln 2 2 2I 1
1 1- 1 1 2 8



(MeV cm
三、线性能量转移
线性能量转移(Linear Energy Transfer, LET)

单位路径长度上离子化粒子（辐射粒子）的能量损失 称为线性能量转移，也称为传能线密度。
辐射粒子径迹上反应产物的浓度正比于线性能量转移， 例如：在水中1MeV的α粒子的LET值为190eV/nm， 1MeV的电子的LET值为0.2eV/nm。说明对于α粒子来 说其径迹上的产物浓度大约为电子径迹上产物的103倍。
是随机的,大量单能粒子在空气中的射程服从统计分布,因此对于
像粒子一类的重带电粒子,在物质中的射程用它的平均射程来表示.

粒子在空气中的射程,可以用如下半经验公式来计算.当粒子的能
量E为3—7MeV时,
R0 0.318 E 3 / 2
式中E为粒子能量,R0为能量为E的粒子在150C,0.1013MPa的空气中 的射程(cm).
1.4 射线与物质的相互作用

射线与X射线 的比较
1.4 射线与物质的相互作用

射线与X射线 的比较
区别
产生位置不同
X射线
射线
电子层（特征X射 原子核（激发态跃迁） 线，韧致辐射）
能量范围不同
100eV-100KeV
10KeV-104MeV
1.4 射线与物质的相互作用

特点：
大多数光子在单次作用后便损失全部能量。与或
特点：
①辐射强度与吸收体的折射率有关，而与原子序数无关；
②主要是可见光和接近可见光的光波； ③损失能量比轫致辐射小得多。
粒子与物质作用方式
5.湮灭辐射
正电子与负电子互为反粒子，发生湮灭反应并主要发射 两个反向的(动量守恒)具有0.511Mev能量的γ光子。
e e 2

湮灭辐射可用于鉴定和测量β+辐射。在核医学中的应用 （PET）。
跃迁到高能级的电子将自发地跃迁到低能级而使处于激发
态的原子退激,激发能将以X射线的形式放出,称为特征X射线.

俄歇效应
该激发能也可传递给核外电子,使电子获得足够的动能,逃
离原子核的束缚而成为一个自由电子(俄歇电子),这种过程
称为俄歇效应.
二、初级反应与次级反应

初级反应：
M ~~ M e
水 0.165 0.1255 0.096 0.0697 0.0488 0.0298 0.0216
碳 0.1487 0.1127 0.0862 0.0629 0.0438 0.0266 -
钠 0.1532 0.1086 0.0827 0.0603 0.0422 0.0271 -
铝 0.1643 0.1099 0.0833 0.0607 0.0427 0.0286 0.0226

粒子在物质中的射程
包括粒子在内的带电粒子,通过与物质的不断相互作用,
耗尽其能量后而停留于物质中,称为被物质吸收.
带电粒子沿入射点到被物质所吸收的终止点之间的直线距
离,称为带电粒子在此物质中的射程.
粒子在空气中的射程一般通过实验测定.

单能粒子束进入空气后,每单个粒子与空气相互作用的能量损失
射的结果使电子偏离原来的入射方向.
散射角大于90o的散射称为反散射.

在辐射测量及辐射剂量分布估算中,需要考虑电子多次 散射的影响.
粒子与物质作用方式
4.切伦科夫辐射
当电子在透明体系 (如水、有机玻璃) 中的传播速度（Ve-）大于此体系
中的光速时，可观察到切伦科夫辐射。其原因是由于原子极化的迟缓效应 产生偶极子，在偶极子辐射波相干方向上观察到切伦科夫辐射。产生条件： Ve- > c/n (n：体系折射率)； 现象：以立体角为α(cosα＝c/nVe-)的圆锥形发射的深蓝色辐射；
四、线碰撞阻止本领 线碰撞阻止本领:
dE dl col
表示入射带电粒子在物质中每单位路径长度上电离损失的平均能
量,下标col表示与核外电子的非弹性碰撞.
质量碰撞阻止本领:
1 dE Zz 2 K1 dl col M A 2
1 dE dl col
铁 0.3589 0.1186 0.0824 0.0590 0.0420 0.0312 -
铜 0.4427 0.1226 0.0814 0.0580 0.0414 0.0315 -
铅 5.30 0.558 0.149 0.0682 0.0442 0.0434 0.0537
以这种形式的能量损失,称为辐射损失.辐射损失用辐射质量 碰撞阻止本领来表示:
1 dE z2Z 2 NE 2 dl rad m
粒子与物质作用方式
2.韧致辐射－与原子核的作用
电子通过发射韧致辐射损失的能量和由电离损失的能
量之比值近似为：
1 dE dl rad E max Z 1 dE 800 dl col
在原子序数较低的轻物质中(如铝，塑料等)则轫致辐射 显得不重要了。因此，常用原子序数较低的铝板或塑料板去 屏蔽防护β辐射。
粒子与物质作用方式
3.反散射

电子与核外电子发生非弹性散射 电子与原子核(库仑场)发生弹性散射
改变电子的运动方向. 电子越靠近原子核的库仑场,弹性散射越大,多次散
第四章
射线与物质相互作用 及辐射防护
教学要求:
掌握射线与物质的相互作用方式 了解辐射生物效应 了解辐射防护标准与原则 掌握辐射防护剂量有关概念与计算

第一节
一、电离与激发
1.电离辐射：
射线与物质的相互作用
1.1 概述及基本概念
荷电高能粒子或光子，如α粒子、正电子、电子、质 子、γ射线或X射线在气体、液体或固体中引发电离过程，
•β粒子的吸收与最大射程

β射线在铝中的射程,常用如下的经验公式计算： 当0.8MeV<E,max<3MeV时,
R ,max 0.542 E ,max 0.133
当0.15MeV<E,max<0.8MeV时,
1 R ,max 0.407 E .,38 max
式中R,max为最大能量为E,max的β射线在铝中的最大射程.
H.Bethe推导了重带电粒子的质量碰撞阻止本领的表示式如下:
(2 2 ) 2 C ln 2 2 2 2 ( MeV cm 2 g 1 ) 2 2 Z I (1 )
式中 mc 2 , / c ,为带电重粒子的相对速度;
M ~~ M
*


二、初级反应与次级反应
次级反应：由初级反
应产生的M+离子和激
M R R M ＋e M * M ＋X Y M ＋X M＋X M * M h M * 2R M * R ＋R M* X Y
射线的吸收

射线的吸收与吸收体的密度有关（相似于或射线的吸收）； 不同能量射线在不同吸收体中的质量吸收系数（，g/cm2）：
E[Mev] 0.1022 0.2554 0.5108 1.022 2.043 5.108 10.22
氮气 0.1498 0.1128 0.0862 0.0629 0.0439 0.0270 -
2



2
g 1 )
由上式可以看出,电子在物质中与电离损失的相关因素和重带电粒子
基本一致.

由于电子的质量相对重带电粒子小很多,所以当能量相同时,电子的 速度要比重带电粒子大很多,所以阻止本领比重带电离子小.
粒子与物质作用方式
2.韧致辐射－与原子核的作用
电子进入核力作用范围后，受到原子核库仑场的作用而产生 速度的降低和方向的改变,其部分或全部能量将转变为一种连 续能量的电磁辐射并因此一步步损失能量.这种连续的电磁辐 射即为韧致辐射。
射线的吸收不同，或射线是通过连续的碰撞损失 能量。
光子不带电荷，与物质的相互作用很弱。
• 射线吸收指数定律

射线吸收符合以下指数定律：
N＝N0e-d
式中：为吸收数；d为吸收体厚度
常常用质量吸收系数/（cm2/g）代替线性吸收系数
(cm-1)。因而得到
N＝N0e-d/
式中：d单位为g/cm2。
要铅砖或厚的水泥墙，吸收
服从指数定律，因而只能是 部分被阻挡。
1.2 重带电粒子(粒子)与物质的相互作用

总阻止本领与比电离

带电粒子在物质中的总阻止本领等于带电粒子在物质中穿行单位路
程时所损失的一切能量之和. S=Se+Sn

对于粒子来说,其在物质中穿行过程中所损失的能量以电离损失为
主,其总阻止本领近似等于其碰撞阻止本领 S=Se+Sn≈Se
增加。
物质 空气 外推射程 （cm） 6.95 密度 （g/cm3） 0.001226 质量厚度 （mg/cm2） 8.5
云母
锂 铝 锌 铁 铜 银 金
0.0036
0.01291 0.00406 0.00228 0.00187 0.00183 0.00192 0.00140
2.8
0.534 2.702 7.14 7.86 8.92 10.50 19.32

比电离是单位径迹长度上产生的离子对数.在辐射防护上,常用来作 为比较不同电离辐射所致生物效应大小的量.

比电离可以用线碰撞阻止本领来计算.
1.2重带电粒子(粒子)与物质的相互作用

出现在带电粒子射程末端
的比电离峰称为Bragg峰,
比电离曲线又称为 Bragg曲线.

质子速射程末端的高比电 离效应已经被用于治疗癌 症,用重电离子束治疗癌 症的技术也正在研究中.
为考虑了密度效应
的修正项;Z为吸收物质的原子序数;MA为物质的相对原子质量;I为物 质中原子的平均激发能;C/Z为壳修正项;K1ห้องสมุดไป่ตู้常数.
五、射线的能量及其吸收
1.辐射吸收：

2.在磁场中的行为
在相同能量下，α、β和γ 辐射的吸收系数的比值为： 104:102:1

α辐射很容易被吸收 ；β辐射
的定量吸收几mm到几cm厚 的材料 ；对于γ的吸收则需
•β粒子的吸收与最大射程

β粒子能量的连续性和吸收体的散射性质，形成β辐 射在吸收体中的吸收曲线。
•β粒子的吸收与最大射程

β粒子(最大能量为Emax)在物质中的吸收过程近似地服 从指数定律：
N＝N o e x
N＝N o e m d
式中μ,x分别为线性吸收系数和线性厚度(cm)。 μm =μ/ ，d=x为质量吸收系数和质量厚度(g/cm2)