辐射基础知识

一、放射性基本常识
1.1 放射性与射线
自然界中存在的各种各样的物体，大的如宇宙中的星球，小的如肌体的细胞。

都是由各种不同的物质组成的。

物质又是由无数的小颗粒所组成的。

这种小颗粒叫做“原子”，由几个原子还可以组成较复杂的粒子叫分子。

如水，就是由二个氢原子和一个氧原子化合成一个水分子。

无穷多的水分子聚在一起。

就是宏观的水。

原子虽然很小，它仍有着复杂的结构。

原子由原子核和一定数量的电子组成。

原子核在中心，带正电。

电子绕着原子核在特定的轨道上运动，带负电。

整个原子的正负电荷相等，是中性的。

原子核内部的情况又是怎样的呢？简单地讲，原子核是由一定数量的质子和中子组成。

中子数比质子数稍多一些。

两者数目具有一定的比例。

一个原子所包含的质子数目与中子数目之和，称为该原子的质量数。

它也就是原子核的质量数。

简单归纳一下：
质子（带正电，数目与电子相等）
原子核
原子中子（不带电，数目=质量数-原子序数）
电子（质量小，带负电，数目与质子相等，称为原子序数）原子的化学性质仅仅取决于核外电子数目，也就是仅仅取决于它的原子序数。

我们把原子序数相同的原子称作元素。

有些原子，尽管它们的原子序数相同，可是中子数目不相同，这些原子的化
学性质完全相同。

而原子核有着不同的特性。

例如：1
1H、2
1
H、3
1
H，它们就是元素
氢的三种同位素。

又如：
59Co和60Co是元素钴的两种同位素。

235U和238U是元素铀的两种同位素
自然界中已发现107种元素，而同位素有4千余种。

原子核里的中子比质子稍多，确切地说，质子数与中子数应有一个合适的比例（如轻核约为1：1，重核约为1：1.5）。

只有这样的原子核才是稳定的，这种同位素就叫做稳定同位素。

如果质子的数目过多或过少，也即中子数目过少或过
多。

原子核往往是不稳定的，它能够自发地发生变化，同时放出射线和能量。

这种原子核就叫做放射性原子核。

它组成的原子就叫做放射性同位素，如59Co是稳定同位素，60Co是放射性同位素。

放射性同位素分为天然和人工两种。

天然的就是自然界中容观存在的。

如铀、钍、镭及其子体；以及钾、钙等等。

人工的就是通过人为的方法制造的。

如利用反应堆或加速器产生的粒子打在原子核上，发生核反应，使原子核内的质子（或中子）数目发生变化。

生成放射性同位素，60Co就是把59Co放在反应堆里照射。

吸收一个中子后变成的，所以60Co就是人工放射性同位素。

放射性原子核通过自发地变化，放出射线和能量，同时自己变成一个新的原子核。

这个过程叫做放射性衰变。

绝大多数放射性原子核衰变时主要放射三种射线（或称粒子），一种叫做α
He，带有两个单位的射线，它就是由2个质子和2个中子组成的氦原子核。

即1
2
正电荷,质量数为4。

另一种叫做β射线，它是高速运动的电子。

带1个单位的负电荷，第三种叫γ射线，它是一种电磁波，不带电，放出哪种射线就叫做哪种衰变。

常见的放射性衰变方式有α衰变、β衰变、γ衰变。

（1）α衰变
放射性核素自发的放射出α粒子（射线）而生成另一种核素的过程称为α衰变。

α粒子实际上是一个氦原子核，它由2个质子和2个中子组成，带2个单位正电荷。

有些原子核经α衰变后形成的子体核处于激发状态，它需要向基态跃迁并放出γ射线。

（2）β衰变
放射性核素自发的放射出高速电子（β射线）而生成另一种核素的过程称为β衰变。

β射线与物质的相互作用较强，在介质中能量损失较快，穿透力较弱，为了防止β射线产生大量轫致辐射，通常用地原子序数的材料屏蔽，如铝、有机玻璃等。

能量较高的β核素体表沾染会对皮肤产生外照射，严重沾污可能会烧伤皮肤；内污染会对组织或器官产生一定照射。

（3）γ衰变
γ射线是一种波长很短的电磁波，即光子流，不带电。

所以γ射线与普通无线电、可见光的实质是一样的，都是由电磁波构成。

由于γ光子不带电荷，且不易被其他物质吸收。

通过障碍物时，能量的损失只是其数目逐渐减少，而剩余γ光子的速度不变。

因此，在3种常见的射线中，γ射线穿透能力最强，它是β射线的50-100倍，是α射线的1万倍，能透过厚达300mm的钢板，因此要完全阻挡或吸收γ射线是很困难的。

换句话说，γ射线对机体的外照射危害较大。

但γ射线的电离能力最弱，且不会滞留在体内，所以其对人体基本上不存在内照射危害，而应主要防护γ射线所造成的外照射。

为了减弱γ射线的强度，通常可采用重金属如铅等做屏蔽物。

（4）X射线
X射线是一种短波长的电磁波，波长介于γ射线和紫外线之间。

它由德国物理学家伦琴发现，故又称伦琴射线。

X射线性质和γ射线大体相同，所以把它们统称为光子。

如上所述，两者区别在于γ射线是从某些放射性物质原子核里发射出来；而X射线是由核外电子壳层中发射出来的。

X射线和γ射线都不带电，不能直接引起电离，但它们传统能力极强，能穿透物质，进而使核外电子成为高速飞行的自由电子，这些电子则可发生电离作用。

X射线防护主要采用外照射防护。

（5）中子
中子是一种不带电的基本粒子，在自然界里不能单独存在，它是在原子核收到外来粒子的轰击时才从原子核里释放出来的。

运输过程中常见的中子源就能放出中子流。

中子源是将某些放射性物质与非放射性物质放在一起，放射性物质衰变时放出的α粒子轰击非放射性物质而放出中子。

由于中子不带电，不能直接由电离作用而消耗能量，因而具有强大的穿透能力。

当中子通过物质时，会与物质中的原子核碰撞而损失能量。

通常，中子与轻原子碰撞时损耗的能量较多，而与重原子核碰撞时损耗的能量较少。

所以，中子最易被含有很多氢原子的物质和碳氢化合物所吸收，却能顺利通过铁、铅等很重的物质。

中子流的上述特点应特别为人们所重视。

这是因为人体是一个有机体，有大量的碳氢等轻质元素，这正是中子的良好减速剂。

中子流在人体内长距离穿透时，撞击碳、氢的原子核而发生核反应。

这些反应都有γ射线放出，对人体危害极大。

总的来说，中子流对人体的伤害，不论是外照射还是内照射都是极严重的，而且由于重物质挡不住中子流，所以中子弹对人员的杀伤半径要比原子弹大得多，且不毁坏建筑物。

也正是因为上述特点，通常可以用比重较轻的物质吸收中子或使其减速，如水、石蜡和其他碳氢化合物或水泥等。

一定数量的放射性原子核，在每一秒钟内都有一部分在发生衰变，变成了新的原子核，也就是说，放射性原子核的数目不断减少，放射性原子核减少到原来数目的一半所经过的时间叫做半衰期，记作T½。

单位是时间的单位，如秒、小时、天、年等等。

对每种放射性原子核来说，它是个常数。

例如：60CO的半衰期T½=5.3年，其意思是说，如果现在有1000个60CO原子核，由于放射性衰变,5.3年后只剩下500个了。

另外500个变成了60N1原子核，再过5.3年60CO原子核只剩下250个了。

依此类推，放射原子核60CO的数目越来越少。

放射性原子核数目随时间的减少服从指数规律，这是实验得到的结果。

如果
个,t时刻的核数为N（t）个，则我们已知某一时刻（t=0）的放射性核数为N
有
e-λt
N(t)=N
这里λ叫做衰变常数，单位1/秒或1/小时，1/年等:
e是自然对数的底，e=2.718……。

由此式，我们就可求出任意时刻所剩的放射性原子核数。

衰变是自发地、连续不断的进行，且不受任何外界条件的影响，一直衰变到原子处于稳定状态才停止。

为了表示放射性物质衰变的快慢，采用半衰期这个概念，半衰期是指放射性物质的原子核有半数发生衰变时所需要的时间。

每种放射性物质的半衰期是恒定的，但各种放射性物质的半衰期却不同。

对于放射源的储存单位来说，了解半衰期是十分重要的。

经过n个半衰期后，放射性物质中只剩下1/2n的原子核还有放射性，而其余的都已蜕变成没有放射性的新原子核。

比如：经过4个半衰期，放射性物质的有效成分只剩下1/16。

放射性活度，以往常称为放射性强度。

为习惯起见，这里仍用放射性强度的提法。

放射性活度的意思是，每秒钟内有多少个原子核发生衰变，即衰变率。

（不是放射性原子核的总数！）理论和实验都证明了，放射性强度A随时间的变化按指数规律减弱。

e-λt
A(t)=A
是初始(t=0)的放射性强度；
这里A
A(t)是t时刻的放射性强度；
λ是衰变常数。

对半衰期较短的放射源，谈及强度时，一定要标明时间，即放射性强度是什么时候的强度，否则没意义。

放射性强度的专用单位叫做居里。

1居里=3.7×1010衰变/秒
（国际制单位叫做贝可勒尔）
1贝可=1秒-1
1居里=3.7×1010贝可
即每秒发生3.7×1010次衰变,或者说,一秒钟内有3.7×1010个核发生衰变.其放射性强度就叫做1居里。

放射性同位素有天然和人工的两种。

天然的放射性原子核存在于什么地方？放射什么射线？半衰期有多长？
天然放射性同位素，是和宇宙共生的。

它们与地球年龄（约109年）相同或更长。

在地球的土壤和岩石中，含有铀、钍的多种放射性同位素及它们的一系列放射性的子体。

还有46K等等。

它们的半衰期一般都很长,达108--109年。

它们放出ａ、β、γ三种射线，这些放射性原子核在海水、地下水中也有微量存在。

在空气中放射性的氡(222Rn,220Rn)气，它们是由钍的子体衰变成的，所以只要地壳中的铀钍衰变不完，空气中就不断有氡气出现。

人体中除了含有少量上述的天然放射性同位素外，还有碳的放射性同位素14C，这是通过食物进入体内的。

从太阳和其它恒星发射的各种射线（俗称宇宙射线）也会射到地球上来。

它
们虽然被大气层吸收了一部分，也还有一部分进入人类的生活环境。

以上所说的天然放射性同位素和射线，统称天然本底。

近年来，由于原子能电站及核武器的发展，核爆炸的放射性沉降物及核反应堆排出的废气越来越多，它们当中的放射性物质都有一部分进入人类生活的环境，我们把这些也归到天然本底中。

天然放射性同位素有些是有用的。

如铀，开采加工后可制成核燃料及核弹材料239U。

又如通过测定铀钍的放射性强度可确定地质年龄。

利用14C可确定化石及古生物的年代等等。

1.2 常用放射性辐射量及其单位
1．活度
活度（activity）也叫衰变率（decay rate），指样品在单位时间内衰变掉的原子数。

单位为贝克（Bq） 1Bq=1次放射性衰变/s
活度计常用单位还有居里（Ci）1Ci=3.7×10-10B
2.照射量
是用来度量X射线或γ射线在空气中电离能力的物理量。

dQ的值是在质量为dm空气中，由光子释放的全部电子（负电子和正电子）在空气中完全被阻止时所产生的离子总电荷的绝对值。

X=d Q/d m）
单位：库/千克符号：C/kg
3.吸收剂量与吸收剂量率
吸收剂量是指单位质量被照射物质吸收电离辐射能量大小的一个物理量。

即单位质量物质所吸收射线的能量。

吸收剂量适用于任何类型的电离辐射、任何介质，是反映被照射介质吸收辐射能量程度的物理量。

吸收剂量的国际制单位是：J/kg，专用名词为Gray（戈瑞），记为Gy。

吸收剂量率是单位时间内单位质量物质所吸收的辐射剂量，其单位是Gy/s 等。

4.剂量当量与剂量当量率
人体受到辐射时，虽然机体的吸收剂量相同，但由于辐射类型和照射条件各不相同，可能产生完全不同的伤害。

因此，提出“剂量当量”的概念。

国际制单位是：希沃特、希伏（Sv），1Sv=1J/kg
辐射剂量当量率是指单位时间内所受到的剂量当量，简称剂量当量率，其计量单位为Sv/s
吸收剂量是说明单位质量的介质吸收辐射能量的大小，而剂量当量则说明吸收了上述能量对人体组织可能带来的危害大小。

单位质量人体组织吸收了相同的辐射能量，由于辐射射线不同，剂量当量的数值可能会有很大差异。

如同样的吸收剂量，X射线、γ射线和电子的剂量当量与吸收剂量大致相同，而中子带来的危害10倍于X射线、γ射线和电子，所以其剂量当量10倍于吸收剂量，而如果是α射线辐射，其剂量当量20倍于吸收剂量。

1.3 放射性物品的定义和分类
放射性物品根据其特性及其对人体健康和环境的潜在危害程度分为三类：即：一类放射性物品、二类放射性物品、三类放射性物品。

同时，又根据放射源强度等性质，从高到低将放射源分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类。

一类放射性物品：是指Ⅰ类放射源、高水平放射性废物、乏燃料等释放到环境后对人体健康和环境产生重大辐射影响的放射性物品。

如：高水平放射性废物、乏燃料、钴-60放射源、γ刀治疗机、医用强钴源、工业辐照强钴源、锎-252中子源原料等。

二类放射性物品：是指Ⅱ类和Ⅲ类放射源、中等水平放射性废物等释放到环境后对人体健康和环境产生一般辐射影响的放射性物品。

如：中等水平放射性废物、测井用放射源、铯-137等密闭放射源。

三类放射性物品：是指Ⅳ类、Ⅴ类放射源、低水平放射性废物、放射性药品等释放到环境后对人体健康和环境产生较小辐射影响的放射性物品。

如：低水平放射物、放射性药品、爆炸物检测用放射源铯-137子母源罐等。

1.4 常见放射源
（1）α辐射源
常见的α辐射有钋-210（210Po）和镅-241（241Am），这两种辐射源的表面活度最大可达1011Bq/m2。

（2）β辐射源
用于制备β辐射源的主要放射性同位素有碳-14（14C）、镍-63（63Ni）、氪-85（85Kr）、锶-90（90Sr）、钌-106（106Ru）等。

（3）γ辐射源
常见的γ辐射源有钴-60（60Co）、铯-137（137Cs）、钠-22（22Na）、铁-55（55Fe）、锑-124（124Sb）、铱-192（192Ir）等。

（4）中子源
按照中子的产生来源，可将中子源分为核反应堆中子源、加速器中子源和放射性同位素中子源三类。

锎-252是自发裂变中子源。

镭-铍（226Ra-Be）中子源和钋-铍（210Po-Be）中子源是常用的中子源。

1.5 日常生活中受到的照射
一个人不管是否接触放射源，在日常生活中都不断受到射线的照射。

首先是天然本底的照射，所谓天然本底照射，指的是来自宇宙线以及土壤、建筑物、大气、水、食物中所含的放射性核素造成的照射。

世界上各地区天然本底是不同的。

例如，北京地区的天然本底照射约为2mSv/年，我国南方高本底地区可达3.7mSv/年。

印度喀拉拉邦的独居石矿区附近的本底为13mSv/年。

人类在这样的循环长期繁衍下来，既使在高本底地区，也未发现健康异常。

所以人类肌体具有耐受一定剂量的能力。

除天然本底照射外，日常生活中还要受到其他一些照射，如带夜光表、照透视、看电视、乘飞机等。

如果用放射线治疗疾病（治癌），区部会受到相当大剂量的照射。

可见，几乎每个人都在和射线打交道。

只是过去不太了解罢了。

这也再次说明射线并不那么神秘可怕。

日常生活中受到的照射
上海地区天然本底照射 2mSv/年
带老式夜光表手腕受到的照射 10-2mSv/时
肺部透视受到的照射 0.5-1 mSv /次
看电视受到的照射 0.01 mSv /年
乘飞机受到的照射 0.5-1 mSv /时
每天吸20支烟肺部受到的照射 0.5-1 mSv /年
治癌局部受到的照射 30-70Sv
1.6 射线对人体的危害
射线可以破坏肌体组织的细胞结构，从而引起病变。

受到1Sv以下的剂量时绝大多数人无临床反应，少数有反应，经过休养治疗，肌体组织可以通过新陈代谢自行恢复。

大剂量照射。

如一次受到2-6Sv的剂量。

就会得白血病（即“血疑”中的情况），一次受到10Sv以上的剂量，几天之内就会死亡。

这正是原子弹、氢弹等核武器的杀伤力的一个方面。

射线对人体的危害有两种，一种发生在受照人体本身，一种发生在后代身上，这两种危害分为随机效应和非随机效应两类。

所谓随机效应，就是说发生的几率与剂量大小有关，受到剂量越大，发生的几率越高，但没有一个确定的值。

低于它就不发生，高于它就发生。

像癌以及遗传性疾病就属此类。

所谓非随机效应，指其严重程度与剂量有关，而且可能存在着剂量的阈值。

即只有所受的剂量超过阈值，才能发生这种效应。

如白内障，不育症等，就属此类。

小剂量照射，非随机效应不可能发生，但不能完全排除发生随机效应的可能性。

1.7 射线防护的原则、标准和措施
1、射线防护的基本原则
防护的目的在于防止有害的非随机效应，并把随机效应的发生几率限制在一个可接受的水平上，为达到这个目的，国际上和我国“放射卫生防护基本标准”（即国家标准）都采用了以下基本原则。

（1）放射实践的正当化，放射性对健康有妨碍，为什么还要用放射性仪表呢？关键的原因是采用它可以带来巨大的效益，只有某一项放射实践带来年利益比付出的各种代价（对人群和环境的危害等）大得多时，才认为这项放射实践是正当的。

(2)放射防护的最优化，为了避免不必要的照射，要花费一定的代价，采取防护措施，照射水平越低，花费就越大，因此要把放射实践带来的利益及花费的代价和达到的剂量水平综合起来考虑。

求得一个最优方案，也即利益最大。

花费的代价最小，又能把剂量降到合理低的水平，并不是剂量水平越低越好。

如果盲目地降低剂量，将得不偿失。

（3）个人剂量当量限值
在实施正当化、最优化两项原则时，要同时保证个人所受的剂量不超过规定的限值。

2、剂量当量限制
对剂量当量限值，我国“放射卫生防护基本标准”做了如下规定：
对放射工作人员，为了防止有害的非随机效应，任一器官或组织所受的年剂量当量不得超过下限值：
眼晶体 150毫希
其他单个器官和组织 500毫希
对公众中的个人，年剂量当量限值为：
全身 5毫希
任何单个组织和器官 50毫希
长期持续受到照射时,公众中个人一生中每年的全身剂量当量限值应不高于1毫希
以上的限值都不包括天然本底照射及医疗照射.
根据年剂量当量限值,再根据一年中接触放射性的时间,就可求出任意时间里的剂量当量限值。

例如：放射工作人员全身照射的年限值为50mSv，
3、防护措施
为了减少射线的照射，防止各种有害效应的发生，把剂量当量严格控制在国家规定的限值以内，可采取以下三种措施：
(一）时间防护
尽量减少接触射线的时间，操作维修放射性仪表动作要快，这样既使在短时间内受到的剂量当量较大，但由于接触时间短，仍可使全年所受的剂量当量很小。

（二）距离防护
尽量远离放射源，因射线沿球面传播，注量率和距离平方成反比，距离越大，受到的照射越小。

（三）屏蔽防护
在放射源周围加上屏蔽材料，减少射线的泄漏，装源的铅罐，就是很好的屏蔽体。

屏蔽γ射线，要选用重材料，如混凝土、铁、铅等。