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。