卫生监督培训核辐射与物质相互作用

全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院射线Ray高速运动的粒子和光子（天然或人工放射性核素、加速器、X射线机、宇宙射线）包括：X射线、射线、射线、射线、质子、中子、介子和重离子（A4）等本质都是辐射粒子。全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院物质Matter常被称为：靶物质靶材料各种化学元素单质化合物混合物可以是气体液体固体全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院相互作用Interaction射线穿过物质时，所发生的复杂的物理过程，称为相互作用。能量损失角度偏转吸收决定于入射粒子和被作用物质的性质全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院放射性放出的射线碰到各种物质的时候，会产生各种效应：射线对物质的作用物质对射线的作用例如：使照相底片和乳胶感光使一些物质产生荧光可穿透一定厚度的物质吸收一部分散射一部分可能使一些物质的原子、分子发生电离全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院从射线的测量、利用以及防护的角度上讨论问题，经常将射线按照带电性质分为几类：1.带电射线：α、t、d、p、Л±、μ±、e±轻带电粒子：e+、e-重带电粒子：α、p、重离子：Z22.中性粒子：∧超子、Л0、n3.电磁辐射：γ、Χ全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院主要内容：一.重带电粒子与物质相互作用（α）二.β射线与物质相互作用三.γ射线与物质相互作用四.中子与物质相互作用全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院一.重带电粒子与物质相互作用1.α粒子参数、来源及特点2.电离能量损失1）平均电离能2）比电离3）α粒子的射程3.α离子的射程1）作用机制2）公式及结论全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院α粒子（α射线）就是高速运动的氦核，它是一个极其稳定的原子核2Ae2原子序数：质量数：质量：eep24-αm7300m18364m4106.644254.0015064M克原子质子质量电荷：2Zα粒子的参数1）α粒子参数、来源及特点全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院重带电粒子与物质相互作用，常常是以α粒子为例。重带电粒子是相对于电子质量而言的，质量要比电子的质量大的多。eeαm7300m18364M全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院主要由不稳定的原子核（如象232Th、228Ra等放射源）放出来的最大能量～10MeV通常情况下4～6MeV可放出α粒子的放射性同位素有200多种有时可由加速器得到能量可达几百MeV的α粒子（这样的能量足以克服任何靶物质原子核的库仑排斥力，而使α粒子进入核力范围，因而它是产生核反应的一种有效的入射粒子）α粒子的来源及特点全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院随着粒子与物质的相互作用，粒子逐渐损失能量，速度减慢→慢化入射粒子最后完全停留在靶物质→吸收几种主要的使入射粒子损失能量（慢化）的相互作用过程：电离能量损失辐射能量损失散射全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院1）作用机制当α粒子通过物质时，由于与靶物质核外电子之间的库仑作用力，使电子受到吸引或排斥。从而，使电子获得一部分能量。获得的这部分能量分成两种情况：a.获得的能量足够大，足以克服原子核的束缚变成自由电子一个自由电子失去了一个电子的正离子2.电离能量损失电离全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院b.传递的能量不够大，不足以克服原子核的束缚激发状态是不稳定的，以发射光子的形式放出相应的能量，回到基态。原子退激可以使电子从低能级状态跃迁至高能级状态、使原子处于激发状态激发全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院当入射带电粒子与核外电子发生非弹性碰撞时电离能量损失是重带电粒子在穿过物质的过程中，能量损失的主要方式靶物质原子获得能量电离激发入射射线（α）损失能量电离能量损失（阻止本领）慢化全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院B(V)VNZzZcββ11lnIVm2lnVmNZeπz4dXdE2222202042ion2）公式及结论：入射粒子电荷电子的静止质量靶物质原子序数相对论修正项壳层修正项靶物质单位体积内原子数目全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院VB22VNZzdXdEion电离损失与入射粒子速度成反比21v当种类相同的入射粒子（粒子速度V不太大时），入射到相同的靶物质中时，相同的情况下，速度越快，损失能量越小几点结论：全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院VB22VNZzdXdEion电离损失与入射粒子所带的电荷数成正比2z速度相同，而所带电荷不同的入射粒子大电离损失大小电离损失小速度相同，入射粒子的电荷数越多，能量损失越快穿透本领越弱zz全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院当两者速度相等时，防护α粒子比质子要容易得多)()(4pioniondxdEdxdE4倍12zzdxdEdxdE222p2αion(p)ion(α)例如：当α、P以相同的速度入射到相同物质中时VB22VNZzdXdEion1:2ZZP：全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院组织本领与入射重带电粒子能量的关系在图2.1的b段成反比电离损失与靶物质NZ成正比，高Z、高N物质对重带电粒子的阻止本领比轻物质（低Z、低N）大VB22VNZzdXdEion图2.1全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院2.α粒子的射程Range1）比电离Specificionization定义：单位路程上产生离子对的数目S重带电粒子穿过靶物质时，与原子核外电子碰撞，引起原子的电离和激发而损失能量，因此，沿入射粒子入射途径会产生电子-正离子对。重带电粒子在穿过靶物质时，一路上所产生的离子对数目分布是不均匀的。全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院总电离=初级电离+次级电离如果，次级电子的能量足够大（δ电子），它也可以使物质电离，这种电离过程产生的自由电子次级电子初级电离由入射粒子直接作用引起的电离次级电离全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院由图2.2可见：当α粒子刚进入空气中时，比电离较小随着穿过距离的增大，比电离越来越大入射粒子穿过物质时，会逐渐损失能量，当能量很小时，电离损失最大，直至电离损失为零。图2.2全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院平均电离能定义：产生一对离子对需要的平均能量W平均电离能的特点：只与物质种类有关，与入射粒子能量无关全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院射程：入射粒子在吸收物质中，沿入射方向从入射点到它的终点（速度为零）之间的直线距离入射粒子在吸收体中所经过的实际轨迹的长度。一般情况下，路程射程路程00000/ERRdxdEdEdEdEdxdxxR2)α粒子的射程全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院α粒子与电子碰撞的过程中，轨迹几乎是一条直线运动方向不会发生很大的改变emm7300α粒子的径迹是直线的路程≈射程全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院4-7MeV的α粒子在标准状态下的空气中的射程32α0E0.318R图2.3经验公式：MeVcm全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院计数保持不变平均射程对于210Po30MeV5E.在标准状态下的空气中84cm3R.全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院04102.3RAR同种带电粒子在不同物质中的射程，可用空气来计算对于化合物和混合物主要差别在于A值的差别：ii332211AnAnAnAnA布雷格—克莱门经验规律000AARR全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院对于能量为3~7MeV的α粒子，在标准状态下的空气中，平均射程全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院α粒子能量（）空气（）生物组织（）铝（）42.531164.53.037205.03.543235.54.049266.04.656306.55.264347.05.972387.56.681438.07.491488.58.1100539.08.9110589.59.81206410.010.613069表2.1α粒子在几种物质中的射程mmcmMeV全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院用质量厚度表示射程：5MeV的α粒子在人体组织中的射程为43μm3cmg1RRm人体组织密度：2-4m/3.411043cmmgRR人体皮肤厚度：27cmgm所以：α粒子造成的外照射伤害可以不考虑2cmg单位：全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院问题：1）全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院二.β射线电子与物质相互作用1.β射线来源及特点2.能量损失1）电离能量损失2）辐射能量损失3）多次散射3.β射线的吸收全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院1.β粒子参数、来源及特点β射线实际上是高速运动的电子（负电子、正电子）由核衰变产生的β射线，具有以下特点：半衰期在能量0~4MeV能谱特点：连续有最大衰变能某处有最大强度y18710~10β能谱示意图全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院电子与物质相互作用的特点：与α相同之处：均是带电粒子在与物质相互作用时，仍然主要是与物质中原子的核外电子发生电离相互作用与α不同之处：β粒子质量是α粒子的质量的1/7300,在与物质相互作用过程中,会有很大的差别全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院主要作用形式有：电离能量损失辐射能量损失多次散射运动轨迹不再是直线，而是十分曲折全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院存在的问题：β粒子的质量只有α粒子的1/7300，所以具有相同能量的β粒子和α粒子速度就要相差很多，大很多，往往接近光速，因此对β粒子相互作用的情况必须要考虑相对论效应同为4MeV的β粒子和α粒子C%.vC%v5995全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院当快速电子通过物质时，它与物质原子的壳层电子发生碰撞，入射电子将自己的一部分能量给与原子壳层电子，使原子电离或激发。电离能量损失电子在穿过物质时，损失能量的主要方式1）电离能量损失2.能量损失全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院表几种物质的电子平均电离能物质名称空气AlCH4H2CO2HeW(eV)3426.427.036.332.841电子在吸收物质中产生一对粒子对所消耗的平均能量与电子能量无关，只依赖于物质种类。可见：全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院)(1118111122ln12ln222222220204vNZBvIvEmNZvmedxdEe电子的电离能量损失率:全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院电子的电离损失率:α粒子的电离能量损失率：B(V)VNZzZcββ11lnIV2mlnVmNZe4ππdXdE2222202042ion)(1118111122ln12ln222222220204vNZBvIvEmNZvmedxdEe全国放射卫生监督员培训苏州大学放射医学与防护学院NZvdxdEe21电子的电离能量损失率:（1）差别仅在与方括号内的第二项（2）(-dE/dx)e与粒子的速度v2成反比在相同能量的情况下，电子的速度要比α粒子的速度大很多，因此电子的电离损失率比α粒子要小得多，正是由于它的电离损失率小。结论:β射线穿透物质的本领比α粒子大得多全国放射卫生监督员培训苏州