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第二节 放射与物质的相互作用

一、带电粒子与物质的相互作用

(一)电离(ionization)

带电粒子在从吸收物质原子旁掠过时,由于它们与壳层电子之间发生静电库仑作用,壳层电子便获得能量。如果壳层电子获得的能量足够大,它便能够克服原子核的束缚而脱离出来成为自由电子。这时,物质的原子便被分离成一个自由电子和一个正离子,它们合称离子对。这样一个过程就称为电离。脱离出来的自由电子通常具有较高的功能,它又可以引起其它原子或分子电离,称为次级电离。

(二)激发(excitation)

带电粒子给予壳层电子的能量较小,还不足以使它脱离原子的束缚而成为自由电子,但是却由能量较低的轨道跃迁到较高的轨道上去,这个现象称为原子的激发。处于激发态的原子是不稳定的。它要自发地跳回到原来的基态,其中多余的能量将以可见光或紫外光的形式释放出来,这就是受激原子的发光现象。

(三)散射(scattering)

散射是带电粒子与被通过的介质的原子核发生相互作用的结果。在这种作用下,带电粒子只改变运动方向,不改变能量。方向改变的大小与带电粒子的质量有关。

(四)轫致辐射(bremsstrahlung)

带电粒子与被通过的介质原子核相互作用,带电粒子突然减速,一部分动能转变为连续能谱的电磁辐射释放出来。这种作用随粒子的能量增加而增大,与粒子的质量平方成反比,与被通过介质的原子序数Z的平方成正比。

(五)吸收(absorption)

带电粒子在介质中通过,由于与介质相互作用耗尽了能量而最终停止下来,这种现象称为被介质吸收。

二、光子与物质的相互作用

光子是电磁辐射,可通过以下三种效应与介质发生作用。

(一)光电效应(photoelectric effect)

γ光子与介质的原子相互作用时,整个光子被原子吸收,其所有能量交给原子中的一个电子。该电子获得能量后就离开原子而被发射出来,称为光电子。光电子能继续与介质作用。

(二)康普顿效应(Compton effect)

γ光子只将部分能量传递给原子中最外层电子,使该电子脱离核的束缚从原子中逸出。光子本身改变运动方向。被发射出的电子称康普顿电子,能继续与介质发生相互作用。

(三)电子对产生(electron pair production)

能量大于1.02M eV的γ光子在物质中通过时,可与原子核碰撞,转变成一个电子和一个正电子,从原子中发射出来。被发射出的电子和正电子还能继续与介质发生相互作用。

γ光子通过上述三种效应,能量逐渐减弱、方向发生不同的改变,最终也可表现为被吸收。

三、中子与物质的相互作用

中子本身不带电,在通过物质时主要是与原子核发生作用,产生次级电离粒子而使物质电离。

(一)弹性散射(elastic scattering)

弹性散射是中子通过物质时损失能量的重要方式。原子核从中子动能中得到一部分能量而形成反冲核,中子则失去部分动能且偏离原方向。反冲核越轻、反冲角越大、反冲核得到的能量越多。反冲核动能和入射中子能量成正比。

(二)非弹性散射(inelastic scattering)

入射中子与原子核作用形成复合核,复合核放出中子后如处在激发态,则会立即会放出γ射线而回到基态。入射中子的能量必须大于原子核的最低激发能,非弹性散射才可能发生。

(三)中子俘获(neutron capture)

慢中子或热中子与物质作用时,很容易被原子核俘获而产生核反应。核反应的产物可能是稳定核素,也可能是放射性核素,同时还释放出γ光子和其它粒子。某些稳定核素,在慢中子作用下,生成放射性核素,称为感生放射性核素(inducedradionuclide),它具有的放射性,称为感生放射性(induced radioactivity)。

四、传能线密度和相对生物效应

(一)传能线密度(linear energy transfer,LET)

LET是反映能量在微观空间分布的物理量,以L[XB]△[/XB]表示。

L[XB]△[/XB]=(dE/dl)[XB]△[/XB]

式中dl是带电粒子的物质中穿行的路程,以微米计;△是能量截止值、以eV为单位。只有能量转移小于△的碰撞才有意义;dE是在dl路程内能量转移小于△的历次碰撞造成的能量丧失的总和。

所以,传能线密度是带电粒子在物质中穿行单位路程时,由能量转移小于△的历次碰撞所造成的能量损失。LET反映的是很小一个空间中单位长度(μm)路程上能量转移的多少。

L[XB]△[/XB]的SI单位是“焦耳每米”(J·m[SB]-1[/SB]),也可使用keV·μm[SB]-1[/SB]。重带电位粒子具有较高的L[XB]△[/XB]值(表1-1)。高LET辐射(如α粒子、中子)比低LET辐射(如X、γ射线)的生物效应大。

表1-1 不同类型和不同能量的电离辐射的传能线密度

辐射类型粒子动能(MeV)传能线密度(keV/μm)辐射类型粒子动能(MeV)传能线密度(keV/μm)
γ-线1.17~1.330.3中子417
 80.2 1412
X-线250kVp3.3~3.8质子0.9545
 0.22.5 2.017
β-粒子0.00555.5 7.012
 0.014.0 3400.3
 0.10.7α-粒子3.4130
 1.00.25 5.090
 2.00.21 2725

(二)相对生物效应(relative biological effectiveness,RBE)

由于各种辐射的品质不同,在相同吸收剂量下,不同辐射的生物效应是不同的,反映这种差异的量称为相对生物效应(RBE)。相对生物效应是引起相同类型相同水平生物效应时,参考辐射的吸收剂量比所研究辐射所需剂量增加的倍数。通常以X线或γ线作为参考辐射,参考辐射本身的RBE=1。辐射的RBE越大,其生物效应越高(表1-2)。

表1-2 各种电离辐射的相对生物效应

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