輻射劑量與防護(B5標(biāo)準(zhǔn))

核輻射劑量與防護

（內(nèi)部教材）

張麗嬌編

目錄

目錄

目錄.........................................................I

緒論...........................................................1

第一章輻射的基礎(chǔ)知識........................................7

第一節(jié)物質(zhì)結(jié)構(gòu)............................................7

1.1.原子結(jié)構(gòu)..............................................7

1.2.射線與輻射..........................................10

第二節(jié)射線與物質(zhì)相互作用................................16

2.1.帶電粒子與物質(zhì)相互作用.............................16

2.2.7射線與物質(zhì)相互作用................................17

2.3.中子與物質(zhì)相互作用.................................18

第三節(jié)輻射防護中常用的物理量............................19

3.1.描述輻射場的量......................................20

3.2.相互作用系數(shù)........................................22

3.3.輻射劑量學(xué)中使用的量...............................27

3.4.輻射防護中使用的量.................................39

第二章輻射對人體的影響和防護標(biāo)準(zhǔn).........................45

第一節(jié)放射性來源........................................46

1.1.天然放射性..........................................46

1.2.人工放射性..........................................48

第二節(jié)輻射的生物效應(yīng)....................................51

2.1.基礎(chǔ)知識............................................51

2.2.幾種電離輻射的相對危害性...........................53

2.3.輻射的生物效應(yīng)......................................55

2.4.影響輻射生物效應(yīng)的因素.............................57

第三節(jié)輻射防護的目的、原則和標(biāo)準(zhǔn).......................61

I

目錄

3.1.輻射防護的目的......................................61

3.2.輻射防護原則........................................61

3.3.輻射防護標(biāo)準(zhǔn)........................................63

第三章外照射的防護........................................72

第一節(jié)外照射防護的基本方法..............................72

1.1.時間防護.............................................73

1.2.距離防護.............................................73

1.3.屏蔽.................................................73

第二節(jié)X或r射線的外照射防護.............................74

2.1.X、y射線劑量計算....................................74

22X、y射線在物質(zhì)中的減弱規(guī)律..........................80

2.3.X、丫射線的屏蔽計算.................................85

2.4.屏蔽X或丫射線的常用材料............................98

第三節(jié)B射線的外照射防護.................................99

3.1邛射線的劑量計算....................................100

32。射線的物致輻射的劑量計算..........................102

3.3.P射線的屏蔽計算....................................103

第四節(jié)中子的外照射防護..................................106

4.1.中子的劑量計算......................................106

4.2.中子的屏蔽計算......................................108

4.3.屏蔽中子的常用材料.................................113

第五節(jié)外照射防護中的幾個特殊問題.......................115

5.1.屋頂厚度的計算.....................................115

5.2.迷道和門窗問題.....................................117

5.3.通風(fēng)問邈............................................119

5.4.安全連鎖系統(tǒng)........................................119

第四章內(nèi)照射的防護........................................122

第一節(jié)概述...............................................122

1.1.內(nèi)照射的特點........................................122

4.2.內(nèi)、外照射防護的不同思路...........................123

II

目錄

4.3.放射性物質(zhì)進入人體的途徑...........................123

第二節(jié)內(nèi)照射限值........................................126

2.1.次級限值............................................126

22導(dǎo)出限值............................................129

第三節(jié)內(nèi)照射防護........................................130

3.1.開放型放射性工作場所的分級、分區(qū)及其主要防護要求....131

3.2.個人防護措施........................................135

第五章輻射防護監(jiān)測.................................137

第一節(jié)監(jiān)測特點和分類....................................137

I充Ujlii.［貝!I1J8

2.1.外照射個人劑量監(jiān)測.................................138

2.2.體內(nèi)污染的個人劑量監(jiān)測.............................141

第三節(jié)工作場所監(jiān)測......................................143

3.1.外照射監(jiān)測..........................................143

3.2.表面污染監(jiān)測........................................144

3.3.空氣污染監(jiān)測........................................146

第四節(jié)環(huán)境監(jiān)測..........................................148

4.1.本底調(diào)查............................................149

4.2.常規(guī)監(jiān)則............................................149

4.3.應(yīng)急監(jiān)測............................................150

4.4.環(huán)境監(jiān)測的質(zhì)量保證.................................150

附表1了射線在某些元素和材料中的質(zhì)量減弱系數(shù)、質(zhì)量能量轉(zhuǎn)移系

數(shù)和質(zhì)量能量吸收系數(shù)........................................152

附表2中子在某些物質(zhì)中的比釋動能因子......................155

附表3各向同性y點源的照射量積累因子......................159

附表4各向同性點源y射線減弱倍數(shù)所需的水屏蔽層厚度.......162

附表5各向同性點源y射線減弱倍數(shù)所需的混凝土屏蔽層厚度……166

附表6各向同性點源y射線減弱倍數(shù)所需的鐵屏蔽層厚度.......170

III

目錄

附表7各向同性點源y射線減弱倍數(shù)所需的鉛屏蔽層厚度.......174

附表8加速器X射線減弱倍數(shù)所需的混凝土屏蔽層厚度.........178

附圖1?1()................................................................................................................18()

IV

緒論

緒論

一、核科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用

20世紀(jì)是一個科技成果豐碩的世紀(jì)，其偉大科技成果之一是人們

打開了核科學(xué)技術(shù)利用的大門。核技術(shù)的開發(fā)利用，在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展

上具有劃時代的意義。核技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、科研等國民經(jīng)濟各

個領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，并展示出廣闊的前景。

1.核技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用

核電是核技術(shù)在工業(yè)上最大的應(yīng)用，也是最重要的應(yīng)用。19世紀(jì)

以后，隨著科學(xué)技術(shù)的突飛猛進，能量的需求也急劇上升，人類己經(jīng)面

臨能源短缺的危機。核電作為一種新的能源，是清潔的能源，也是安全

的能源，近兒十年得到迅速的發(fā)展。目前，核電已經(jīng)成為世界上多數(shù)發(fā)

達(dá)國家能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，也將在我國電力結(jié)構(gòu)調(diào)整、保證國

家可持續(xù)發(fā)展中起到不可替代的重要作用。

核技術(shù)在工業(yè)上的無損檢驗、厚度測量、密度測量、濕度測量等

方面的應(yīng)用已為大多數(shù)人熟知。比如工業(yè)料位計，用于某些固態(tài)顆粒物

料、絕緣材料、有毒物料、腐蝕性物料等不宜用其他常規(guī)方法確定物料

面的測量；電容器紙、有機薄膜等工業(yè)用薄層材料，其厚度在10-100

g-m-2量級，射線吸收法是最常用的厚度測量方法；等等。

核技術(shù)在食品處理上有很大的應(yīng)用。射線對微生物的殺傷作用，

早已引起了人們的注意。它不但直接破壞微生物細(xì)胞核內(nèi)的DNA,而

且它所產(chǎn)生的活性粒子對細(xì)菌也有強烈的殺傷作用。20世紀(jì)50年代就

己開始用輻射來保藏肉類及其制品。輻射技術(shù)還可用于抑制發(fā)芽，延長

貯藏期，對保障市場供應(yīng)，外銷出口和減少經(jīng)濟損失，都具有重要的意

義。

1

緒論

中子活化分析是核技術(shù)在工業(yè)上的又一應(yīng)用。中子活化分析是微

量(1(尸~1()心)和超微量(〈IOr)元素分析的重要手段。所謂中子活

化,是指中子與靶物質(zhì)作用時，核反應(yīng)生成放射性核素，反應(yīng)堆生產(chǎn)60co

就是一個典型例子。活化分析，則是通過對活化核素發(fā)射射線強度和能

譜的測量，定量給出被分析元素的種類和含量。

輻射在高分子材料方面的應(yīng)用也是核技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用之一。

輻射聚合與常用方法相比，輻射聚合所得的聚合體的純度高，不存在引

發(fā)劑、催化劑帶入的雜質(zhì)；聚合均勻，避免了聚合時的過熱現(xiàn)象和不溝

勻反應(yīng)；活化能力低,只有(8.36?33.44)可在低溫下進

行；聚合條件可以隨輻射源和聚合系統(tǒng)的條件而廣泛地變化，控制分子

量分布比較容易；應(yīng)用而廣，不但可以用于單體的本體聚合、共聚合，

而且也能用于復(fù)合材料的制備、涂料的固化等。輻射在高分子材料方面

的另一類應(yīng)用，是輻射改性。聚合物通過輻射改性，可以改進其親水性、

阻燃性、熱穩(wěn)定性、抗靜電性、耐化學(xué)腐蝕性等。

2.核技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用

輻射育種是核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要應(yīng)用。利用輻射照射.，使神

子或植株發(fā)生遺傳變異，再經(jīng)人工選種和培育，得到新的優(yōu)良品種，這

一過程就是輻射育種。由于這種育種方法可以獲得全新的優(yōu)秀變異，可

以縮短育種周期(與常規(guī)法相比)因而受到人們的重視。根據(jù)國際原子

能機構(gòu)估計，歐美各國通過輻射育出的新品種在20()個以上。我國輻射

育出的新品種或新品系14()多個，其中包括糧食作物、油料作物、纖維

作物、果樹、蔬菜、桑樹等。單就農(nóng)業(yè)作物而言，主要作物推廣總面積

已超過一億畝。從經(jīng)濟效果看，輻射育種的投資少，受益卻幾十倍，甚

至上百倍。

電離輻射還可以導(dǎo)致昆蟲不育，因而可用米防治農(nóng)業(yè)害蟲和環(huán)境

害蟲。和藥劑殺滅、釋放天敵等常規(guī)方法相比，輻射不育效果持久，不

污染環(huán)境，具有一定的優(yōu)越性。

3.核技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

隨著醫(yī)療保健事業(yè)的發(fā)展，接受醫(yī)療照射的人數(shù)越來越多，比如

放射性治療、透視、拍片、熒光檢查、CT檢查、骨密度監(jiān)測等。放射

2

緒論

性同位素在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用、醫(yī)療用品的消毒、中成藥的滅菌等也是核技

術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。

4.其他方面的應(yīng)用

核技術(shù)還可以用于地質(zhì)勘探中找礦、考古學(xué)中確定化石年齡、水

利工程中測定水中泥沙含量等方面。

二、輻射防護的目的和任務(wù)

任何新技術(shù)的發(fā)展，在給人類帶來利益的同時，也可能帶來某些危

害。例如電的利用帶來了觸電的危險，汽車的利用也帶來了車禍等。成

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，無疑地給人類帶來了巨大的利益。但由于各種

射線對人體有損傷作用，它也給人類帶來了某些直接的或潛在的危害。

人們總是發(fā)展和利用新的科學(xué)技術(shù)為人類造福，并盡力避免和減少它們

的有害方面。

輻射防護是人們在發(fā)展和利用電離輻射、放射性物質(zhì)、及核能的過

程中產(chǎn)生和發(fā)展起來的。1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后不久就發(fā)現(xiàn)了X射

線對人休的損傷作用，如長期接受過X射線照射過的人，發(fā)生了皮膚炎

癥、毛發(fā)脫落、眼痛、白血球減少等癥。1898年居里夫人發(fā)現(xiàn)鐳以后,

發(fā)現(xiàn)Y射線對人體也有類似的損傷作用。值得一提的是，1908年前后,

鐳作為發(fā)光涂料用于表盤上，涂鐳操作女工在工作中由于放射性物質(zhì)的

體內(nèi)攝取或長期照射，導(dǎo)致骨組織惡性腫瘤的高發(fā)，這就引起了人們對

輻射危害的重視，之后有些國家的倫琴射線學(xué)會提出了對X射線的各種

防護措施，例如，把X射線管裝在襯鉛的盒內(nèi)對X射線進行屏蔽、接觸

X射線的人員穿含鉛的橡皮圍裙、戴鉛玻璃眼罩等。這就是早期的輻射

防護。后來隨著反應(yīng)堆和核武器的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的放射性核素，咳

能及放射性核素的應(yīng)用日趨廣泛，這就給輻射防護帶來了一系列急待解

決的問題，如輻射防護的標(biāo)準(zhǔn)、輻射的屏蔽、反應(yīng)堆安全、環(huán)境污染、

輻射的生物效應(yīng)等等。這些問題的提出與逐步解決，不僅促進了輻射防

護的向前發(fā)展，而且促進了其他邊緣學(xué)科，如放射生物學(xué)、放射醫(yī)學(xué)、

3

緒論

放射生態(tài)學(xué)等的發(fā)展。

輻射防護現(xiàn)已成為核科學(xué)技術(shù)中的一個重要分支，它是研究人類免

受或少受各種射線危害的一門綜合性的邊緣學(xué)科。它涉及到原子核物

理、放射化學(xué)、輻射劑量學(xué)、核電子學(xué)、放射醫(yī)學(xué)、放射生物學(xué)以及放

射生態(tài)學(xué)等學(xué)科，其基本任務(wù)是保護環(huán)境、保障從事放射性工作的人員

和一般居民的健康與安全、保護他們的后代、促進核科學(xué)事業(yè)的發(fā)展。

二十世紀(jì)60年代，核工業(yè)迅速發(fā)展。當(dāng)時，對于輻射誘發(fā)某種類

型惡性病是否存在閾劑量，以及輻射在人身上引起惡性病的劑量與效應(yīng)

關(guān)系的本質(zhì)還缺乏了解。ICRP（國際放射防護委員會）為了適應(yīng)核工

業(yè)和核技術(shù)迅速發(fā)展的需要，于1965年發(fā)表了第9號報告。他們出于

安全的考慮，假定在劑量與效應(yīng)之間存在著線性關(guān)系，而且劑量的作用

是積累的。在這個基礎(chǔ)上提出輻射防護的目的是防止急性輻射效應(yīng)，并

將晚期效應(yīng)的危險限制到一個可以接受的水平。隨著對輻射效應(yīng)的了解

和深入，ICRP于1977年發(fā)表了第26號出版物，指出輻射的生物效應(yīng)

可分為隨機性效應(yīng)和確定性效應(yīng)（非隨機性效應(yīng)），輻射防護的目的在

于防止有害的確定性效應(yīng)，并限制隨機性效應(yīng)的發(fā)生概率，使之達(dá)到認(rèn)

為可以被接受的水平。

核科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與利用的歷史證明，只要人們重視輻射防護，采

取科學(xué)的管理及有效的防護措施，核能的安全利用是有保障的。

三、輻射防護的主要內(nèi)容

輻射防護的主要內(nèi)容包括輻射劑量學(xué)、防護標(biāo)準(zhǔn)、輻射防護監(jiān)測方

法、防護技術(shù)、防護評價及輻射防護的管理等。從廣義上講，它還包括

為達(dá)到防護目的而必須在工藝流程和工程中考慮的特殊安全問題，例如

反應(yīng)堆安全、臨界安全、放射性三廢的處理和最終處置等。

輻射劑量學(xué)是研究輻射劑量及如何測量輻射劑量的一門學(xué)科。它在

輻射防護中占有重要地位。

輻射劑量學(xué)包含著豐富的內(nèi)容。按輻射的種類，可分為帶電粒子劑

4

緒論

量學(xué)、X及Y射線劑量學(xué)、中子劑量學(xué)。按體內(nèi)外照射，可分為內(nèi)照射

劑量學(xué)和外照射劑量學(xué)。

測量輻射劑量的原理涉及到物理、化學(xué)、生物及核電子學(xué)等方面的

知識。射線作用于物質(zhì)能產(chǎn)生的電離、發(fā)光、發(fā)熱現(xiàn)象，能使物質(zhì)的顏

色及化學(xué)組成發(fā)生變化，能引起生物體內(nèi)血液組成和染色體的變化等。

根據(jù)這些原理己研制出品種繁多、性能各異的，能滿足核科學(xué)技術(shù)迅速

發(fā)展需要的劑量刎量儀器及輻射監(jiān)測系統(tǒng)。特別值得指出的是微電子學(xué)

在劑量學(xué)中的應(yīng)用，使劑量儀及輻射監(jiān)測系統(tǒng)的自動化、小型化，儀器

工作的穩(wěn)定性、可靠性和探測的靈敏度進入了一個新的發(fā)展階段。

輻射防護標(biāo)準(zhǔn)是實施輻射防護的依據(jù)。各個國家的輻射防護標(biāo)準(zhǔn)，

大都是根據(jù)ICRP的建議結(jié)合本國的具體情況而制訂的，并隨著有關(guān)科

學(xué)技術(shù)的發(fā)展和資料的積累而不斷地得到修正。從1958年起到現(xiàn)在，

ICRP發(fā)表了一系列的建議書。在它的第26號、28號及30號出版物中，

對輻射防護原則及輻射防護工作中的若干基本概念，提出了新的建議。

這些新建議與過去的標(biāo)準(zhǔn)相比有較大的改革。但是全身均勻照射的年劑

量當(dāng)量限值未變，仍為50mSv.年L只要把個人的受照劑量控制在相

應(yīng)的限值以下，就足以防止有害的確定性效應(yīng)，并限制隨機性效應(yīng)的發(fā)

生概率，使之達(dá)到認(rèn)為可以被接受的水平。

為了達(dá)到輻射防護的目的，ICRP在26號出版物中建議的限制劑量

當(dāng)量的制度，包括輻射實踐的正當(dāng)性、輻射防護的最優(yōu)化及限制個人劑

量當(dāng)量三條基本原則。輻射實踐的正當(dāng)性或稱為合理性判斷，是指在進

行伴隨有輻射照射的某種實踐前，首先應(yīng)迸行代價與利益的分析，只有

當(dāng)這種實踐能獲得超過代價的純利益時才被認(rèn)為是正當(dāng)?shù)?，否則不應(yīng)當(dāng)

采取這種實踐。輻射防護的最優(yōu)化是指在權(quán)衡利用輻射的某種實踐所獲

得的利益超過付出代價的基礎(chǔ)上，一切照射應(yīng)當(dāng)保持在可以合理做到的

最低水平。也就是說最優(yōu)化是進行代價與效果的分析，選擇最合適的代

價以取得最合理的效果，達(dá)到合理地降低劑量。個人劑量當(dāng)量限制，是

指限制個人所受的劑量當(dāng)量不得超過某些規(guī)定的限值。以上三原則也禰

為輻射防護三原則，彼此不可分割構(gòu)成一個完整的體系。在遵守此三原

則的條件下與放射性有關(guān)的實踐的安全程度跟公認(rèn)為安全的實踐的安

5

緒論

全程度相當(dāng)。

人們實施輻射防護時，應(yīng)以預(yù)防為主。在外照射情況下，應(yīng)測量或

預(yù)先計算工作場所的劑量場分布，以便決定是否需要采取相應(yīng)的安全措

施，如屏蔽、遠(yuǎn)距離操作等。在內(nèi)照射情況下，必須通過測量，了解環(huán)

境介質(zhì)如空氣、水源等的污染情況，或者測量體內(nèi)放射性核素的積存量,

以便對個人或群體的受照情況及環(huán)境的安全情況進行評價。

輻射防護技術(shù)包括屏蔽設(shè)計、防護器械和衣具的使用、表面去污等

內(nèi)容。在反應(yīng)堆、加速器、X射線機、中子發(fā)生器、較強的B、Y及中

子源的安裝和使用中，通常需要用屏蔽的方法將輻射劑量率降低到預(yù)定

的控制水平以下，故輻射屏蔽是輻射防護的重要手段。目前，有關(guān)屏蔽

材料和屏蔽計算的研究較為廣泛和深入，某些復(fù)雜的屏蔽計算問題需要

應(yīng)用高容量計算機來解決，本書只涉及屏蔽中一些基本的計算。

輻射防護評價是輻射防護的重要環(huán)節(jié)，它包括對輻射設(shè)備、核裝置

的輻射安全及其周圍環(huán)境污染水平的評價等內(nèi)容?，F(xiàn)在它已發(fā)展成為一

門學(xué)科即評價方法學(xué)。評價方法學(xué)研究的內(nèi)容很廣，其中包括放射性物

質(zhì)在環(huán)境介質(zhì)中的運動規(guī)律和在人體內(nèi)代謝轉(zhuǎn)移的理論模式等。許多國

家規(guī)定，在設(shè)計卻建造核設(shè)施之前，必須提出環(huán)境評價和輻射安全評,介

方面的報告，只有當(dāng)這些報告被主管部門批準(zhǔn)后，方可設(shè)計施工。在咳

設(shè)施正常運行后，尚須定期地向主管部門提出評價報告。

輻射效應(yīng)是人們極為關(guān)心的問題。兒十年來，雖然各國及有關(guān)的國

際組織對它進行了大量研究，取得了某些進展，但輻射危害的本質(zhì)至今

尚未完全弄清楚，因此，輻射效應(yīng)的閾值問題、慢性小劑量照射的晚期

效應(yīng)及遺傳效應(yīng)等問題，還有待于繼續(xù)深入研究。

總之，輻射防護是一門內(nèi)容非常豐富，在理論上和應(yīng)用上都十分重

要的學(xué)科。過去幾十年的研究工作，雖然取得r很大的成就，但是，在

核科學(xué)技術(shù)應(yīng)用方面，仍存在著許多輻射防護問題等待著我們?nèi)パ芯拷?/p>

決。

6

第I章輻射的基礎(chǔ)知識

第一章輻射的基礎(chǔ)知識

第一節(jié)物質(zhì)結(jié)構(gòu)

1.1.原子結(jié)構(gòu)

1.1.1.兀素和原子結(jié)構(gòu)

所有的物質(zhì)都是由一種或幾種不同的元素組成的。自然界本身存在

有92種元素?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)還利用人工制造出多種元素，使元素的總

數(shù)目增加到100多種。

構(gòu)成某一元素的最基本的單位叫做該元素的原子。原子是很微小的

粒子，它的直徑只有108cm左右。原子的質(zhì)量也很微小，天然元素中，

最輕的是氫T原子(*H),其質(zhì)量只有1.6733xiO-24g；最重的是鈾-238

原子(238U),其質(zhì)量也不過是3.951xl0-22g。近代物理研究結(jié)果表明，

原子由質(zhì)子、中子和電子等更微小的基本粒子組成。

雖然不同元素的原子具有不同的性質(zhì)，但是它們的結(jié)構(gòu)都是十分相

似的。質(zhì)子帶有1個單位的正電荷，電子帶有1個單位的負(fù)電荷，而中

子不帶電荷。在原子的中心，質(zhì)子和中子構(gòu)成原子核，帶正電荷；核外

周圍有帶負(fù)電荷為電子按照一定的軌道繞核運行。原子核所帶正電荷的

數(shù)量恰好等于所有繞核運行電子所帶負(fù)電荷的數(shù)量，所以正常的原子在

電極上呈中性。

在核技術(shù)應(yīng)用中用克作質(zhì)量單位實在是太大了，因此，國際上統(tǒng)一

規(guī)定以碳-12原子質(zhì)量的1/12,即1.66054xl(y"g為1原子質(zhì)量單位。

其他原子或粒子的質(zhì)量可以與,2C的原子質(zhì)量進行比較定出。某元素的

7

第I章輻射的基礎(chǔ)知識

平均原子質(zhì)量與,2C原子質(zhì)量的1/12之比即為該元素的相對原子質(zhì)量。

質(zhì)子、中子和電子的質(zhì)量非常微小，在實際應(yīng)用中，我們近似地認(rèn)

為質(zhì)子和中子的質(zhì)量為1原子質(zhì)量單位，電子質(zhì)量為1原子質(zhì)量單位的

1/1840。原子核的質(zhì)量比起電子的質(zhì)量要大得多，如果忽略核外電子質(zhì)

量的話，原子核的質(zhì)量幾乎等于原子的質(zhì)量。原子核中質(zhì)子的數(shù)目稱為

原子序數(shù)，即原子序數(shù)（Z）二質(zhì)子數(shù)。原子質(zhì)量可以用原子核中質(zhì)子和

中子的數(shù)目來確定，即原子質(zhì)量數(shù)（A）二質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)。不同元素的

原子，其原子核是不同的，它們的根本區(qū)址就是組成核的質(zhì)子數(shù)和中子

數(shù)不同。通常用表示不同元素的原子核，X為元素符號，Z為原子

序數(shù)，A為原子質(zhì)量數(shù)。由于每一種元素的所有原子都有確定的質(zhì)子數(shù),

所以Z有時可以不標(biāo)出來，只標(biāo)出A,簡寫成人*,如：3H>,6O.32p、

6°Co、⑶I、235U等。

原子的直徑在10-8cm左右，而原子核的直徑在lOSio-Km之間,

可見原子核和它的繞行電子之間，有很大一部分空間是空虛的，而核僅

占整個原子的極小的一部分空間。

原子中的電子是按軌道層分布的。在某一軌道上運行的電子都具有

一定的能量。內(nèi)層軌道上的電子能量低，外層軌道上的電子能量高。電

子可以吸收能量而從能量較低的內(nèi)層軌道躍遷到能量較高的外層軌道，

這種現(xiàn)象稱為激發(fā)。如果吸收的能量較大，足以使得軌道上的電子脫離

原子核的吸引力而自由運動，則稱為電離。反之，當(dāng)電子從能量較高的

外層軌道躍遷到能量較低的內(nèi)層軌道時（軌道電子俘獲），多余的能量

將以X射線（光子）的形式發(fā)射出來。

原子核與原子一樣，也具有很多能級，最低能級叫做基級，在正常

情況下，核都處于基級。只有在核反應(yīng)過程中，或核衰變過程中，核才

有可能處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的核一般不能停留很久，它將迅速地躍

遷到基級或先躍遷到較低的能級，然后再躍遷到基級，并同時將多余的

能量以Y射線（光子）的形式發(fā)射出來。

在物理學(xué)中，常用焦耳（J）和爾格（erg）作為能量單位。但在原

子核物理學(xué)中，以焦耳（J）或爾格（erg）作為能量的單位實在太大，

因此通常用電子伏（eV）、干電子伏（keV）和兆電子伏（MeV）作為

8

第I章輻射的基礎(chǔ)知識

能量單位。1電子伏（eV）就是一個電子在電位差為1伏的電場中加速

所獲得的能量。

U=107erg

leV^1.6xlO-12erg=1.6xlO-19J

1.1.2.核素和同位素

在核科技領(lǐng)域內(nèi)，經(jīng)常使用“核素”這一名詞，它是指核內(nèi)具有確

定數(shù)目的質(zhì)子和中子并具有同一能態(tài)的一類原子。核素有穩(wěn)定和不穩(wěn)定

兩種，我們把不穩(wěn)定的核素稱為放射性核素。核素根據(jù)其質(zhì)量數(shù)A和

原子序數(shù)Z及所處的能態(tài)差異可分為：同位素、同質(zhì)異能素和同質(zhì)異位

素。

具有相同原子序數(shù)，但質(zhì)量數(shù)不同的核素稱為同位素。原子序數(shù)相

同而原子質(zhì)量不同的同一種元素，它們在周期表上占同一位置，因此稱

為同位素。雖然一種元素的所有原子都包含有相同的質(zhì)子數(shù)，但它們可

能包含不同的中子數(shù)，這就意味著一種元素可能有兩種或多種同位素。

例如：；H、；H和:H是氫元素的同位素;"o、go、；；Co、go、

其。、其。和；；Co是鉆元素的同位素；2：：U、和藍(lán)U是鈾元素

的同位素，等等，

由于互為同位素的原子，其原子序數(shù)相同，所以同位素具有相同的

化學(xué)性質(zhì)。天然存在的同位素大多是以同位素混合物狀態(tài)出現(xiàn)，比如，

目前在核能利用中最重要的元素是鈾（U）,天然鈾是三種鈾同位素的

混合物，這三種鈾的天然同位素是甯u、和它們在天然鈾

中的含量百分比分別為0.006%、0.712%和99.282%。在天然存在的92

中元素中，有HO多種天然同位素，其中有近300種是穩(wěn)定的同位素，

有約50種是不穩(wěn)定的同位素。另外，用核粒子轟擊（如在反應(yīng)堆中用

中子轟擊）天然同位素可得到700多種人工同位素，人工產(chǎn)生的同位素

大都是不穩(wěn)定的同位素。不穩(wěn)定的同位素叫做放射性同位素??，F(xiàn)在知道,

原子序數(shù)從84起的所有元素都是不穩(wěn)定的，具有放射性，而原子序數(shù)

小于84的元素主要以穩(wěn)定的同位素存在，只有少量的同位素是不穩(wěn)定

的。

同質(zhì)異能素是指具有相同的質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)，但處在不同能態(tài)的

9

第I章輻射的基礎(chǔ)知識

核素。同質(zhì)異位素是指具有相同的質(zhì)量數(shù)而原子序數(shù)不同的核素，如

（錮）、（鈕）。

1.2.射線與輻射

早在100年前，法國物理學(xué)家貝可勒發(fā)現(xiàn)鈾的化合物能使放在附

近的照相底片感光。后來認(rèn)識到這個現(xiàn)象是由于鈾發(fā)射出某種肉眼看不

見的、穿透力相當(dāng)強的射線的緣故。此后，多位科學(xué)家通過實驗證實了

某些天然核素的原子是不穩(wěn)定的，它們能自發(fā)地轉(zhuǎn)變成另一種核素的原

子，并發(fā)射出某些粒子。我們把這種物理現(xiàn)象稱為放射性，把這個轉(zhuǎn)變

過程稱為放射性衰變。

1.2.1.輻射類型

放射性核素在衰變時主要發(fā)射出三種類型的輻射，即Q輻射、B

輻射和Y輻射。另外，在科研和生產(chǎn)中常見的還有中子輻射。中子不是

由衰變產(chǎn)生的，而主要是由核反應(yīng)產(chǎn)生的。

⑴X射線

倫琴于1895年使用高壓放電管時，發(fā)現(xiàn)了一種新的穿透輻射，即

后來人們所稱的倫琴射線，又稱X射線。X射線是一種短波長的電磁波,

波長大約10/°?10%m,介于丫射線和紫外線之間。它的產(chǎn)生是由倫琴

管內(nèi)被電場加速至高速的電子，在轟擊金屬靶過程中獲得的。此外，在

電子感應(yīng)加速器、回旋加速器等裝置工作時，在電子顯微鏡內(nèi)、在強大

的振蕩器和整流器內(nèi)以及某些電射線管內(nèi)都能獲得X射線。

X射線具有強大的穿透能力。它能使照相乳膠感光、熒光物質(zhì)發(fā)光、

氣體電離，還能穿透紙張以及金屬薄片。X射線防護主要是外照射防護。

⑵Y射線

Y射線是波長極短（通常10-8cm以卜.）的電磁波。它的波長在

10-8-10,0cm,它的速度和光速一樣。Y射線性質(zhì)與X射線大體相同，

所以把它們統(tǒng)稱為光子。它們的根本區(qū)別在于來源不一樣：Y射線是因

原子核結(jié)構(gòu)變化而發(fā)射出來的，而X射線則是因為核外電子繞行軌道改

變而發(fā)射出來的（X射線雖然不是放射性衰變產(chǎn)生的，但發(fā)射X射線的

10

第I章輻射的基礎(chǔ)知識

現(xiàn)象也是放射性）。原子核從能量較高的狀態(tài)躍遷到能量較低的狀態(tài)時,

常放出丫射線。此外，在帶電粒子的物致輻射、基本粒子的湮沒以及原

子核衰變的過程中，都能產(chǎn)生丫射線。

Y射線具有極大的穿透能力，其最大的危害因素為外照射。Y射

線和X射線都不帶電，不能直接引起電離，但它們穿透物質(zhì)時，可以使

核外電子成為高速飛行的自由電子，這些電子則可以發(fā)生電離作用。Y

射線穿透能力與其能量有關(guān)，它的能量范圍一般是0.01?lOMeV。

（3）a射線

a射線是從一些放射性同位素物質(zhì)的核中放射出來的帶正電荷的

a粒子流，。粒子實際上就是氫原子核（：He）。；He核是由2個質(zhì)子

和2個中子組成，因此，。粒子的質(zhì)量為4個原子質(zhì)量單位，帶有2個

單位的正電荷。

Q射線的速度約為2X10%m?s“，貫穿本領(lǐng)很小，在空氣中射程

為2~9cm,在水和生物組織內(nèi)為0.02?0.06mm,其防護主要是內(nèi)照射，

外照射可不予考慮。但有很強的電離作用（光化學(xué)作用也強）。其能量

約在2~9MeV。

⑷B射線

6射線是從放射性同位素原子核里放射出來的高速的電子流，R

粒子的質(zhì)量等于1/1840原子質(zhì)量單位。B射線有兩種，一種是發(fā)射負(fù)

電子的8射線；一種是發(fā)射正電子的B'射線。我們平常說的B射線通

常指的是，射線。

B射線的速度均可達(dá)到光速的99%,貫穿本領(lǐng)較大。但它的能量

比a射線小很多，對空氣的電離作用小，其能量范圍在3MeV以下。3

射線穿透能力取決于其能量，但比Y射線小。其電離能力比同樣能量的

a射線低數(shù)倍，但大大高于X、丫射線。B射線對機體作用既有外照射

情況也有內(nèi)照射情況出現(xiàn)。

（5）中子

中子是一種不帶電的中性粒子，質(zhì)量接近1原子質(zhì)量單位。在芻

然界里中子并不單獨存在，它是在原子核受到外來粒子的轟擊時才從咳

里釋放出來的。自由中子都是不穩(wěn)定的，它會自動衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子、

11

第I章輻射的基礎(chǔ)知識

個電子和一個中微子，其半衰變期約為12.8min。

中子具有巨大的速度和貫穿本領(lǐng)。中子的穿透能力與能量有關(guān)，

能量越大穿透性越強。由于中子不帶電荷，所以中子只與原子核發(fā)生作

用，中子與各種元素原子核相互作用能產(chǎn)生丫射線或B射線。中子和丫

射線是外照射防護中要考慮的兩種主要輻射。中子引起人體損傷的程度

隨中子能量以及通量密度的大小而異。

入射粒子在物質(zhì)中運動時，不斷損失其能量，待能量耗盡，就停

留在物質(zhì)中。它沿原來入射方向所穿行的最大直線距離，稱為該入射粒

子在該物質(zhì)中的射程。各種射線的射程取決于射線的能量。形象地說，

a射線穿不透一張薄紙，B射線穿不透一張玻璃，丫射線穿不透很厚的

混凝土。表1.1列出了各種射線粗略的射程。

表1.1幾種射線的射程

質(zhì)量/原子質(zhì)量單電荷在空氣中的射在生物組織中的射

輻射類型

位/e程程

a粒子4+2約0.03m約0.04mm

B粒子1/1840-1約3m約5mm

Y粒子00很大有可能穿透人體

快中子,>10很大有可能穿透人體

慢中子10很大約0.15m

1）中子按能量劃分為快中子?、表熱中子和熱（慢）中子，詳見后面敘述。

1.2.2.放射性衰變

無論是天然放射性核素，還是人工放射性核素都會自然地進行核結(jié)

構(gòu)的變化而發(fā)射出某種射線，這個過程叫做核衰變。核衰變是放射性咳

素所具有的特征，衰變的速度（即衰變率）由它本身的核特性決定，不

以人的意志為轉(zhuǎn)移，既不受外界因素（如溫度、壓力、電磁場等）的影

響，也不隨元素的物理、化學(xué)狀態(tài)的變化而改變。

核衰變根據(jù)其衰變時發(fā)射出的射線種類不同而主要分為Q衰變、B

衰變和丫衰變。

（1）Q衰變

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第I章輻射的基礎(chǔ)知識

原子核由于自發(fā)地放出Q射線而轉(zhuǎn)變成另外一種原子核的過程叫

做Q衰變。由于&粒子由2個質(zhì)子和2個中子組成，因此，原子核在進

行Q衰變后，它的質(zhì)量數(shù)（A）減少4個原子質(zhì)量單位，原子序數(shù)（Z）

減少2。一般而言，原子質(zhì)量數(shù)大于140的許多核素會發(fā)生。衰變。

原子核發(fā)生a衰變的一般式為：

[Xf北Y+；He（a）+Q

式中，々X——母體核素；

/Y一一子體核素；

Q一一衰變能，它是在原子核衰變過程中，由核內(nèi)部所釋放出來

的能量，包括。粒子所帶走的動能和剩余核（即子體核）的反沖能。

（2）B衰變

原子核由于自發(fā)地放出B射線而轉(zhuǎn)變成另外一種原子核的過程稱

為B衰變。B衰變分為丁衰變和（T衰變。我們平常說的B衰變通常指

的是r衰變，即原子核衰變時發(fā)射出負(fù)電子。負(fù)電子帶有一個單位負(fù)

電荷，其質(zhì)量可忽略不計，因此，原子核在進行8一衰變之后，它的質(zhì)

量數(shù)（A）不變，原子序數(shù)（Z）增加1；相反，原子核在進行衰變

之后，原子序數(shù)（Z）減少lo

原子核發(fā)生丁衰變的一般式為：

[X->z￡Y+：e（|y）+V+Q

式中，一一母體核素；

z￡Y——子體核素；

>——負(fù)電子；

v——反中微子；

Q——衰變能。

原子核發(fā)生B'衰變的一般式為：

zCY+；e+（g+y+Q

式中，z-iY一一子體核素；

+忖一一正電子；

v一一中微子；

其他同上，

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第I章輻射的基礎(chǔ)知識

反中微子M是在丁衰變過程中伴隨P射線而放射出來的一種基本

粒子。它的反粒子稱為中微子口。y和K都不帶電，其靜止質(zhì)量近似看

成零，與物質(zhì)相互作用極微弱，因而穿透能力極強。8一衰變可以看成

是母體核內(nèi)一個中子n衰變，生成一個質(zhì)子P放出一個電子。和反中微

子羽的過程，這個過程可以寫成：

n->P+P'+"+Q

而丁衰變可以看成是母體核內(nèi)一個質(zhì)子P轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子n而放出一

個正電子（T和中微子u的過程，這個過程可以寫成：

P-n+fT+u+Q

（3）丫衰變

Y衰變就是放射性核素發(fā)射出Y射線的衰變。Y粒子實際上就是光

子，Y光子既無質(zhì)量，又不帶電荷，因此，原子核在進行Y衰變后，它

的原子質(zhì)量數(shù)（A）和原子序數(shù)（Z）都不變。

通常放射性原子核衰變時，Y光子是伴隨著?粒子或B粒子發(fā)射出

來的。其原因是原子核在進行Q衰變或B衰變時，產(chǎn)生的子體核可能暫

時處于激發(fā)狀態(tài)，然后再很快地過渡到能量較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，也就

是說原子核的內(nèi)部排列要重新調(diào)整一下，使之處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。在

這個過渡過程中，多余的能量便以Y射線的形式釋放出來。由于這個過

渡時間非常短暫，所以Y衰變常被看作是與母體核衰變同時發(fā)生的。

須注意的是，每一激發(fā)態(tài)的原子核退激時，不一定只發(fā)射1個丫光

子，例如;;C。在B衰變后，處于激發(fā)態(tài)的原子核前后發(fā)射出2個丫光

子，才過渡到基態(tài)的黑Ni。另外，有極少數(shù)的放射性核素衰變后，子

體核直接就成為基態(tài)，而沒有丫射線產(chǎn)生，例如，？H、"c、32P等咳

素在B衰變時不發(fā)出丫射線。

1.2.3.衰變規(guī)律

通過對大量原子核進行研究，發(fā)現(xiàn)所有的放射性物質(zhì)衰變時，其

原子核數(shù)目隨時間/的變化都遵循指數(shù)規(guī)律。這個規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

N=N。］'（1.1）

式中，N一一/時刻的原子核數(shù)；

N。一一初始時刻（，=0）的原子核數(shù)；

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第I章輻射的基礎(chǔ)知識

A——該放射性物質(zhì)的衰變常數(shù)。

衰變常數(shù)X的物理意義是單位時間內(nèi)放射性核素一個原子核衰變

的概率。一定的放射性核素，其九值是一定的；每種放射性核素，有其

固定的X值。

表征放射性核素自發(fā)躍遷的另一個參數(shù)是半衰期92。放射性半衰

期是指放射性核素的原子核數(shù)目因衰變減少到原來的一半所需要的時

間。半衰期和衰變常數(shù)都是放射性核素的特征常數(shù)，根據(jù)半衰期定義和

指數(shù)衰減規(guī)律可以得出它們的關(guān)系式。當(dāng)1=1/2時，N=N0/2,代

入（1.1）式求得：

%螫（12）

1/222

顯而易見，某放射性核素原子核的初始數(shù)目為N。，經(jīng)過〃個半衰

期，則該核素的原子核數(shù)目N變?yōu)樵瓉淼模ā梗?，?/p>

2

N=(1.3)

從理論上說，需要經(jīng)過無限長的時間，該核素才能衰變完。但實際

上，當(dāng)某核素殘留的原子核數(shù)目為起始時的千分之一時，我們就可以認(rèn)

為該核素衰變完了。假設(shè)原子核數(shù)目衰變到原來的千分之一所需要的時

間為/,則

祗=3

In10006.915,,、

t=---------工——?107J/2（1.4）

AA.

即一種放射性核素經(jīng)過10個半衰期后，可以認(rèn)為該核素己衰變完了。

實際工作中還用平均壽命r表示放射性核素的衰變速度。平均壽命

是指放射性核素平均生存時間。7與I」、尤的關(guān)系為：

T=1/A=TV2/In2?1.447]/2（1.5）

15

第I章輻射的基礎(chǔ)知識

第二節(jié)射線與物質(zhì)相互作用

原子核衰變放射出來的射線在與物質(zhì)相互作用時，一方面射線的

能量不斷損耗，另一方面射線消耗的能量使周圍物質(zhì)的分子或原子產(chǎn)生

電離或激發(fā)。這種過程對于射線的應(yīng)用以及輻射防護等都具有十分重要

的意義。

2.1.帶電粒子與物質(zhì)相互作用

帶電粒子通過物質(zhì)時，其能量轉(zhuǎn)移（損失）的主要方式是電離和

激發(fā)。

電離就是當(dāng)帶電粒子在物質(zhì)中從原子核外電子旁邊經(jīng)過時，通過

帶電粒子與核外電子的靜電作用，把能量轉(zhuǎn)移給核外電子。當(dāng)電子獲得

足夠大的能量時，它將脫離原子核對它的束縛而成為自由電子，被電離

的原子成為帶正電荷的離子。所以每個電離過程都產(chǎn)生一個自由電子和

一個正離子組成的離子對。

激發(fā)則是帶電離子轉(zhuǎn)移給核外電子的能量，不足以使電子擺脫原

子核的束縛，但電子可以從原來的運動軌道躍遷到能量較高的軌道上，

使整個原子處于能量較高的狀態(tài)，即激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)

定的，它很快會自發(fā)地回到自己原來的狀態(tài)上，而將多余的能量以發(fā)肘

X射線的形式釋放出來。

2.1.1.a粒子

射程指的是粒了沿入射方向所能達(dá)到的最大直線距離。a粒了在

不同的介質(zhì)中有不同的射程。在同一介質(zhì)中，a粒子射程與其能量有關(guān)。

能量越大，射程越長。通過觀察，Q粒子在空氣中的徑跡在大多數(shù)情況

下是直線。

a粒子具有很強的電離能力。它與物質(zhì)相互作用時，在單位路經(jīng)

上形成密集的電離對，如在空氣中大約是（1?7）XIO,離子對.cmL

同時，在很短的距離內(nèi)就將能量消耗掉，比如，2；；Am發(fā)射能量為

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第I章輻射的基礎(chǔ)知識

5.5MeV的Q粒子，在空氣中的射程不足5cm,而在鋁中的射程僅有

2.4x10-2mnio

2.1.2.B粒子

B粒子是［t原子核里發(fā)射出的高速電子。由于中子相對過多的原

子核是不穩(wěn)定的，中子發(fā)生8衰變轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，同時釋放出一個電子，

這就是B粒子。。粒子與物質(zhì)相互作用時，除了發(fā)生電離和激發(fā)外，若

B粒子速度較高，有時還會產(chǎn)生切致輻射。切致輻射是高速電子與物質(zhì)

原子核或其他粒子的電場作用而被減速或加速時所伴生的電磁輻射。

P粒子的動能可從0到最大值Emax，形成一個連續(xù)的能量分布，

平均能量后約在其最大能量的1/3處。通常我們說某種放射性核素發(fā)射

P粒子的能量是指該P粒子的最大能量。

B粒子的質(zhì)量比Q粒子小得多，在介質(zhì)中穿行速度較快，在單位

路徑上形成的電離對較a粒子稀疏，如在空氣中約為60-7000離子

對.cm-'o當(dāng)然，由于B粒子在物質(zhì)中能量損失的速率較慢，因此，B

粒子比a粒子的射程更大一些。如32P發(fā)射能量為1.71MeV的B粒子，

在空氣中的射程為610cm,而在鋁中的射程為2.29mmo

2.2.Y射線與物質(zhì)相互作用

Y射線與X射線都是光子，一般而言，X射線的能量要比丫射線的

能量低一些，但它們與物質(zhì)作用的機理是一樣的。Y光子與物質(zhì)相互作

用，不斷地?fù)p失能量，最后被物質(zhì)吸收。Y射線與物質(zhì)相互作用時，主

要過程有光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)以及電子對效應(yīng)等。這三種主要作用發(fā)

生的兒率與光子能量力U、吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z有關(guān)，如圖1.1所示。

圖中曲線上的每一點意味著在同樣的原子序數(shù)Z和光子能量加

下，兩種相鄰效應(yīng)的截面相等。從圖中可以看出，當(dāng)光子能量在

0.8~4MeV之間時，對于原子序數(shù)為任何值的物質(zhì)，康普頓效應(yīng)都占優(yōu)

勢。一般地說，對于低原子序數(shù)的物質(zhì)，康普頓效應(yīng)在很寬的能量范圍

內(nèi)占優(yōu)勢；對于中等原子序數(shù)的物質(zhì)，在低能時，光電效應(yīng)占優(yōu)勢；在

高能時，電子對效應(yīng)占優(yōu)勢。當(dāng)光子能量在lOMeV以上，并且與它作

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第I章輻射的基礎(chǔ)知識

用物質(zhì)的原子序數(shù)為任何值時，在上述三種主要相互作用過程中，光電

效應(yīng)、康普頓效應(yīng)的截面隨光子能量的增加而降低，電子對效應(yīng)的截面

卻隨著光子能量的增加而增大，相對于前兩種過程占優(yōu)勢。

2.2.1.光電效應(yīng)

當(dāng)能量為〃V的一個Y光子與物質(zhì)中的一個束縛電子作用時，它可

能將全部能量交給電子，而光子能量本身被吸收，得到能量的電子脫離

原子核的束縛而成為自由電子，這個電子稱為光電子，這一過程稱為光

電效應(yīng)，作用示意圖見圖1.2所示。在發(fā)生光電效應(yīng)時，入射光子能量

的一部分用于克服電子的結(jié)合能，其余部分轉(zhuǎn)化為電子的動能。

2.2.2.康普頓效應(yīng)

入射光子把一部分動能交給原子外層電子，電子從原子中與入射光

子成。角度射出，這一電子稱為反沖電子。入射光子能量則變成

并朝著與入射方向成。角度散射，這一過程最早為康普頓發(fā)現(xiàn)，故稱為

康普頓效應(yīng)，作用示意圖見圖1.3所示。

2.2.3.電子對效應(yīng)

隨著入射光子能量的增高，光電效應(yīng)的吸收作用很快減弱，康普頃

效應(yīng)也逐漸減弱，當(dāng)光子能量大于1.02MeV時，就存在形成電子對效

應(yīng)的幾率。Y光子從原子核旁經(jīng)過時，光子被吸收轉(zhuǎn)化為一正、負(fù)電子

對，這一過程稱為電子對效應(yīng)，作用示意圖見1.4所示。

2.3.中子與物質(zhì)相互作用

中子不帶電荷，因而它不能直接引起物質(zhì)原子電離。中子通過物

質(zhì)時與核外電子幾乎不發(fā)生作用，而主要是與原子核發(fā)生作用，其作用

的概率主要取決于核的性質(zhì)。中子與原子核作用的主要方式有：彈性散

射、非彈性散射和吸收。根據(jù)相互作用的能量關(guān)系，常常把中子分為三

個能量等級，即能量超過lOOkeV的快中子（主要表現(xiàn)為非彈性散射）、

能量在O.5keV至I）lOOkeV之間的表熱中子［主要表現(xiàn)為彈性散射）和能

量低于O.5keV的熱（慢）中子（主要表現(xiàn)為吸收）。

2.3.1.散射

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第I章輻射的基礎(chǔ)知識

中子的散射可分為彈性散射、非典性散射和去彈性散射。

彈性散射時，中子和原子核發(fā)生如同臺球那樣的碰撞，使中子的

一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)樵雍说膭幽?，該原子核稱為反沖核，而中子本身則

改變了原來的運動方向。彈性散射前后，中子與原子核兩者的總動能保

持不變。由于碰逾，中子被慢化。當(dāng)中子能量不高時，中子與一些輕咳

物質(zhì)作用，彈性散射是主要作用過程，因此，石蠟、水、和石墨等輕元

素物質(zhì)常被用來作為中子慢化的材料。

非彈性散射時，中子使原子核處于激發(fā)態(tài)。受激核經(jīng)常以丫射線

的方式釋放。對于中子的非彈性散射而言，重要的過程就是伴隨丫射線

的產(chǎn)生，丫射線再與物質(zhì)相互作用。

去彈性散射時，中子與原子核作用后，可出現(xiàn)多個中子，即發(fā)生

（n,2n）、（n,3n）等反應(yīng)。這時，核發(fā)射一個中子后，仍處于激發(fā)態(tài),

還可發(fā)射一個或幾個中子。如，氮（：N）核受到高能中子轟擊時，能

放出兩個中子，而作用后氮原子核性質(zhì)仍保持不變。

2.3.2.吸收

中子的吸收可分為輻射俘獲和散裂反應(yīng)。

原子核俘獲中子的過程稱為吸收。在俘獲過程中，原子核吸收一

個中子，形成一個激發(fā)的復(fù)合核。復(fù)合核通常發(fā)射其他粒子或Y射線釋

放出多余的能量，而回到基態(tài)。輻射俘獲多發(fā)生在低能重核上。

散裂反應(yīng)過程是指原子核吸收高能中子能引起原子核的散裂并發(fā)

射出兩個或三個以上的帶電粒子的反應(yīng)。如，碳（：C）原子核吸收一

個高能中子后即散裂成一個中子和三個Q粒子。

第三節(jié)輻射防護中常用的物理量

電離是指從一個原子、分子或其它束縛狀態(tài)釋放一個或多個電子

的過程。電離輻射，就是由能通過初級過程或次級過程引起電離的帶電

粒子或不帶電粒子組成的，或者由它們兩者混合組成的輻射。有時也將

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第I章輻射的基礎(chǔ)知識

電離輻射簡稱為輻射。電離輻射無論在空間，還是在介質(zhì)內(nèi)部通過、，專

播以至經(jīng)由相互作用發(fā)生能量傳遞的整個空間范圍，稱為（電離）輻射場。

電離輻射通過與物質(zhì)的相互作用，把能量傳遞給受照物質(zhì)，并在其

內(nèi)部引起各種變化。輻射量是為了表征輻射源特征，描述輻射場性質(zhì)，

量度輻射與物質(zhì)相互作用的程度及受照物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的輻射效應(yīng)而建

立的。也就是說，輻射量是一種能表述特定輻射的特征并能加以測定的

量。有關(guān)輻射量的基本概念及其單位，不但廣泛地應(yīng)用于輻射劑量學(xué)和

輻射防護領(lǐng)域，而且廣泛地應(yīng)用于放射醫(yī)學(xué)、放射生物學(xué)、放射化學(xué)與

輻射物理等領(lǐng)域，

本節(jié)將討論電離輻射領(lǐng)域中常用的幾個輻射量及其單位和與輻射

防護有關(guān)的幾個量及其單位。

3.1.描述輻射場的量

輻射測量和輻射效應(yīng)的研究，要求不同程度地描述被考察點的輻

射場特性。下面介紹用以描述輻射場性質(zhì)的粒子注量、能量注量，并簡

單討論它們之間的關(guān)系。

3.1.1.粒子注量

描述輻射場性質(zhì)最簡單的方法是計算入射粒子的數(shù)目。粒子注量，

就是根據(jù)入射粒子數(shù)的多少描述輻射場特性的一個量。

ICRU（國際輻射單位與測量委員會）定義：輻射場中某一點處的

粒子注量，是進入以該點為球心的一個小球的粒子數(shù)dN除以該球截面

積而得的商，即

*dN、

0=-----（1.6）

da

式中，①——粒子注量，Hi%

dN—進入小球體的粒子數(shù)（不包括從小球體內(nèi)流出的粒子

數(shù)）；

，這里，球截面積是指通過球心的截面面積，下同。

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第1章輻射的基礎(chǔ)知識

da——小球體的截面積，nA