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技术文章

电离辐射和物质的相互作用

2007/7/15 8:01:00

在搞清楚电离辐射对人体的危害之前, 首先需要了解电离辐射和物体是如何相互作用的,现在叙述4种主要的电离辐射和物体相互作用的情况, 即α粒子, β粒子,γ射线(包括X射线)和中子.
α粒子
α粒子是带2个单位正电荷, 质量数为4的氦原子核,是个带电的粒子, 一般由质量较重的放射性原子核发射,能量为不连续的, 能量通常为4~9 Mev. α粒子通过物质时, 能量转移(損失)的主要方式是电离和激发. 在射线和物质相互作用时, 电离也是其他各种射线损失能量的主要方式.
α 粒子的射程非常短,. 1个5Mev的α粒子在空气中的射程大约是3.5cm, 在铝金属中也只有23 μm, 因此,一般认为α粒子不会对人体造成外照射的损害. 但当其进入人体的组织或器官时, 其能量会全部被组织和器管所吸收,所以内照射的危害时必须考虑的.
β 粒子
β射线是高速运动的电子,带有1个负电荷,质量为氢原子质量的1/1840,当其和物质相互作用时,也会引起物质原子的电离和激发,β粒子的质量比α粒子的质量要小得多,所以1个与α粒子的能量相同的β粒子, 在同一种物质中的射程要比α粒子长得多.例如,1个能量为5 Mev的α粒子, 在空气中的射程只有3.5cm, 而1个能量为5 Mev的β粒子,在空气中的最大射程可达20m.
与α粒子不同,β粒子穿过物质时,有明显的散射现象,其特点是β粒子的运动方向发生 了改变.当运动方向发生大的改变(例如偏折)时, β粒子的一部分动能会以X射线的形式辐射出来,这种辐射叫韧致辐射.韧致辐射的强度既与阻止物质的原子序数Z的平方成反比,还与β射线的能量成正比.
由于对X射线的屏蔽要比对β射线本身的屏蔽困难得多, 所以对β射线的屏蔽,通常要选用原子序数比较低的物质,诸如像有机玻璃和铝这样的材料,作为β射线的屏蔽物质,从而使得β射线在屏蔽材料中转变为韧致辐射的份额较少.但对于放射性活度及β粒子的能量均较高的β辐射源,最好在轻材料屏蔽的后面, 再添加一定厚度的重物质屏蔽材料,以屏蔽掉韧致辐射.
γ 射线
γ 射线是不带电的中性粒子(也即是电磁波), 其静止质量等于零,也称为光子. 当γ射线和物质相互作用时,同带电粒子与物质的相互作用情况大不相同,γ射线不能使物质直接电离和激发,也没有射程的概念.γ 射线与物质相互作用有3种主要形式, 即光电效应,康普敦效应和电子对效应. 能量较低的γ射线, 在物质中主要产生光电效应;中等能量时,主要产生康普敦效应;而能量较高时, 主要是电子对效应. 3种效应都会产生能使物质的原子电离或激发的次级电子, 而次级电子在物质中的射程不长,所以在考虑对γ射线的屏蔽时,不需要另外采取防护措施. 这就是说, 3种效应产生次数的多少,即是物质吸收γ辐射多少的标志. 理论和实践都证明, 光电效应正比于吸收物质的原子序数Z的4次方,康普顿效应正比于Z/A, 而电子对效应正比于Z 平方.因此屏蔽γ射线时,以采用原子序数高的重物质为最好,例如铅.
中子
中子的质量与质子的质量大约相等,并且中子与γ射线一样也不带电. 因此,中子与原子核或电子之间没有静电作用. 当中子与物质相互作用时,主要是和原子核内的核力相互作用, 与外壳层的电子不会发生作用.
中子与物质相互作用的类型主要取决于中子的能量.在辐射防护中,根据中子能量的高低,可以把中子分为慢中子(能量小于5 kev,其中能量为0.025ev 的称为热中子), 中能中子(其能量范围为5-100 kev), 和快中子(0.1-500Mev)3种.
中子与物质的原子核相互作用过程基本上可以分为两类:散射和吸收.散射又可以分为弹性散射和非弹性散射.慢中子与原子核作用的主要形式是吸收.中能中子和快中子与物质作用的主要形式是弹性散射.对于能量大于10Mev的快中子.以非弹性散射为主.
在上述的中子和物质的相互作用过程中,除了弹性散射之外,其余各种现象均会产生次级辐射.从辐射防护的观点来看,是相当重要的.在实际工作中,大多数情况遇到的是快中子,快中子与轻物质发生弹性散射时,损失的能量要比与重物质作用时多得多,例如,当快中子与氢核碰撞时,交给反冲质子的能量可以达到中子能量的一半.因此含氢多的物质,像水和石蜡等均是屏蔽中子的最好材料,同时水和石蜡,由于价格低廉,容易获得,效果又好,是最常用的中子屏蔽材料.
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