电离辐射与物质的相互作用

第1章 电离辐射与物质的相互作用

辐射可分为电离辐射和非电离辐射。频率在16310×Hz以下的辐射，如红外线、可见光、

紫外线等，其光子能量hv很低，不能引起物质电离，这类辐射叫非电离辐射；凡是能直接或

间接使物质电离的一切辐射，统称为电离辐射（Ionizing Radiation）。电离辐射是由带电的电

离粒子，或者不带电的电离粒子，或者前两者的混合组成的任何辐射。电离辐射包括能使物

质直接电离的带电粒子（如α粒子、质子、电子等）和能使物质间接电离的非带电粒子（如

频率大于16310×Hz的光子、中子等）。

辐射剂量学、辐射屏蔽、辐射生物效应等都涉及电离辐射与物质的相互作用，电离辐射

与物质相互作用时所引起的物理、化学、生物变化都是通过能量转移和吸收过程实现的。

1.1 带电粒子与物质的相互作用

带电粒子的种类很多，最常见的有电子（指核外电子）、β射线（核衰变发射的高速电子）、

质子（氢核）、α粒子（氦核），此外还有μ子、π介子、K介子、Σ介子及其他原子核等。在

辐射防护领域，凡是静止质量大于电子的带电粒子，习惯上都称作重带电粒子。最轻的重带

电粒子是μ子，其质量为电子质量的206.9倍（表1-1）。

表1-1 一些常见粒子的基本特性 粒 子 种 类 符 号 电 荷/e 质 量/me 平均寿命/s

轻子 （负）电子

正电子

μ子

中微子 e()−−β

e()++β

±μ

ν −1

+1

1±

0 1

1

206.9

≈0 稳定

稳定

2.26×10−6

稳定

介子 π介子 0π

π± 1±

0 273.1

264.3 2.56×10−8

<4×10−6

K介子 K±

0K 1±

0 967

975 1.22×10−8

1.00×10−8

核子 质子

中子 P

n +1

0 1836.12

1838.65 稳定

1.04×10−3

重粒子 氘核

氚核

α粒子 d(D)

t(T)

α 1±

1±

2± 3670

5497

7294 稳定

109

稳定

光子 紫外线

γ射线

X射线

γ

X 0

0

0 0

0

0

1.1.1 带电粒子与物质相互作用的主要过程

带电粒子与物质相互作用的过程是很复杂的，主要过程有：弹性散射、电离和激发、轫

致辐射、湮没辐射、契伦科夫辐射、核反应（(,n)(p,n)(d,n)α、、等）、化学变化（价态、分解、

聚合）等。 辐射剂量与防护

2

带电粒子主要通过电离和激发过程损失能量，其次是轫致辐射，这两种过程是带电粒子

在物质中能量损失的主要途径。

1．电离和激发与碰撞阻止本领

电离（Ionization）是中性原子或分子获得或失去电子而形成离子的现象。电离过程中形

成的带正电或带负电的电子、原子、分子等，分别称为正离子或负离子。从一个中性原子或

分子产生的具有相等电荷量的正、负离子，称为离子对。电离可在许多情况下发生，如电离

辐射、高温、强电场等。

具有一定动能的带电粒子通过物质时，带电粒子通过与轨道电子库仑场静电相互作用或

与电子直接碰撞，将部分能量传递给轨道电子。如果轨道电子获得足够的能量，就能摆脱原

子核的束缚，逃离原子壳层而成为自由电子，失去电子的原子带正电荷，自由电子与带正电

的原子形成一个离子对，这个相互作用过程叫电离。电离作用是带电粒子与轨道电子之间的

非弹性碰撞。如果轨道电子获得的能量不足以摆脱原子核的束缚，没有逃离原子，而是从低

能级跃迁到高能级，从而使整个原子处于激发态，这个相互作用过程叫激发。处于激发态的

原子是不稳定的，它会自发地跃迁到低能级而回到基态，并将获得的多余能量以电磁波的形

式放出。这样释放出的高频电磁波称为X射线，它的能量是不连续的，X射线光子的能量等

于电子跃迁的两个能级之差，因此这种X射线也叫标识X射线或特征X射线。

在电离过程中产生的某些自由电子如果具有足够的动能，它会进一步引起物质电离。具

有较高能量并能进一步引起物质电离的这些自由电子叫作次级电子或δ电子（δ-ray）。由次级

电子产生的电离叫次级电离（Secondary Ionization）或间接电离；而由入射带电粒子在其运动

过程中直接与物质相互作用所产生的电离叫初级电离（Primary Ionization）或直接电离。

带电粒子与原子轨道电子通过库仑碰撞不断产生电离和激发而传递能量，其本身的能量

就会不断地损失，这种能量损失叫碰撞过程的能量损失或电离损失（Ionization Loss）。

阻止本领（Stopping Power）表示带电粒子通过物质时在单位路程上损失的能量。阻止本

领通常用S=dE/dx来表示，其中，E为带电粒子的动能，x为粒子在物质中通过的距离。阻止

本领表示物质使通过它的带电粒子动能减少的本领，它与带电粒子的性质（电荷、质量、能

量等）和物质的性质（原子序数、密度等）有关。物质对带电粒子的阻止本领又有线性阻止

本领（Linear Stopping Power）、质量阻止本领（Mass Stopping Power）和相对阻止本领（Relative

Stopping Power）之分。根据带电粒子在物质中损失能量的方式，阻止本领又分为电离阻止本

领（Ionization Stopping Power）和辐射阻止本领（Radiation Stopping Power）两种。

线性碰撞阻止本领定义为入射带电粒子在介质中每单位路径长度上由于电离损失的平均

能量，并记作col(d/d)Ex，脚标col表示库仑作用。为消除物质密度ρ的影响，常用线性碰撞

阻止本领除以密度的商来描写能量损失，并称之为质量碰撞阻止本领，记作col(d/d)/Exρ。

质量碰撞阻止本领可粗略地表示为

2

2

col1d

dEnz

xρβ⎛⎞∝⎜⎟

⎝⎠ （1.1）

式中，n为单位体积中的电子数；z为带电粒子的电荷数，以电子电荷的倍数表示；β为以光

速为单位的带电粒子的运动速度，/cβυ=，υ为带电粒子的运动速度，c为光速。由式（1.1）

可以看出：（1）电离损失与带电粒子的电荷数z的平方成正比，带电粒子的电荷数z越大，与第1章 电离辐射与物质的相互作用

3

轨道电子的库仑作用力就越大，因而传递给电子的能量也越多；（2）电离损失与物质中电子

的密度成正比，即电子的密度越大，入射带电粒子与电子发生库仑散射的几率越大，传递给

电子能量的机会就越多；（3）电离损失与带电粒子的运动速度的平方成反比，即带电粒子传

递给轨道电子的能量与相互作用的时间有关，速度越慢，作用时间越长，传递给轨道电子的

能量也越大，因此，带电粒子在停止运动之前的某一段路径上，电离损失将会达到最大值。

2．轫致辐射与辐射阻止本领

轫致辐射（Bremsstrahlung）是高速运动的带电粒子受原子核或其他带电粒子的电场（库

仑场）作用，突然改变其运动速率或运动方向时产生的电磁辐射。这时带电粒子将部分动能

转变为电磁辐射能。轫致辐射的能量是连续分布的，其最大能量等于带电粒子的初始能量。

轫致辐射的产生与带电粒子的运动速度有关，只有在粒子运动速度很高时才有明显的效应。

轫致辐射的强度与带电粒子的质量平方成反比，与阻滞物质的原子序数的平方成正比。因此

快速运动的电子被物质阻滞而突然减低其速度时，则有一部分能量转变为连续能量的轫致辐

射，辐射强度大于同速度的重带电粒子的辐射。从β放射源发出的β粒子打到原子序数较高的

靶材料时，可发射轫致辐射和特征辐射。轫致辐射的强度和能谱主要与β粒子的能量和阻滞

物质的原子序数有关。β粒子的能量越高，阻滞物质的原子序数越高，轫致辐射的强度就越

大。β粒子韧致辐射的平均能量约为β粒子最大能量的1/3。轫致辐射是带电粒子与原子核

之间的非弹性碰撞，也叫辐射碰撞。

高能带电粒子由于轫致辐射而引起的能量损失称为辐射损失（Radiation Loss）。这种能量

损失通常只是对电子（β粒子）才是重要的，对重带电粒子可以忽略不计。 带电粒子的辐射损失正比于22()Zzm，式中，Z为阻滞物质的原子序数，z为带电粒子

的电荷数，m为带电粒子的质量。这个关系表明，带电粒子质量越大，辐射损失越小，在同

一物质中和相同的能量条件下，α粒子的辐射损失比电子的辐射损失小得多。因此，重带电

粒子的辐射损失可忽略不计，主要是考虑电子的辐射损失。

在辐射防护中，更多关心的是电子产生轫致辐射的份额()F：

FKZE= （1.2）

式中，E为电子的能量，单位为MeV；Z为物质的原子序数；K为比例常数，一般为

3(0.41.1)10/MeV−×～。

对单能电子束入射在厚靶上的轫致辐射份额，可用式（1.3）计算

45.810FZE−=× （1.3）

对β射线入射在厚靶上的轫致辐射份额，可用式（1.4）计算

4

max3.3310FZE−

β≈× （1.4）

式中，maxE

β为β射线的最大能量，单位为MeV。

线性辐射阻止本领表示入射带电粒子在介质中每单位路径长度上因辐射而损失的平均能

量，并记作rad(d/d)Ex，脚标rad表示辐射。为消除介质密度ρ的影响，常用线性辐射阻止本

领除以密度的商来描述相应的能量损失，称为质量辐射阻止本领，记作rad(d/d)/Exρ。质量

辐射阻止本领可表示为