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技術文章

電離輻射和物質的相互作用

2007/7/15 8:01:00

在搞清楚電離輻射對人體的危害之前, 首先需要了解電離輻射和物體是如何相互作用的,現在敘述4種主要的電離輻射和物體相互作用的情況, 即α粒子, β粒子,γ射線(包括X射線)和中子.
α粒子
α粒子是帶2個單位正電荷, 質量數為4的氦原子核,是個帶電的粒子, 一般由質量較重的放射性原子核發射,能量為不連續的, 能量通常為4~9 Mev. α粒子通過物質時, 能量轉移(損失)的主要方式是電離和激發. 在射線和物質相互作用時, 電離也是其他各種射線損失能量的主要方式.
α 粒子的射程非常短,. 1個5Mev的α粒子在空氣中的射程大約是3.5cm, 在鋁金屬中也只有23 μm, 因此,一般認為α粒子不會對人體造成外照射的損害. 但當其進入人體的組織或器官時, 其能量會全部被組織和器管所吸收,所以內照射的危害時必須考慮的.
β 粒子
β射線是高速運動的電子,帶有1個負電荷,質量為氫原子質量的1/1840,當其和物質相互作用時,也會引起物質原子的電離和激發,β粒子的質量比α粒子的質量要小得多,所以1個與α粒子的能量相同的β粒子, 在同一種物質中的射程要比α粒子長得多.例如,1個能量為5 Mev的α粒子, 在空氣中的射程只有3.5cm, 而1個能量為5 Mev的β粒子,在空氣中的最大射程可達20m.
與α粒子不同,β粒子穿過物質時,有明顯的散射現象,其特點是β粒子的運動方向發生 了改變.當運動方向發生大的改變(例如偏折)時, β粒子的一部分動能會以X射線的形式輻射出來,這種輻射叫韌致輻射.韌致輻射的強度既與阻止物質的原子序數Z的平方成反比,還與β射線的能量成正比.
由于對X射線的屏蔽要比對β射線本身的屏蔽困難得多, 所以對β射線的屏蔽,通常要選用原子序數比較低的物質,諸如像有機玻璃和鋁這樣的材料,作為β射線的屏蔽物質,從而使得β射線在屏蔽材料中轉變為韌致輻射的份額較少.但對于放射性活度及β粒子的能量均較高的β輻射源,最好在輕材料屏蔽的后面, 再添加一定厚度的重物質屏蔽材料,以屏蔽掉韌致輻射.
γ 射線
γ 射線是不帶電的中性粒子(也即是電磁波), 其靜止質量等于零,也稱為光子. 當γ射線和物質相互作用時,同帶電粒子與物質的相互作用情況大不相同,γ射線不能使物質直接電離和激發,也沒有射程的概念.γ 射線與物質相互作用有3種主要形式, 即光電效應,康普敦效應和電子對效應. 能量較低的γ射線, 在物質中主要產生光電效應;中等能量時,主要產生康普敦效應;而能量較高時, 主要是電子對效應. 3種效應都會產生能使物質的原子電離或激發的次級電子, 而次級電子在物質中的射程不長,所以在考慮對γ射線的屏蔽時,不需要另外采取防護措施. 這就是說, 3種效應產生次數的多少,即是物質吸收γ輻射多少的標志. 理論和實踐都證明, 光電效應正比于吸收物質的原子序數Z的4次方,康普頓效應正比于Z/A, 而電子對效應正比于Z 平方.因此屏蔽γ射線時,以采用原子序數高的重物質為最好,例如鉛.
中子
中子的質量與質子的質量大約相等,并且中子與γ射線一樣也不帶電. 因此,中子與原子核或電子之間沒有靜電作用. 當中子與物質相互作用時,主要是和原子核內的核力相互作用, 與外殼層的電子不會發生作用.
中子與物質相互作用的類型主要取決于中子的能量.在輻射防護中,根據中子能量的高低,可以把中子分為慢中子(能量小于5 kev,其中能量為0.025ev 的稱為熱中子), 中能中子(其能量范圍為5-100 kev), 和快中子(0.1-500Mev)3種.
中子與物質的原子核相互作用過程基本上可以分為兩類:散射和吸收.散射又可以分為彈性散射和非彈性散射.慢中子與原子核作用的主要形式是吸收.中能中子和快中子與物質作用的主要形式是彈性散射.對于能量大于10Mev的快中子.以非彈性散射為主.
在上述的中子和物質的相互作用過程中,除了彈性散射之外,其余各種現象均會產生次級輻射.從輻射防護的觀點來看,是相當重要的.在實際工作中,大多數情況遇到的是快中子,快中子與輕物質發生彈性散射時,損失的能量要比與重物質作用時多得多,例如,當快中子與氫核碰撞時,交給反沖質子的能量可以達到中子能量的一半.因此含氫多的物質,像水和石蠟等均是屏蔽中子的最好材料,同時水和石蠟,由于價格低廉,容易獲得,效果又好,是最常用的中子屏蔽材料.
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