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1、核辐射物理学核辐射物理学 一、一、一、一、物质的组成物质的组成物质的组成物质的组成 二、二、二、二、原子核的组成原子核的组成原子核的组成原子核的组成 三、原子核的稳定性三、原子核的稳定性三、原子核的稳定性三、原子核的稳定性 四、衰变及衰变规律四、衰变及衰变规律四、衰变及衰变规律四、衰变及衰变规律 五、放射性五、放射性五、放射性五、放射性 六、相关概念六、相关概念六、相关概念六、相关概念 半衰期半衰期半衰期半衰期 、衰变常数、放射性活度、衰变常数、放射性活度、衰变常数、放射性活度、衰变常数、放射性活度、单位意义单位意义单位意义单位意义物质的组成：物质的组成：分子和原子分子和原子 原子的组成：原子
2、的组成：原子核、核外电子原子核、核外电子 原子核分类：原子核分类：稳定性原子核稳定性原子核 不稳定性原子核不稳定性原子核v放射性：放射性：放射性：放射性：v 不稳定的原子核通过不稳定的原子核通过不稳定的原子核通过不稳定的原子核通过自发转变自发转变自发转变自发转变为另一种原为另一种原为另一种原为另一种原子核的过程子核的过程子核的过程子核的过程-衰变。衰变。衰变。衰变。v 在这种转变过程中，常伴随着在这种转变过程中，常伴随着在这种转变过程中，常伴随着在这种转变过程中，常伴随着带电粒子带电粒子带电粒子带电粒子和和和和射线射线射线射线发射出来，其本身变成另一种核素，该发射出来，其本身变成另一种核素，该
3、发射出来，其本身变成另一种核素，该发射出来，其本身变成另一种核素，该过程称放射性衰变，这种现象称放射性现象，过程称放射性衰变，这种现象称放射性现象，过程称放射性衰变，这种现象称放射性现象，过程称放射性衰变，这种现象称放射性现象，这类物质称放射性物质。这类物质称放射性物质。这类物质称放射性物质。这类物质称放射性物质。v 衰变过程与物质所处的物理和化学状态无衰变过程与物质所处的物理和化学状态无衰变过程与物质所处的物理和化学状态无衰变过程与物质所处的物理和化学状态无关。关。关。关。v衰变的种类：衰变的种类：v 根据在衰变过程中放出射线的种类可将衰变根据在衰变过程中放出射线的种类可将衰变分为：分为：衰
4、变衰变 衰变衰变 衰变衰变衰变：衰变：放射性原子核自发地放射出放射性原子核自发地放射出粒子而变为另粒子而变为另一种原子核的过程称为一种原子核的过程称为衰变衰变从母核中射出的4He原子核 粒子得到粒子得到大部分衰变能大部分衰变能238U4He+234Th放射性母核!+二、二、衰变（衰变（beta decaybeta decay）当一个原子核电荷数改变当一个原子核电荷数改变11，而质量数保持不，而质量数保持不变时，这种核衰变叫变时，这种核衰变叫衰变。衰变。1 1、-衰变衰变 2 2、+衰变衰变 3 3、轨道电子俘获、轨道电子俘获 EC EC 1 1、-衰变衰变 -衰变是指从核内放射出一个衰变是指从
5、核内放射出一个-粒子粒子的过程。的过程。这里子核的质量数与母核质量数相同，只是生这里子核的质量数与母核质量数相同，只是生成的子核增加了一个质子。所以，原子序数增成的子核增加了一个质子。所以，原子序数增加加1 1，即在元素周期表中后移一位（右移法则）。，即在元素周期表中后移一位（右移法则）。由原子核发射的粒子叫做由原子核发射的粒子叫做-粒子。粒子。对对-射线进行荷质比的测量可以断定它就是高速射线进行荷质比的测量可以断定它就是高速运动的电子流，被物质阻止后就成为自由电子，和其它运动的电子流，被物质阻止后就成为自由电子，和其它一般的电子没有什么差别。一般的电子没有什么差别。2 2、+衰变衰变+衰变是
6、指从核内放射出一衰变是指从核内放射出一+粒子的过程。粒子的过程。这里子核的质量数与母核质量数相同，只是生成的这里子核的质量数与母核质量数相同，只是生成的子核增加了一个中子。所以，原子序数减少子核增加了一个中子。所以，原子序数减少1 1，即在，即在元素周期表中前移一位。由原子核发射的叫做元素周期表中前移一位。由原子核发射的叫做+粒粒子。可用下式表示：子。可用下式表示：+射线实际上就是高速运动的正电子流。正电子是射线实际上就是高速运动的正电子流。正电子是一种质量和电子质量相等带有一个单位正电荷的粒子。一种质量和电子质量相等带有一个单位正电荷的粒子。3 3、轨道电子俘获、轨道电子俘获 EC EC 它
7、是原子核俘获核外某一层电子，使核发生跃它是原子核俘获核外某一层电子，使核发生跃迁的过程。由于迁的过程。由于K K壳层电子离原子核最近，故俘获壳层电子离原子核最近，故俘获K K壳层电子壳层电子(常称常称K K俘获俘获)的几率最大。电子俘获过程同的几率最大。电子俘获过程同样也可以看做是核内一个质子转变为一个中子并放样也可以看做是核内一个质子转变为一个中子并放出中微子的过程。出中微子的过程。三、三、衰变衰变不稳定原子核从高激发态向低激发态或基态跃不稳定原子核从高激发态向低激发态或基态跃迁，称为迁，称为跃迁。跃迁。跃迁可发射跃迁可发射光子，也可以发光子，也可以发射内转换电子。射内转换电子。跃迁常常伴随
8、着跃迁常常伴随着、衰变发生。衰变发生。因此，因此，光子的能量对应于能级差，也就是说是具光子的能量对应于能级差，也就是说是具有分立的、不连续的值。常见的有分立的、不连续的值。常见的光子能量在光子能量在keV-keV-10MeV10MeV量级。量级。光子有很强的贯穿本领。它是波长很短的电磁光子有很强的贯穿本领。它是波长很短的电磁波，波长小于波，波长小于10nm10nm。跃迁有两种方式：跃迁有两种方式：1 1）放出）放出射线。波长极短（射线。波长极短（11以下）的电磁辐射。以下）的电磁辐射。2 2）内转换即：原子核把激发能直接交给核外电子，）内转换即：原子核把激发能直接交给核外电子，使电子离开原子的
9、过程。使电子离开原子的过程。v放射性核素的衰变规律放射性核素的衰变规律 v一、衰变规律一、衰变规律v 原子核是一个量子体系，核衰变是一个量子跃原子核是一个量子体系，核衰变是一个量子跃迁过程。迁过程。v 对一个特定的放射性核，其衰变的精确时间是对一个特定的放射性核，其衰变的精确时间是无法预测的；无法预测的；v但对足够多的放射性核的集合，其衰变规律是确但对足够多的放射性核的集合，其衰变规律是确定的，并服从量子力学的统计规律。定的，并服从量子力学的统计规律。v 1 1、指数规律、指数规律 放射性核素的衰变与周围环境的温度、压力放射性核素的衰变与周围环境的温度、压力和温度等无关，它遵循指数衰减规律。即
10、每秒内和温度等无关，它遵循指数衰减规律。即每秒内衰变的原子数与现存的放射性原子数量呈比例。衰变的原子数与现存的放射性原子数量呈比例。例如，某种放射性核素最初共有例如，某种放射性核素最初共有NNo o个原子，经过个原子，经过时间时间t t以后，只剩下以后，只剩下NN个，则个，则NN和和NNo o之间的关系为之间的关系为 NN（t)=Nt)=No oe e-t-tv其中，其中，为衰变常数，表示各核素衰变的为衰变常数，表示各核素衰变的相对速度，即每秒衰变的核数为原有放射性核数相对速度，即每秒衰变的核数为原有放射性核数的几分之几。的几分之几。v 代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率代表一个原子核在
11、单位时间内发生衰变的几率代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率代表一个原子核在单位时间内发生衰变的几率半衰期半衰期半衰期半衰期（half lifehalf lifehalf lifehalf life）放射性原子核数因衰变而减少到放射性原子核数因衰变而减少到放射性原子核数因衰变而减少到放射性原子核数因衰变而减少到原来的一半所需要的时间称为半衰期（原来的一半所需要的时间称为半衰期（原来的一半所需要的时间称为半衰期（原来的一半所需要的时间称为半衰期（T T T T1/21/21/21/2）。t=T T1/21/2时，时，时，时，N=1N=1/2 N2 N0 0 N N0 0 /2=2=N N0
12、0e-tT T1/21/2=Ln2/=Ln2/=0.693/=0.693/不同核素的不同核素的不同核素的不同核素的T T T T1/21/21/21/2值差别很大，例如值差别很大，例如值差别很大，例如值差别很大，例如232232232232ThThThTh的半衰期的半衰期的半衰期的半衰期为为为为1.39101.39101.39101.391010101010年，而年，而年，而年，而212212212212P P P POOOO的半衰期只有的半衰期只有的半衰期只有的半衰期只有3.0103.0103.0103.010-7-7-7-7秒。秒。秒。秒。n n几种常用放射性核素的半衰期是：几种常用放射性
13、核素的半衰期是：几种常用放射性核素的半衰期是：几种常用放射性核素的半衰期是：24242424NaNaNaNa的的的的T T T T1/21/21/21/2 15.615.615.615.6小时小时小时小时 131131131131I I I I的的的的T T T T1/21/21/21/2 8.18.18.18.1天；天；天；天；32 32 32 32P P P P 的的的的T T T T1/21/21/21/2 14.314.314.314.3天天天天 59595959FeFeFeFe的的的的T T T T1/21/21/21/2 47.147.147.147.1天；天；天；天；606060
14、60CoCoCoCo的的的的T T T T1/21/21/21/2 5.35.35.35.3年年年年 3 3 3 3H HH H的的的的T T T T1/21/21/21/2 12.412.412.412.4年；年；年；年；14 14 14 14C C C C 的的的的T T T T1/21/21/21/2 5720572057205720年年年年 238 238 238 238U TU TU TU T1/21/21/21/2 4 4 4 4.5.5.5.5 101010109 9 9 9a a a a放射性活度放射性活度放射性活度放射性活度（ActivityActivityActivityA
15、ctivity）放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数为该物质放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数为该物质的放射性活度，用的放射性活度，用A A标记。标记。A=A=N=N=NN0 0 e e-t t =A=A0 0 e e-t t放射性活度单位放射性活度单位放射性活度单位放射性活度单位 1977197719771977年年年年，国国国国际际际际辐辐辐辐射射射射单单单单位位位位和和和和测测测测量量量量委委委委员员员员会会会会（ICRUICRUICRUICRU）规规规规定定定定活活活活度度度度的国际单位制单位为贝可勒尔，简称贝克（的国际单位制单位为贝可勒尔，简称贝克（的国际单位制单位为贝可勒
16、尔，简称贝克（的国际单位制单位为贝可勒尔，简称贝克（BqBqBqBq）。）。）。）。其定义为其定义为其定义为其定义为 1 1 1 1贝可贝可贝可贝可1 1 1 1衰变秒衰变秒衰变秒衰变秒-1-1-1-1（1Bq1Bq1Bq1Bq1s 1s 1s 1s-1-1-1-1）它表示每秒钟有一次核衰变。它表示每秒钟有一次核衰变。它表示每秒钟有一次核衰变。它表示每秒钟有一次核衰变。专用单位：居里（专用单位：居里（专用单位：居里（专用单位：居里（CiCi）1 1居里居里居里居里3.7103.7101010 贝克贝克贝克贝克（1mCi1mCi1010-3-3CiCi）X X 射线射线vX X射线的发现射线的发
17、现vX X射线的产生射线的产生vX X射线的本质射线的本质vX X射线的能谱射线的能谱vX X射线的应用射线的应用v“偶然偶然”的大发现的大发现X X射线射线v 18951895年年1010月，德国波恩的物理学教授伦琴，月，德国波恩的物理学教授伦琴，在实验室内装起了阴极射线管，开始研究阴极射在实验室内装起了阴极射线管，开始研究阴极射线。有一包用黑纸包着的照相底片全部感了光。线。有一包用黑纸包着的照相底片全部感了光。11 11月月8 8日晚上，他把阴极射线管用厚的黑纸包了起日晚上，他把阴极射线管用厚的黑纸包了起来，在黑夜却看见一块涂有铂氰酸钡的荧光屏发来，在黑夜却看见一块涂有铂氰酸钡的荧光屏发出
18、绿光。他把手伸到荧光屏和阴极射线管之间，出绿光。他把手伸到荧光屏和阴极射线管之间，看见了自己的手骨骼。看见了自己的手骨骼。当在真空中，高速运动的当在真空中，高速运动的电子电子轰击金属靶时，轰击金属靶时，靶就放出靶就放出X X射线。射线。条件：条件：（1 1）电子）电子-灯丝灯丝 （2 2）加速）加速-高压高压 （3 3）靶面）靶面-阳极阳极 （4 4）真空）真空X X射线的产生射线的产生X射线的本质n nX射线的本质是电磁波，与可见光完全相射线的本质是电磁波，与可见光完全相同，仅是波长不同而已，具有波粒二像性。同，仅是波长不同而已，具有波粒二像性。波动性波动性粒子性粒子性 1906 1906年
19、，英国物理学家巴克拉显示了年，英国物理学家巴克拉显示了X X射线的偏振现射线的偏振现象，首次用实验证明了象，首次用实验证明了X X射线的波动性。射线的波动性。19121912年，德国物年，德国物理学家冯理学家冯劳厄提出设想，认为劳厄提出设想，认为X X射线是波长很短的电磁射线是波长很短的电磁波，晶体中各原子有规则的排列可以使波，晶体中各原子有规则的排列可以使X X射线发生衍射。射线发生衍射。冯冯劳厄的建议很快为实验所证实，从而有力地证明了劳厄的建议很快为实验所证实，从而有力地证明了X X射线的波动性，并首次测量了射线的波动性，并首次测量了X X射线的波长。射线的波长。波动性波动性波动性波动性n
20、 nX X射射射射线线线线波波波波长长长长的的的的度度度度量量量量单单单单位位位位常常常常用用用用埃埃埃埃（）表表表表示示示示；通通通通用用用用的的的的国国国国际际际际计计计计量量量量单单单单位位位位中中中中用用用用纳纳纳纳米米米米（nmnm）表表表表示示示示，它它它它们之间的换算关系为：们之间的换算关系为：们之间的换算关系为：们之间的换算关系为：1nm=10 1nm=10 X X射线的波长范围：射线的波长范围：射线的波长范围：射线的波长范围：0.01100 0.01100 n n硬硬硬硬X X射射射射线线线线：波波波波长长长长较较较较短短短短的的的的硬硬硬硬X X射射射射线线线线能能能能量量
21、量量较较较较高高高高，穿穿穿穿透透透透性性性性较较较较强强强强，适适适适用用用用于于于于金金金金属属属属部部部部件件件件的的的的无无无无损损损损探探探探伤伤伤伤及及及及金金金金属物相分析。属物相分析。属物相分析。属物相分析。n n软软软软X X射射射射线线线线：波波波波长长长长较较较较长长长长的的的的软软软软X X射射射射线线线线能能能能量量量量较较较较低低低低，穿穿穿穿透性弱，可用于非金属的分析。透性弱，可用于非金属的分析。透性弱，可用于非金属的分析。透性弱，可用于非金属的分析。波动性波动性波动性波动性粒子性粒子性n nX X射射射射线线线线在在在在与与与与物物物物质质质质相相相相互互互互作
22、作作作用用用用时时时时交交交交换换换换能能能能量量量量。发发发发生生生生光光光光电效应；康普顿效应；电子对效应等。电效应；康普顿效应；电子对效应等。电效应；康普顿效应；电子对效应等。电效应；康普顿效应；电子对效应等。n n表表表表现现现现为为为为以以以以光光光光子子子子形形形形式式式式辐辐辐辐射射射射和和和和吸吸吸吸收收收收时时时时具具具具有有有有的的的的一一一一定定定定的的的的能量和动量。能量和动量。能量和动量。能量和动量。n nX X射射射射线线线线的的的的频频频频率率率率、波波波波长长长长 以以以以及及及及其其其其光光光光子子子子的的的的能能能能量量量量E E、动动动动量量量量P P之间
23、存在如下关系：之间存在如下关系：之间存在如下关系：之间存在如下关系：式式式式 中中中中 h h普普普普 朗朗朗朗 克克克克 常常常常 数数数数，等等等等 于于于于 6.625 6.625 J.s;J.s;c c光速光速光速光速 X X 射线是一种高能光子射线是一种高能光子 穿透性很强。穿透性很强。X射线能谱 n n由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：n n(1)连续X射线；n n(2)特征X射线；特征谱特征谱连续谱连续谱连续连续X X射线射线n n具具具具有有有有连连连连续续续续波波波波长长长长的的的的X X射射射射线线线线，构构构构成成成成连连连连续续续续X X射射射射线线线线谱谱谱
24、谱，它它它它和可见光相似，亦称多色和可见光相似，亦称多色和可见光相似，亦称多色和可见光相似，亦称多色X X射线。射线。射线。射线。l连续光谱的连续光谱的X X射线是高能电子与射线是高能电子与阳极靶的原子碰撞时，做减速运阳极靶的原子碰撞时，做减速运动损失自己的能量，其中部分以动损失自己的能量，其中部分以X X光子的形式辐射出来形成的。光子的形式辐射出来形成的。单位时间内到达阳极靶面的电子单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大的，产生能量各不相数目是极大的，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续同的辐射，因此出现连续X X射线射线谱。这种谱。这种X X射线称为轫致辐射射线称为轫致辐射。特征特征X X
25、射线射线 特征特征特征特征X X X X射线是一种不连续射线是一种不连续射线是一种不连续射线是一种不连续的，它只有几条特殊的的，它只有几条特殊的的，它只有几条特殊的的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射线线状光谱，这种发射线线状光谱，这种发射线线状光谱，这种发射线状光谱的辐射叫做特征状光谱的辐射叫做特征状光谱的辐射叫做特征状光谱的辐射叫做特征辐射。连续光谱的性质辐射。连续光谱的性质辐射。连续光谱的性质辐射。连续光谱的性质和靶材料无关，而特征和靶材料无关，而特征和靶材料无关，而特征和靶材料无关，而特征光谱和靶材料有关，不光谱和靶材料有关，不光谱和靶材料有关，不光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的
26、特征同的材料有不同的特征同的材料有不同的特征同的材料有不同的特征光谱。光谱。光谱。光谱。X射线的应用射线的应用医学（医学（医学（医学（X X射线透视、照相、射线透视、照相、射线透视、照相、射线透视、照相、CTCT、X X刀）刀）刀）刀）生命科学（三维结构、电离辐射生物效应）生命科学（三维结构、电离辐射生物效应）生命科学（三维结构、电离辐射生物效应）生命科学（三维结构、电离辐射生物效应）天文学天文学天文学天文学(X X射射射射线线天文学天文学天文学天文学、黑洞）、黑洞）、黑洞）、黑洞）工业（探伤、工业（探伤、工业（探伤、工业（探伤、光刻技术光刻技术光刻技术光刻技术)19011901伦琴伦琴伦琴伦
27、琴 (Roentgen)(Roentgen)发现发现发现发现X X射线射线射线射线(1895)(1895)19141914劳厄（劳厄（劳厄（劳厄（LaueLaue）晶体的晶体的晶体的晶体的X X射线衍射射线衍射射线衍射射线衍射19151915布拉格父子布拉格父子布拉格父子布拉格父子 (Bragg)(Bragg)分析晶体结构分析晶体结构分析晶体结构分析晶体结构19171917 巴克拉巴克拉巴克拉巴克拉 (Barkla)(Barkla)发发发发现现现现元元元元素素素素的的的的标标标标识识识识X X射射射射线线线线19241924塞格巴恩塞格巴恩塞格巴恩塞格巴恩 (Siegbahn)(Siegbah
28、n)X X射线光谱学射线光谱学射线光谱学射线光谱学19271927康普顿康普顿康普顿康普顿(Compton(Compton等六人等六人等六人等六人)康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应19361936德拜德拜德拜德拜 (Debye)(Debye)化学化学化学化学19461946马勒马勒马勒马勒 (Muller)(Muller)医学医学医学医学19641964霍奇金霍奇金霍奇金霍奇金 (Hodgkin)(Hodgkin)化学化学化学化学19791979柯柯柯柯马马马马克克克克和和和和豪豪豪豪森森森森菲菲菲菲尔尔尔尔德德德德（Cormack/HounsfieldCormack/Hounsfie
29、ld）医医医医学学学学19811981 塞格巴恩塞格巴恩塞格巴恩塞格巴恩(Siegbahn)(Siegbahn)物理物理物理物理 同同X射线有关的诺贝尔学奖射线有关的诺贝尔学奖 射线与物质相互作用射线与物质相互作用 射射射射线线线线与与与与物物物物质质质质的的的的相相相相互互互互作作作作用用用用，实实实实质质质质上上上上就就就就是是是是射射射射线线线线的的的的能能能能量量量量传传传传递递递递过过过过程程程程，包包包包括括括括两两两两个个个个相相相相互互互互联联联联系系系系的的的的方方方方面面面面。一一一一方方方方面面面面是是是是射射射射线线线线对对对对物物物物质质质质的的的的作作作作用用用用，
30、如如如如引引引引起起起起物物物物质质质质的的的的电电电电离离离离激激激激发发发发等等等等；另另另另一一一一方方方方面面面面是是是是物物物物质质质质对对对对射射射射线线线线的的的的作作作作用用用用，如如如如引引引引起射线减速、散射、吸收等。起射线减速、散射、吸收等。起射线减速、散射、吸收等。起射线减速、散射、吸收等。常见的是带电粒子、中子和常见的是带电粒子、中子和常见的是带电粒子、中子和常见的是带电粒子、中子和 射线与物质的射线与物质的射线与物质的射线与物质的相互作用。它们与物质的相互作用时的机制是相互作用。它们与物质的相互作用时的机制是相互作用。它们与物质的相互作用时的机制是相互作用。它们与物
31、质的相互作用时的机制是不同的。不同的。不同的。不同的。射线分类射线分类射线分类射线分类1.1.由电子组成（由电子组成（由电子组成（由电子组成（射线，电子线）射线，电子线）射线，电子线）射线，电子线）2.2.重带电粒子组成（重带电粒子组成（重带电粒子组成（重带电粒子组成（射线、质子射线等）射线、质子射线等）射线、质子射线等）射线、质子射线等）3.3.中性粒子组成（中子射线）中性粒子组成（中子射线）中性粒子组成（中子射线）中性粒子组成（中子射线）4.4.光子光子光子光子组成（组成（组成（组成（射线、射线、射线、射线、X X射线）射线）射线）射线）一、带电粒子与靶物质原子作用方式一、带电粒子与靶物质
32、原子作用方式一、带电粒子与靶物质原子作用方式一、带电粒子与靶物质原子作用方式 1.1.1.1.与核外电子发生非弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞 2.2.2.2.与核原子核发生非弹性碰撞与核原子核发生非弹性碰撞与核原子核发生非弹性碰撞与核原子核发生非弹性碰撞 3.3.3.3.与核原子核发生弹性碰撞与核原子核发生弹性碰撞与核原子核发生弹性碰撞与核原子核发生弹性碰撞 4.4.4.4.与核外电子发生弹性碰撞与核外电子发生弹性碰撞与核外电子发生弹性碰撞与核外电子发生弹性碰撞 5.5.5.5.穿过原子核的库仑势垒发生核反应穿过原子核的库仑势垒发生核反应穿过原
33、子核的库仑势垒发生核反应穿过原子核的库仑势垒发生核反应二、电离和激发二、电离和激发1.1.电离（电离（ionizationionization）入射带电粒子入射带电粒子 非弹非弹 核外电子核外电子 摆脱摆脱 自由电子自由电子 电离电离2.2.激发（激发（excitationexcitation）入射带电粒子入射带电粒子 非弹非弹 核外电子核外电子 跃迁跃迁 激发态激发态 激发（退激）激发（退激）3.3.初级电离与初级电离与次级电离次级电离高能带电粒子穿入物质时，将自身的部分能量传高能带电粒子穿入物质时，将自身的部分能量传递给壳层电子、使其逸出成为自由电子，形成正递给壳层电子、使其逸出成为自由电
34、子，形成正离子和电子组成的离子对，这种过程称直接电离离子和电子组成的离子对，这种过程称直接电离（或初级电离）。直接电离出的高能电子称（或初级电离）。直接电离出的高能电子称电电子，它能进一步引起物质原子电离，称次级电离。子，它能进一步引起物质原子电离，称次级电离。通常，次级电离占总电离的通常，次级电离占总电离的60%80%60%80%。如果带电粒子传递给壳层电子的能量不足以克服原如果带电粒子传递给壳层电子的能量不足以克服原子核的束缚子核的束缚(小于结合能时小于结合能时)，则只能使电子从低能，则只能使电子从低能态跃迁到高能态，使原子处于激发态，此过程称为态跃迁到高能态，使原子处于激发态，此过程称为
35、激发。处于激发态的原子不稳定，会放出特征激发。处于激发态的原子不稳定，会放出特征X X射射线而跃迁到较低的能态或基态。线而跃迁到较低的能态或基态。带电粒子三、三、粒子的粒子的吸收吸收和和射程射程1.吸收吸收2.射程射程 带电粒子从进入物质到完全被吸收沿原入射方带电粒子从进入物质到完全被吸收沿原入射方向穿过的最大直线距离，称为该入射粒子在物质中向穿过的最大直线距离，称为该入射粒子在物质中的射程（的射程（range）。）。射程与路径不同；射程与路径不同；射程与能量射程与能量有关，同一吸收物质有关，同一吸收物质 粒子在空气中的射程只有几厘粒子在空气中的射程只有几厘粒子在空气中的射程只有几厘粒子在空气
36、中的射程只有几厘米，在生物组织中的射程只有米，在生物组织中的射程只有米，在生物组织中的射程只有米，在生物组织中的射程只有几十到几百微米，可见几十到几百微米，可见几十到几百微米，可见几十到几百微米，可见 粒子的粒子的粒子的粒子的穿透能力很弱，它很容易被吸穿透能力很弱，它很容易被吸穿透能力很弱，它很容易被吸穿透能力很弱，它很容易被吸收，一张纸或生物组织的表皮收，一张纸或生物组织的表皮收，一张纸或生物组织的表皮收，一张纸或生物组织的表皮就可以阻挡住就可以阻挡住就可以阻挡住就可以阻挡住 粒子。因此粒子。因此粒子。因此粒子。因此 粒粒粒粒子的外照射防护问题很容易解子的外照射防护问题很容易解子的外照射防护
37、问题很容易解子的外照射防护问题很容易解决，但决，但决，但决，但 粒子的电离本领特别大，粒子的电离本领特别大，粒子的电离本领特别大，粒子的电离本领特别大，一旦一旦一旦一旦 发射体进入体内，则危害发射体进入体内，则危害发射体进入体内，则危害发射体进入体内，则危害比较大比较大比较大比较大。1 1、电子的电离损失、电子的电离损失与与粒子相比，在相同能量情况下，电子的速度粒子相比，在相同能量情况下，电子的速度比比粒子大得多，因而电离损失率比粒子大得多，因而电离损失率比粒子小的粒子小的多。与此相反电子在物质中的穿透本领却要比同多。与此相反电子在物质中的穿透本领却要比同能量的能量的粒子大很多粒子大很多。四、
38、四、电子与物质的相互作用电子与物质的相互作用2、电子的辐射损失、电子的辐射损失是电子与物质原子的是电子与物质原子的原子核的发生非弹性原子核的发生非弹性碰撞时产生的一种能碰撞时产生的一种能量损失。量损失。五、五、射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用主要有下列三种类型：主要有下列三种类型：光电效应光电效应光电效应光电效应、康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应 、电子对效应电子对效应电子对效应电子对效应1.1.射线与物质相互作用趋于一次碰撞中损失掉射线与物质相互作用趋于一次碰撞中损失掉射线与物质相互作用趋于一次碰撞中损失掉射线与物质相互作用趋于一次碰撞
39、中损失掉大部分能量或失全部能量。大部分能量或失全部能量。大部分能量或失全部能量。大部分能量或失全部能量。2.2.射线通过物质时由于本身不带电荷，不能使射线通过物质时由于本身不带电荷，不能使射线通过物质时由于本身不带电荷，不能使射线通过物质时由于本身不带电荷，不能使物质直接电离和激发，次级电子，引起次级电物质直接电离和激发，次级电子，引起次级电物质直接电离和激发，次级电子，引起次级电物质直接电离和激发，次级电子，引起次级电离和激发。由于离和激发。由于离和激发。由于离和激发。由于X X X X射线实际上是由高速电子引射线实际上是由高速电子引射线实际上是由高速电子引射线实际上是由高速电子引起的起的起
40、的起的 一种韧致辐射，与物质的相互作用和一种韧致辐射，与物质的相互作用和一种韧致辐射，与物质的相互作用和一种韧致辐射，与物质的相互作用和射射射射线相同。线相同。线相同。线相同。低能低能1.022MeV以上以上1MeV优势优势n n1.照射量照射量n n2.比释动能比释动能n n3.吸收剂量吸收剂量n n4.当量剂量当量剂量n n5.有效剂量有效剂量辐射剂量学基本量辐射剂量学基本量n n电离是电离辐射的特点，照射量就是根据电离是电离辐射的特点，照射量就是根据光子对空气的电离能力来度量光子辐射场光子对空气的电离能力来度量光子辐射场的的 一个物理量。一个物理量。1962年国际辐射单位和测年国际辐射单
41、位和测量委员会（量委员会（ICRU）第）第10号出版物正式把照号出版物正式把照射量作为射量作为x（）射线的度量，其单位为伦）射线的度量，其单位为伦琴（琴（R）。一、一、照射量和照射量率1.照射量和照射量率n n（1 1）照射量定义：）照射量定义：）照射量定义：）照射量定义：X XdQ/dmdQ/dmn ndQdQ的值是光子在质量的值是光子在质量的值是光子在质量的值是光子在质量dmdm的空气中释放的全部电子的空气中释放的全部电子的空气中释放的全部电子的空气中释放的全部电子完全被空气阻止时，在空气中所产生的同种符号的完全被空气阻止时，在空气中所产生的同种符号的完全被空气阻止时，在空气中所产生的同种
42、符号的完全被空气阻止时，在空气中所产生的同种符号的离子总电荷的绝对值。离子总电荷的绝对值。离子总电荷的绝对值。离子总电荷的绝对值。PX或或dmX或或在空气中的电离过程在空气中的电离过程。SI单位：单位：Ckg-1 无专名无专名 照射量曾用单位：伦琴，照射量曾用单位：伦琴，符号符号R 1R=2.5810-4 Ckg-1（2）照射量率定义：单位时间内的照射量增量。）照射量率定义：单位时间内的照射量增量。X（t）dx/dt 单位单位SI制，制，Ckg-1 S-1 曾用过的单位曾用过的单位RS-1n n辐射与物质相互作用最主要的标志是给物质传递能辐射与物质相互作用最主要的标志是给物质传递能辐射与物质相
43、互作用最主要的标志是给物质传递能辐射与物质相互作用最主要的标志是给物质传递能量，这是产生辐射效应的依据。量，这是产生辐射效应的依据。量，这是产生辐射效应的依据。量，这是产生辐射效应的依据。n n不带电致电离粒子与物质相互作用，它的能量传递不带电致电离粒子与物质相互作用，它的能量传递不带电致电离粒子与物质相互作用，它的能量传递不带电致电离粒子与物质相互作用，它的能量传递过程分为两个阶段。过程分为两个阶段。过程分为两个阶段。过程分为两个阶段。.不带电致电离粒子将能量转不带电致电离粒子将能量转不带电致电离粒子将能量转不带电致电离粒子将能量转移给物质中产生的带电粒子；移给物质中产生的带电粒子；移给物质
44、中产生的带电粒子；移给物质中产生的带电粒子；.由带电粒子的能量由带电粒子的能量由带电粒子的能量由带电粒子的能量通过库仑相互作用（电离或激发）沉积到（授予）通过库仑相互作用（电离或激发）沉积到（授予）通过库仑相互作用（电离或激发）沉积到（授予）通过库仑相互作用（电离或激发）沉积到（授予）物质里。由于次级带电粒子有一定的射程，两个阶物质里。由于次级带电粒子有一定的射程，两个阶物质里。由于次级带电粒子有一定的射程，两个阶物质里。由于次级带电粒子有一定的射程，两个阶段能量转移发生在介质中的不同地点，研究不带电段能量转移发生在介质中的不同地点，研究不带电段能量转移发生在介质中的不同地点，研究不带电段能量
45、转移发生在介质中的不同地点，研究不带电粒子在物质中的能量转移时，有必要对这两个过程粒子在物质中的能量转移时，有必要对这两个过程粒子在物质中的能量转移时，有必要对这两个过程粒子在物质中的能量转移时，有必要对这两个过程分别处理，比释动能是描述不带电致电离粒子在物分别处理，比释动能是描述不带电致电离粒子在物分别处理，比释动能是描述不带电致电离粒子在物分别处理，比释动能是描述不带电致电离粒子在物质中转移能量的第一阶段的辐射量。质中转移能量的第一阶段的辐射量。质中转移能量的第一阶段的辐射量。质中转移能量的第一阶段的辐射量。二、比释动能和比释动能率二、比释动能和比释动能率n n定义：定义：K=dEtr/d
46、m n ndEtr是由不带电粒子在质量为是由不带电粒子在质量为dm的无限小体积的无限小体积内释放出来的所有带电粒子初始动能之和（即内释放出来的所有带电粒子初始动能之和（即转移能）转移能）n nSI单位：单位：Jkg-1 专名专名 戈瑞戈瑞（gray）符号）符号 Gyn n 过去沿用的专用单位：拉德（过去沿用的专用单位：拉德（rad）或（）或（rd）n n 1rad=10-2 Gy.n n比释动能率比释动能率K（t）：）：Gy/s、Gy/hn n比释动能是一个很重要的量，它是描述不比释动能是一个很重要的量，它是描述不带电致电离粒子与物质相互作用时，把多带电致电离粒子与物质相互作用时，把多少能量传
47、给了带电粒子的物理量少能量传给了带电粒子的物理量。比释动能和比释动能率n n受照射物质发生的辐射效应与它们吸收的受照射物质发生的辐射效应与它们吸收的辐射能量有关。一定数量的辐射能授与一辐射能量有关。一定数量的辐射能授与一小块物质或一大块物质，导致的辐射效应小块物质或一大块物质，导致的辐射效应可能不同，如何度量区分？可能不同，如何度量区分？三、吸收剂量和吸收剂量率三、吸收剂量和吸收剂量率n n授与能授与能授与能授与能n n定义：电离辐射以电离、激发方式传递给某一体定义：电离辐射以电离、激发方式传递给某一体定义：电离辐射以电离、激发方式传递给某一体定义：电离辐射以电离、激发方式传递给某一体积内物质
48、的能量。积内物质的能量。积内物质的能量。积内物质的能量。nE EininE Eoutout+QQn n E Einin：进入该体积的辐射能，即进入该体积：进入该体积的辐射能，即进入该体积：进入该体积的辐射能，即进入该体积：进入该体积的辐射能，即进入该体积的所有带电和不带电的电离粒子能量的总和；的所有带电和不带电的电离粒子能量的总和；的所有带电和不带电的电离粒子能量的总和；的所有带电和不带电的电离粒子能量的总和；n n E Eoutout 从该体积逸出的辐射能，即离开该体从该体积逸出的辐射能，即离开该体从该体积逸出的辐射能，即离开该体从该体积逸出的辐射能，即离开该体积的所有带电和不带电粒子能量的
49、总和；积的所有带电和不带电粒子能量的总和；积的所有带电和不带电粒子能量的总和；积的所有带电和不带电粒子能量的总和；n n QQ：是该体积内发生的任何核和基本粒子是该体积内发生的任何核和基本粒子是该体积内发生的任何核和基本粒子是该体积内发生的任何核和基本粒子的转变中，核和基本粒子静止质量能变化的总和。的转变中，核和基本粒子静止质量能变化的总和。的转变中，核和基本粒子静止质量能变化的总和。的转变中，核和基本粒子静止质量能变化的总和。（减小为正，增加为负）（减小为正，增加为负）（减小为正，增加为负）（减小为正，增加为负）n n 单位是能量单位：单位是能量单位：单位是能量单位：单位是能量单位：J J
50、焦耳焦耳焦耳焦耳三、吸收剂量和吸收剂量率三、吸收剂量和吸收剂量率n n（1 1）、吸收剂量）、吸收剂量）、吸收剂量）、吸收剂量D D 的定义：的定义：的定义：的定义：n n电离辐射向无限小体积内授与的平均能量除以该体电离辐射向无限小体积内授与的平均能量除以该体电离辐射向无限小体积内授与的平均能量除以该体电离辐射向无限小体积内授与的平均能量除以该体积内物质的质量而得的商。积内物质的质量而得的商。积内物质的质量而得的商。积内物质的质量而得的商。n n DDdE/dm dE/dm n ndEdE是电离辐射授与质量为是电离辐射授与质量为是电离辐射授与质量为是电离辐射授与质量为dmdm的物质的平均能量。