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射线及其与物质的作用

来源:绿网 作者: 时间:2013年05月01日

  1、α射线

  放射性核发射α粒子衰变为另一种核的过程称为α衰变,α粒子是高速运动的氦核,具有+2电荷,其通过物质时,主要是与电子碰撞。α粒子在物质中的穿透本领往往用射程来表示,射程是指入射粒子沿入射方向所穿过的最大距离。因为α粒子的质量比电子大得多,它与电子碰撞后,几乎不改变运动方向,而被原子核散射的几率很小,所以α粒子在物质中的路径基本上是直线,其路径长度与射程近乎相等。

  由于固体物质的密度比空气要大得多,因此α粒子在固体中的射程非常短。例如:能量为5MeV的α粒子在铝中的射程为23μm。

  α粒子在通过物质时,物质原子的核外电子受到α粒子的库仑作用而获得能量。如果窗子得到的能量可以克服原子核的束缚,则成自由电子,原子发生电离。如果电子所获能量不足以产生电离,则原子被激发。

  α粒子通过物质时,也有可能与原子核发生弹性散射作用,称为卢瑟福散射。

  2、β射线

  β射线是快速电子流,其质量小,速度快,因此它与物质原子的相互作用与α粒子有很大的差别。表现在电离能量损失率小,故而穿透能力强,在核库仑场中能产生韧致辐射,易被核和电子散射而形成多次散射,它在物质中的路程十分弯曲,此外β+射线还能发生湮灭辐射。

  β射线在通过物质时,其强度受到减弱,即被物质所吸收。β射线具有连续能谱,也就是有能量不同的单能电子组成。不同能量的电子在瓦中的射程是不同的,能量系统的电子由于受散射情况不同,射程也有很大差别。因此β射线的吸收曲线与α粒子的吸收曲线有极大的差别,β粒子在物质中的射程不能用平均生成概念,而只可用最大生成来表示。β粒子通过物质时,与α粒子相似,也能使原子电离和激发而损失能量。β粒子在物质中除电离碰撞损失能量外,还可通过辐射过程损失能量。当快速电子接近原子核时,在原子核库仑场的作用下,其速度迅速降低,并发出电磁辐射。这种电磁辐射称为韧致辐射。

  β粒子与原子相互作用时,不仅损失能量,也改变着运动方向,称之为散射。

  3、γ射线

  γ射线是不带电的高能光子流,因此它与物质相互作用的机制与α、β等带电粒子不同,可以发生光电效应和康普顿效应,基本上与X射线相同,但由于其能量比X射线高得多,还能产生电子对效应。

  γ光子与物质原子中的束缚电子作用时,其那里量全部转移给电子,使它脱离原子飞出,而γ光子本身消失,这种过程称为光电效应。

  γ光子与物质原子相互作用时,将一部分能量转移给电子,使它脱离原子飞出,而入射光子损失能量并改变运动方向,这种过程称为康普顿效应,又叫康普顿散射。当能量大于1.022MeV的γ光子通过物质时,在原子核的库仑场作用下,γ光子化为一个正电子和一个光电子,这种过程,称为电子对效应。

  4、中子

  中子有中子源产生,处于自由状态的中子是不稳定的,可衰变为质子,并放出一个β电子和一个反中微子。因为中子的能量不同,它与物质的相互作用也不同,所以常按其能量分为慢中子、中能中子、快中子及高能中子。中子不带电荷,它通过物质时与电子的相互作用很小,主好是与原子核发生作用,中子与原子核的相互作难感有两类:散射和核反应。弹性散射是中子与原子核之间最常见的作用。

  5、核衰变类型

  目前发现的2000多种核素绝大多数是不稳定核。不稳定原子核自发地发出射线变成另一种原子核,这种过程成为核衰变。这些核素能自发放出射线的性质称为放射性,具有这种特性的核素称为放射性核素。故核衰变又叫放射性衰变。后衰变是放射性核素的特征核性质,在一般情况下,不受外界条件,如温度、压力、电磁场等的影响。

  核衰变可根据其发射的核辐射进行分类,最常见的有α衰变、β衰变和衰变。还有自发裂变,它是指原子核自发分裂为两个或两个以上质量相近的核。此外,随着核辐射测量技术的发展,仍在不断发现一些新的衰变方式,如质子衰变、14C双衰变、20Ne衰变、衰变等,当然这些衰变是少见的。现在主要介绍α,β,γ三种衰变方式。

  6、α衰变

  α衰变是指放射性核发射α粒子衰变为另一种核的过程。 在α衰变核素中,只有少数核素发射单能的α粒子,大部分核素放出的α粒子具有几组能量。α粒子的能谱是不连续的,由一组分立的线状谱线组成。而且,α衰变的放射性核素在发射α粒子是往往伴随有γ射线放出。

  7、β衰变

  β衰变是指核电荷改变而质量数不变的核衰变。在这过程中,原子核放射出一个电子或正电子,或俘获一个核外轨道电子,其子核和母核的质量数相同,核电荷数改变+1或-1。因此,β衰变包括β-衰变(一般用β衰变代表),β+衰变和轨道电子俘获(EC)。

  8、γ衰变

  原子核由激发态通过发射γ光子跃迁到低能态的过程,称为γ衰变或γ跃迁。α,β衰变过程中,或其它高速粒子轰击原子核时,可使原子核处于激发态,所以这些过程往往伴随有γ射线。

  有时,原子核由激发态跃迁到低能态时不一定发射γ光子,而是把激发能量直接交给核外电子,使它脱离原子成为自由电子,这种现象称为内转换(IC)。放出的电子称为内转换电子。原子核能级之间的跃迁,可以发射γ光子,也可以产生内转换。

  9、放射性

  放射性是一种自然现象,系一种不稳定的原子核自发地放出某种射线而转变成另一种原子核的变化。放射性衰变方式主要有α衰变、β衰变、电子俘获和同质异能跃迁,可能放出α粒子、β+粒子、β-粒子、电子、光子、中子和裂变碎片。

  10、电离辐射

  电离辐射按照来源区分为天然辐射和人工辐射;按照内、外辐射源区分为内照射和外照射;外照射来自于宇宙线和放射性射线,内照射的主要途径是食入和吸入。 电离辐射对人体的有害效应可分为躯体效应和遗传效应,躯体效应显现在受照射者本人身上,如癌、白内障、放射病等;遗传效应显现在受照射者的后代。

  11、放射性核素及辐射源

  放射性核素分为宇生放射性核素、原生放射性核素和人工放射性核素。宇生放射性核素主要是由于宇宙线和大气层中及地球表层原子核相互作用而产生,宇生放射性核素中仅须关注3H、7Be、14C和22Na;原生放射性核素是自从有地球以来就存在于地壳里的天然放射性核素,存留至今的主要原生放射性核素是40K以及238U放射系和232Tu放射系;人工辐射源主要有:核爆炸、核能生产中产生的人工辐射源或加工过的天然辐射源以及医疗照射和消费品中应用的辐射源等。

  12、核爆炸辐射影响

  核爆炸后裂变产物、剩余的裂变物质和结构材料在高温火球中气化,形成具有很强放射性的气溶胶颗粒物。较大的放射性气溶胶颗粒物在距爆心几百公里范围内的重力沉降,称为局部放射性沉降;注入对流层的较小放射性气溶胶颗粒物主要在同一半球范围内围绕地球沉降,称为对流层放射性沉降;注入平流层的微小放射性气溶胶颗粒物形成的世界范围内的沉降,称为全球性放射性沉降。核爆炸产生的引起外照射的主要核素有:137Cs和短寿命核素95Zr、106Ru、140Ba、144Ce、103Ru和141Ce等;引起外照射的主要核素有:14C、137Cs、90Sr、106Ru、144Ce、3H、131I、239,240,241Pu、55Fe、241Am和89Sr。

  13、医疗照射

  各种电离辐射和放射性核素在医学上诊断和治疗中的广泛应用,使医疗照射在公众受到的人工辐射源照射中居于首位。

  14、辐射危害

  作用机理:机体受到电离辐射照射后,可以使很多生物活性物质特别是生物大分子受到损害,其中最重要的是细胞核中的脱氧核酸(DNA)。电离辐射对这些生物活性物质的作用有两个途径:一是射线直接作用于这些物质例如DNA,通过电离和激发使其受到损伤。二是射线与细胞中其他原子或分子特别是水分子的作用,产生自由基使生物活性受到损伤。前者称为射线的直接作用,后者称为射线的间接作用,对于低传能线密度辐射(包括所有能量的X射线与射线辐射)间接作用占主要地位。

  作用方式:根据辐射源与人体的相对位置,可将辐射作用于人体的方式分为外照射、内照射、放射性核素对体表沾污及复合照射等。

  (1) 外照射:是指辐射源位于人体外对人体造成的辐射照射。辐射源位于人体外有足够的距离时,可造成对人体较均匀的全身照射,反之辐射源靠(贴)近人体则致局部受照。

  (2) 内照射:非正常量放射性核素进入体内称放射性核素内污染。存在与人体内的放射性核素对人体造成的辐射照射称为内照射。辐射源沉积的器官(简称为S);受到从原器官发出辐射的器官,称为靶器官(简写为T)。

  (3) 放射性核素的体表沾污:是指放射性核素沾染于人体表面(皮肤或粘膜),或为健康的体表,或为创伤的体表。沾染的放射性核素对沾染局部构成外照射源, 同时尚可经过体表吸收进入血液构成体内照射。实践中往往是多种照射情况同时存在。仅仅从辐射损伤的角度看,以某种照射方式为主要的而已。


 
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