核與化學損傷/放射與物質(zhì)的相互作用

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核武器與化學武器損傷

核物理基礎
- 原子核及原子核的轉變
- 放射與物質(zhì)的相互作用
- 輻射量及其單位

一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用
　　（一）電離（ionization）
　　帶電粒子在從吸收物質(zhì)原子旁掠過時，由于它們與殼層電子之間發(fā)生靜電庫侖作用，殼層電子便獲得能量。如果殼層電子獲得的能量足夠大，它便能夠克服原子核的束縛而脫離出來成為自由電子。這時，物質(zhì)的原子便被分離成一個自由電子和一個正離子，它們合稱離子對。這樣一個過程就稱為電離。脫離出來的自由電子通常具有較高的功能，它又嬰兒可以引起其它原子或分子電離，稱為次級電離。
　　（二）激發(fā)（excitation）
　　帶電粒子給予殼層電子的能量較小，還不足以使它脫離原子的束縛而成為自由電子，但是卻由能量較低的軌道躍遷到較高的軌道上去，這個現(xiàn)象稱為原子的激發(fā)。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。它要自發(fā)地跳回到原來的基態(tài)，其中多余的能量將以可見光或紫外光的形式釋放出來，這就是受激原子的發(fā)光現(xiàn)象。

（三）散射（scattering）
　　散射是帶電粒子與被通過的介質(zhì)的原子核發(fā)生相互作用的結果。在這種作用下，帶電粒子只改變?nèi)绾芜\動方向，不改變能量。方向改變的大小與帶電粒子的哮喘質(zhì)量有關。
　　（四）軔致輻射（bremsstrahlung）
　　帶電粒子與被通過的介質(zhì)原子核相互作用，帶電粒子突然減速，一部分動能轉變?yōu)檫B續(xù)能譜的電磁輻射釋放出來。這種作用隨粒子的能量增加而增大，與粒子的哮喘質(zhì)量平方成反比，與被通過介質(zhì)的原子序數(shù)Z的平方成正比。
　　（五）吸收（absorption）
　　帶電粒子在介質(zhì)中通過，由于與介質(zhì)相互作用耗盡了能量而最終停止下來，這種現(xiàn)象稱為被介質(zhì)吸收。
　　二、光子與物質(zhì)的相互作用
　　光子是電磁輻射，可通過以下三種效應與介質(zhì)發(fā)生作用。
　　（一）光電效應（photoelectric effect）
　　γ光子與介質(zhì)的原子相互作用時，整個光子被原子吸收，其所有能量交給原子中的一個電子。該電子獲得能量后就離開原子而被發(fā)射出來，稱為光電子。光電子能繼續(xù)與介質(zhì)作用。
　　（二）康普頓效應（Compton effect）
　　γ光子只將部分能量傳遞給原子中最外層電子，使該電子脫離核的束縛從原子中逸出。光子本身改變?nèi)绾芜\動方向。被發(fā)射出的電子稱康普頓電子，能繼續(xù)與介質(zhì)發(fā)生相互作用。
　　（三）電子對產(chǎn)生（electron pair production）
　　能量大于1.02M eV的γ光子在物質(zhì)中通過時，可與原子核碰撞，轉變成一個電子和一個正電子，從原子中發(fā)射出來。被發(fā)射出的電子和正電子還能繼續(xù)與介質(zhì)發(fā)生相互作用。
　　γ光子通過上述三種效應，能量逐漸減弱、方向發(fā)生不同的改變，最終也可表現(xiàn)為被吸收。
　　三、中子與物質(zhì)的相互作用
　　中子本身不帶電，在通過物質(zhì)時主要是與原子核發(fā)生作用，產(chǎn)生次級電離粒子而使物質(zhì)電離。
　　（一）彈性散射（elastic scattering）
　　彈性散射是中子通過物質(zhì)時損失能量的重要方式。原子核從中子動能中得到一部分能量而形成反沖核，中子則失去部分動能且偏離原方向。反沖核越輕、反沖角越大、反沖核得到的能量越多。反沖核動能和入射中子能量成正比。
　　（二）非彈性散射（inelastic scattering）
　　入射中子與原子核作用形成復合核，復合核放出中子后如處在激發(fā)態(tài)，則會立即會放出γ射線而回到基態(tài)。入射中子的能量必須大于原子核的最低激發(fā)能，非彈性散射才呼吸可能發(fā)生。
　　（三）中子俘獲（neutron capture）
　　慢中子或熱中子與物質(zhì)作用時，很容易被原子核俘獲而產(chǎn)生核反應。核反應的產(chǎn)物呼吸可能是穩(wěn)定核素，也呼吸可能是放射性核素，同時還釋放出γ光子和其它粒子。某些穩(wěn)定核素，在慢中子作用下，生成放射性核素，稱為感生放射性核素（induced radionuclide），它具有的放射性，稱為感生放射性(induced radioactivity)。
　　四、傳能線密度和相對生物效應
　　（一）傳能線密度（linear energy transfer，LET）
　　LET是反映能量在微觀空間分布的物理量，以L_△表示。
　　 L_△=(dE/dl)_△
　　式中dl是帶電粒子的物質(zhì)中穿行的路程，以微米計；△是能量截止值、以eV為單位。只有能量轉移小于△的碰撞才有意義；dE是在dl路程內(nèi)能量轉移小于△的歷次碰撞造成的能量喪失的總和。
　　所以，傳能線密度是帶電粒子在物質(zhì)中穿行單位路程時，由能量轉移小于△的歷次碰撞所造成的能量損失。LET反映的是很小一個空間中單位長度（μm）路程上能量轉移的多少。
　　L_△的SI單位是“焦耳每米”（J.m^-1），也可使用keV.μm^-1。重帶電位粒子具有較高的L_△值（表1-1）。高LET輻射（如α粒子、中子）比低LET輻射（如X、γ射線）的生物效應大。
表1－1　不同類型和不同能量的電離輻射的傳能線密度

輻射類型	粒子動能（MeV）	傳能線密度（keV/μm）	輻射類型	粒子動能（MeV）	傳能線密度（keV/μm）
γ-線	1.17～1.33	0.3	中子	4	17
	8	0.2		14	12
X-線	250kVp	3.3～3.8	質(zhì)子	0.95	45
	0.2	2.5		2.0	17
β-粒子	0.0055	5.5		7.0	12
	0.01	4.0		340	0.3
	0.1	0.7	α-粒子	3.4	130
	1.0	0.25		5.0	90
	2.0	0.21		27	25

（二）相對生物效應（relative biological effectiveness，RBE）
　　由于各種輻射的品質(zhì)不同，在相同吸收劑量下，不同輻射的生物效應是不同的，反映這種差異的量稱為相對生物效應（RBE）。相對生物效應是引起相同類型相同水平生物效應時，參考輻射的吸收劑量比所研究男友輻射所需劑量增加的倍數(shù)。通常以X線或γ線作為參考輻射，參考輻射本身的RBE＝1。輻射的RBE越大，其生物效應越高（表1-2）。
　　表1－2　各種電離輻射的相對生物效應