第一章 核物理基础

（一）电离（ionization）
带电粒子在从吸收物质原子旁掠过时，由于它们与壳层电子之间发生静电库仑作用，壳层电子便获得能量。如果壳层电子获得的能量足够大，它便能够克服原子核的束缚而脱离出来成为自由电子。这时，物质的原子便被分离成一个自由电子和一个正离子，它们合称离子对。这样一个过程就称为电离。脱离出来的自由电子通常具有较高的功能，它又可以引起其它原子或分子电离，称为次级电离。
（二）激发（excitation）
带电粒子给予壳层电子的能量较小，还不足以使它脱离原子的束缚而成为自由电子，但是却由能量较低的轨道跃迁到较高的轨道上去，这个现象称为原子的激发。处于激发态的原子是不稳定的。它要自发地跳回到原来的基态，其中多余的能量将以可见光或紫外光的形式释放出来，这就是受激原子的发光现象。
（三）散射（scattering）
散射是带电粒子与被通过的介质的原子核发生相互作用的结果。在这种作用下，带电粒子只改变运动方向，不改变能量。方向改变的大小与带电粒子的质量有关。
（四）轫致辐射（bremsstrahlung）
带电粒子与被通过的介质原子核相互作用，带电粒子突然减速，一部分动能转变为连续能谱的电磁辐射释放出来。这种作用随粒子的能量增加而增大，与粒子的质量平方成反比，与被通过介质的原子序数Z的平方成正比。
（五）吸收（absorption）
带电粒子在介质中通过，由于与介质相互作用耗尽了能量而最终停止下来，这种现象称为被介质吸收。

光子是电磁辐射，可通过以下三种效应与介质发生作用。
（一）光电效应（photoelectric effect）
γ光子与介质的原子相互作用时，整个光子被原子吸收，其所有能量交给原子中的一个电子。该电子获得能量后就离开原子而被发射出来，称为光电子。光电子能继续与介质作用。
（二）康普顿效应（Compton effect）
γ光子只将部分能量传递给原子中最外层电子，使该电子脱离核的束缚从原子中逸出。光子本身改变运动方向。被发射出的电子称康普顿电子，能继续与介质发生相互作用。
（三）电子对产生（electron pair production）
能量大于1.02M eV的γ光子在物质中通过时，可与原子核碰撞，转变成一个电子和一个正电子，从原子中发射出来。被发射出的电子和正电子还能继续与介质发生相互作用。
γ光子通过上述三种效应，能量逐渐减弱、方向发生不同的改变，最终也可表现为被吸收。

中子本身不带电，在通过物质时主要是与原子核发生作用，产生次级电离粒子而使物质电离。
（一）弹性散射（elastic scattering）
弹性散射是中子通过物质时损失能量的重要方式。原子核从中子动能中得到一部分能量而形成反冲核，中子则失去部分动能且偏离原方向。反冲核越轻、反冲角越大、反冲核得到的能量越多。反冲核动能和入射中子能量成正比。
（二）非弹性散射（inelastic scattering）
入射中子与原子核作用形成复合核，复合核放出中子后如处在激发态，则会立即会放出γ射线而回到基态。入射中子的能量必须大于原子核的最低激发能，非弹性散射才可能发生。
（三）中子俘获（neutron capture）
慢中子或热中子与物质作用时，很容易被原子核俘获而产生核反应。核反应的产物可能是稳定核素，也可能是放射性核素，同时还释放出γ光子和其它粒子。某些稳定核素，在慢中子作用下，生成放射性核素，称为感生放射性核素（inducedradionuclide），它具有的放射性，称为感生放射性(induced radioactivity)。

（一）传能线密度（linear energy transfer，LET） LET是反映能量在微观空间分布的物理量，以L△表示。 L△=(dE/dl)△ 式中dl是带电粒子的物质中穿行的路程，以微米计；△是能量截止值、以eV为单位。只有能量转移小于△的碰撞才有意义；dE是在dl路程内能量转移小于△的历次碰撞造成的能量丧失的总和。 所以，传能线密度是带电粒子在物质中穿行单位路程时，由能量转移小于△的历次碰撞所造成的能量损失。LET反映的是很小一个空间中单位长度（μm）路程上能量转移的多少。 L△的SI单位是“焦耳每米”（J·m-1），也可使用keV·μm-1。重带电位粒子具有较高的L△值（表1-1）。高LET辐射（如α粒子、中子）比低LET辐射（如X、γ射线）的生物效应大。 表1－1　不同类型和不同能量的电离辐射的传能线密度

辐射类型	粒子动能（MeV）	传能线密度（keV/μm）	辐射类型	粒子动能（MeV）	传能线密度（keV/μm）
γ-线	1.17～1.33	0.3	中子	4	17
	8	0.2		14	12
X-线	250kVp	3.3～3.8	质子	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）相对生物效应（relative biological effectiveness，RBE） 由于各种辐射的品质不同，在相同吸收剂量下，不同辐射的生物效应是不同的，反映这种差异的量称为相对生物效应（RBE）。相对生物效应是引起相同类型相同水平生物效应时，参考辐射的吸收剂量比所研究辐射所需剂量增加的倍数。通常以X线或γ线作为参考辐射，参考辐射本身的RBE＝1。辐射的RBE越大，其生物效应越高（表1-2）。 表1－2　各种电离辐射的相对生物效应 ■［此处缺少一些内容］■

放射性活度（radioactivity）简称活度，它的SI单位是“S-1”，SI单位专名是贝可[勒尔]（Becquerel），符号为Bq。1Bq＝1次衰变/秒。
暂时与SI并用的专用单位名称是居里，符号为Ci。1Ci＝3.7×1010Bq或1Bq＝1s-1≈2.703×10-11Ci。
可用克镭当量来表示γ放射源的相对放射性活度。1克镭当量表示一个γ放射源的γ射线对空气的电离作用和1克的标准镭源（放在壁厚为0.5毫米的铂铱合金管内，且与其子体达到平衡的1克镭）相当。
单位质量或单位体积的放射性物质的放射性活度称为放射性比度，或比放射性（specificradioactivity）。

照射量（exposure dose）X是dQ除以dm所得的商，其中dQ的值是在质量为dm空气中，由光子释放的全部电子（负电子和正电子）在空气中完全被阻止时所产生的离子总电荷的绝对量，即：X＝dQ/dm。单位：库仑·千克-1（C/kg）。
暂时与SI并用的照射量的专用单位名称是伦琴（Roentgen），符号为R，目前尚无SI单位专名，与SI单位的关系为1R＝2.58×10-4C·kg-1。
伦琴的定义是：在1R X或γ射线照射下，在0.001293g（相当于0℃和760mm汞柱大气压力下1cm3干燥空气的质量）空气中所产生的次级电子在空气形成总电荷量为1静电单位的正离子或负离子。照射量只对空气而言，仅适用于X或γ射线。
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吸收剂量（absorbed dose）定义为dε除以dm所得的商，其中dε是致电离辐射给予质量为dm的受照物质的平均能量。即D＝dε/dm。
吸收剂量的SI单位是焦耳·千克-1（J·kg-1），SI单位专名是戈[瑞]（gray），符号Gy。
暂时与SI并用的专用单位名称是拉德，符号为rad。1Gy＝1J·kg-1＝100rad，或1rad＝10-2J·kg-1＝10-2Gy。
照射量X与吸收剂量D是两个意义完全不同的辐射量。照射量只能作为X或γ射线辐射场的量度，描述电离辐射在空气中的电离本领；而吸收剂量则可以用于任何类型的电离辐射，反映被照介质吸收辐射能量的程度。但是，在两个不同量之间，在一定条件下相互可以换算。对于同种类、同能量的射线和同一种被照物质来说，吸收剂量是与照射量成正比的。由于X或γ射线在空气中产生一对离子的平均能量约为32.5eV，所以1R的X或γ射线在空气中的吸收剂量约为0.838rad；而在软组织中的吸收剂量约为0.931rad。

相同的吸收剂量未必产生同样程度的生物效应，因为生物效应受到辐射类型、剂量与剂量率大小、照射条件、生物种类和个体生理差异等因素的影响。为了比较不同类型辐射引起的有害效应，在辐射防护中引进了一些系数，当吸收剂量乘上这些修正系数后，就可以用同一尺度来比较不同类型辐射照射所造成的生物效应的严重程度或产生机率。 把乘上了适当的修正系数后的吸收剂量称为当量剂量（equivalent dose），用符号H表示。当量剂量只限于防护中应用。组织中某点处的当量剂量H是D、Q和N的乘积；即H＝D·Q·N。式中：D是吸收剂量；Q是品质因子；N是其它修正系数的乘积。目前指定N值为1。 品质因子依不同类型辐射而异，品质因子（Q）与传能线密度（LET）关系非常密切（表1-3）。 表1-3 品质因子（Q）与传能线密度（LET）间的关系

水中的平均LET（keV/μ）	品质因子
≤3.5	1
7.0	2
23	5
53	10
≥175	20

当量剂量H的SI单位是焦耳·千克-1（J·kg-1），SI单位专名是希沃特（Sievert）符号为Sv。 暂时与SI并用的专用单位名称是雷姆，符号为rem。 1Sv＝1J/kg＝100rem。1rem＝10-2J/kg。 表1-4给出辐射量单位对照表，辐射量包括放射性物质的放射活度、辐射场强度以及被照物质的吸收剂量三方面内容。 表1-4 辐射量单位对照表

辐 射 量	SI单位	SI单位专名	专用单位
照射量	库伦·千克-1（C·kg-1)	未　定	伦琴（R） 1伦＝2.58×10-4库伦·千克-1（1R＝2.58×10-4C·kg-1）
吸收剂量	焦耳·千克-1（J·kg-1）	戈瑞（Gy） 1戈瑞＝1焦耳·千克-1＝100拉德（1Gy＝1J·kg-1＝102rad）	拉德（rad） 1拉德＝10-2焦耳·千克-1＝100尔格·克-1 （1rad＝10-2J·kg-1＝102erg·g-1）
当量剂量	焦耳·千克-1（J·kg-1）	希沃特（Sv） 1希沃特＝1焦耳·千克-1＝100雷姆（1Sv＝1J·kg-1＝102rem）	雷姆（rem） 1雷姆＝10-2焦耳·千克-1（1rem＝10-2J·kg-1）
放射性活度	秒-1 （s-1）	贝可勒尔（Bq） 1贝可勒尔＝1秒-1 （1Bq＝1s-1）	居里（Ci） 1居里＝3.7×1010·秒-1 （1Ci＝3.7×1010s-1）