良邑

再访广岛

【德】麦考·帕默  著

郎伦友  译

 

第二章  第四节

 

 

2.4  电离辐射与物质的相互作用

 

  正如上文所简要概述的，所有由放射性衰变释放出来的各类粒子都会引起电离：当这些粒子在途中与原子和分子碰撞时，它们就会把一些原有的充沛能量输送给那些被撞击的电子，那些电子因此会从原子壳层里弹射出来，使原子和分子变成离子。这些离子在电离室里轻而易举地就能观察到（见下文）。所有这些完全不同的粒子统称为“电离辐射”。然而这些粒子产生一些超越电离的其他影响，而且这些粒子有的还影响生物的有机体。

 

2.4.1 自由基的形成

 

  电子的弹射不只是能由单个原子产生，也能由分子产生，分子因此会被拆散。一个简单的例子就是水分子，可以写作：

这里发生了什么？属于一个O-H化学键的电子（e−）被弹射出来。氢原子被电离（H−），第二个化学键的电子被分子的剩余部分(或)保留着，这里的黑点表示未结对的电子。带一个未结对电子的原子或分子被称为自由基。

  由于自由基有未结对电子，所以它们一般具有高度的活性。羟基（）比其他所有的自由基具有更高的活性。由于水在生物机体中大量存在，而羟基（）又是辐射的主要产物，所以是有害作用的最重要的介质。（见后面的章节）（脚注8）

 

2.4.2 γ-射线与物质的相互作用

 

  正如上文所述，绝大多数情况是γ-射线引起电离并产生辐射。在被撞击的原子中，几乎全部是采取“康普顿散射”的形式与电子相互作用——γ-光子同一个原子或分子撞击，使之弹射出一个电子。在这个过程中，γ-光子同时把一些运动能量传递给那个电子，并且使得γ-光子本身改变了方向。这种情况会反复多次，直到γ-光子的能量消耗殆尽。

  γ-射线由于同电子连续碰撞而耗尽了能量，因此有了足够厚的物质层。这个物质层含有大量的电子，可以起到屏蔽辐射的作用。由于重元素原子有同等数量的电子和质子，所以是非常好的屏蔽物；铅就是常常用于这种目的。（脚注9）

 

2.4.3 α-粒子和β-粒子与物质的相互作用

 

  由于速度较慢并且带有电荷，α-粒子和β-粒子与电子的相互作用比起γ-射线来更加显著。因此，这两种类型的粒子进入目标后都会连续快速地在高密度的地方产生二次离子，并且同样很快就耗尽它们的能量。因此它们并没有进入物质太深。（见2.7.1节）

 

2.4.4 中子与物质的相互作用

 

  与已经讨论过的其他粒子不同，中子并不与电子直接相互作用，只同原子核相互作用。一个中子与一个原子核撞击可能会出现三种不同的结果：

        1，中子可能反弹回来，这样活动能量的总量保持不变，但有一些能量转移给了原子核。这被称为“弹性中子散射”。

        2，中子可能被原子核“吞噬”。这被称为“中子俘获”。

        3，中子可能被短暂俘获，但立刻又弹射出来。这被称为“非弹性散射”。

  在弹性和非弹性两种散射中，中子不但失去了部分能量，而且还改变了方向。

  当能量充沛的中子被氢原子核弹性散射时，后者就会从它们所属的分子中挣脱出来，并且飞起来。这些被称作“反冲质子”就会引起真正的电离，并产生辐射。这种效应对大多数生物效应都有影响，对它们进行检测也很重要。

   实际上任何一种核素都能俘获一个中子，但可能性由于靶核的位置以及中子的活动能量的不同而不同。对于大多数核素来讲，被称为“热中子”的低能量中子最容易被俘获，因为它们的活性能量与周围的原子是平衡的，原子的活性能量表现为这个系统的温度。图2.3表明俘获概率是如何随钴59和铀235这两种不同核素的中子能量而变化的。

 

Cross section (barns)：横截面 （靶恩）；      Neutron kinetic energy (eV)：中子动能（电子伏特）；

 

 图2.3  钴59和铀235中子俘获的横截面为中子活性能量的函数。横截面的单位是一个区域的尺寸，但实际测量的是被俘获的概率。黑色虚线表示的是一个热中子（0.025eV）的标准能量。数据引自【43】。

  这两种中子俘获反应可以写成如下方程式：

  中子俘获的产物往往是不稳定的，以上两例都是这种情况。钴60经过β-衰变和γ-衰变，半衰期为5.27年。由钴60发射的γ-粒子具有相当高的能量；这些γ-射线可以用于癌症的放射治疗，或用于医疗器械的消毒等。而铀236，大多数原子核立即发生裂变（见下文）；一小部分原子核并不发生裂变，而是“文火慢炖”，需要经历一个漫长的半衰期（2 340万年）的放射性衰变。

  在中子俘获和无弹性散射过程中，原子核被推升到更高能量状态；它们以γ-射线的形式释放出过剩的能量。这些次生γ-射线有助于中子辐射的生物学效应。

 

【脚注】

 

8，氧分子（）也是自由基，它能够像自由基一样反应。例如，如果你补过自行车轮胎，你就会看到氧分子引发的自由基聚合，这种聚会使胶水迅速硬化。

 

9，与足够高能量的γ-光子发生的另一个有趣的效应是电子对的形成效应——γ-光子被转化成一个正负电子对（e− + e+）。正电子将迅速地撞击另一个电子，从而导致这两个粒子的毁灭，产生两个光子。因此实际上可以把电子对的产生看作是γ-射线能量消耗过程中的一个过渡阶段。