辐射可以分为带电粒子辐射和非带电粒子辐射。其中带电粒子通过物质时，在同物质原子中的电子和原子核发生碰撞，进行能量的传递和交换，其中一种主要的作用是带电粒子直接使原子电离或激发。而非带电粒子则通过次级效应产生次级带电粒子而使原子电离或激发。能够直接或间接引起介质原子电离或激发的核辐射通常叫做电离辐射。因此，电离辐射同物质的作用过程和所产生的效应不仅是核科学本身深入发展和核技术广泛应用的基础，也是人们采取有效措施防护核辐射，避免危害人体的基础依据。

一、带电粒子与物质的相互作用

（一）带电粒子能量损失方式之一——电离损失

（1）电离与激发 任何快速运动的带电粒子通过物质时，由于入射粒子和靶原子核外电子之间的库仑力作用，使电子受到吸引或排斥，使入射粒子损失部分能量，而电子获得一部分能量。如果传递给电子的能量足以使电子克服原子的束缚，那么这个电子就脱离原子成为自由电子；而靶原子由于失去一个电子而变成带一个单位正电荷的离子——正离子，这一过程称为电离。电离过程可以表示如下：

A—→ A＋＋e－

式中A为原子；为正离子为电子。

如果入射带电粒子传递给电子的能量较小，不足以使电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，只是使电子从低能级状态跃迁到高能级状态（原子处于激发状态），这种过程叫原子的激发。处于激发态的原子是不稳定的；原子从激发态跃迁回到基态，这种过程叫做原子退激，释放出来的能量以光子形式发射出来，这就是受激原子的发光现象。

（2）电离能量损失率 带电粒子与物质原子中核外电子的非弹性碰撞，导致原子的电离或激发，是带电粒子通过物质时动能损失的主要方式。我们把这种相互作用引起的能量损失称为电离损失。

入射带电粒子在物质中穿过单位长度路程时由于电离、激发过程损失的能量叫做电离能量损失率。从物理角度来说，电离能量损失率也叫做物质对带电粒子的阻止本领。

电离能量损失率随入射粒子速度增加而减小，呈平方反比关系；电离能量损失率与入射粒子电荷数平方成正比，入射粒子电荷数越多，能量损失率就越大；电离能量损失率与介质的原子序数和原子密度的乘积成正比，高原子序数和高密度物质具有较大的阻止本领。

（3）平均电离能 每产生一个离子对所需要的平均能量叫做平均电离能，以W表示。不同物质中的平均电离能是不同的，但不同能量的α粒子在同一种物质中的平均电离能近似为一常数，如在空气中的W值等于35 eV。由此，我们可以估算α粒子穿过空气层时所产生的离子对数目。例如，210 Po的α粒子能量为5.3 MeV，在空气中能量全部耗尽所产生的离子对数目为1.56×105个。

（二）带电粒子能量损失方式之二——辐射损失

由经典电磁理论可知，高速运动的带电粒子受到突然加速或减速会发射出具有连续能量的电磁辐射，通常称作轫致辐射，其能量最小值为0，最大值为电子的最大动能。X线管和X线机产生的X线就是轫致辐射。核辐射β粒子在通过介质时，由于受到原子核库仑场的作用，其运动速度大小和方向都发生了变化，表明有加速度存在，因此伴有韧致辐射产生，最大能量为β粒子的最大动能，这一过程如图1-5所示。

图1-5 轫致辐射产生示意图

电子的轫致辐射能量损失率比质子、α粒子等大得多。例如，在能量相同的条件下，质子的轫致辐射比电子小（1 840）2＝3.4×106倍。所以对重带电粒子的轫致辐射能量损失一般忽略不计。由于轫致辐射损失与Z2成正比，因此，在原子序数大的物质（如铅，Z＝82）中，其轫致辐射能量损失大于原子序数小（如铝，Z＝13）的物质。

（三）射程

一定能量的带电粒子在它入射方向所能穿透的最大距离叫做带电粒子在该物质中的射程；入射粒子在物质中行经的实际轨迹的长度称作路程。

对重带电粒子（如α粒子），由于其质量大，与物质原子的核外电子作用时，运动方向几乎不变，因此，其射程与路程相近。5.3MeV的α粒子在标准状态空气中的平均射程-R＝3.84cm，同样能量的α粒子在生物肌肉组织中的射程仅为30μm～40μm，人体皮肤的角质层就能把它挡住，因而绝大多数α辐射源不存在外照射危害问题。但是当它进入体内时，由于它的射程短、电离本领高，会造成集中在辐射源附近组织的损伤，所以要特别注意防止α粒子进入体内。

对β粒子，其射程要比α粒子大得多。当β粒子通过物质时，由于电离碰撞、轫致辐射和散射等因素的影响，其径迹十分曲折，经历的路径远远大于通过物质层的厚度。加上β粒子具有从零到某一最高值的连续能量，β粒子在该物质中的最大射程与β粒子的最大能量相对应。

（四）正电子湮灭辐射

原子核衰变会有正电子产生。快速运动的正电子通过物质时，与负电子一样，同核外电子和原子核相互作用，产生电离损失、轫致辐射损失和弹性散射。能量相同的正电子和负电子在物质中的能量损失和射程大体相同。但自由电子是不稳定的。正电子与介质中的电子发生的湮灭过程如下：

e＋＋e→—－γ（0.511MeV）＋γ（0.511MeV）

因此，快速运动的正电子通过物质除了发生与电子相同的效应外，还会产生0.511MeV的γ湮灭辐射，在防护上还要注意对γ射线的防护。

二、γ射线与物质的相互作用

能量在几十keV至几十MeV的γ射线通过物质时主要有光电效应、康普顿效应（图1-6）和电子对效应（图1-7）三种作用过程。这三种效应的发生都具有一定的概率。通常以截面σ表示作用概率的大小。若以表示光电效应截面表示康普顿效应截面表示电子对效应截面，则γ射线与物质作用的总截面

图1-6 康普顿效应示意图

图1-7 电子对效应示意图

γ射线进入物质主要通过光电效应、康普顿效应和电子对效应损失能量。这些效应的发生使原来的γ光子或者不复存在，或者改变了能量成为新的光子，偏离了原来的入射方向。因此，我们可以说，入射的γ光子一旦同介质发生作用就从入射束中移去，只有没有同介质发生任何作用的γ光子才沿着原来的方向继续前进。入射的γ光子束中由于同介质作用而被移去的γ光子称作介质对γ光子的吸收。

假设单能平行窄束γ射线注量率为，垂直进入介质穿过厚度x后的注量率为I，当其继续穿过厚度为d x的物质层时，注量率将减少d I，这一过程如图1-8所示。

图1-8 γ射线通过物质被吸收示意图

三、中子与物质的相互作用

中子不带电，不能直接引起物质原子的电离或激发。由于中子不受原子核库仑场的作用，即使很低能量的中子也可深入到原子核内部，同原子核作用发生弹性散射、非弹性散射或引起其他核反应。这些过程的发生导致中子在物质中被慢化和吸收，并产生一些次级粒子，如反冲质子、γ射线、α粒子以及其他粒子等。这些粒子都具有一定的能量，它们继续同物质发生各自相应的作用，最终使物质原子发生电离和激发。因此，中子同物质相互作用也可称为一种电离辐射。

中子与原子核的作用分为两类：中子的散射——中子与原子核发生弹性散射与非弹性散射并产生反冲核；中子的俘获——中子被原子核俘获而形成复合核，再蜕变而产生其他次级粒子。

（一）中子的散射

中子与靶核发生弹性散射，其中靶核没有发生状态变化，散射前后中子与靶核的总动能守恒。对靶核为氢核且为对心碰撞时，氢核的动能等于中子动能，即中子把自己的动能全部转移给了氢核。

在非弹性散射中，中子部分能量被反冲核吸收，反冲核可能处于激发态，这时不仅有中子出射，而且会有γ射线发射。例如，中子与碳原子核的非弹性散射会产生4.43 MeV的γ射线。在中子引起的其他核反冲中还会有质子和α粒子等发射出来，这些次级粒子在物质中通过电离效应损失其能量。

（二）中子的俘获

中子进入原子核形成“复合核”后，可能发射一个或多个光子，也可能发射一个或多个粒子而回到基态。前者就称为“辐射俘获”，而后者则相应于各种中子核反应。例如：

1H＋n—→ 2 H＋γ 6Li＋n—→ 3 H＋α

有几种重原子核（如），俘获一个中子后会分裂为2个或3个较轻的原子核，同时发出2～3个中子以及很大的能量（约200 MeV），这就是裂变反应。