再訪廣島

【德】麥考·帕默  著

郎倫友  譯

第二章  第四節

2.4  電離輻射與物質的相互作用

        正如上文所簡要概述的，所有由放射性衰變釋放出來的各類粒子都會引起電離：當這些粒子在途中與原子和分子碰撞時，它們就會把一些原有的充沛能量輸送給那些被撞擊的電子，那些電子因此會從原子殼層里彈射出來，使原子和分子變成離子。這些離子在電離室里輕而易舉地就能觀察到（見下文）。所有這些完全不同的粒子統稱為“電離輻射”。然而這些粒子產生一些超越電離的其他影響，而且這些粒子有的還影響生物的有機體。

2.4.1 自由基的形成

        電子的彈射不只是能由單個原子產生，也能由分子產生，分子因此會被拆散。一個簡單的例子就是水分子，可以寫作：

這裡發生了什麼？屬於一個O-H化學鍵的電子（e−）被彈射出來。氫原子被電離（H−），第二個化學鍵的電子被分子的剩餘部分(或)保留着，這裡的黑點表示未結對的電子。帶一個未結對電子的原子或分子被稱為自由基。

        由於自由基有未結對電子，所以它們一般具有高度的活性。羥基（）比其他所有的自由基具有更高的活性。由於水在生物機體中大量存在，而羥基（）又是輻射的主要產物，所以是有害作用的最重要的介質。（見後面的章節）（腳註8）

2.4.2 γ-射線與物質的相互作用

        正如上文所述，絕大多數情況是γ-射線引起電離並產生輻射。在被撞擊的原子中，幾乎全部是採取“康普頓散射”的形式與電子相互作用——γ-光子同一個原子或分子撞擊，使之彈射出一個電子。在這個過程中，γ-光子同時把一些運動能量傳遞給那個電子，並且使得γ-光子本身改變了方向。這種情況會反覆多次，直到γ-光子的能量消耗殆盡。

        γ-射線由於同電子連續碰撞而耗盡了能量，因此有了足夠厚的物質層。這個物質層含有大量的電子，可以起到屏蔽輻射的作用。由於重元素原子有同等數量的電子和質子，所以是非常好的屏蔽物；鉛就是常常用於這種目的。（腳註9）

2.4.3 α-粒子和β-粒子與物質的相互作用

        由於速度較慢並且帶有電荷，α-粒子和β-粒子與電子的相互作用比起γ-射線來更加顯著。因此，這兩種類型的粒子進入目標後都會連續快速地在高密度的地方產生二次離子，並且同樣很快就耗盡它們的能量。因此它們並沒有進入物質太深。（見2.7.1節）

2.4.4 中子與物質的相互作用

        與已經討論過的其他粒子不同，中子並不與電子直接相互作用，只同原子核相互作用。一個中子與一個原子核撞擊可能會出現三種不同的結果：

        1，中子可能反彈回來，這樣活動能量的總量保持不變，但有一些能量轉移給了原子核。這被稱為“彈性中子散射”。

        2，中子可能被原子核“吞噬”。這被稱為“中子俘獲”。

        3，中子可能被短暫俘獲，但立刻又彈射出來。這被稱為“非彈性散射”。

        在彈性和非彈性兩種散射中，中子不但失去了部分能量，而且還改變了方向。

        當能量充沛的中子被氫原子核彈性散射時，後者就會從它們所屬的分子中掙脫出來，並且飛起來。這些被稱作“反衝質子”就會引起真正的電離，並產生輻射。這種效應對大多數生物效應都有影響，對它們進行檢測也很重要。

         實際上任何一種核素都能俘獲一個中子，但可能性由於靶核的位置以及中子的活動能量的不同而不同。對於大多數核素來講，被稱為“熱中子”的低能量中子最容易被俘獲，因為它們的活性能量與周圍的原子是平衡的，原子的活性能量表現為這個系統的溫度。圖2.3表明俘獲概率是如何隨鈷59和鈾235這兩種不同核素的中子能量而變化的。

Cross section (barns)：橫截面 （靶恩）；      Neutron kinetic energy (eV)：中子動能（電子伏特）；

 圖2.3  鈷59和鈾235中子俘獲的橫截面為中子活性能量的函數。橫截面的單位是一個區域的尺寸，但實際測量的是被俘獲的概率。黑色虛線表示的是一個熱中子（0.025eV）的標準能量。數據引自【43】。

        這兩種中子俘獲反應可以寫成如下方程式：

        中子俘獲的產物往往是不穩定的，以上兩例都是這種情況。鈷60經過β-衰變和γ-衰變，半衰期為5.27年。由鈷60發射的γ-粒子具有相當高的能量；這些γ-射線可以用於癌症的放射治療，或用於醫療器械的消毒等。而鈾236，大多數原子核立即發生裂變（見下文）；一小部分原子核並不發生裂變，而是“文火慢燉”，需要經歷一個漫長的半衰期（2 340萬年）的放射性衰變。

        在中子俘獲和無彈性散射過程中，原子核被推升到更高能量狀態；它們以γ-射線的形式釋放出過剩的能量。這些次生γ-射線有助於中子輻射的生物學效應。

【腳註】

8，氧分子（）也是自由基，它能夠像自由基一樣反應。例如，如果你補過自行車輪胎，你就會看到氧分子引發的自由基聚合，這種聚會使膠水迅速硬化。

9，與足夠高能量的γ-光子發生的另一個有趣的效應是電子對的形成效應——γ-光子被轉化成一個正負電子對（e− + e+）。正電子將迅速地撞擊另一個電子，從而導致這兩個粒子的毀滅，產生兩個光子。因此實際上可以把電子對的產生看作是γ-射線能量消耗過程中的一個過渡階段。