再访广岛

【德】麦考·帕默  著

郎伦友  译

第二章  第七节

2.7 物质对电离辐射的衰减

   当一个电离辐射粒子撞击到某个靶物质时，它就会电离靶物质内的原子和分子；由于每一次电离都需要一定的能量，因此电离粒子最终将耗尽它本身的能量，从而停止或消失。至于在停止或消失之前，这个粒子能穿透的深度显然取决于这个电离粒子的初始能量。另外还取决于它的性质，它的性质决定它可以在什么范围内与靶物质中的单个电子或原子核相互作用。

2.7.1 粒子类型的区别

   最长距离的相互作用是库仑力；相应的，α-粒子和β-粒子都是带电的粒子，最容易相互作用，并沿着一定长度的路径产生最大量的离子。这也意味着它们的能量消耗得非常快，因此它们对靶物质只能穿透很浅。在这两种粒子中，α-粒子比较重，速度比较慢，因此它们要在给定的单个电子周围花费更多的时间，有更多的机会发挥足够的拉力把电子从所属原子那里解放出来。因此，α-粒子显现出最高的电离密度，这就意味着它穿透的深度最小；实际上，它们甚至连人类完整的皮肤都无法穿透，无法达到有活力的再生细胞的基底层。因此，释放α-射线的同位素只有在被摄入或吸入人体内部时，才会造成伤害。

   比较轻快的β-粒子运动得也比较快，不能在靶物质内沿着给定的路径完全把许多原子和分子电离，结果是穿透得较深一些。然而，它们只能穿透人的皮肤几毫米的深度，因此尽管β放射性核素可能会从外面烧伤皮肤，但它们也只有在被吸食后才可能对内脏器官造成损伤。这个问题在前面的图表中已经用裂变产物碘131和锶90加以了说明，它们只有分别积存在甲状腺或骨基质内才会引起疾病。（脚注12）

   与α-粒子和β-粒子不同，γ-光子不带电荷，因此它们只是在与电子直接撞击时才相互作用。所以一般情况下，一个γ-光子在连续两次电离之间要走长很多的距离；它的能量消耗得比较慢，对靶物质的穿透要深很多，甚至能穿越靶物质。穿透的深度与靶物质单位体积中电子数量成反比例；因此，由比较轻的原子组成的物质，例如水或软组织，最容易被穿透，而含有比较重的原子的物质，例如钢铁或骨矿物质比较容易阻止γ-射线。（脚注13）

   中子也是不带电的；与γ-射线不同，它们主要是与靶物质的原子核相互作用，而且它们与比较轻的原子核撞击比同比较重的原子核撞击失去能量更快。然而它们像γ-射线一样，能够相当深地穿透建筑物和人体组织。因此，中子和γ-射线都在核爆炸产生的辐射总剂量中起作用。

2.7.2 能量的直线传输

   我们刚才了解了电离粒子在靶物质中穿透的路径的不同，是根据一个粒子能量消耗的快慢进行分析的。这在数量上可以表达为撞击粒子通过一个给定的距离所转移到靶物质的能量。这个数值，即这个粒子的直线传输的能量，与穿透的深度成反比例。

2.7.3 衰减的量化讨论

   首先我们讨论一束平行的射线垂直撞击一块物质的表面。作为首要的方法，我们可以认为这块物质是由许多同样厚度的层面堆积而成的，并假设每一层都以相同的比率或百分比使撞击的射线衰减。这样就形成了一个指数关系：就像我们可以对辐射强度用时间效应来确定生存期一样，我们可以对物质的屏蔽效应确定一个松弛长度：

在这个等式中，表示在物质表面时未衰减的辐射强度，d表示穿透的深度，表示在该深度所检测到的辐射强度，松弛长度λ是给定的物质的层面厚度，这个厚度将把R减少1/e 。类似于对半衰期的时间效应的描述，我们可以设定一个半厚度，同时将强度也降低1/2。接下来，人们可以从表格中找到这个层面的厚度值，结果是辐射衰减了近90%。后面这个数值大约是半厚度时的3倍。（脚注14）

   根据前面的章节，松弛长度和半厚度的实际数值，显然由于辐射的类型和屏蔽物的不同而有相当大的不同。这个原理不仅适用于固体和液体，也适用于气体，包括大气层；在大气层中，屏蔽的半宽度或松弛长度远比在水中、土壤中或混凝土中大得多。因此这个近似指数在实践中是十分普遍应用的，但有一些影响限制了它的准确性：

   *粒子的能量一般是不均衡的，粒子的能量越大穿透得越深。（脚注15）

   *即使所有的粒子都是从一个方向撞击相关物质的表面，它们有可能分散开来，而不是全都停下来；它们因此会发生能量变化和方向改变。

   *有些初始粒子在停下来时，会发生二次辐射：被停止的β-粒子或快电子会产生X-射线，被停止的中子会产生γ-射线。这些次生射线通常比产生它们的初始粒子更具穿透能力。

   正如奥克西耶【36】所指出的，为了准确测定在爆炸时人们安放在一座房子里的样品的剂量，这些效应是必须加以考虑的。不过近似指数至少对于确定方向是有用的。

2.7.4 同时发生的衰减和径向发散

   方程式2.8表达的是一束辐射粒子的衰减。然而在炸弹爆炸的时候，辐射是从中心呈放射状向各个方向发出的。我们假设一个核弹被投到外层空间，那里没有能衰减辐射的物质，然而由于径向发散，辐射强度仍然会随着距离d的增加而降低：

如果我们假设d是在物质中给定的，由于，就是距辐射中心1米的地方的辐射强度。这个假设是把爆炸的炸弹作为一个点源看待的，当然是不准确的。因为在实践中，我们关心的只是距离炸弹非常远的辐射，这个点源的假设就足以解决问题。

   当炸弹在大气层中爆炸时，必须考虑到衰减和散射。我们可以用下面的公式去计算它们的综合效应：

与前一个公式的意义相同。方程式2.10适用于由炸弹释放出来的中子和γ-射线，但每种射线显然都有各自独特的λ值。另外这个方程式还可以用来估算每个单位面积的电离粒子的数量，即辐射通量：某种物质所受到的这些粒子撞击的剂量（见2.9节）。我们可以把方程式2.9变形如下：

这样就成了d的简单的指数函数，在一个半对数图标中形成一条直线。根据这条直线的斜度，我们就能求得λ。这种方法将在6.1.1一节中用得到。

【脚注】

12， 然而通过加速电子使它们得到非常高的能量，它们就可能实现更深的穿透。因此人工高能电子辐射被用来进行癌症的辐射治疗。

13，记住，γ-射线与X-射线具有相同的性质。因为骨质中的较重元素（钙和磷）阻挡了X-射线，所以在X光照片上，骨骼显示为白色。对比起来，X-射线能够穿透周围的软组织而使胶片呈黑色。

14，推算：=0.125，即12.5%；因此三层半个厚的层面叠加将把辐射衰减100%-12.5%=87.5% 。

15，这种方法已经被用于强化X-射线：让X-射线管产生的光束首先通过一些金属滤光片，就会使光谱的低能部分先被衰减；这样就减少了对皮肤的辐射剂量，否则皮肤就会吸收一小部分不均衡的“软”射线，从而受到损伤。