一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用

　�。ㄒ唬╇婋x（ionization）

　　帶電粒子在從吸收物質(zhì)原子旁掠過(guò)時(shí)，由于它們與殼層電子之間發(fā)生靜電庫(kù)侖作用，殼層電子便獲得能量。如果殼層電子獲得的能量足夠大，它便能夠克服原子核的束縛而脫離出來(lái)成為自由電子。這時(shí)，物質(zhì)的原子便被分離成一個(gè)自由電子和一個(gè)正離子，它們合稱離子對(duì)。這樣一個(gè)過(guò)程就稱為電離。脫離出來(lái)的自由電子通常具有較高的功能，它又可以引起其它原子或分子電離，稱為次級(jí)電離。

　�。ǘ�）激發(fā)（excitation）

　　帶電粒子給予殼層電子的能量較小，還不足以使它脫離原子的束縛而成為自由電子，但是卻由能量較低的軌道躍遷到較高的軌道上去，這個(gè)現(xiàn)象稱為原子的激發(fā)。處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的。它要自發(fā)地跳回到原來(lái)的基態(tài)，其中多余的能量將以可見(jiàn)光或紫外光的形式釋放出來(lái)，這就是受激原子的發(fā)光現(xiàn)象。

　　（三）散射（scattering）

　　散射是帶電粒子與被通過(guò)的介質(zhì)的原子核發(fā)生相互作用的結(jié)果。在這種作用下，帶電粒子只改變運(yùn)動(dòng)方向，不改變能量。方向改變的大小與帶電粒子的質(zhì)量有關(guān)。

　　（四）軔致輻射（bremsstrahlung）

　　帶電粒子與被通過(guò)的介質(zhì)原子核相互作用，帶電粒子突然減速，一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)能譜的電磁輻射釋放出來(lái)。這種作用隨粒子的能量增加而增大，與粒子的質(zhì)量平方成反比，與被通過(guò)介質(zhì)的原子序數(shù)Z的平方成正比。

　�。ㄎ澹┪�收（absorption）

　　帶電粒子在介質(zhì)中通過(guò)，由于與介質(zhì)相互作用耗盡了能量而最終停止下來(lái)，這種現(xiàn)象稱為被介質(zhì)吸收。

　　二、光子與物質(zhì)的相互作用

　　光子是電磁輻射，可通過(guò)以下三種效應(yīng)與介質(zhì)發(fā)生作用。

　�。ㄒ唬┕怆娦�應(yīng)（photoelectric effect）

　　γ光子與介質(zhì)的原子相互作用時(shí)，整個(gè)光子被原子吸收，其所有能量交給原子中的一個(gè)電子。該電子獲得能量后就離開(kāi)原子而被發(fā)射出來(lái)，稱為光電子。光電子能繼續(xù)與介質(zhì)作用。

　　（二）康普頓效應(yīng)（Compton effect）

　　γ光子只將部分能量傳遞給原子中最外層電子，使該電子脫離核的束縛從原子中逸出。光子本身改變運(yùn)動(dòng)方向。被發(fā)射出的電子稱康普頓電子，能繼續(xù)與介質(zhì)發(fā)生相互作用。

　�。ㄈ�）電子對(duì)產(chǎn)生（electron pair production）

　　能量大于1.02M eV的γ光子在物質(zhì)中通過(guò)時(shí)，可與原子核碰撞，轉(zhuǎn)變成一個(gè)電子和一個(gè)正電子，從原子中發(fā)射出來(lái)。被發(fā)射出的電子和正電子還能繼續(xù)與介質(zhì)發(fā)生相互作用。

　　γ光子通過(guò)上述三種效應(yīng)，能量逐漸減弱、方向發(fā)生不同的改變，最終也可表現(xiàn)為被吸收。

　　三、中子與物質(zhì)的相互作用

　　中子本身不帶電，在通過(guò)物質(zhì)時(shí)主要是與原子核發(fā)生作用，產(chǎn)生次級(jí)電離粒子而使物質(zhì)電離。

　�。ㄒ唬�彈性散射（elastic scattering）

　　彈性散射是中子通過(guò)物質(zhì)時(shí)損失能量的重要方式。原子核從中子動(dòng)能中得到一部分能量而形成反沖核，中子則失去部分動(dòng)能且偏離原方向。反沖核越輕、反沖角越大、反沖核得到的能量越多。反沖核動(dòng)能和入射中子能量成正比。

　�。ǘ�）非彈性散射（inelastic scattering）

　　入射中子與原子核作用形成復(fù)合核，復(fù)合核放出中子后如處在激發(fā)態(tài)，則會(huì)立即會(huì)放出γ射線而回到基態(tài)。入射中子的能量必須大于原子核的最低激發(fā)能，非彈性散射才可能發(fā)生。

　�。ㄈ�）中子俘獲（neutron capture）

　　慢中子或熱中子與物質(zhì)作用時(shí)，很容易被原子核俘獲而產(chǎn)生核反應(yīng)。核反應(yīng)的產(chǎn)物可能是穩(wěn)定核素，也可能是放射性核素，同時(shí)還釋放出γ光子和其它粒子。某些穩(wěn)定核素，在慢中子作用下，生成放射性核素，稱為感生放射性核素（induced radionuclide），它具有的放射性，稱為感生放射性(induced radioactivity)。

　　四、傳能線密度和相對(duì)生物效應(yīng)

　　（一）傳能線密度（linear energy transfer，LET）

　　LET是反映能量在微觀空間分布的物理量，以L△表示。

　　 L△=(dE/dl)△

　　式中dl是帶電粒子的物質(zhì)中穿行的路程，以微米計(jì)；△是能量截止值、以eV為單位。只有能量轉(zhuǎn)移小于△的碰撞才有意義；dE是在dl路程內(nèi)能量轉(zhuǎn)移小于△的歷次碰撞造成的能量喪失的總和。

　　所以，傳能線密度是帶電粒子在物質(zhì)中穿行單位路程時(shí)，由能量轉(zhuǎn)移小于△的歷次碰撞所造成的能量損失。LET反映的是很小一個(gè)空間中單位長(zhǎng)度（μm）路程上能量轉(zhuǎn)移的多少。

　　L△的SI單位是“焦耳每米”（J·m-1），也可使用keV·μm-1。重帶電位粒子具有較高的L△值（表1-1）。高LET輻射（如α粒子、中子）比低LET輻射（如X、γ射線）的生物效應(yīng)大。表1－1　不同類型和不同能量的電離輻射的傳能線密度（略）

　�。ǘ�）相對(duì)生物效應(yīng)（relative biological effectiveness，RBE）

　　由于各種輻射的品質(zhì)不同，在相同吸收劑量下，不同輻射的生物效應(yīng)是不同的，反映這種差異的量稱為相對(duì)生物效應(yīng)（RBE）。相對(duì)生物效應(yīng)是引起相同類型相同水平生物效應(yīng)時(shí)，參考輻射的吸收劑量比所研究輻射所需劑量增加的倍數(shù)。通常以X線或γ線作為參考輻射，參考輻射本身的RBE＝1。輻射的RBE越大，其生物效應(yīng)越高（表1-2）。表1－2　各種電離輻射的相對(duì)生物效應(yīng)（略）