辐射防护教材(中文)

2021年2月18日发(作者：前列腺炎的预防)
1

辐射防护的基本知识

1.1
常用的辐射源及其特点

辐射的定义是指以波或粒子的形式向周围空间或物质发射并在 其中传播的能量
（如
声辐射、热辐射、电磁辐射及粒子辐射等）的统称。例如，物体受热向周围 介质发射热
量叫做热辐射；受激原子退激时发射的紫外线或
X
射线叫做原子辐射；不稳 定的原子
核发生衰变时发射出的微观粒子叫做原子核辐射，简称核辐射。通常论及的“辐射”概
念是狭义的，仅指高能电磁辐射和粒子辐射，这种狭义的“辐射”又称“射线”
。

辐射源是指能够发射电离辐射的设备或物质。

辐射源大致可以分为四类：放射性核素、
X
线机、加速器和反应堆。

1.
放射性核素辐射源

放射性核素具有自发地发生核跃迁的特性，依据跃 迁的方式不同，可能放射出
?
粒
子、
?
+
粒子、
?
-
粒子、光子、中子和裂变碎片等。利用放射性核素可以制备
?
源、
?
源或
?
源；
利用放射性核素放射出的
?
粒子、
?
光子，
轰击某些轻元素如
Be
等，
可以制备成
（
?
、
n
）
、
（
?
、
n
）反应的放射 性中子源；也可以利用重核自裂变时放射出的中子，例如，可
以用自发裂变核素如锎－
252< br>制备成自发裂变中子源。

2. X
线机辐射源

利用
X
线机产生连续能谱的轫致辐射，是一种被广泛应用的
X
线辐射源。

3.
加速器辐射源

利用加速器加速电子去轰击某些重元素，可产生轫致辐 射，即形成
X
辐射源。这
是另一种
X
线辐射源。利用加速器加速的带 电粒子轰击某些轻元素，可引起发射中子
的核反应，即形成中子源。也可以利用加速器产生轫致辐射，形 成通过（
?
、
n
）反应或
光致裂变的中子源。

4.
反应堆辐射源

中子能引起一些重核裂变，
裂变又放出更多的 中子。
所以在一定条件下，
有可能形
成链式反应。
以中子为媒介的可持可控链 式反应的装置称为反应堆。
反应堆能释放出多
种电离辐射，其中最主要的辐射有：瞬发裂变中子 、
?
光子和裂变产物的
?
辐射。

在核物理类书籍中均比较 详尽地阐述了各类辐射粒子的特征与性质。
归纳起来，
辐
射可分为以下四大类：

?
快电子
带电粒子辐射
?
?
重带电粒子


1
?
电磁辐射

非带电（粒子）辐射
?
?
中子
快电子包括核衰变过程中发射的
?
粒子
（正或负）
，
以及其他过程产生的具有相当能
量的电子。
重带电粒子包括其质量为一个或多个原子 质量单位并具有相当能量的各种离
子，如
?
粒子、质子、裂变产物和核反应产物等。所 涉及的电磁辐射包括原子的壳层电
子重新排列时发射的
X
射线、高速带电粒子（电子） 轰击靶物质而产生的轫致辐射，
以及原子核能级跃迁时发射的
?
射线。它们都是静止质 量为零的光量子，但轫致辐射具
有连续的能量分布，而特征
X
射线与
?
射线则具有分立的、与原子及原子核能级差对应
的能量。各种核转变过程（如核反应、核裂变等）中产 生的中子不带电，但具有与质子
相似的静止质量。中子通常按能量分为快中子、慢中子及热中子等。
一般说来，我们只关注能量在
10eV
量级以上的辐射粒子。这个能量下限是辐 射或
辐射与物质相互作用的次级产物能使空气等典型材料发生电离所需的最低能量。
能量大于这个最低能值的辐射称作
“电离辐射”
。
本书以后提到的
“辐射”或
“射线”
，
均指
“电
离辐射”
。慢中子本身的能量可 能低于上述能量下限，但由于其特殊重要性以及它们引
发的核反应（包括核裂变）产物具有相当大的能量 ，因而也归入这一范畴。

各种电离辐射穿过物质时，
都将与物质发生相互作用。这种辐射与物质的相互作用
（又称作射线与物质的相互作用）
，
与各种辐射研究、
辐射应用以及辐射探测密切相关。
因此，研究射线与物质相互作用对于原子和原子核物理、防护 、核能与核技术应用，以
及辐射探测等都有很重要的意义。

1.2
带电粒子与物质的相互作用

1.2.1

?
粒子与物质的相互作用

1.
电离和激发

任何 快速运动的带电粒子通过物质时，
由于入射粒子与靶原子核外层电子之间的库
仑力作用，
使电子受到吸引或排斥，
这将使入射粒子损失部分能量，
而电子获得部分能
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，
是正离子，
这
一过程称为电离。原子中最外层电子受原子核束缚最弱，故这些电子最容易被击出。
?
粒子对物 质原子的电离过程可以表示如下：

?
?
?
?
?
e
?

反应式中的符号分别是原子、正离子和电子。

电离过程产生的自由电子中，
有的具有相当高的动能，
可继续与物质中其他靶原子

2
发生相互作用，并 进一步产生电离。这些高速的电子有时被称作
?
射线（
?
电子）
。如 果
原子的内壳层电子被击出，
则在该壳层留下空位，
外壳层中的电子就向内壳层跃迁，
在
此过程中会放出特征
X
射线或俄歇电子。

如果入射带电 粒子传递给电子的能量较低，
不足以使电子摆脱原子核的束缚而成为
自由电子，只是使电子从低 能级状态跃迁到高能级状态（原子处于激发态）
，这种过程
叫做原子的激发。
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
程叫做原子的退激。
退激过程中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核中外层电子的非弹性碰撞而导致 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，或称为电子碰撞能量损失。

由于
?
粒子比较“重”
，为电子质量的
7300
多倍，故其每同电子碰撞一次所损失的
动能较小。根据经典碰撞模型估算，一个
5MeV
的
?
粒子同电子对心碰撞 一次，传递给
电子的最大动能约为
2.7keV
，这个值同
5MeV
相比显然很小。实际上一次碰撞中电离
损失的能量数值是随机的，有大有小。因此，一个
5Me V
的
?
粒子要经过几万至几十万
次的碰撞才会将其动能全部损失完。最后，几 乎静止的
?
粒子从物质中拾取
2
个电子变
成电中性的氦原子停留在该 物质中。

入射的带电粒子在物质中穿过单位长度路程时由于电离、
激发过程所损失的 能量叫
做电离能量损失率。
从物质角度来说，
电离能量损失率也可叫做物质对带电粒子 的阻止
?
dE
?
本领。由于这种阻止主要是电子引起的，所以又叫做电子阻止 本领。若以
?
?
?
表示
dX
?
?
e
电离能量损失率
（负号表示入射粒子能量随入射深度
X
增大而减小）
，以
S
e
表示电子阻
止本领，则

S
e
?
?
?
dE
/
dX
?
e






































(1.2.1)
理论和实验表明：在非相对论条件下电离能量损失率有如下的变化关系

Z
1
2
?
dE
?
?
?
?
?
2
NZ
2






































(1.2.2)

dX
?
?
e
v
式中Z
1
和
v
分别是入射带电粒子的核电荷数和速度，
N
和
Z
2
分别是介质原子密度和原
子序数。由（
1.2.2
）式 可知：

1)

电离能量损失率随人射粒子速度增加而减小，
呈平方 反比关系。
所以，
入射粒子

3
速度慢则电离能量损失率大，阻止本领也大。

2)

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。例如，< br>?
粒子的
Z
＝
2
，质子的
Z
＝
l< br>，如果它们以同样的速度入射到
物质中，那么对
?
粒子的阻止本领要比对质子的 阻止本领大
4
倍。

3)

电离能量损失率与介质的原子序 数和原子密度成正比，
高原子序数和高密度物质
具有较大的阻止本领。
一般说来，重带电粒子通过介质时其能量损失较快，
阻止
本领大，电离效应显著。

3.
平均电离能

?
粒子通过物质时会因电离碰撞而损失其能量，同 时在通过的路程上又会产生许多
正负离子对
（包括入射粒子的直接电离和
?
射 线的电离）
。
每产生一个离子对所需的平均
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
?
粒子在 同一物质中的平均电离能近似为一常数。例如，在空气中的
W
值等于
35eV
。由
此，我们可以估算
?
粒子穿过空气层时所产生的离子对数目。例如
210
Po
的
?
粒子能量为
5
.
3
?
1 0
6
eV
?
1
.
56
?
10
5< br>（个）
5.3MeV
，
在空气中能量全部耗尽所产生的离子对数目
N< br>?
。
35
eV
大约有
15
万余原子被电离，这是一个 相当大的数目。

4.
射程

一定能量的
?
粒子从 它进入物质到其动能损失殆尽不再发生电离作用时所经过的
路程叫做
?
粒子在该物质中 的射程。
因为
?
粒子质量很大（～
7400m
e
，
m
e
电子质量）
，它
同电子的碰撞时不会明显改变其入射方向，故其通过物质 时的径迹基本上是一条直线。

实际上，
入射带电粒子在介质中的能量损失过程具有统 计特征。
例如，
每次同电子
碰撞转移能量的大小以及入射粒子损失完自己的动能所经历 的碰撞次数等等都是不确
定的，这也导致了
?
粒子的射程也具有统计涨落的特征。因此 ，我们所说的射程一般指
平均射程。
5.3MeV
的
?
粒子在标准状 态空气中的平均射程
R
?
3
.
84
cm
，这就是说
4cm
厚的空气层就把
5.3MeV
的
?
粒子挡住了。?
粒子电离阻止本领大，
所以其射程也比较短，
在空气中平均射程几厘米的
?
粒子在生物肌肉组织中的射程仅为
30
－
40?
m
。 天然放射
性物质发射的
?
粒子能量一般在
4
－
10MeV< br>，人体皮肤的角质层就可把它挡住。因而绝
大多数
?
辐射源不存在外照射危害问 题。但是当它进入体内时，由于它的射程短和高的
电离本领，会造成集中在辐射源附近的损伤，所以要特 别注意防止
?
粒子进入体内。

_
1.2.2

?
射线（电子）与物质的相互作用

?
射线（电子）带有一个单位的 电荷（
?
1
）
，因此，同其他带电粒子一样，它通过物
质时能够使物 质原子或分子发生电离和激发；
但由于电子质量很小，
通常能量下其速度

4
很快。它通过物质时会产生一些新现象，如轫致辐射和多次散射。

1.
电离和激发

电子通过物质时使物质的原子发生电离和激发的过程与?
粒子的基本相同。但由于
电子质量比
?
粒子小得多，在一定能量下电子 速度很快，根据阻止本领与入射带电粒子
速度平方的反比关系
?
V
1
2
可知，物质对电子的阻止本领比
?
粒子小得多。

带电入射的粒子 通过物质时在单位路程上所产生的离子对数目叫做比电离。
比电离
数值的大小与阻止本领有关。 阻止本领大，入射粒子单位路程上传递给物质的动能多，
产生的离子对数目也越多。例如，
1M eV
的
?
粒子在标准状态空气中的比电离约为

6
×
10
4
个离子对
/cm
，
1MeV
的电子大约为
45
个离子对
/cm
。因此，电子对物质的电离效应
比
?
粒 子弱得多，
所产生的比电离数目也较少。
如前所述，
1MeV
的
?< br>粒子和电子在空气
中产生的比电离数目之比约

1300:1
。

2.
轫致辐射

?
?

图
1.2.1
轫致辐射示意图

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，通常称做轫致辐射。轫致辐射的能量最小值为
0
，最大值为电子的最
大动能。X
射线管和
X
光机产生的
X
射线就是轫致辐射。核辐射
?
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会发生 变化。
这表明有加速度
存在，
因此伴有轫致辐射产生，
最大能量为
?
粒子的最大动能，
这一过程如图
1.2.1
所示。

理论计 算表明，
入射带电粒子与吸收物质单个原子核作用引起的轫致辐射能量损失
Z
率正比于
?
?
?
?
?
E
。其中
?
M
?
2
Z
是吸收物质的原子序数，
M
和
E
分别是入 射带电粒子的质量
和能量。由此可知，电子的轫致辐射能量损失率比质子、
?
粒子等大 得多。例如在速度
相同的条件下，质子的轫致辐射能量损失率比电子的要小
1840
2
＝
3.4
×
10
6
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
Z
2
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比在原子序 数小的物质

5
（如铝
Z
＝
13
）中大得多。这 一特性对选择合适的材料阻挡
?
粒子很重要。如前所述，
电离能量损失率与物质的原子 序数
Z
成正比。从电离损失考虑，选用高
Z
元素材料来
阻挡
?
粒子比较有效；然而，这会产生很强的轫致辐射，反而起不到防护作用。所以，
从两方面考虑 应采用低
Z
元素材料来防护
?
粒子。最大能量为
1MeV
的
?
放射源，用铅
（
Pb
）作为吸收体时，
?
粒子由 于轫致辐射损失的能量约为
3
％，而用铝时，下降到约
为
0.4%
。

轫致辐射能量损失率与入射粒子能量
E
成正比，这与电离能量损失情况正好 相反
?
1
?
?
?
?
。因此，
当入射带电粒 子能量低时，
电离损失占优势；而能量高时辐射损失变得
?
E
?
更为 重要了。
如果我们把两种能量损失率相等时的能量叫做临界能量，
一般情况下，
电子在介质中的临界能量可以由下式表示：

E
0
?
800
?
MeV
?



































(1.2.3)

Z
Z
是物质的原 子序数。若入射
?
射线的能量
E
?
＜
E
0
，则电离辐射损失为主；
E
?
＞
E
0
，则
轫致辐射 损失为主。对于物质
Pb
和
Al
来说，临界能量分别为
10MeV< br>和
60MeV
。对于
常用的
?
放射源，电子能量不超过几个< br>MeV
。因此，主要的仍是电离损失。由电子加速
器引出的电子束能量较高，束流强度较 大。同此轫致辐射强度很强，故其为
X
射线源
的一种重要方式。

3.
电子的散射

?
粒子与靶物质原子核库仑场作用时发生弹性碰撞 ，只改变运动的方向而没有能量
的损失，这就是电子的散射。由于电子质量小，电子的散射角可以很大， 并且会发生多
次散射，最后偏离原来的入射方向；同时，入射电子能量越低，靶物质原子序数越大，散射也就越厉害。
?
粒子在高原子序数厚的散射体中，
由于多次散射能使
?
粒子散射角大
于
90
?
，
这种散射称作反散射。
低能电子在高原子序数物质上的反散射系数可达到
50
％
以上。电子的散射会造成较大 范围内的照射，所以在防护电子时也要考虑散射问题。

4.
?
射线的吸收

当
?
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，其中有些
?
粒子的能量降低了，
有些因能量耗 尽而停在物质中，
还有一些则偏离了原来的入射方向。
所以，当一束平行同向的
?粒子束通过一定厚度的物质时，在入射方向上其粒子数明显
地减小，
这就是物质对
?
射线的吸收。
放射性核素所发射的
?
粒子具有从零到某一最高值
的 连续能量。
能够全部吸收掉这些
?
粒子的物质层厚度相应于
?
粒子在 该物质中的最大射
程。应该注意的是，
?
粒子（电子）的射程与
?
粒 子的射程有明显不同。
?
粒子穿过物质
时的径迹基本上是一条直线，
射程与所 通过的路程基本相同。
对于电子，
其径迹十分曲

6
折，经历的路程远远大于通过物质层的厚度。

根据
?
射线同物质的作用特征，我们可以得到如下几点结论：

1)

对
?
射线的防护一般选用低原子序数的吸收物质，如铝、塑料和玻璃等。

2)

对高能电子若用高原子序数屏蔽材料时，
可产生一定强度的
X
散线，
造成外部
照射的危害，应引起足够的注意。

3)

如
?
射线进入体内，
对组织器官会造成一定的损伤，但比
?
射线引起的损伤小得
多。

5.
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，与
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。
但自由正电子是不稳定的。
正电子
湮灭有两种过程：

1
）

直接湮灭

e
?
?
e
?
?
?
?
0
.
5 11
MeV
?
?
?
?
0
.
511
MeV
?

2
）

形成正电子素再发生湮灭，即

e
?
?
e
?
?
e
?
e
?
?
?
?
0
.
511
MeV
?
?< br>?
?
0
.
511
MeV
?

??
其中
?
e
?
e
?
?
称为正电子素。

正电子素平均寿命约为
1.25
×
10
-10
－
1.4
×
10
-7
秒。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
?
湮灭辐射。为此 在防护上还
要注意对
?
射线的防护。

1.3
?
射线与物质的相互作用

?
射线的能量
E
＝h
?
，
h
是普朗克常数。能量在几十
keV
和几十MeV
的
?
射线通过
物质时主要有光电效应、
康普顿效应和电子 对效应等三种作用过程。
这三种效应的发生
都具有一定的概率，通常以截面
?
表示作用概率的大小。若以
?
ph
表示光电效应截面，
?
c
表示康普顿效应截面，而
?
p
表示电子对效应截面，则
?
射线与物质 作用的总截面

?
?
?
ph
?
?
c
?
?
p

























（
1.3.1
）

1.
光电效应

当?
光子通过物质时，与物质原子中束缚电子发生作用，光子把全部能量转移给某
个束缚电子 ，使之发射出去，而光子本身消失了，这种过程叫光电效应。光电效应中发

7
射出来的电子叫光电子，这一过程如图
1.3.1
所示。


图
1.3.1


光电效应过程示意图

在光电 效应中，入射光子能量
h
?
，其中一部分用来克服被击中电子的结合能，另
一 部分转化为光电子动能；原子核反冲能量很小，可以忽略不计。根据能量守恒定律，
光电子动能
E
e
为

E
e
?
hv
?
B
i
?
i
?
K
,
L
,
M
,
?
?
?
?




















（
1.3.2
）

式中

B
i
为物质原子中第
i
壳层电子的结合能，
i
表示电子壳层的名称。

原子中束缚得越紧的电子参与光电效应的概率也越 大，
因此，
K
壳层上打出光电子
的概率最大，
L
层次之，< br>M
、
N
层更次之。如果入射光子能量超过
K
层电子结合能，大
约
80%
的光电效应发生在
K
层电子上。

发生光 电效应时，
若从原子内壳层上打出电子，
在此壳层上就留下空位。
原子处于
激 发态。
这种激发态是不稳定的，
并有两种退激方式：
一种是外壳层电子向内层跃迁填< br>充空位，发射特征
X
射线，使原子恢复到较低能量状态；另一过程是原子的退激直接将能量传递给外壳层中某一电子，
使它从原子中发射出来，
这个电子叫做俄歇电子。
因
此，发射光电子的同时，还伴随有特征
X
射线或俄歇电子产生，这些粒子将继续与 物
质作用，转移它们的能量。

2.
康普顿效应

入射< br>?
光子同原子中外层电子发生碰撞，入射光子仅有一部分能量转移给电子，使
它脱离原子 成为反冲电子；而光子能量减小，变成新光子，叫做散射光子，运动方向发
生变化，这一过程如图
1.3.2
所示。
E
?
和
E
??
分别为入射光子 和散射光子的能量；
?
为散
射光子和入射光子间的夹角，称做散射角；
?为反冲电子的反冲角。


8

图
1.3.2
康普顿效应示意图

反冲电子具有一定动能，等于入射 光子和散射光子的能量之差，
E
e
=E
?
- E
?
?
。

反冲电子在物质中会继续产生电离和激发等过程，
对物质发生作用和影响。
散射光子有
的可能从物质中逃走，
有的留在物质中再发生光 电效应或康普顿效应等等，
最终一部分
被物质吸收，一部分逃逸出去。

3.
电子对效应


图
1.3.3
核库仑场中电子对效应示意图

当一定能量的
?
光子进入物质时，< br>?
光子在与原子核库仑场作用下会转化为一对正负
电子，这一现象称为电子对效应，如图
1.3.3
所示。发生电子对效应是有条件的，在原
子核库仑场中，只有当入射
?
光子的能量
E
?
=h
?

?
1.02
MeV
时才有可能发生电子对效应。
入射光子的能量首先用于转化为正负电子对的静止 能量
0.51
MeV
+0.51
MeV
=1.02
MeV< br>，
剩下部分才能赋予正负电子以动能。根据能量守恒定律可得到如下关系：

h v
?
E
e
?
?
E
e
?
?
2
m
o
c
2

式中

E
e
?
和
E
e
?
分别表示正、负电子的动能，
m
o< br>c
2
是电子的静止能量。

4.
?
射线的吸收

由上面讨论可知，
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
其能量。
这些效应的发生使原来的
?
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
?
光子一旦同介质发生作用就从入
射束中移去；而只有那些没有同介质发生任何 作用的
?
光子才会沿着原来的方向继续前

9
进。入射的
?
光子束中的
?
光子因同介质发生相互作用而被移去称作介质对
?
光 子的吸收。


图
1.3.4
?
射线通过物质被吸收示意图

假设单能平行窄束
?
射线注 量率为
I
0
*
，垂直进人介质穿过厚度
X
后的注量率为I
，
当其继续穿过厚度为
dx
的物质层时，注量率将减少
dI< br>，这一过程如图
1.3.4
所示。

对于无限小区间而言，
d I
与光子在
x
处的注量率
I
和物质层厚度
dx
成正 比：即

?
dI
?
?
Idx





























(1.3.3)
负号表示
?
光子注量率随
x
增加而减少。
?
是比例系数。
由 初始条件

x
=0
，
I
=
I
0
，
对式
（
1.3.3
）
两边积分得

I
?
I
0
e
?
?
x





























(1.3.4)
由此可知，
?
射线穿过物质时其注量率随着穿过的厚度
x
的增加而以指数衰 减。
?
称作线性吸收系数，其单位为
cm
-1
，它表示
?< br>射线穿过单位厚度物质时发生相互作用的
概率（或被吸收的概率）
。它包含了光电效应、 康普顿效应和电子对效应总的贡献。由
于三种效应的作用概率都与入射光子的能量和作用物质的原子序数 有关，
所以
?
值也随
?
光子能量
h
?
和介 质原子序数
Z
而变化。
?
光子能量增高，吸收系数
?
值减小 ；介质原子
序数高、密度大的物质，线性吸收系数也高。

1.4
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。
但由于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被吸收，
并产生一
些次级粒子，如反冲质子、
?
射线、< br>?
粒子以及其他带电粒子等。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，
中子也是一种电离辐射。


*

注量率
I
是指单位时间内进入单位截面小球（球截面积是指通过 球心的截面面积）的粒子数，其定义为
dN
除以
dt
所得的商，
I= dN/dt
，式中，
dN
是时间间隔
dt
内粒子注量
N的增量。


10
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。

1.
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。弹性碰撞转移给靶核的反冲能量如下：< br>
E
M
?
4
Mm
n
?
M
?
m
n
?
2
E
n
cos
2
?





















(1.4.1)
式中
m
n
和
E
n分别为中子的质量和动能，
M
为靶原子核的质量，
?
为反冲角。对于中子与质子
(
氢核
)
的弹性碰撞，反冲质子的动能

E
M
?
E
n
cos
2
?


























(1.4.2)
在对心碰撞时（?
=0
?
）
，
E
M
?
E
n< br>，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
?
射线发射。
例如，
中子与
C
原子核的非弹性散射会产生
4.43MeV
的
?
射线。
在中子引起的其他核反应中还会有质子和
?
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。

2.
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。前者称为“辐射俘获”
，而后者则相应于各种中子 核反应。例如：

1
H
?
n
?
2
H
?
?
Li
?
n
?
H
?
?
36

有些重原子核（如
235
U
）
，在俘获一个中子后 会分裂为两个或三个较轻的原子核，
同时发出

2
～
3
个中 子以及很高的能量（约
200MeV
）
，这就是裂变反应。



11
2

辐射防护中常用的辐射量和单位

电 离辐射通过与物质的相互作用，
把能量传递给受照物，
并在其内部引起各种变化。
辐射 量和单位是为描述辐射场、
辐射作用于物质时的能量传递及受照物内部变化的程度
和规律而建立 起来的物理量及其量度。
也就是说，
辐射量是一种能表述特定辐射的特征
并能够加以测 定的量。

有关辐射量和单位的基本概念，不但广泛地应用于辐射剂量学和辐射防护领域，而< br>且广泛地应用于放射医学、
放射生物学、
辐射化学和辐射物理等领域。
随着科学 技术的
发展，所使用的辐射量和单位逐渐增加，其概念和定义亦逐渐确切。

2.1
吸收剂量

吸收剂量在剂量学的实际应用中是一个非常重要的量。

2.1.1

吸收剂量

吸收剂量
D
是单位质量受 照物质中所吸收的平均辐射能量。
其定义为
d
?
除以
dm
所
得的商，即

D
?
d
?
/
dm































(2.1.1)

式中，
d
?
是电离辐射授与质量为
dm
的物质的平均能量。

吸收剂量
D
的单位是
J
?
kg
-1
，专门名称是戈
[
瑞
]
（
G ray
）
,
符号
Gy
*
。
1Gy=1 J
?
kg
-1
。

吸收剂量适用于任何类型的辐射和受照物 质，
并且是个与一无限小体积相联系的辐
射量，即受照物质中每一点都有特定的吸收剂量数值。 因此，在给出吸收剂量数值时，
必须指明辐射类型、介质种类和所在位置。

2.1.2

吸收剂量率

?
是单位时间内的吸收剂量，定 义为
dD
除以
dt
所得的商，即

吸收剂量率
D
?
?
dD
/
dt































(2.1.2)
D
式中，
dD
是时间间隔
dt
内吸收剂量的增量；

?
的单位是
J
?
kg
-1
?
s
- 1
，亦即
Gy
?
s
-1
。

吸收剂量率
D
2.2
比释动能

2.2.1

比释动能

不带电粒子授与物质的能量的过程可以分成两个阶段。
第一，不带电粒子与物质相

*

过去，比释动能的专用单位是
rad
，拉德，
1rad =10
-2
Gy
。


12
互作用释出次级带电 粒子，
不带电粒子的能量转移给次级的带电粒子；
第二，
带电粒子
将通过电离 、
激发，
把从不带电粒子那里得来的能量授与物质。
吸收剂量是表示第二过
程 的结果。为了表示第一过程的结果，引进了另一个新辐射量，即比释动能。

比释动能
K
定义为
d
?
tr
除以
dm
所得的商，即

K
?
d
?
tr
/
dm






























(2.2.1)
式中，
d
?
tr
是不带电粒子在质量dm
的物质中释出的全部带电粒子的初始动能总和的平
均值，
它既包括这些带电粒 子在轫致辐射过程中辐射出来的能量，
也包括在该体积元内
发生的次级过程所产生的任何带电粒 子的能量。

比释动能
K
的单位与吸收剂量的单位相同，即
J
?
kg
-1
或
Gy
。

比释动能只适用于不带电 粒子，
但适用于任何物质。
它也是一个与无限小体积相联
系的辐射量。
在受照 物质中每一点上都有它特定的比释动能数值。
所以在给出比释动能
数值时，也必须同时指出与该 比释动能相联系的物质和该物质的部位。

2.2.2

比释动能率

?
是
dK
除以
dt
所得的商，即

比释动能率
K
?
?
dK
/
dt





























(2.2.2)
K
式中，
dK
是在时间间隔
dt
内比释动能的增量；
< br>?
的单位与吸收剂量率相同，即
J
?
kg
-1
?s
-1
，亦即
Gy
?
s
-1
。

比释动能率
K
2.3
当量剂量

2.3.1

当量剂量

相同的吸收剂量未必产生同等程度的生物效应，因为生物效应受到辐射类型 与能
量、
剂量和剂量率大小、
照射条件及个体差异等因素的影响。
为了用同一 尺度表示不同
类型和能量的辐射照射对人体造成的生物效应的严重程度或发生几率的大小，
辐射 防护
上采用了当量剂量这个辐射量。

在组织或器官
T
中的当量剂量可表示为：

H
T
?
?
W
R
?
D
TR






























(2.3.1)
R
式中，

W
R
是与辐射品质相 对应的加权因子，称为辐射权重因子，无量纲；
D
TR
为按组
织或器官
T
平均计算的来自辐射
R
的吸收剂量。

由于
W
R
无量纲，因此，当量剂量与吸收剂量的单位都是
J
?
kg
-1。为了同吸收剂量单
位的专门名称相区别，给予当量剂量单位一个专门名称叫希沃特（
Si evert
）简称“希”
，

13
符号为
Sv
*
。

2.3.2

辐射权重因子

辐射权重因子
W
R
是根据射到身体上（或当 辐射源在体内时由源发射）的辐射的种
类与能量来选定的。
W
R
值大致与辐射 品质因子
Q
值相一致。所谓辐射品质，指的是电
离辐射授与物质的能量在微观空间分布 上的那些特征，传能线密度
L
?
即为描述辐射品
质的方法之一。传能线密度< br>L
?
是特定能量的带电粒子在物质中穿过单位长度路程时，
由能量转移小于某一 特定值
?
的历次碰撞所造成的能量损失，
?
称为能量截止值（
eV< br>）
。
L
?
的单位是
J
?
m
-1，也可用
KeV
??
m
-1
为单位。根据上述定义，
L
?
就是带电粒子在物质中
穿过单位长度路程上，能量转移取一切可能值时，由历次碰撞 所造成的能量总损失。

品质因子
Q
，
是辐射防护领域中为了以同一 的尺度衡量各种辐射引起的有害效应程
度而引进的一个系数，它的数值是根据辐射在水中的传能线密度< br>L
?
的大小确定的。

ICRP
（国际辐射防护委员会）指定 的辐射权重因子
W
R
值列于表
2.3.1
。不同能量中
子的 平均辐射权重因子见图
2.3.1
。
需要注意的是，
上述
W
R
值不适用于描述高剂量和高
剂量率下所产生的急性辐射损伤。
因此，
当量剂 量只限于在辐射防护所涉及的剂量范围
内使用。

表
2.3.1
辐射权重因子
1

辐射类型和能量范围
2

光子所有能量

电子和
?
子所有能量
3
中子能量＜
10keV
10
－
100keV

100keV
－
2MeV

2
－
20MeV

＞
20MeV 5
（见图
2.3.1
）

质子（反冲质子除外）能量＞
2MeV

a
粒子，裂变碎片，重核

2.
对于其他辐射，数值的选择参考
ICRP60
。

3.
不包括结合在
DNA
内的核发射的俄歇电子。

辐射权重因子
W
R
1
1
5
10
20
10
5

20
20
注
1.
所有数值均与射到身体上的辐射有关，或就内照射源而言，与该源发出的辐射有关。


*
过去，当量剂量的专用单位是
rem
，雷姆，
1rem
＝
10
-2
Sv
。


14

图
2.3.1
中子辐射权重因子平滑曲线将作为一种近似值对待

2.4
有效剂量

2.4.1

有效剂量
随机性效应概率与当量剂量的关系还与受照组织或器官有关。人体受到的任何照
射，
几乎总 是不只涉及一个器官或组织。
为了计算因受到照射而对有关器官和组织带来
的总的危险，在辐射 防护领域中，相对于随机性效应引进了有效剂量
E
。

E
?
?
W
T
?
H
T


































(2.4.1)
T
式中，
H
T
是器 官或组织
T
的当量剂量；
W
T
是器官或组织
T
的组 织权重因子，其推荐值
列于表
2.4.1
。

2.4.2

组织权重因子

组织权重因子
W
T
是器官或组织
T
受照射所产生的危害与全身均匀受照射时所产生
的总危害的比值，
也就是说，
它反映了在全身均匀受照下各有关器官或组织对总危害的
相对贡献。

有效剂量表示了 在非均匀照射下随机效应发生率与均匀照射下的发生率相同时所
对应的全身均匀照射下的当量剂量。有效剂量也可表示为身体各器官或组织的双重加权
的吸收剂量之和。将（
2.3.1
）式代入（
2.4.1
）式，即可得

E
?
??
W
T
?
W
R
?
D
T
.
R



























(2.4.2)

T
R
表

2.4.1
组织权重因子
1

组织或器官

睾丸

红骨髓

结肠

组织权重因子
W
T

0.20
0.12
0.12

15
肺

胃

膀胱

乳腺

肝

食道

甲状腺

皮肤

骨表面

其余组织或器官

性都适用。

0.12
0.12
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0.01
0.01
0.05
2.3
1.

数值系按男女人数相等年龄范围很宽的参考 人群导出。按有效剂量定义，它们对工作人员、全体人口和男女两
2.

为计算用，本 项还包括以下组织与器官：肾上腺、脑、上段大肠、小肠、肾、肌肉、胰、脾、胸腺及子宫。此
表包括很 可能受到选择性照射的器官，表中有些器官已知是易诱发癌的。如果以后还确知有其他器官有相当大
的诱 发癌的危险，则将规定一个
W
T
，或列入组成其余器官的这份附加的清单。后者也可包 括别的受到选择性照
射的器官与组织。

3.

若该项中某一单个器 官或组织受到超过
12
个规定了权重因子的器官的最大当量剂量的例外情况下，
该组织 或器
官取权重因子
0.025
，而剩下的上列其余器官与组织的平均当量剂量亦取权重 因子
0.025
。这样，该项的
W
T
仍
为
0.05
。

辐射权重因子与辐射的种类和能量有关，
但与器官或组织无关；
同样地，
组织权重
因子则与照射到身体的辐射种类和能量无关。
这种简化仅仅是对真实 的生物学情况的近
似。
辐射权重因子与组织权重因子的数值基于我们当前的放射生物学知识，< br>以后还会不
时地变化。

当量剂量与有效剂量是供辐射防护用的（包括大致地评 价危险之用）
，它们只能在
远低于确定性效应阈值的吸收剂量下提供估计随机性效应概率的依据 。

由于组织权重因子无量纲，所以有效剂量的单位名称及符号与当量剂量相同。



16
3

辐射对人体的影响

核辐 射照射人体可能会引起人体组织和器官的损伤，
使生物体发生异常变化，
从而
表现出各 种类型的生物效应。
从人体吸收核辐射能量开始到各种生物效应显现以及生物
体病变直至死亡，
其间会经过一系列的物理的、
化学的和生物的变化。
这些变化的根源
在于组成 人体基本单元的细胞的变化。本节先介绍辐射对人体细胞的作用和产生的损
伤，以此为基础阐明发生的生 物效应，然后给出一些基本的估计。

3.1
辐射与人体细胞的作用

3.1.1

细胞的组成和功能


图
3.1.1

细胞组成简化示意图

人体的各种器官和组织都是由细胞组成的，细胞是构 成生物体的最基本的单元，生
命体的一切活动都是在细胞中进行的。细胞由细胞膜、细胞核和细胞质组成 。图
3.1.1
表示人体细胞的简化示意图。
细胞膜位于细胞的最表面，
它的 作用是控制可溶性物质的
摄取与排泄。细胞质的基本成分是胞浆，此外，它还含有核糖体、线粒体、溶酶 体等。
细胞质的功能是把摄取的养料分解转化为能量和小分子，
进而转变成供细胞本身生存或< br>繁殖所需的复杂分子。细胞核由核膜、核仁和染色质组成。染色质由脱氧核糖核酸
（
DN A
）和核蛋白组成。核仁是合成核糖核酸（
RNA
）的部位。细胞生存到一定阶段要发生分裂，产生子细胞。成人在每秒钟内至少有
400
万个细胞在分裂。正常情况下，< br>子细胞从母细胞获得一组复制的染色体和相同的基因，
细胞进行正常的生长和延续，
保< br>持人体组织和器官的活力。
新细胞含有母体细胞带来的遗传信息，
所以，
胚胎以 及随后

17
发育成的后代就带有母（父）体的遗传因子。

3.1.2

辐射对细胞的损伤

我们已经知道，辐射实际上是载有 较高能量快速运动的带电或不带电的微观粒子
流。
它门通过介质时，
直接或间接地使介 质原子发生电离和激发，
对于人体细胞也不例
外。当人体细胞受到辐射照射时，同样也会使组成 细胞的原子或分子发生电离或激发，
可能引起细胞中许多重要分子的变化。
这些变化有可能改变 细胞原来的功能，
例如细胞
不能正常地发生线状分裂，
或者引起基因化学成分的变化导 致基因变异。
基因行为的改
动可能引起细胞遗传记忆的畸变或导致癌症发生。
因此，< br>可以说辐射对人体损伤最基本
的原因在于辐射电离效应，
使正常的原子和分子状态受到破 坏而引起化学变化，
导致细
胞功能失常，
诱发各种疾病。
电离辐射对人体细胞 的损伤有两种情况：
直接损伤和间接
损伤。直接损伤是由于电离辐射直接作用于
DNA
、
RNA
生物大分子上，致使这些分子
中的链发生断裂，
细胞成分受 到破坏。
间接损伤是由于电离辐射同人体中的一般分子作
用导致产生活性很强的自由基和氧化物 等，
它们进一步同生物大分子作用，
从而使这些
生物大分子受到损伤和破坏，
一般情况下间接损伤是主要过程。
生命组织中主要成分是
水，辐射间接损伤主要起因于水分子， 其过程如下：

首先，水分子受到辐射照射发生电离形成水分子正离子和一个电子，即

辐
射
H
2
O
?
?
?
?
H
2
O
?
?
e
?

另一方面，
正常 的水分子也具有吸附电子的能力，
它可能捕获电离产生的电子而形
成水分子负离子，即

H
2
O
?
e
?
?
H
2
O
?

分子离子是不稳定的，它们将转变成离子和自由基：

H
2
O
?
?
H
?
?
OH
?
H2
O
?
H
?
OH
?
?
?
< br>其中正离子
H
?
和负离子团
OH
?
将结合成水分子； 而自由基
H
?
和
OH
?
因含有不成对的
电子在化学 上高度活泼。

细胞中许多重要的生物大分子都有碳原子的骨架，
在上面挂着许多基团 如
H
、
CH
3
、
OH
和
COOH
等等。因此，这些生物分子可以认为是由有机基
R
和
H
原子组成，以
R
—
H
表示；
H
代表有活性的氢原子；
R
代表分子 的其余部分。辐射产生的自由基
OH
?
同
R
—
H
分 子发生作用：

R
?
H
?
OH
?
?
R
?
H
2
O


18
在辐射作用处通常也都有氧的存在，因而可能产生过氧化物

O
2
?
H
?
?
H
?
?
H
2
O
2

在辐射作用并转移大能量的情况下，
体内出现大量的具有强氧化能力的自由基和过< br>氧化物。它们同细胞大分子作用，最终导致了细胞的损伤。

3.2
辐射对人体健康的影响

辐射对人体的作用会导致某些特有生物效应。
效应的 性质和程度主要决定于人体组
织吸收的辐射能量。从生物体吸收辐射能量到生物效应的发生，乃至机体损 伤或死亡，
要经历许多性质不同的变化，以及机体组织、器官、系统及其相互关系的变化，过程十
分复杂。

3.2.1

影响辐射生物学作用的因素

影 响辐射生物学作用的因素很多，基本上可归纳为两个方面，一是与辐射有关的，
称为物理因素；二是与机 体有关的，称为生物因素。

1.
物理因素

物理因素主要是指；辐 射类型、辐射能量、吸收剂量、剂量率以及照射方式等。这
里首先讨论辐射类型、
剂量率、照射部位和照射的几何条件等对辐射生物学作用的影响。

（
1
）辐射类型

不同类型的辐射对机体引起的生物效应不同，这种不同主要取决于辐射的电离密度
和穿透能力。例如，若射线的电离密度大，但穿透能力很弱，则 在外照射时，射线对机
体的损伤作用很小。
然而在内照射情况下，
它对机体的损伤作用 则很大。
在其他条件相
同的情况下，就
?
、
?
和
?
射线引起的辐射危害程度来说，外照射时，
?
＞
?
＞
?；而内照
射时，则
?
＞
?
＞
?
。

（
2
）剂量率及分次照射

通常，在吸收剂量相同的情况下，剂量率 越大，生物效应越显著。同时，生物效应
还与给予剂量的分次情况有关。
一次大剂量急性照射与 相同剂量下分次慢性照射产生的
生物效应是迥然不同的。分次越多，各次照射间隔时间越长，生物效应就 越小。

（
3
）照射部位和面积

辐射损伤与受照部位及受 照面积密切相关。
这是因为与各部位对应的器官对辐射的
敏感性不同。另一方面，不同器官受损 伤后对整个人体带来的影响也不尽相同。例如，
全身受到
?
射线照射
5Gy< br>时可能发生重度的骨髓型急性放射病；而若以同样剂量照射人
体的某些局部部位，则可能不会出现 明显的临床症状。照射剂量相同，受照面积愈大，

19
产生的效应也愈大。

（
4
）照射的几何条件

外 照射情况下，
人体内的剂量分布受到入射辐射的角分布、
空间分布以及辐射能谱
的影响 ，
并与人体受照时的姿势及其在辐射场内的取向有关。
因此，
不同的照射条件所
造成的生物效应往往会有很大的差别。

除以上所述，内照射情况下的生物效应还取决于：进 入体内的放射性核素的种类、
数量，它们的理化性质，在体内沉积的部位，以及在相关部位滞留的时间。


2.
生物因素

影响辐射生物学作用的生物因素主要是 指生物体对辐射的敏感性。
辐射生物学研究
表明，当辐射照射的各种物理因素相同时，不同的细 胞、组织、器官或个体对辐射的反
应有着很大的差异，
这是因为不同的细胞、
组织、< br>器官或个体对辐射的敏感程度是不同
的。这里，把在照射条件完全一致的情况下，细胞、组织、器 官或个体对辐射作用反应
的强弱或速度，称为所论细胞、组织、器官或个体的辐射敏感性。在辐射生物学 的研究
中，
辐射敏感性的判断指标多用研究对象的死亡率表示，
有时也用所研究的生物 对象在
形态、功能或遗传学方面的改变程度来表示。

1
）不同生物种系的辐射敏感性

表
3.2.1
列出了使受 到
X
、
?
射线照射的不同种系的生物死亡
50
％所需的吸收 剂量
值。由表可见，种系的演化程度越高，机体结构越复杂，其对辐射的敏感性越高。

表
3.2.1
使不同种系的生物死亡
50
％所需的
X
、< br>?
射线的吸收剂量值
LD
50

生物种系

LD
50
（
Gy
）

人

4.0
猴

6.0
大鼠

7.0
鸡

7.15
龟

15.00
大肠杆菌

56.00
病毒

2×
10
4

2
）个体不同发育阶段的辐射敏感性

一般而言，随着个体发育过程的推进， 其对辐射的敏感性会逐渐降低。图
3.2.2
示
出了人胚胎发育的不同阶段，个体对辐 射敏感性的变化。同时，由图可见，在胚胎发育
的不同阶段，其辐射敏感性表现的特点也有所不同。表< br>3.2.2
列出了在胚胎发育的不同
阶段，子宫受辐射照射时可能出现的畸形类型。

20

图
3.2.2
胚胎发育不同阶段，
2Gy

X
射线照射造成死胎和畸形的发生率

个体出生后，幼年的辐射敏感性要比成 年时高，但是，老年时由于机体各种功能
的衰退，其对辐射的耐受力则又明显低于成年期。

表
3.2.2
胚胎在子宫内受照后可能发生的畸形

受照时间

（妊娠周数）

0
～
4
4
～
11
11
～
16
小头症

智力异常

生长延迟

16
～
20
>30
很少有严重的
很少有小头症
和智力低下等

解剖学缺陷，
但可能有功能
障碍

畸形类型

流产

很少畸形

多数系统

严重畸形


3
）不同细胞、组织或器官的辐射敏感性

一般而言，
人 体内繁殖能力越强，
代谢越活跃，
分化程度越低的细胞对辐射越敏感。
由于细胞具有不 同的辐射敏感性，
所以，
不同组织也具有不同的敏感性。
若以照射后组
织的形 态变化作为敏感程度的指标，则人体的组成按辐射敏感性的高低大致可分为：

a.

高度敏感：淋巴组织（淋巴细胞和幼稚淋巴细胞）
；胸腺（胸腺细胞）
；骨髓（幼稚红、粒和巨核细胞）
；胃肠上皮（特别是小肠隐窝上皮细胞）
；性腺（睾丸和卵
巢的生殖细胞）
；胚胎组织。

b.

中度敏感：感觉器官（角膜、 晶状体、结膜）
；内皮细胞（主要是血管、血窦和淋
巴管内皮细胞）
；皮肤上皮（包括 毛囊上皮细胞）
；唾液腺；肾、肝、肺组织的上
皮细胞。

c.

轻度敏感：中枢神经系统；内分泌腺（包括性腺的内分泌细胞）
；心脏。

d.

不敏感：肌肉组织、软骨和骨组织、结缔组织。


21
3.3
剂量与效应的关系

3.3.1

随机性效应和确定性效应

根据辐射效应的发生与剂量之间的关系，
可以把辐 射对人体的危害分为随机性效应
和确定性效应两类。图
3.3.1
给出了根据实际资料 并从安全角度出发对随机性效应和确
定性效应的定性描述。

随机性效应是指效应的发 生几率（而非其严重程度）与剂量大小有关的那些效应，
如图
3.3.1
（
A
）
所示。
其后果的严重程度说不上与所受剂量有什么关系，
如图
3. 3.1
（
B
）
所示。图
3.3.1
（
A
） 示出了对于低
LET
辐射
*
以及剂量低于几
Gy
范围内这类 效应的剂
量响应关系。
由于发生随机性效应的几率非常低，
一般放射性工作人员日常所 受的那种
小剂量情况下，随机性效应极少发生，资料极其缺乏。所以到目前为止，在一般辐射防
护所遇到的剂量水平下，
随机性效应发生的几率与剂量之间究竟是什么关系，
尚未完全
肯定。为了慎重起见，辐射防护中把随机性效应与剂量的关系简化地假设为“线性”
、
“无阈”
。线性是指随机性效应的发生几率与所受剂量之间成线性关系。这一假设是从
大剂量和高剂量率 情况下的结果外推得到的。
已有资料表明，
这样假定对一般小剂量水
平下的危险估计偏 高，
是偏安全的做法。
无阈意味着任何微小的剂量都可能诱发随机性
效应。
这 种假定下势必导致应尽可能降低剂量水平的结论。
这是一种尽可能安全的慎重
的做法。

就辐射防护剂量评价目的而言，
在辐射防护通常遇到的照射条件下，
可假定随机性效应的发生几率
P
与剂量
D
之间存在着线性无阈关系，即
P＝
aD
，
a
是根据观察和实
验结果定出的常数。
依据这 个假定，
就可把一个器官或组织受到的若干次照射的剂量简
单地相加在一起，用以量度该器官或 组织受到的总的辐射影响。


图
3.3.1
辐射的随机性效应和确 定性效应发生的几率和严重性与剂量的关系


*
低
LET
辐射是指在水中的线碰撞阻止本领小于
3.5KeV/< br>?
m
的辐射。一般指
X
、
?
和
?
辐 射等。


22
辐射的确定性效应是一种有“阈值”的效应。受到的剂量大 于阈值，这种效应就会
发生，而且其严重程度与所受的剂量大小有关，剂量越大后果越严重。换句话说， 引起
这种效应的概率在小剂量时为零，但在某一剂量水平（阈值）以上时则陡然上升到
1
（
100
％）
。
在阈值以上，
效应的严重程度也将随剂量增加而变 得严重，
但是具体的阈值
大小与每一个个体情况有关。图
3.3.1
（
C
）表示确定性效应的发生率与剂量的关系，在
相当窄的剂量范围内，发生几率从
0
增加到
1
。图
3.3.1
（
D
）表示确定性效应严 重性与
剂量有关，
但对不同个体严重程度有差别。
曲线①表示阈值低的个体情况，在比较低的
剂量水平下已达病理阈值；曲线②表示有
50
％人员达到病理阈值的情 况；曲线③则表
示最不易发生这种确定性效应的个体情况。

表
3.3.1< br>给出了一些对辐射比较敏感的组织发生确定性效应的剂量阈值。需要强调
的是，
确定性效 应的剂量阈值是相当大的，
在正常情况下一般不可能达到这种水平，
只
有在大的放射性 事故下才有可能发生。

表
3.3.1

确定性效应的剂量阈值

组织与效应

睾丸

卵巢

眼晶体

骨髓

精子减少

永久性不育

永久性绝育

混浊

视力障碍

血细胞暂时减少

致死性再生不良

单次照射阈值（
Sv
）

0.15
3.5
2.5
～
6.0
0.5
～
2.0
5.0
0.5
1.5
多次照射的累积剂量的阈
值（
Sv
）

无意义

无意义

6.0
5.0
>8.0
无意义

无意义

3.3.2

躯体效应和遗传效应

1.
急性躯体效应

由辐照引起的显现在受照者本人身上的有害效应叫躯体效应。
急性的躯体效应发生
在短时间内受到大剂量照射的事故情况下，属于确定性效应。

辐 射可以杀死人体组织的癌细胞，
但同样能杀死人体组织内的正常细胞。
人体组织
中的细 胞能不断分裂生长出新的细胞，
毛发和指甲不断生长是由于其根部细胞不断分裂
的结果，
血液细胞在不断地死亡并由分裂生成的新细胞所取代。
辐射可以损伤细胞的分
裂结构，
使细胞不能分裂。
当被直接杀死和被损坏了的分裂机构的细胞不太多时，
其他
正常细 胞分裂生成的新细胞可以取代它们，
这种情况表现为辐射的损伤轻缓而且能被完
全修复。

如果直接被杀死和分裂机构被破坏了的细胞数目太大，
超过了某个阈值，
损伤了的

23
机体便无法用其他正常细胞分裂生成的新细胞来修复，
整个机体组织 就被破坏和严重损
伤，发生足以观察到的损害，表现为急性的躯体效应。

2.
遗传效应和远期效应

在辐射防护通常遇到的剂量范围内，
遗传效应是一种随 机性效应，
表现为受照者后
代的身体缺陷。

人体由细胞组成，每个成年人身 体中大约有
5×
10
12
个细胞，都是由一个受精卵细
胞分裂长成的 。细胞中有细胞核，外面是细胞质。细胞核内有
23
对染色体，每一条染
色体有许多基 因串联而成。细胞质中
70
％是水，其中有各种大分子
?
酶，这些酶的结构组成决定了细胞的生长和发育，
而每一种酶的具体结构组成则取决于基因。
当细胞分裂时，
细胞核内的染色体和染色体上的基因全部复制两份传给两个子细胞。
细胞的分裂是有高度规则性和方向性的，
所以一个人类的受精卵不至于发育为其他什么动物。
细胞分裂的规则性和方向性也取决于染色体和基因。
所以，
染色体和基因不论对细胞的生长发育还是对细胞分裂的规则性和方向性都起着决定性的作用。
如果因某种原因，
基因的结构发生了变化，
必将在生物体上产生某种全新的特征，
这就是突变。
在自然环境 下发
生的突变叫自然突变，自然突变的存在是物种进化的根据。

动物实验结果表明，
辐射也可以引起细胞基因突变。
如果这种突变发生在母体的生
殖细胞上，
而且 刚好由这个发生了突变的生殖细胞形成了受精卵，
那么就会在后代个体
上产生某种特殊的变化， 这就是辐射的遗传效应。

遗传效应可以被利用。
例如辐射育种就是利用辐射引起的细 胞基因突变，
配合其他
的育种手段得到优良品种的。

人类在长期的历史发展 过程中，
经过自然选择，
有益的适于生存的自然突变结果被
保存了下来，
并逐 渐淘汰了有害的突变结果。
从慎重的观点出发，
一般认为在已有的人
体细胞中，
基因的非自然性突变基本上是有害的。
所以，
必须避免人工辐射引起的人体
细胞内的 基因突变。

使自然突变的几率增加一倍的剂量叫突变倍加剂量，大约为（
0.1～
1
）
Gy
，代表值
为
0.7 Gy
。

辐射的远期效应是一种需要经过很长时间潜伏期才显现在受照者身上的效应，
是一
种随机性效应，
主要表现为白血病和癌症。
辐射能够诱发癌症和白血病已 为实际调查材
料所证实，
尽管其具体机制不甚明了。
一般的看法是由于辐射使体细胞发 生某种突变所
致。

3.4
人体受到照射的辐射来源及其水平
< br>人体受到照射的辐射源有两类，
即天然辐射源和人工辐射源。
生活在地球上的人类

24
每时每刻都受到天然存在的各种电离辐射的照射，
这种照射通常称为天然本 底照射。
天
然本底照射是迄今人类受到电离辐射照射的最主要来源。

近40
多年来，由于核试验、核动力生产、医疗照射及放射性核素的应用和科学技
术的发展， 又使人类受到各种人工辐射源的照射。

3.4.1

天然本底照射

天然辐射源按其起因可分为三类：
①宇宙射线，
即来自宇宙空间的高能粒子流，
其
中有质子、
?
粒子、其他重粒子、中子、电子、光子、介子等；②宇生核素，它们 主要
是由宇宙射线与大气中的原子核相互作用产生的；
③原生核素，
即存在于地壳中的 天然
放射性核素。正常本底地区由天然辐射源对人类造成的照射水平的估计值见表
3.4.1< br>所
列。在正常本底地区，天然辐射源对成年人造成的平均年有效剂量约为
2.4mSv< br>，其中
内照射所致的有效剂量约比外照射高一倍，在引起内照射的各种辐射源中，
222
Rn
的短
寿命子体最为重要，由它们造成的有效剂量约为所有辐射源贡献的
5 5
％。

世界上的个别地区，
由于地表放射性物质的含量较高，
其本 底辐射水平明显地高于
正常本底地区，
这类地区通常称为高本底地区。
从剂量学观点而 言，
最有名的高本底地
区位于印度的喀拉拉邦和巴西的大西洋沿岸。在喀拉拉邦沿海岸宽约55km
的地带，由
地表辐射引起的空气吸收剂量率平均达
1.3
?Gy
﹒
h
-1
；而在巴西大西洋沿岸空气中的吸
收剂量率最高可 达
28
?
Gy
﹒
h
-1
。在我国广东省阳江县的部 分地区，由于地表土壤中轴、
钍、镭的含量较高，其地表空气中的吸收剂量率平均也高达
0.3 4
?
Gy
﹒
h
-1
。

生活在高海拔地区 或在上述高本底地区的居民会受到较高剂量的外照射。
居住在通
风不良的室内居民也会受到较高 剂量的内照射。

天然辐射源所引起的全球居民的年集体有效剂量的近似值为
107
人
?
Sv
。

天然本底照射的特点是它涉及到世界的 全部居民，
并以比较恒定的剂量率为人类所
接受。
因此，
可将天然辐射源的照 射水平作为基准，
用以与各种人工辐射源的照射水平
相比较。

表
3.4.1

正常本底地区天然辐射源致人体的年有效剂量

[
来自
UNSCEAR 1993]
辐照源

宇宙线

宇生核素

陆地
?
辐射

内照射放射性核素（氡除外）

氡及其子体

总计（舍入值）

年有效剂量（
mSv
）

0.38
0.01
0.46
0.23
1.3
2.4
占总计的百分数，％

15.8%
0.4%
19.2%
9.6%
54.2%
100%

25
3.4.2

人工辐射

当今世界使人类受到照射的主要人工辐射源是：医疗照射，核动力生产和核爆炸。

1
．医疗照射

当今，
世界人口受到的人工辐射源的照射中，
医疗照射居于首位。
医疗照射来源于
X
射线诊断检查，体内引入放射性核素的核医学 诊断以及放射治疗过程。

随着医疗保健事业的发展，
接受医疗照射的人数愈来愈多。
据统计，
在发达国家接
受
X
射线检查的频率每年每
1000
居民约为
300
～
900
人次，在发展中国家接受
X
射线
检查的频率约为发达国家的
10
％。小剂量的医疗照射，每次在
mGy
量级，大者可达
mGy
以上。表
3.4.2
列出了各种
X< br>射线诊断检查所致的有效剂量值。

全世界由于医疗照射所致的年集体有效剂量约为天然 辐射源产生的年集体有效剂
量的
1
／
5
。与此相应的世界居民的年人 均有效剂量约为
0.4mSv
。

表
3.4.2
各种
X
射线诊断所致有效剂量
mSv [
来自
UNSCEAR 1993]
检查项目

胸部
X
射线照相术

胸部
X
线荧光屏缩影术

胸部
X
线透视

四肢

腰骶椎

骨盆

髋骨及股骨

颅骨

腹部

下部胃肠道

上部胃肠道

胆囊造影术

尿路造影术

血管造影术

乳房
X
线照相术

CT
发达国家

1970
—
1979
0.25
0.52
0.72
0.02
2.2
2.1
1.5
0.50
1.9
9.8
8.9
1.9
3.0
9.2
1.8
1.3
1980
—
1990
0.14
0.52
0.98
0.06
1.7
1.2
0.92
0.16
1.1
4.1
7.2
1.5
3.1
6.8
1.0
4.3
发展中国家

1980
—
1990
0.04

0.29
0.03
2.6
2.0
2.0
0.13
0.22
5.0
1.6
1.6
1.7





26
2.
核爆炸

核爆炸在大气中形成的 人工放射性物质是环境受到广泛污染的原因。
核爆炸在大气
中形成的人工放射性物质最初大多进 入大气层的上部，
然后从大气层上部缓慢地向大气
层下部转移，
最终降落到地面，称之为落下灰。
当落下灰中的各种放射性核素存在于地
面空气时，
可通过吸入而引 起内照射，
当其沉降于植物上或土壤中时，
则可引起外照射
或通过食入引起内照射。核 爆炸始于
1945
年，
1954
～
1958
年及
1 961
～
1962
年间曾在
大气中进行过大量的核试验。最后一次是在
1980
年
10
月。地下核试验目前仍在进行，
但其造成环境的污染较小。
虽然核爆炸可以产生几百种放射性核素，
但其中多数不是产
量很少就是在很短时间内已 全部衰变。
对世界居民的有效剂量负担贡献大于
1
％的只有
7
种，按 对人体照射水平的递减顺序，它们是；
14
C
，
137
Cs
，
95
Zr
，
90
Sr
，
106
Ru，
144
Ce
和
3
H
。落下灰对居民的照射水平，因居 住地所处的纬度而异。一般说来，南半球居民受到
的照射要比北半球低。表
3.4.3
列出了核爆炸给生活在南、北温带及全世界居民造成的
有效剂量负担值。
表列数据表明，
核爆炸对居民照射的主要途径是食入，
其次是外照射。
1980
年底前由大气核爆炸 造成的集体有效剂量负担总计为
3×
10
7
人·
Sv
，相当 于当今
世界人口额外受到大约
4
年的天然本底辐射的照射。就核爆炸引起的人均年剂量 而言，
1963
年最大，
相当于天然辐射源所致平均年剂量的
7
％，
1966
年则下降为
2
％左右，
目
前则低于
1％。

表
3.4.3 1981
年底以前进行的大气层核爆炸造成的有效剂量负担及其贡献途径

地点

北温带

南温带

全世界

有效剂量

负担，
mSv
4.5
3.1
3.8
食入

71
90
79
贡献途径，％

外照射

24
8
18
吸入

5
2
3

3
．核动力生产

据
1997
年的统计资料，
当时 全世界已有
31
个国家和地区的
437
座核反应堆在运行
发电，正在建造的反应堆有一百多座，
计划建造的还有近一百座。
整个核能发电一年超
过
23000
亿度，占世界总发电量的
17
％。预计近一、二十年内核动力发电 能力不会有
很大变化。

用核反应堆生产电能是以核燃料循环为先决条件的。
核燃料循环包括：
铀矿石的开
采和水冶，转变成不同的化学形态；
235
U< br>同位素含量的富集；燃料元件的制造；在核反
应堆内的功率生产；
受照燃料的后处理；< br>核燃料循环不同阶段、
不同装置间的核材料运
输；最后，还要对放射性废物进行处置。< br>

27
虽然，核动力生产中产生的所有人工放射性核素几乎都存留在受照过 的核燃料中，
但是上述循环的每一环节都会有少量放射性物质被释放到周围环境中。
由于其中大 多数
放射性核素的半衰期较短，
在环境中的迁移速率较低，
因此释放到环境中的放射性 物质
多半只在局部或本地区产生影响。
当然，
也有一些半衰期很长或在环境中弥散较快 的放
射性核素可分布到全球范围，从而在世界范围内使人类和环境受到照射和污染。

据粗略估算，目前的核燃料循环过程中，放射性排出物（不包括废物处置）对附近
居民造成的集体有效剂 量负担为
5.7
人·
Sv
，
其中
98
％是在排放后
5
年内给出的。
对全
球居民造成的集体有效剂量负担为
670
人·
Sv
，其中
90
％是在排放后的
10
4
～< br>10
8
年间
授与的。
表
3.4.4
给出了按现有的技 术水平，
核电生产持续到
2500
年时由核燃料循环所
致的年集体有效剂量和 人均有效剂量的预计值。由此可见，
1980
年由于核能生产所致
的人均当量剂量只及 天然辐射源照射水平的
0.005
％，
即使到
2500
年也不过是天 然辐射
源照射水平的
l
％。

表
3.4.4
核电力生产持续到
2500
年时的年人均当量剂量预计值

项



目

年核发电量预计值

[GW(e)]
年集体有效剂量（人·
Sv
）

世界人口（
10
9
）

年人均当量剂量（
?
Sv
）

占天然辐射源平均暴露量的百分数（％）

年



份

1980
80
500
4
0.1
0.005
2000
1000
1000
10
1
0.05
2100
10000
200000
10
20
1
2500
10000
250000
10
25
1

此外，
就从事核动力生产的职业人员接受的人工辐射的 年有效剂量，
大概与来自天
然辐射源照射的平均值处于同一数量级。

图3.4.1
以天然辐射源照射水平为基准，给出了上述三种主要人工辐射源所致的年
人均有 效剂量（图
3.4.1I
）和集体有效剂量（
3.4.1II
）随时间的变化 趋势。

人类除了受到上述三种主要人工辐射源的照射外，
还受到由于工业技术发展造 成的
增大了的天然辐射源的照射（例如，燃煤发电、磷肥生产造成的环境放射性污染，空中
旅行 、
宇宙航行导致额外的宇宙射线照射等）
以及各种消费品
（例如夜光钟、
表，
含铀、
钍的制品，某些电子、电气器件等）的人工辐射源的照射。不过，由这些人工辐射源所< br>致的世界居民的集体有效剂量负担与天然辐射源所致的相比，
一般都很小，
总计不过天< br>然辐射源的
1
％。


28

图
3.4.1
来自不同辐射源的当量剂量随时间的变化趋势

（
I
）年有效剂量（用天然源平均暴露量的百分数表示）

（
II
）一年实践的集体有效剂量负担（用天然源等效暴露天数表示）

a*
（当量剂量随世界人口数而增加）

a
天然辐射源

b
辐射医学应用（诊疗用）

c
大气层核爆炸

d
核动力生产



29