再訪廣島

【德】麥考·帕默  著

郎倫友  譯

第二章  第七節

2.7 物質對電離輻射的衰減

   當一個電離輻射粒子撞擊到某個靶物質時，它就會電離靶物質內的原子和分子；由於每一次電離都需要一定的能量，因此電離粒子最終將耗盡它本身的能量，從而停止或消失。至於在停止或消失之前，這個粒子能穿透的深度顯然取決於這個電離粒子的初始能量。另外還取決於它的性質，它的性質決定它可以在什麼範圍內與靶物質中的單個電子或原子核相互作用。

2.7.1 粒子類型的區別

   最長距離的相互作用是庫侖力；相應的，α-粒子和β-粒子都是帶電的粒子，最容易相互作用，並沿着一定長度的路徑產生最大量的離子。這也意味着它們的能量消耗得非常快，因此它們對靶物質只能穿透很淺。在這兩種粒子中，α-粒子比較重，速度比較慢，因此它們要在給定的單個電子周圍花費更多的時間，有更多的機會發揮足夠的拉力把電子從所屬原子那裡解放出來。因此，α-粒子顯現出最高的電離密度，這就意味着它穿透的深度最小；實際上，它們甚至連人類完整的皮膚都無法穿透，無法達到有活力的再生細胞的基底層。因此，釋放α-射線的同位素只有在被攝入或吸入人體內部時，才會造成傷害。

   比較輕快的β-粒子運動得也比較快，不能在靶物質內沿着給定的路徑完全把許多原子和分子電離，結果是穿透得較深一些。然而，它們只能穿透人的皮膚幾毫米的深度，因此儘管β放射性核素可能會從外面燒傷皮膚，但它們也只有在被吸食後才可能對內臟器官造成損傷。這個問題在前面的圖表中已經用裂變產物碘131和鍶90加以了說明，它們只有分別積存在甲狀腺或骨基質內才會引起疾病。（腳註12）

   與α-粒子和β-粒子不同，γ-光子不帶電荷，因此它們只是在與電子直接撞擊時才相互作用。所以一般情況下，一個γ-光子在連續兩次電離之間要走長很多的距離；它的能量消耗得比較慢，對靶物質的穿透要深很多，甚至能穿越靶物質。穿透的深度與靶物質單位體積中電子數量成反比例；因此，由比較輕的原子組成的物質，例如水或軟組織，最容易被穿透，而含有比較重的原子的物質，例如鋼鐵或骨礦物質比較容易阻止γ-射線。（腳註13）

   中子也是不帶電的；與γ-射線不同，它們主要是與靶物質的原子核相互作用，而且它們與比較輕的原子核撞擊比同比較重的原子核撞擊失去能量更快。然而它們像γ-射線一樣，能夠相當深地穿透建築物和人體組織。因此，中子和γ-射線都在核爆炸產生的輻射總劑量中起作用。

2.7.2 能量的直線傳輸

   我們剛才了解了電離粒子在靶物質中穿透的路徑的不同，是根據一個粒子能量消耗的快慢進行分析的。這在數量上可以表達為撞擊粒子通過一個給定的距離所轉移到靶物質的能量。這個數值，即這個粒子的直線傳輸的能量，與穿透的深度成反比例。

2.7.3 衰減的量化討論

   首先我們討論一束平行的射線垂直撞擊一塊物質的表面。作為首要的方法，我們可以認為這塊物質是由許多同樣厚度的層面堆積而成的，並假設每一層都以相同的比率或百分比使撞擊的射線衰減。這樣就形成了一個指數關係：就像我們可以對輻射強度用時間效應來確定生存期一樣，我們可以對物質的屏蔽效應確定一個鬆弛長度：

在這個等式中，表示在物質表面時未衰減的輻射強度，d表示穿透的深度，表示在該深度所檢測到的輻射強度，鬆弛長度λ是給定的物質的層面厚度，這個厚度將把R減少1/e 。類似於對半衰期的時間效應的描述，我們可以設定一個半厚度，同時將強度也降低1/2。接下來，人們可以從表格中找到這個層面的厚度值，結果是輻射衰減了近90%。後面這個數值大約是半厚度時的3倍。（腳註14）

   根據前面的章節，鬆弛長度和半厚度的實際數值，顯然由於輻射的類型和屏蔽物的不同而有相當大的不同。這個原理不僅適用於固體和液體，也適用於氣體，包括大氣層；在大氣層中，屏蔽的半寬度或鬆弛長度遠比在水中、土壤中或混凝土中大得多。因此這個近似指數在實踐中是十分普遍應用的，但有一些影響限制了它的準確性：

   *粒子的能量一般是不均衡的，粒子的能量越大穿透得越深。（腳註15）

   *即使所有的粒子都是從一個方向撞擊相關物質的表面，它們有可能分散開來，而不是全都停下來；它們因此會發生能量變化和方向改變。

   *有些初始粒子在停下來時，會發生二次輻射：被停止的β-粒子或快電子會產生X-射線，被停止的中子會產生γ-射線。這些次生射線通常比產生它們的初始粒子更具穿透能力。

   正如奧克西耶【36】所指出的，為了準確測定在爆炸時人們安放在一座房子裡的樣品的劑量，這些效應是必須加以考慮的。不過近似指數至少對於確定方向是有用的。

2.7.4 同時發生的衰減和徑向發散

   方程式2.8表達的是一束輻射粒子的衰減。然而在炸彈爆炸的時候，輻射是從中心呈放射狀向各個方向發出的。我們假設一個核彈被投到外層空間，那裡沒有能衰減輻射的物質，然而由於徑向發散，輻射強度仍然會隨着距離d的增加而降低：

如果我們假設d是在物質中給定的，由於，就是距輻射中心1米的地方的輻射強度。這個假設是把爆炸的炸彈作為一個點源看待的，當然是不準確的。因為在實踐中，我們關心的只是距離炸彈非常遠的輻射，這個點源的假設就足以解決問題。

   當炸彈在大氣層中爆炸時，必須考慮到衰減和散射。我們可以用下面的公式去計算它們的綜合效應：

與前一個公式的意義相同。方程式2.10適用於由炸彈釋放出來的中子和γ-射線，但每種射線顯然都有各自獨特的λ值。另外這個方程式還可以用來估算每個單位面積的電離粒子的數量，即輻射通量：某種物質所受到的這些粒子撞擊的劑量（見2.9節）。我們可以把方程式2.9變形如下：

這樣就成了d的簡單的指數函數，在一個半對數圖標中形成一條直線。根據這條直線的斜度，我們就能求得λ。這種方法將在6.1.1一節中用得到。

【腳註】

12， 然而通過加速電子使它們得到非常高的能量，它們就可能實現更深的穿透。因此人工高能電子輻射被用來進行癌症的輻射治療。

13，記住，γ-射線與X-射線具有相同的性質。因為骨質中的較重元素（鈣和磷）阻擋了X-射線，所以在X光照片上，骨骼顯示為白色。對比起來，X-射線能夠穿透周圍的軟組織而使膠片呈黑色。

14，推算：=0.125，即12.5%；因此三層半個厚的層面疊加將把輻射衰減100%-12.5%=87.5% 。

15，這種方法已經被用於強化X-射線：讓X-射線管產生的光束首先通過一些金屬濾光片，就會使光譜的低能部分先被衰減；這樣就減少了對皮膚的輻射劑量，否則皮膚就會吸收一小部分不均衡的“軟”射線，從而受到損傷。