辐射（能量以波或粒子的形式在空间或介质传播）_百科资料

简介

辐射根据其本质、性质和作用方式的不同，可以分为电磁辐射（包括微波、可见光、X射线、γ射线等）、粒子辐射（包括带电粒子、重离子和中性粒子等）、电离辐射（包括α粒子、β粒子、质子等）和非电离辐射（包括紫外线、红外线、激光、微波等）。其中，电离辐射和非电离辐射的分类标准是辐射粒子能量大小和能否引起作用物质的分子电离，电离辐射的能量一般超过 12 eV，具有电离作用，电离辐射的来源包括天然放射线（宇宙射线和地壳中的放射性元素）和人工辐射源；非电离辐射能量水平12 eV以下，不能引起物质电离，包括激光、紫外线、红外线等。不同的辐射类型有不同的单位，用于描述其活度、照射量、吸收剂量和剂量当量，这些单位也随着时间的推移而发生了变化。

辐射这一概念最早于1895年由威廉·康拉德·伦琴（德语：Wilhelm Conrad Röntgen）在研究X射线时提出。1896年，法国物理学家贝可勒尔发现放射性现象。在此基础上，1898年波兰物理学家居里夫人发现了镭元素。1905年爱因斯坦的光电效应理论对辐射的理论基础产生影响。目前，辐射已广泛应用于医学、工业、地质学和能源生产等多个领域。然而，过量的辐射可能对人体造成危害，严重的情况甚至会导致疾病和癌症等健康问题。因此，在利用辐射的过程中，必须进行一定的检测和防护措施，以确保人们的健康和安全。

发现历史

1895年，德国实验物理学家伦琴发现了一种强穿透性的射线——X射线，他在研究X射线的过程中提出了“辐射”这一概念。早在19世纪末，人们就发现具有加速度的带电粒子会发出电磁辐射。由此奠定了无线电广播、电磁广播等领域的物理基础。1901年诺贝尔奖第一次颁发，伦琴由于发现X射线而获得了首个诺贝尔物理学奖。

1896年，法国物理学家贝可勒尔发现放射性现象。1897年，波兰物理学家居里夫人正式提出“放射性”概念，并和丈夫一起潜心研究放射性，随后发现了放射性元素“钍”"钋"和"镭"，他们的研究推动了物理学的发展，于1903年获得了诺贝尔物理学奖，1911年又获得诺贝尔化学奖。

“放射性”概念提出后，英国剑桥大学卡文迪许实验室的卢瑟福也致力于研究放射性。在一众科学家的努力下，α、β和γ三种放射性射线逐渐被发现。其中α射线由两个质子和两个中子组成，是带两个正电荷的氦核 (又称α粒子)；β射线是带负电荷的电子流，质量小；γ射线是电中性的电磁辐射，波长较短。人们通过这三种射线在磁场中的轨迹不同来区分三者。

1905年，爱因斯坦通过光电方程提出光子概念，但当时并未得到人们承认。直到1923年，康普顿等人通过电子和光子相互碰撞的实验证实了光具有粒子性，爱因斯坦的光的粒子性假说变成了理论。

在微观领域里，人们发现电子在原子轨道运动中不断由于辐射而丢失能量，基于这一现象，1912年左右，玻尔构想了他的原子理论，形成了玻尔原子模型。在玻尔研究的基础上，爱因斯坦在1916年发表《关于辐射的量子理论》，此文提出了激光辐射理论，认为由于受激辐射而得到加强的光就是激光。

同时，人们还发现，当变速电子的速度趋近光速时，它的辐射有着奇特的性质，这就是同步辐射。苏联理论物理学家波默朗楚克最早研究同步辐射，致力于探讨加速粒子所能达到的极限或与地磁场相关的宇宙线现象。1947年，物理学家在实验室发现了同步辐射。

辐射原理

辐射这一概念最早由伦琴（Röntgen）在研究X射线时提出。辐射是一种能量的空间传递，是一种物理现象，是指能量以电磁波或粒子的形式向外扩散。物体温度只要高于绝对零度，就会不断地产生辐射，辐射出去的能量可以是电磁波也可以是粒子。根据辐射的本质，可以将其分为电磁辐射和粒子辐射；根据辐射的能量大小和能否引起作用物质的分子电离，又可以将其分为电离辐射和非电离辐射。

分类

根据辐射的本质，可以将其分为电磁辐射和粒子辐射。根据辐射的能量大小和能否引起作用物质的分子电离，又可以将其分为电离辐射和非电离辐射。

电磁辐射和粒子辐射

电磁辐射原理

电磁辐射实质上是电磁波，是通过电荷的加速或减速造成的，辐射能量的形式是光子。由电磁学原理可知，空间的电荷会在其自身周围产生电场，通过运动电荷形成空间的电流，还会产生磁场。同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动就形成了电磁波。其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，能有效地传递能量和动量。

电磁辐射

电磁辐射是一种能够在空气、真空、水和固体等介质中传播的电磁波，包括电场和磁场的交替变化。它是原子和分子内部运动状态的外在表现，当物体的内部结构发生变化时，比如电子的跃迁或原子核反应等，就会产生电磁辐射。电磁辐射是一种无形的物质存在形式，在高于绝对零度（-273.15℃）时，所有物体都会以电磁波的形式向外辐射能量。电磁辐射源可分为自然（如太阳黑子）和人工（如无线电设备）两种。根据电磁辐射的频率范围，电磁辐射通常可以分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线等类型。

粒子辐射原理

粒子辐射是指构成物质的基本粒子或由基本粒子组成的原子核，可以通过消耗自己的动能把能量传递给其他物质。粒子辐射与电磁辐射密切相关。当电磁波照射到带电粒子时，电磁波的电、磁单元都会在这个粒子上产生力，促使粒子运动。因为波在时间上有周期性，所以粒子的运动也有周期性。当粒子做加速运动时，会产生电磁辐射。更确切地说，从入射波中被粒子吸收的能量会再次作为电磁辐射辐射出去。这样一个过程显然等效于电磁波被粒子散射。

粒子辐射

粒子辐射是指高速运动的带电或中性粒子通过与物质相互作用而向外发射能量的现象。常见的粒子辐射类型包括带电粒子、重离子和中性粒子，它们与物质之间的相互作用方式不同。其中，带电粒子包括电子、质子、α粒子、β粒子等，这些粒子在与物质相互作用时会产生电离作用，将能量传递给物质。中性粒子包括中子、中微子等，与物质相互作用时通常基于弱相互作用或万有引力，产生次级粒子和能量沉积。重离子指的是比氦原子更重的离子，如碳、氧、铁等，但涉及重离子的辐射相互作用十分罕见。与电磁辐射不同，粒子辐射含有静止质量，这是其本质特征之一。以下是主要的粒子辐射的简要概述。

粒子类型	特点	用途和应用
电子	带有一个最小单位负电荷，轻巧，穿透能力较弱	医学影像学、肿瘤治疗中的电子加速器
α粒子	由2个质子和2个中子组成，带两个正电荷，电离能力强	放射性核素内部放射源，外部不具有严重危害
中子	不带电荷，与原子核相互作用，穿透能力较大	核反应、放射性核素、反应堆产生，用于肿瘤治疗
质子	氢原子核，带正电荷，质量较大	医学影像学、肿瘤治疗中的质子疗法
π介子	介于电子和质子之间，可带正、负电荷或中性	高能π介子用于肿瘤放射治疗
重离子	带正电荷的原子核，具有高LET和布拉格峰	重离子疗法用于肿瘤治疗，需要高能加速器

电离辐射和非电离辐射

电离辐射原理

电离辐射可以导致物质的分子电离，并产生带正电荷的离子及带负电荷的电子，包括高速粒子及高能量电磁波，如宇宙线、X线、线、带电或非带电粒子射线等。同时，电离辐射中，还包括粒子、β粒子、质子等能直接引起物质产生电离的直接电离粒子；和致电离光子、中子等本身不带电离子，在与物质相互作用时产生带电的次级粒子而引起物质电离的间接电离粒子。

电离辐射

电离辐射是指能够使物质的原子、分子电离的辐射。这种辐射可以直接或间接地将能量转移给物质，进而使得物质中的电荷状态发生改变，形成自由的电子和离子。与生物学相关的电离辐射至少需要具有12电子伏的量子能级。电离辐射的来源既可以是天然辐射，如自然界的宇宙射线等，也可以是人工辐射，如被人为加工过的天然辐射源。

电离辐射可分为间接电离辐射(如α粒子、β粒子等)和直接电离辐射(如X射线、γ射线和中子等)。电离辐射的电离能力取决于其所带的能量，而不是其数量或强度。

间接电离辐射中的α粒子是高速运动的氦原子核，由两个质子和两个中子组成，静止质量为6.64×10kg，易使其他物质电离；β粒子质量小，在通过物质时容易散射，因此很难在射程之外引起变异，β粒子的射程随着β粒子的能量增加而增加。

直接电离辐射中的X射线是一种不带电荷的阴极射线，是一种中性射线，波长为10到10cm；γ射线同样是不带电荷的中性射线，性质类似X射线，但波长更短，只有10到10cm；中子被广泛应用在辐射生物学的研究中，一般被认为是不带电的中性粒子，静止质量为1.0086520μ(1.674920x10g)。电离辐射的电离能力取决于其所带的能量，而不是其数量或强度。

非电离辐射原理

非电离辐射是低能量的电磁辐射，如紫外线、红外线、激光、微波等除X射线和Y射线以外的电磁波。由于它们的能量不高，不足以引起生物体电离，所以只会使物质内的粒子产生振动，从而导致温度上升。非电离辐射也包括超声波。

非电离辐射

非电离辐射是指不能直接使物质的原子或分子电离的辐射，与电离辐射相反。通常情况下，非电离辐射的能量很低，不足以将电子从原子或分子中移走，因此不会产生离子和自由电子。在生物学中，非电离辐射的量子能量小于12eV。非电离辐射包括紫外线、红外线、激光等除X射线和γ射线以外的电磁波。

紫外线是电磁波谱中波长从10nm到400nm辐射的总称，肉眼不可见。自然界中，太阳是紫外线的主要。但太阳光透过大气层时，波长短于290nm米的紫外线会被臭氧吸收掉。人工的紫外线光源有多种气体的电弧(如低压汞弧、高压汞弧)。红外线又被称为热射线（因物体吸收红外线后温度会上升），是指波长比射电波短(约0.1mm以下)，比可见光长(约800nm以上)的电磁波。激光是指由于受激辐射而得到加强的光。一个入射光子由于引起受激辐射可以得到两个同样的光子，如果在媒质中传播时，这些光子再引起其它原子发光受激辐射，会产生越来越多的相同的光子，使光得到加强。

辐射单位

辐射单位是用来衡量放射性核素的放射性(activity)和电离辐射剂量(dose)的单位。最初的表示辐射的单位是伦琴，但随着其它核反应粒子辐射和放射性材料的出现，出现了其它实用性单位，如居里、拉德和雷姆。然而，这些旧的单位目前已被其对应的新标准国际单位库伦、贝克勒尔、戈瑞和西韦特所代替。下表展示了新旧单位之间的换算关系：

物理量

旧单位

新单位

换算关系

放射性活度

居里（Ci）

贝克[勒尔]（Bq）

闪烁探测器

闪烁探测器是一种利用核辐射与特定物质（即闪烁体）相互作用时，使其电离和激发而发射荧光的原理来检测核辐射的仪器。早在1911年，卢瑟福等人就使用ZnS（Ag）作为闪烁体，在α粒子散射实验中观察到微弱的闪光信号。随着技术的不断进步和发展，闪烁探测器在核物理、核化学、天文学、生命科学、材料科学等领域得到了广泛应用。

探测原理

闪烁探测器主要由两部分组成，即闪烁体和光电倍增管。其中，闪烁体通过核辐射与物质相互作用产生脉冲信号，而光电倍增管则负责将脉冲信号放大并转换为电信号，以进行信号处理和分析。利用闪烁探测器，可以对射线强度进行测量，同时也可以测定粒子的能量。闪烁探测器工作结构图如右图所示：

常见的闪烁探测器有ZnS探测器Nal 探测器和液体有机闪烁探测器。

探测器类型	特点	优点	缺点
ZnS探测器	使用银激活剂，对α粒子和重离子敏感	有效探测α粒子和重离子	易受尖物穿刺
NaI探测器	使用NaI晶体，高效探测γ射线	高γ射线探测效率，不需液氮冷却	晶体易潮解变质，能量分辨率差
液体有机闪烁探测器	用于α射线和低能β射线监测	高效监测低能辐射	无法用于高能γ射线监测

半导体探测器

半导体探测器是一种以半导体材料作为探测介质的固态探测器。与气体探测器相似，半导体探测器也是通过收集辐射照射在介质材料上所产生的电子-空穴对，从而产生电脉冲来进行探测。然而，相比于气体探测器，半导体探测器中带电粒子产生电子-空穴对所需的能量更小，在硅中约为3.6eV，在锗中约为2.8eV，约为气体探测器的1/10左右。因此，半导体探测器具有更高的灵敏度和更好的能量分辨率。半导体探测器最初由美国贝尔电信电话实验室的K.G.麦凯在1949年提出，目前已经广泛应用于核物理、材料科学、医学影像等领域。根据制造工艺的不同，半导体探测器可分为面垒型半导体探测器、漂移型半导体探测器和高纯锗半导体探测器（HPGe）等。

中子探测器

中子探测器是一种特殊的探测器，用于探测中子。由于中子本身不带电，不能直接通过电离效应进行探测。因此，需要先收集中子与物质相互作用产生的次级粒子，再利用这些次级粒子在探测器中的能量沉积或电离效应来产生可测量的信号。按探测器探测中子的机理可以分为核反冲中子探测器、核反应中子探测器、核激活中子指示器与核裂变中子探测器。

探测器类型	工作原理	优点	缺点
核反冲型中子探测器	利用快中子与氢核碰撞产生反冲质子，通过检测反冲质子的电离信号来探测中子	适用广泛的中子能量范围，高能量中子可产生大幅度脉冲信号	控测效率相对较低，对γ辐射敏感，质子能量与光脉冲之间的关系是非线性的
核反应型中子探测器	通过中子引发核反应来检测中子，可以使用不同的材料来适应不同中子能量范围	适用于不同中子能量，产生高脉冲幅度有利于甄别干扰信号	需要激活剂，操作相对复杂，部分材料易受潮解或热变质
核激活性中子探测器	通过中子引发核素激活来检测中子，通常使用稳定核素作为中子激活指示器	小巧、简便操作，适用于多种中子能量，有较强的抗辐射干扰能力	不能实时获得测量结果，需要复杂的放射性活度测定技术
核裂变型中子探测器	通过检测核裂变反应产生的中子来检测中子，适用于广泛的中子能量范围	适用于高计数率情况下，不需要液氮冷却	需要核材料，有辐射性，不适用于低能中子

以上参考文献来自《电离辐射防护与辐射源安全》。

辐射的应用

医学

放射诊断

放射诊断是一种利用放射性同位素或X射线等高能辐射技术对人体进行医学诊断的方法，其中X射线是目前最常见的放射性技术，常用于检测骨折、肺部疾病、癌症等疾病。

这种放射诊断过程包括两个主要组成部分：X射线源和影像接收器。X射线源通常由X射线管和发生器组成，用于产生X射线辐射。X射线通过人体受检部位时，会因不同组织的吸收和散射而产生不同程度的衰减。影像接收器可以采用不同的技术，包括X射线胶片/增光屏、电子影像增强器以及数字影像接收器等。这些接收器捕捉X射线通过组织的衰减信息，然后将其转化为可供医生分析的图像，用于诊断疾病、评估损伤或检查人体内部的异常情况。

放射治疗

放射治疗是常见的癌症治疗手段，治疗原理是采用精心选定的电离辐射剂量来破坏癌细胞的DNA，一般分为外放射疗法和内放射疗法。外放射疗法患者需躺在桌子上保持不动，治疗设备会将辐射束对准病变部位，进行精准治疗。内放射疗法是将微量放射源放置于体内直接照射肿瘤。

放射治疗是利用高能辐射来杀死癌细胞或减缓其生长的一种技术，常见用于治疗多种癌症，如淋巴瘤、胸部和头颈部肿瘤等。

核医学

核医学是一种利用放射性同位素对人体进行诊断、治疗和研究的医学分支。核医学成像技术与超声成像( US)技术、X线CT(X- CT)技术和磁共振成像( MRI)技术是当今医学诊断的四大影像技术，在临床诊疗中均占据举足轻重的地位。

工业

在工业中，同位素和辐射技术被广泛应用。辐射可以加工产品，如热收缩材料和电线电缆绝缘层，以及火灾报警仪和核子控制系统。而同位素示踪技术不仅被应用于工业界，还被广泛运用于防止大蒜发芽等食品加工技术中。相关技术在其他诸如勘探、采冶、机械、化工、仪器等领域都得到了广泛应用。

地质学

放射性同位素的半衰期可用来测定矿物或岩石的年龄和化学成分，帮助地质学家了解地球的构造和演化历史。如从岩石中

辐射对人体的影响

X射线

X射线对人体的危害主要涉及以下几个方面：

细胞损伤：X射线的能量较高，可以直接或间接地损伤细胞。对于孕妇和胎儿来说，可能导致胎儿先天畸形、出生后患血液疾病、发育障碍等。
放射性皮炎：接受高剂量X射线辐射后，皮肤可能会出现干硬、红斑、脱毛，甚至溃疡或癌变等。
造血系统损伤：长时间接受高剂量X射线辐射，人体的造血系统会受到影响，从而导致血小板降低甚至发生出血性症候群[38][40]。
生殖系统损伤：长期接触X射线还可能导致生殖细胞的突变，进而导致生殖功能障碍、不孕。
神经系统损伤：神经系统对X射线最为敏感，受过量照射或微量长期累积至一定数量后，会引起神经系统的失调和衰退。其全身反应表现为精神不振、头痛、健忘、食欲不振、呕吐等症状。

γ射线

γ射线是频率最高的电磁波辐射。虽然它的直接电离能力很弱，但穿透能力很强，能够穿透很厚的物质，对生命体构成严重威胁。在日常生活中，很难接触到γ射线。受到大量γ射线照射通常都是指受到核辐射的照射。虽然γ射线的应用有限，但仍有一些应用，比如进行外科手术时所使用的伽马刀，或测井作业中使用的伽马源等。然而，这些应用若过度照射可能会杀伤白血球、血小板，引起放射性脑水肿甚至脑坏死等影响。

紫外线

紫外线是一种非电离辐射，在日常生活中比较常见，包括UVA、UVB和UVC三种类型，能够使皮肤产生色素。然而，过度的紫外线照射会对人体产生负面影响，主要危害如下：

皮肤癌和黑色素瘤：长期接受过量的紫外线照射会引起皮肤损伤，包括真皮和表皮层，严重的情况下会产生真皮炎症性质的红斑。特别是容易出现黑色素瘤，进而引起黑瘤及非黑瘤性皮肤癌等病变。

皮肤老化：紫外线能够破坏人体皮肤中的胶原纤维和弹力纤维，导致皮肤干燥、革化、失去弹性、起皱并常伴有不规则的色素沉着等。

眼部疾病：紫外线还具有较强的照射力，能够直接损伤眼结构，导致白内障和视网膜病变等眼部疾病。

红外线

红外线是一种电磁波，其波长较长，能够穿透大部分物体，包括人体组织。相对于X射线、伽马射线和紫外线，红外线的危害较小，但仍存在一定的损伤。具体来说，长期暴露在高强度的红外线照射下，会导致皮肤温度升高，严重的会引起烧伤。此外，长期接触高强度的红外线光束还可能导致眼底视网膜烧伤、角膜烧伤（混浊、白斑），严重的甚至会引起白内障等疾病。

微波辐射

微波辐射是一种无线电波，其波长比红外线短，频率比广播电波高，可以在空气中传播。与前面所提及的辐射相比，微波辐射对人体的危害更为复杂和严重，主要表现在以下几个方面：

对眼睛的影响：首先，微波辐射可能导致眼球晶状体混浊，长期暴露于过度的微波辐射甚至会引发白内障等眼部疾病。

对皮肤的影响：高强度的微波辐射会加热人体皮肤组织，引发烧伤、灼伤和红斑等皮肤损伤。

对神经系统的影响：高浓度的微波辐射还可能影响人体神经系统，引起头痛、疲劳、失眠、幻听、幻视等神经系统障碍。

对免疫力的影响：同时还会导致人体免疫系统的功能受到抑制，增加感染疾病的风险。

对生殖系统的影响：高强度的微波辐射对生殖系统也有很大的危害，容易导致男性精子数量减少和活动能力降低，从而导致暂时性不育，也会导致女性经期不规律。

无线电波

无线电波的频率和波长范围很广，通常根据波长的不同被划分为不同的波段。常见的无线电波波段包括长波、中波、短波、超短波和微波段。其中，长波无线电波的频率很低，波长很长，对人体的影响相对较小。相反，短波和超短波的频率较高，波长较短，长时间接触可能会导致人体内部体温升高，引起中枢神经系统的障碍。

对神经系统的影响：引起中枢神经和植物性神经系统的机能障碍。主要表现为神经衰弱、情绪不稳定、心动过缓等症状，在后期有的会出现心动过速，心悸等情况。

对血液的影响：微波会使外周血液中白细胞总数暂时下降。

对眼睛的影响：长期接触大强度微波，会使晶状体呈点状或小片状混浊，甚至出现白内障症状。

防护

外照射防护

时间防护

是指尽量减少人身暴露于辐射源旁的时间，即在保证工作效率和实现工作任务的前提下，缩短暴露时间，减少照射剂量。对于某些高放射性放射源的辐射环境，最好采取短时间连续工作或者分段工作的策略。

距离防护

距离防护指尽可能增加人与辐射源的距离，以减少照射人体的剂量。辐射强度随着距离的增加而迅速下降，因此增加距离可以大幅地降低照射剂量。实际操作中，可以借助工具来避免近距离接触。

屏蔽防护

屏蔽防护指使用一定材料对辐射进行屏蔽，以减小照射剂量。这种方法可以制造出具有一定厚度和密度的防护屏障，在其作用下，辐射粒子会被屏蔽掉一部分，从而达到减少照射剂量的目的。根据不同的辐射类型，需选用不同的屏蔽材料，通常可设置多道屏蔽层。

内照射防护

内照射防护通常是通过口腔、呼吸道或皮肤伤口直接进入人体内部，因此比外照射更难以防护。

	呼吸防护	口腔防护	皮肤防护
措施	避免空气污染，对被污染空气进行净化，规范操作过程，穿戴防护用品	禁止在放射性工作场所进食和吸烟，操作放射性物质时，要戴手套，事后认真洗手	皮肤受伤时，要妥善包扎并戴上手套，不允许用有机溶剂洗手

防护措施包括对放射源的隔离、空气净化、个人防护以及实时监测。对于需要接触放射性物质的人员，应戴上合适的防护装备，如防护服、手套、鞋套和面罩等，以最大限度降低辐射对身体的影响。定期检测员工身体的辐射状况，并及时采取措施。实时监测内照射辐射水平可以帮助我们了解当前环境下放射性物质的分布情况和辐射水平，以便对辐射风险及时做出评估和防范措施。

绿川光艾斯

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