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其實任何物質(zhì)都可以阻擋核輻射但是區(qū)別在于,阻擋能力不同。鐵、磚、混凝土都是常用的輻射屏蔽材料。舉個例子:在醫(yī)用診斷用的X射線能量范圍內(nèi),24cm厚的實心磚塊的防護效果相當于2mm厚的鉛板。
1、一般原子序數(shù)越高,輻射阻擋能力就越強。但原子序數(shù)越大的元素生成越困難,因此也更稀少,原材料成本非常高。另外很多原子序數(shù)很大的元素本身就有放射性,不適合用來做防輻射材料。鉛的原子序數(shù)較高,而材料成本不高。
2、密度越高阻擋輻射的能力越強,比如鉛的密度是11.3克/立方厘米,金的密度比鉛大,但是太貴,地球上密度最大物質(zhì)為金屬鋨,密度值為22.8克/立方厘米,更貴。
某些環(huán)境下選擇鉛做為防是輻射阻擋能力和材料成本之間權衡的結果。但鉛不是唯一的選擇:核電站的反應堆外層就用很厚的混凝土。簡而言之就是:任何物質(zhì)都有一定的防輻射作用,至于鉛做為防輻射材料使用范圍較廣的原因是“是輻射阻擋能力和材料成本之間權衡的結果”。
為什么物質(zhì)的原子序數(shù)越高,密度越大阻擋輻射(X射線或γ射線)的效果就越好呢?
原因是:輻射(X射線或γ射線)穿過物質(zhì)會發(fā)生多種相互作用,例如:光電效應、康普頓效應、電子對效應。這些效應會造成X射線或γ射線被吸收或者散射,從而起到了阻擋屏蔽的作用。
光電效應:當光子與物質(zhì)原子的束縛電子作用時,光子把全部能量轉(zhuǎn)移給某個束縛電子,使之發(fā)射出去,而光子本身則消失掉。
康普頓效應:光子與電子發(fā)生非彈性碰撞,一部分能量轉(zhuǎn)移給電子,使它成為反沖電子,而散射光子的能量和運動方向發(fā)生變化。
電子對效應:當光子從原子核旁經(jīng)過時,在原子核的庫倫場作用下,光子轉(zhuǎn)化為1個正電子和1個負電子。
而光電效應、康普頓效應、電子對效應發(fā)生的概率都隨物質(zhì)的原子序數(shù)Z增大而增大。
射線能量一定的情況下,光電效應的發(fā)生概率與Z^5成正比;康普頓效應的發(fā)生概率大致與Z成正比;電子對效應的發(fā)生概率與Z^2成正比。
舉個例子,鉛的原子序數(shù)為82,鐵的原子序數(shù)為26,對于100kV以下的X射線,1mm鉛板的屏蔽效果等于6mm鐵板的屏蔽效果。