放射性廢物管理/輻射相互作用基礎

為了更好地理解放射性廢物，你需要了解四種基本粒子。這四種粒子是

• α粒子
• β粒子
• γ射線
• 中子

此外，還有兩種所有輻射的性質需要定義：半衰期和放射性。

α粒子（以希臘字母中的第一個字母命名並表示為α，由兩個質子和兩個中子結合在一起形成的粒子，與氦核相同，在α衰變過程中產生。α粒子可以寫成$He^{2+}$，${}_{2}^{4}He^{^{2}+}$或${}_{2}^{4}He$（因為離子有可能從環境中獲得電子。此外，電子在核化學中並不重要）。並非所有氦核都被所有作者視為α粒子。與β粒子一樣，粒子名稱在一定程度上暗示了它的產生過程和能量。

α粒子與氦核一樣，淨自旋為零，並且（由於它們在核衰變中產生的機制），經典上具有約5 MeV的總能量。它們是高度電離的粒子輻射形式，並且（在放射性α衰變時）具有較低的穿透深度。它們可以被幾釐米的空氣或皮膚阻擋。然而，如前所述，構成宇宙射線 10-12% 的氦核通常比放射性衰變產生的氦核具有更高的能量，因此能夠高度穿透，能夠穿過人體，並能夠穿透許多米厚的緻密固體遮蔽，這取決於它們的能量。

α衰變過程

來源

當一個原子發射出一個α粒子時，由於失去了α粒子中的四個核子，原子的質量數減少了四。原子的原子序數減少了兩個，因為失去了兩個質子——原子變成了一個新的元素。例如，鈾變成了釷，或者鐳由於α衰變變成了氡氣。

α粒子通常由所有較大的放射性原子核發射，例如鈾、釷、錒和鐳，以及超鈾元素。與其他型別的衰變不同，作為一種過程，α衰變必須具有可以支援它的最小尺寸原子核。迄今為止發現能夠發射α粒子的最小原子核是碲（元素 52）的最輕核素，質量數介於 106 和 110 之間。發射α粒子的過程有時會使原子核處於激發態，透過發射γ射線去除多餘的能量。

與β衰變形成對比的是，α衰變背後的基本相互作用是電磁力和核力的平衡。α衰變是由α粒子與核的剩餘部分之間的庫侖排斥力引起的，兩者都帶正電荷，但這種排斥力受到核力的抑制。

能量和吸收

發射的α粒子的能量輕微地取決於發射過程的半衰期，半衰期變化很多個數量級會導致能量變化小於 50%（參見α衰變）。發射的α粒子的能量各不相同，較大的原子核會發射更高能量的α粒子，但大多數α粒子的能量介於 3 到 7 MeV（兆電子伏特）之間，分別對應於極長到極短的α發射核素的半衰期。

對於單個粒子來說，這是一個相當大的能量，但它們的高質量意味著α粒子的速度比其他常見型別的輻射（β粒子、中子等）低（典型的動能為 5 MeV，速度為 15,000 km/s，即光速的 5%）。γ射線是一種電磁輻射，以光速傳播。由於α粒子帶電且質量大，因此很容易被物質吸收，並且它們在空氣中只能傳播幾釐米。它們可以被紙巾或人體表層皮膚（約 40 微米，相當於幾層細胞的深度）吸收。

生物效應

由於阿爾法粒子吸收範圍短，除非來源被攝入或吸入，否則它們通常對生命沒有危險，在這種情況下，它們會變得極其危險。由於這種高質量和強吸收，如果阿爾法發射放射性核素確實進入人體（如果放射性物質已被吸入、攝入或注射，就像 1950 年代之前使用釷射線進行高質量 X 光影像一樣），阿爾法輻射是最具破壞性的電離輻射形式。它是電離最強的，如果劑量足夠大，會導致輻射中毒的任何或所有症狀。據估計，阿爾法粒子造成的染色體損傷是等量其他輻射造成的染色體損傷的 100 倍。強大的阿爾法發射體釙-210（一毫克 ²¹⁰Po 每秒發射的阿爾法粒子數量與 4.215 克 ²²⁶Ra 相同）被懷疑在與吸菸有關的肺癌和膀胱癌中發揮作用

阿爾法粒子本身不僅會造成損害，而且在阿爾法發射後，反衝原子核也會造成大約相同的電離，這種能量反過來可能會對遺傳物質特別有害，因為許多可溶性超鈾元素髮出阿爾法粒子的正陽離子在化學上被吸引到 DNA 的淨負電荷，導致反衝原子核與 DNA 非常接近。

發現和使用的歷史

阿爾法輻射由氦-4 核組成，很容易被一張紙片阻止。由電子組成的貝塔輻射，被鋁板阻止。伽馬輻射最終會在穿透緻密物質時被吸收。鉛因其密度而善於吸收伽馬輻射。

在 1899 年和 1900 年，物理學家歐內斯特·盧瑟福和保羅·維拉德根據對物體的穿透能力和引起電離的能力，將輻射分為三種類型：阿爾法、貝塔和伽馬。阿爾法射線由盧瑟福定義，因為它們對普通物體的穿透力最低。

阿爾法粒子被磁場偏轉

盧瑟福的工作還包括測量阿爾法粒子質量與其電荷之比，這使他能夠假設阿爾法粒子是氦核（當時氘核具有相同的質量電荷比，尚不清楚）。 1907 年，歐內斯特·盧瑟福和托馬斯·羅伊德斯最終證明阿爾法粒子確實是氦核。為此，他們讓阿爾法粒子穿透一個抽空管子的非常薄的玻璃壁，從而捕獲了管子內大量假設的氦核。然後，他們在管子內引起電火花，這提供了電子流，這些電子被核吸收以形成氣體的中性原子。隨後的對所得氣體光譜的研究表明，阿爾法粒子確實是假設的氦核。

由於阿爾法粒子自然存在，但可能具有足夠高的能量參與核反應，因此對其的研究為早期對核物理的瞭解做出了很大貢獻。盧瑟福使用溴化鐳發射的阿爾法粒子推斷 J.J. 湯姆森的原子模型是錯誤的。在蓋革-馬斯登實驗中，盧瑟福的同學漢斯·蓋革和歐內斯特·馬斯登進行了金箔實驗，建立了一束窄的阿爾法粒子束，穿過非常薄的金箔（幾百個原子厚）。阿爾法粒子透過硫化鋅屏檢測，硫化鋅屏在阿爾法粒子碰撞時會發出閃光。盧瑟福假設，如果原子模型是正確的，那麼帶正電荷的阿爾法粒子將被預測的離散正電荷輕微偏轉，即使有的話。

結果發現，一些阿爾法粒子被偏轉的角度遠大於預期（這是由盧瑟福提出的檢查建議），甚至有些粒子幾乎直接反彈。儘管大多數阿爾法粒子像預期的那樣直線穿過，但盧瑟福評論說，少數被偏轉的粒子就像用 15 英寸炮彈射擊薄紙一樣，然後反彈回來，再次假設“棗糕”理論是正確的。結果表明，原子的正電荷集中在中心的一個小區域，使正電荷足夠密集，足以偏轉任何靠近後來被稱為原子核的帶正電荷的阿爾法粒子。

注意：在此發現之前，人們不知道阿爾法粒子本身就是原子核，也不知道質子或中子的存在。在這一發現之後，J.J. 湯姆森的“棗糕”模型被拋棄，而盧瑟福的實驗導致了玻爾模型（以尼爾斯·玻爾命名）以及後來的原子現代波動力學模型。

典型阿爾法粒子透過放射性衰變發射的能量損失（布拉格曲線）在空氣中。

在核物理學中，貝塔衰變是一種放射性衰變，其中會發射出一個貝塔粒子（一個電子或一個正電子）。在電子發射的情況下，稱為貝塔負（e⁻），而在正電子發射的情況下稱為貝塔正（e⁺）。發射的貝塔粒子具有連續的動能譜，範圍從 0 到最大可用能量（Q），這取決於參與衰變的母體和子體核狀態。典型的Q 約為 1 MeV，但範圍可以從幾 keV 到幾十 MeV。就像電子的靜止質量能量當量為 511 keV 一樣，能量最高的貝塔粒子是超相對論性的，速度非常接近光速。

在基本層面上（如以下費曼圖所示），這是由於透過發射 W^- 玻色子將下夸克轉換為上夸克；W^- 玻色子隨後衰變為電子和一個電子反中微子。

因此，與衰變不同，衰變不能孤立地發生，因為它需要能量，中子的質量大於質子的質量。衰變只能發生在核內部，當母體核的結合能值小於子體核的結合能值時。這些能量之間的差異進入將質子轉換為中子、正電子和中微子的反應，以及這些粒子的動能。

電子俘獲（K 俘獲）

在所有允許衰變能量上（並且質子是具有電子殼層的原子核的一部分）的情況下，它伴隨著電子俘獲過程，此時原子電子被原子核俘獲，併發射出一箇中微子

能量 + p + e- → n + v_e

但是，如果初始狀態和最終狀態之間的能量差小於 2m_ec²，則衰變在能量上是不可能的，電子俘獲是唯一的衰變模式。

這種衰變也稱為 K 俘獲，因為原子中最“內層”的電子屬於原子的電子構型的 K 層，並且它與原子核相互作用的機率最高。

核嬗變

如果質子和中子是原子核的一部分，這些衰變過程會將一種化學元素嬗變為另一種化學元素。例如

貝塔衰變不會改變原子核中核子數A，只會改變其電荷Z。因此，可以引入所有具有相同A 的核素的集合；這些同量異位素可以透過貝塔衰變相互轉化。其中，幾個核素（至少一個）是貝塔穩定的，因為它們表現出質量盈餘的區域性最小值：如果這樣一個原子核具有 (A, Z) 數，相鄰原子核 (A, Z−1) 和 (A, Z+1) 具有更高的質量盈餘，並且可以貝塔衰變為 (A, Z)，但反之則不行。對於所有奇數質量數A，全域性最小值也是唯一的區域性最小值。對於偶數A，實驗上已知最多三個不同的貝塔穩定同量異位素；例如，⁹⁶Zr、⁹⁶Mo 和 ⁹⁶Ru 都是貝塔穩定的，儘管第一個可以進行非常罕見的雙貝塔衰變（見下文）。總共有大約 355 種已知的貝塔衰變穩定核素。

貝塔穩定的原子核可能會經歷其他型別的放射性衰變（例如，阿爾法衰變）。在自然界中，大多數同位素是貝塔穩定的，但有一些例外，它們的半衰期非常長，自核合成以來，它們還沒有足夠的時間衰變。一個例子是 ⁴⁰K，它經歷所有三種類型的貝塔衰變（以及電子俘獲），半衰期為 1.277×10⁹ 年。

歷史

從歷史上看，貝塔衰變的研究提供了第一個關於中微子的物理證據。1911 年，莉澤·邁特納和奧托·哈恩進行了一項實驗，表明由貝塔衰變發射的電子的能量具有連續譜而不是離散譜。這顯然與能量守恆定律相矛盾，因為它似乎在貝塔衰變過程中能量消失了。第二個問題是氮-14 原子的自旋為 1，這與盧瑟福的預測值 1/2 相矛盾。

在 1920-1927 年，查爾斯·德魯蒙德·埃利斯（以及詹姆斯·查德威克及其同事）明確地確立了貝塔衰變譜實際上是連續的，消除了所有爭議。

在 1930 年，沃爾夫岡·泡利在一封著名的信中提出，除了電子和質子之外，原子還包含一個極其輕的 中性粒子，他稱之為中子。他認為這種“中子”也會在β衰變中發射出來，只是還沒有被觀測到。1931 年，恩里科·費米將泡利的“中子”改名為中微子，並在 1934 年發表了關於β衰變的非常成功的模型，在這個模型中產生了中微子。

原子核發射伽馬射線 (γ) 的示意圖

伽馬輻射，也稱為伽馬射線 (γ)，是高頻（波長非常短）的電磁輻射。它們是由亞原子粒子相互作用產生的，例如電子-正電子湮滅、中性π介子衰變、放射性衰變、核聚變、核裂變或天體物理過程中的逆康普頓散射。伽馬射線通常頻率高於 10¹⁹ Hz，因此能量高於 100 keV，波長小於 10 皮米，通常小於原子大小。來自放射性衰變的伽馬射線通常能量為幾百 keV，能量幾乎總小於 10 MeV。

由於它們是電離輻射的一種形式，因此伽馬射線被生物組織吸收時會造成嚴重的傷害，因此對健康有害。

1900 年，法國化學家和物理學家保羅·維拉爾在研究鐳發射的輻射時發現了伽馬輻射。阿爾法和貝塔“射線”已被歐內斯特·盧瑟福於 1899 年分離並命名，1903 年，盧瑟福將維拉爾發現的這種獨特的新的輻射命名為“伽馬射線”。

過去，X 射線和伽馬射線的區別是基於能量（或等效的頻率或波長），伽馬射線被認為是 X 射線的高能版本。然而，現代由線性加速器（“直線加速器”）產生的用於癌症放射治療的高能（兆伏）X 射線通常比放射性伽馬衰變產生的伽馬射線具有更高的能量。相反，在診斷核醫學中使用最常見的伽馬射線發射同位素之一是鎝-99m，它產生的伽馬輻射能量約為診斷 X 射線機的能量（140 KeV），並且明顯低於來自直線加速器的治療光子的能量。由於能量範圍的廣泛重疊，這兩種型別的電磁輻射現在通常由它們的起源來定義：X 射線由電子發射（無論是在原子核外的軌道中，還是在加速以產生軔致輻射時），而伽馬射線由原子核或其他粒子衰變或湮滅事件發射。核反應產生的光子沒有能量下限，因此由這些過程產生的紫外線甚至更低能量的光子也被定義為“伽馬射線”。

在某些領域，如天文學，伽馬射線和 X 射線有時仍然根據能量來定義，或交替使用，因為產生它們的機制可能不確定。

康普頓伽馬射線天文臺看到的月球，在 20 MeV 以上的伽馬射線中。

這些是由宇宙射線轟擊其表面產生的。太陽沒有類似的高原子序數表面作為宇宙射線的靶標，因此在這些能量下根本無法看到，因為這些能量過高，無法從初級核反應（如太陽核聚變）中釋放出來。[2]

計量單位和照射

伽馬射線電離能力的度量稱為照射

• 庫侖每千克 (C/kg) 是電離輻射照射的 SI 單位，是指在 1 千克物質中產生 1 庫侖的每種極性電荷所需的輻射量。
• 倫琴 (R) 是一個過時的傳統照射單位，它代表產生 1 靜電單位的每種極性電荷在 1 立方厘米幹空氣中所需的輻射量。1 倫琴 = 2.58×10^-4 C/kg

然而，伽馬射線和其他電離輻射對生物組織的影響與其沉積的能量量更為密切相關，而不是電荷量。這被稱為吸收劑量

• 戈瑞 (Gy)，其單位為 (J/kg)，是吸收劑量的 SI 單位，是指在 1 千克任何型別的物質中沉積 1 焦耳能量所需的輻射量。
• 拉德 (rad) 是相應的傳統單位（已過時），等於每公斤沉積 0.01 焦耳。100 拉德 = 1 戈瑞。

當量劑量是衡量輻射對人體組織的生物學效應的指標。對於伽馬射線，它等於吸收劑量。

• 西弗 (Sv) 是當量劑量的 SI 單位，對於伽馬射線，它在數值上等於戈瑞 (Gy)。
• 雷姆 (rem) 是傳統的當量劑量單位。對於伽馬射線，它等於拉德，或者每公斤沉積 0.01 焦耳能量。1 Sv = 100 雷姆。

特性

遮蔽

遮蔽伽馬射線需要大量的質量。它們更容易被原子序數高、密度大的材料吸收，儘管與伽馬射線路徑上的總質量相比，這兩種效應都不重要。出於這個原因，鉛遮蔽作為伽馬遮蔽比等質量的另一種遮蔽材料（如鋁、混凝土或土壤）只略好（20-30%）；鉛的主要優勢是其密度。

伽馬射線的能量越高，所需的遮蔽就越厚。遮蔽伽馬射線的材料通常透過降低伽馬射線強度一半所需的厚度來衡量（半值層或 HVL）。例如，需要 1 cm（0.4″）鉛才能使其強度降低 50% 的伽馬射線，其強度也會被 4.1 cm 的花崗岩、6 釐米（2½″）的混凝土或 9 釐米（3½″）的密實土壤降低一半。然而，這麼多混凝土或土壤的質量只比這麼多鉛的質量大 20-30%。貧鈾用於行動式伽馬射線源的遮蔽，但同樣，與鉛相比，重量節省不多，主要作用是減少遮蔽體積。

物質相互作用

鋁（原子序數 13）對伽馬射線的總吸收係數，繪製成伽馬能量的函式，以及三種效應的貢獻。在大多數能量區域，康普頓效應占主導地位。

鉛（原子序數 82）對伽馬射線的總吸收係數，繪製成伽馬能量的函式，以及三種效應的貢獻。在這裡，光電效應在低能量下占主導地位。在 5 MeV 以上，正負電子對生成開始占主導地位。

當伽馬射線穿過物質時，在薄層中吸收的機率與該層的厚度成正比。這會導致強度隨厚度呈指數衰減。指數吸收僅適用於狹窄的伽馬射線束。如果一束寬的伽馬射線束穿過一塊厚的混凝土板，來自側面的散射會降低吸收率。

$I(d)=I_{0}\cdot e^{-\mu d}.\,$

這裡 µ = ns 是吸收係數，以 cm⁻¹ 為單位，d 是以 cm 為單位的材料厚度。

在穿過物質時，伽馬輻射透過三個主要過程電離：光電效應、康普頓散射和正負電子對生成。

• 光電效應：它描述了伽馬光子與原子電子相互作用並將其能量轉移給該電子，從而將該電子從原子中彈射出來的過程。由此產生的光電子的動能等於入射伽馬光子的能量減去電子的結合能。光電效應是能量低於 50 keV（千電子伏）的 X 射線和伽馬射線光子的主要能量傳遞機制，但在更高能量下，它就不那麼重要了。
• 康普頓散射：這是一種相互作用，其中入射伽馬光子將足夠的能量傳遞給原子電子，導致電子被彈射出來，原始光子剩餘的能量以一個新的、能量更低的伽馬光子的形式發射出來，該伽馬光子的發射方向不同於入射伽馬光子的方向。康普頓散射的機率隨著光子能量的增加而降低。康普頓散射被認為是 100 keV 到 10 MeV 的中間能量範圍內伽馬射線的主要吸收機制。康普頓散射與吸收材料的原子序數幾乎無關，這就是為什麼像鉛這樣的高密度金屬在重量方面與密度較低的材料相比，只是稍微好一點的遮蔽材料的原因。
• 正負電子對產生：當伽馬射線能量超過 1.02 MeV 時，就會發生這種現象，並且在能量超過約 5 MeV 時，它會成為一種重要的吸收機制（參見右邊的鉛的示意圖）。透過與原子核的電場相互作用，入射光子的能量轉化為一個電子-正電子對的質量。任何超過兩個粒子等效靜止質量（1.02 MeV）的伽馬能量都會表現為對和反衝核的動能。在正電子的射程結束時，它會與一個自由電子結合。然後，這兩個粒子的全部質量轉化為兩個至少各為 0.51 MeV 能量的伽馬光子（或根據湮滅粒子的動能更高）。

在這三個過程中產生的次級電子（和/或正電子）通常具有足夠的能量，可以自己產生大量的電離。

光相互作用

來自遙遠類星體的能量極高（80 到 500 GeV）的伽馬射線被用來估計宇宙中星系際背景光：最高能量的射線更容易與背景光光子相互作用，因此可以透過分析入射伽馬射線光譜來估計它們的密度。

伽馬射線產生

伽馬射線通常與其他形式的輻射（如α或β）一起產生。當一個原子核發射一個α或β粒子時，子原子核有時會處於激發態。然後，它可以透過發射伽馬射線躍遷到較低的能級，這與原子電子可以透過發射紅外、可見或紫外光躍遷到較低的能級的方式非常相似。

⁶⁰Co的衰變圖

伽馬射線、X射線、可見光和無線電波都是電磁輻射的形式。唯一的區別是光子的頻率，因此也是能量。伽馬射線是能量最高的。以下是一個伽馬射線產生的例子。

另一個例子是形成 {; 這種α衰變伴隨著伽馬發射。在某些情況下，原子核（子核）的伽馬發射光譜非常簡單（例如，而在其他情況下，例如和，伽馬發射光譜很複雜，表明可以存在一系列核能級。α譜可以具有具有不同能量的一系列不同峰值這一事實強化了可以存在幾個核能級的想法。

CGRO航天器上的EGRET儀器看到的整個天空在 100 MeV 或更大伽馬射線中的影像。銀河系平面內的亮斑是脈衝星，而平面上下方的亮斑被認為是類星體。

由於β衰變伴隨著中微子的發射，中微子也帶走了能量，因此β譜沒有尖銳的線，而是一個寬峰。因此，僅從β衰變無法探測到原子核中發現的不同能級。

在光譜學中，眾所周知，發射光的實體也可以在相同波長（光子能量）處吸收光。例如，鈉火焰可以發射黃光，也可以吸收鈉蒸氣燈的黃光。在伽馬射線的情況下，這可以在穆斯堡爾譜學中看到。在這裡，對原子核反衝損失的能量進行了修正，並且可以獲得透過共振吸收伽馬射線的精確條件。

這類似於光譜學中觀察到的弗蘭克-康登效應。

健康影響

所有電離輻射在細胞水平上都會造成類似的損傷，但由於α粒子射線和β粒子射線穿透力相對較弱，因此對它們的外部照射只會造成區域性損傷，例如皮膚輻射灼傷。伽馬射線和中子穿透力更強，會對整個身體造成瀰漫性損傷（例如輻射病、癌症發病率增加），而不是灼傷。外部輻射照射也應該與內部照射區別開來，內部照射是由於攝入或吸入放射性物質造成的，根據物質的化學性質，可以產生瀰漫性和區域性的內部損傷。伽馬輻射對生物最具破壞性的形式發生在伽馬射線視窗，即 3 到 10 MeV 之間，而更高能量的伽馬射線危害較小，因為身體對它們相對透明。參見鈷-60。

用途

VACIS

這種特性意味著伽馬輻射通常用於殺死生物體，這一過程被稱為照射。該方法的應用包括對醫療裝置進行消毒（作為高壓滅菌器或化學方法的替代方法）、從許多食品中去除導致腐爛的細菌或防止水果和蔬菜發芽以保持新鮮度和風味。

伽馬射線在電磁波譜中具有最短的波長和最高的能量。這些波是由放射性原子和核爆炸產生的。伽馬射線可以殺死活細胞，醫學利用這一事實，用伽馬射線殺死癌細胞。

伽馬射線從宇宙中遙遠的距離傳播到我們這裡，最終被地球大氣層吸收。不同波長的光穿透地球大氣的深度不同。康普頓天文臺等高空氣球和衛星上的儀器為我們提供了唯一觀測伽馬射線天空的機會。

由於它們具有穿透組織的特性，伽馬射線/X射線在醫學中有廣泛的用途，例如在 CT 掃描和放射治療中。然而，作為一種電離輻射，它們有能力引起分子變化，因此當 DNA 受影響時，它們有可能導致癌症。分子變化也可以用來改變半寶石的特性，並經常用來將白色託帕石變成藍色託帕石。

儘管伽馬射線具有致癌特性，但它們也被用來治療某些型別的癌症。在被稱為伽馬刀手術的程式中，多束集中的伽馬射線束被引導到腫瘤上，以殺死癌細胞。從不同的角度對光束進行瞄準，以便將輻射集中在腫瘤上，同時最大限度地減少對周圍組織的損傷。（作為輻射起源過程導致其名稱的說明，一種使用來自直線加速器的光子而不是鈷伽馬衰變的類似技術被稱為“Cyberknife”。）

伽馬射線也被用於核醫學的診斷目的。使用了幾種伽馬射線發射放射性同位素，其中之一是鎝-99m。當它被給藥給患者時，可以使用伽馬相機透過檢測發射的伽馬輻射形成放射性同位素分佈的影像。這種技術可以用來診斷多種疾病（例如癌症擴散到骨骼）。

在美國，伽馬射線探測器開始被用作集裝箱安全計劃 (CSI) 的一部分。這些價值 500 萬美元的機器被宣傳為每小時可以掃描 30 個集裝箱。這種技術的目的是在集裝箱進入美國港口之前對其進行篩選。

身體反應

在伽馬射線照射和 DNA 雙鏈斷裂後，細胞可以修復受損的遺傳物質，直到其修復能力的極限。然而，Rothkamm 和 Lobrich 的一項研究表明，修復過程在高劑量照射後運作良好，但在低劑量照射的情況下要慢得多。

風險評估

英國的自然戶外照射範圍從 0.1 到 0.2 cSv/年，美國每個居民每年接收的平均輻射總量為 0.36 cSv。由於光電效應，人體中高原子序數材料的小顆粒周圍的天然伽馬輻射劑量略有增加>

相比之下，胸部X光檢查的輻射劑量只是每年自然發生的背景輻射劑量的一小部分，而胃鏡檢查的劑量最多為背部皮膚的 5 cSv。

對於急性全身等效劑量，100 cSv 會引起輕微的血液變化；200-350 cSv 會導致噁心、脫髮、出血，在沒有醫療處理的情況下，會造成相當一部分人（10%-35%）死亡；500 cSv 被認為是急性輻射暴露的 LD₅₀（對 50% 受照人群的致死劑量），即使是標準醫療處理也不能倖免；超過 500 cSv 會增加死亡的可能性；最終，超過 750-1000 cSv，即使是骨髓移植等非常規治療也不能阻止受照個體的死亡（參見 輻射中毒 ）。

對於低劑量暴露，例如核工作者，他們平均每年接受 1.9 cSv 的輻射劑量， 死於癌症（不包括白血病）的風險增加 2%。對於 10 cSv 的劑量，這種風險增加為 10%。相比之下，廣島和長崎原子彈爆炸倖存者的癌症死亡風險增加了 32%。

中子 是一種亞原子粒子，沒有淨電荷，質量略大於質子。它們通常存在於原子核中。大多數原子的原子核由質子和中子組成，因此統稱為核子。原子核中的質子數是原子序數，它定義了原子形成的元素型別。中子數是中子數，它決定了元素的同位素。例如，豐富的碳-12 同位素有 6 個質子和 6 箇中子，而非常稀有的放射性碳-14 同位素有 6 個質子和 8 箇中子。

雖然穩定的原子核中結合的中子是穩定的，但自由中子是不穩定的；它們會發生β衰變，平均壽命略小於 15 分鐘 (885.7±0.8 s）。 自由中子產生於核裂變和核聚變。專門的中子源，如研究堆和散裂源，會產生用於輻照和中子散射實驗的自由中子。儘管中子不是化學元素，但有時會將自由中子包含在核素表中。 然後，它被認為具有零原子序數和一個質量數，有時被稱為中子。

發現

1931 年，德國的瓦爾特·博特和赫伯特·貝克發現，如果來自釙的非常高能的α粒子落在某些輕元素上，特別是鈹、硼或鋰，就會產生一種異常穿透的輻射。起初，這種輻射被認為是γ輻射，儘管它比任何已知的γ射線都更具穿透性，並且實驗結果的細節在這種情況下很難解釋。下一個重要貢獻是 1932 年由伊雷娜·約里奧-居里和弗雷德里克·約里奧在巴黎報告的。他們表明，如果這種未知輻射落在石蠟或任何其他含氫化合物上，它會彈射出非常高能的質子。這本身並不與假設的γ射線性質的新輻射相矛盾，但資料的詳細定量分析越來越難以與這種假設相協調。

1932 年，詹姆斯·查德威克在劍橋大學進行了一系列實驗，表明γ射線假設是站不住腳的。他認為新的輻射是由近似於質子的質量的無電荷粒子組成的，並且他進行了一系列實驗來驗證他的假設。

中子的發現解釋了涉及氮-14 原子核自旋的一個謎題，氮-14 原子核的自旋已透過實驗測量為 1 h。眾所周知，原子核通常具有大約一半的正電荷，就像它們完全由質子組成一樣，並且在現有的模型中，這通常透過假設核中也包含一些“核電子”來抵消多餘的電荷來解釋。因此，氮-14 將由 14 個質子和 7 個電子組成，使其電荷為 +7，但質量為 14 個原子質量單位。然而，也已知質子和電子都具有 ¹⁄₂ h 的固有自旋，並且無法將 21 個粒子排列在一個組中，或排列在 7 和 14 個組中，以獲得 1 h 的自旋。所有可能的配對都產生了 ¹⁄₂ h 的淨自旋。然而，當建議氮-14 由 3 對質子和中子組成時，還有一個未配對的中子和質子，每個都貢獻 ¹⁄₂ h 的自旋，方向相同，總自旋為 1 h，該模型變得可行。很快，核中子被用來以自然方式解釋許多不同核素中自旋差異的原因，並且作為原子核基本結構單元的中子被接受。

固有特性

穩定性和β衰變

中子透過中間重 W 玻色子β衰變為質子、電子和反電子中微子的費曼圖

根據粒子物理的標準模型，因為中子由三個夸克組成，所以唯一可能的不會改變重子數的衰變模式是其中一個夸克透過弱相互作用改變味。中子由兩個電荷為 -¹⁄₃ e 的下夸克和一個電荷為 +²⁄₃ e 的上夸克組成，並且其中一個下夸克衰變為一個更輕的上夸克可以透過發射一個 W 玻色子來實現。透過這種方式，中子衰變為一個質子（包含一個下夸克和兩個上夸克）、一個電子和一個反電子中微子。

在原子核外，自由中子是不穩定的，平均壽命為 885.7±0.8 s（大約 14 分鐘 46 秒）；因此，該過程的半衰期（與平均壽命相差一個 自然對數 因子）為 613.9±0.8 s（大約 10 分鐘 14 秒）。 自由中子透過發射電子和反電子中微子而衰變，成為質子，這一過程稱為β衰變

不穩定原子核中的中子也可以以這種方式衰變。但是，在原子核內部，質子也可以透過反β衰變轉變為中子。這種轉變是透過發射反電子（也稱為正電子）和中微子來實現的

質子在原子核內部轉變為中子也可以透過電子俘獲來實現

p⁺ + e → n + ν_e

原子核中含有過量中子的中子捕獲正電子也是可能的，但這會受到阻礙，因為正電子會被原子核排斥，並且在它們遇到電子時會迅速湮滅。

當結合在原子核內部時，單箇中子β衰變的不穩定性與如果額外的質子要參與與原子核中已經存在的其他質子之間的排斥相互作用，原子核整體會獲得的不穩定性相平衡。因此，儘管自由中子是不穩定的，但結合的中子不一定是這樣。同樣的推理解釋了為什麼質子在空曠空間中是穩定的，但在結合在原子核內部時會轉變為中子。

電偶極矩

粒子物理的標準模型預測中子內部正負電荷存在微小的分離，導致產生永久電偶極矩。然而，預測值遠低於目前實驗的靈敏度。從粒子物理中幾個尚未解決的謎題可以明顯看出，標準模型並不是所有粒子及其相互作用的最終和完整描述。超越標準模型的新理論通常會導致對中子電偶極矩的預測值更大。目前，至少有四項實驗試圖首次測量有限的中子電偶極矩。

磁矩

中子的磁矩不為零，這與電中性粒子不相符。這表明中子是一個複合粒子。

反中子

反中子是中子的反粒子。它於1956年由布魯斯·科克發現，比反質子發現晚一年。CPT對稱性對粒子與反粒子的相對性質施加了嚴格的約束，因此研究反中子可以對CPT對稱性進行嚴格的檢驗。中子與反中子質量的相對差異為9±5×10⁻⁵。由於該差異僅比零大兩個標準偏差，因此這並沒有提供任何令人信服的CPT違反證據。

中子化合物

二中子和四中子

由法國國家科學研究中心核物理實驗室弗朗西斯科-米格爾·馬克斯領導的一個團隊，根據對鈹-14核裂解的觀察，假設存在穩定的4箇中子簇，即四中子。這尤其有趣，因為目前的理論表明這些簇不應該穩定。

二中子是另一個假設粒子。

中子星和中子星

在極高的壓力和溫度下，核子和電子被認為會坍縮成大量的中子物質，稱為中子星。據推測，這種情況發生在中子星中。

探測

透過尋找電離軌跡來探測帶電粒子（例如在雲室中）的常見方法，不適用於直接探測中子。彈性散射原子核的中子可以產生可探測的電離軌跡，但實驗並不容易進行；更常用的中子探測方法是讓它們與原子核相互作用。因此，常用的中子探測方法可以根據其所依賴的核過程進行分類，主要是中子俘獲或彈性散射。格倫·F·諾爾（John Wiley & Sons，1979）的《輻射探測與測量》第14章對中子探測進行了很好的討論。

透過中子俘獲探測中子

一種常用的中子探測方法是將此類反應釋放的能量轉換為電訊號。某些核素具有中子虧損，因此具有很高的中子吸收機率。在中子俘獲後，複合核會發射更容易探測的輻射，例如α粒子，然後被探測到。³He、⁶Li、¹⁰B、²³³U、²³⁵U、²³⁷Np和²³⁹Pu適合於此目的。這些核素很少在自然界中發現，但可以透過同位素富集等過程積累。

中子俘獲過程的截面在高能時遠低於低能時。因此，透過中子俘獲探測中子需要預先進行中子減速。為此，使用所謂的慢化劑，通常是一塊厚厚的聚乙烯板。根據慢化和俘獲方法進行的中子探測無法測量中子能量、精確到達時間或入射方向，因為這些資訊在慢化過程中丟失了。

透過彈性散射探測中子

中子可以彈性散射原子核，導致被擊原子核反衝。從運動學上來說，中子可以將更多的能量傳遞給氫或氦等輕原子核，而不是傳遞給重原子核。依賴彈性散射的探測器被稱為快中子探測器。反衝原子核可以透過碰撞電離和激發其他原子。以這種方式產生的電荷和/或閃爍光可以被收集以產生探測訊號。快中子探測中的一大挑戰是區分這些訊號和由同一探測器中的伽馬輻射產生的錯誤訊號。

快中子探測器具有不需要慢化劑的優點，因此能夠測量中子的能量、到達時間，在某些情況下還可以測量入射方向。

用途

中子在許多核反應中起著重要作用。例如，中子俘獲通常會導致中子活化，從而誘發放射性。特別是，中子及其行為的知識在核反應堆和核武器的研製中起著重要作用。鈾-235和鈽-239等元素的裂變是由它們吸收中子引起的。

“冷”、“熱”和“熱”中子輻射通常用於中子散射設施，其中輻射的使用方式類似於使用X射線分析凝聚態物質。中子在原子對比度方面是對後者的補充，因為它們具有不同的散射截面；對磁性的敏感性；非彈性中子譜學中的能量範圍；以及對物質的深層滲透。

基於空心玻璃毛細管中全內反射或凹陷鋁板反射的“中子透鏡”的開發推動了中子顯微鏡和中子/伽馬射線層析成像的持續研究。

中子的一項主要用途是激發材料中元素的延遲和瞬發伽馬射線。這構成了中子活化分析（NAA）和瞬發伽馬中子活化分析（PGNAA）的基礎。NAA最常用於分析核反應堆中少量材料樣品，而PGNAA最常用於分析鑽孔周圍的地下岩石和傳送帶上的工業散裝材料。

中子發射器的另一種用途是探測輕原子核，特別是水分子中的氫。當快中子與輕原子核碰撞時，它會損失大部分能量。透過測量慢中子在從氫核反射後返回探針的速率，中子探針可以確定土壤中的含水量。

來源

由於自由中子是不穩定的，它們只能從核裂變、核反應和高能反應（例如宇宙射線簇射或加速器碰撞）中獲得。自由中子束透過中子傳輸從中子源獲得。要獲得高強度的中子源，研究人員必須前往專門的設施，例如英國的ISIS設施，該設施目前是世界上最強的脈衝中子和μ子源。

中子缺乏總電荷使其難以控制或加速。帶電粒子可以透過電場或磁場加速、減速或偏轉。這些方法對中子的影響很小，除了非均勻磁場對中子磁矩造成的小影響之外。中子可以透過以下方法控制，包括中子慢化、反射和速度選擇。

防護

接觸自由中子可能會有危害，因為中子與體內分子的相互作用會導致分子和原子的破壞，還會導致產生其他形式輻射（例如質子）的反應。輻射防護的常規預防措施適用：避免接觸，儘可能遠離源頭，並將接觸時間縮短至最短。但是，必須特別注意如何防止中子接觸。對於其他型別的輻射，例如α粒子、β粒子或伽馬射線，原子序數高、密度高的材料可以提供良好的遮蔽；通常使用鉛。然而，這種方法對中子不起作用，因為中子的吸收不會隨著原子序數的增加而直接增加，就像α、β和γ輻射一樣。相反，需要考慮中子與物質的特定相互作用（見上文的探測部分）。例如，富含氫的材料通常用於遮蔽中子，因為普通氫既能散射中子又能減速中子。這通常意味著簡單的混凝土塊甚至石蠟填充的塑膠塊比密度更高的材料提供更好的中子防護。在減速後，中子可以用具有高慢中子親和力的同位素吸收，而不會產生二次俘獲輻射，例如鋰-6。

富氫普通水會影響核裂變反應堆中的中子吸收：通常，中子會被普通水強烈吸收，因此需要用可裂變同位素來富集燃料。重水中的氘對中子的吸收親和力遠低於氕（普通輕氫）。因此，在 CANDU 型反應堆中使用氘來減緩（調節）中子的速度，以提高與中子捕獲相比，核裂變發生的機率。

生產

各種核素透過以中子發射為衰變模式變得更加穩定；這被稱為中子發射，在自發裂變期間很常見。

宇宙輻射與地球大氣層的相互作用會持續產生中子，這些中子可以在地表檢測到。火星表面產生的中子輻射甚至更強，因為火星大氣層足夠厚以從宇宙射線散裂產生中子，但不足以提供對所產生中子的有效保護。這些中子不僅會產生來自直接向下中子輻射的火星表面中子輻射危害，還會產生來自火星表面反射中子的重大危害，這些中子會從地板向上反射到火星飛船或棲息地中。

核裂變反應堆自然會產生自由中子；它們的作用是維持產生能量的鏈式反應。強烈中子輻射也可以透過中子活化過程（一種中子捕獲）來產生各種放射性同位素。

實驗性核聚變反應堆會產生自由中子作為廢物。然而，正是這些中子擁有大部分能量，並且將該能量轉化為有用形式已被證明是一項艱鉅的工程挑戰。產生中子的聚變反應堆可能會產生大約兩倍於裂變反應堆的放射性廢物，但這些廢物是由中子活化的較輕同位素組成，這些同位素的衰變週期相對較短（50-100 年），而裂變廢物的典型半衰期為 10,000 年，主要是由於長壽命的 α 衰變超鈾系錒系元素。

中子溫度

熱中子

熱中子是一種自由中子，它服從玻爾茲曼分佈，在室溫下 kT = 0.0253 eV（4.0×10^-21 J）。這使得其特徵速度（不是平均速度或中位數）為 2.2 km/s。名稱“熱”來自其能量，該能量與它們穿過的室溫氣體或材料的能量相同。（參見動力學理論以瞭解分子能量和速度）。在與原子核發生多次碰撞後（通常在 10-20 次範圍內），中子會達到該能量水平，前提是它們沒有被吸收。

在許多物質中，熱中子的有效截面比快中子大得多，因此它們更容易被它們碰撞到的任何原子核吸收，從而產生更重的 - 並且通常不穩定的 - 化學元素的同位素。

大多數裂變反應堆使用中子減速劑來減緩或熱化由核裂變發射的中子，以便更容易捕獲它們，從而引起進一步裂變。其他反應堆（稱為快增殖反應堆）直接使用裂變能量中子。

冷中子

這些中子是在非常冷的物質（如液態氘）中達到平衡的熱中子。這些是在中子散射研究設施中產生的。

超冷中子

超冷中子是透過在幾開爾文的溫度下，在固態氘或超流氦等物質中非彈性散射冷中子來產生的。另一種生產方法是機械減速冷中子。

裂變能量中子

快中子是一種自由中子，其動能水平接近 2 MeV（20 TJ/kg），因此速度為 28,000 km/s。它們被稱為裂變能量或快中子，以區別於能量較低的熱中子和在宇宙射線簇射或加速器中產生的高能中子。快中子是由核裂變等核過程產生的。

快中子可以透過稱為減速的過程變為熱中子。這使用中子減速劑來完成。在反應堆中，通常使用重水、輕水或石墨來減速中子。

聚變中子

聚變反應速率隨溫度迅速增加，直到達到最大值，然後逐漸下降。DT 速率在較低的溫度下（約 70 keV，或 8 億開爾文）達到峰值，並且比其他通常被認為用於聚變能的反應更高。

D-T（氘-氚）聚變是一種產生能量最高的中子的聚變反應，其動能為 14.1 MeV，速度為光速的 17%。D-T 聚變也是最容易點燃的聚變反應，即使氘和氚原子核的動能僅為將要產生的 14.1 MeV 的千分之一，也能達到接近峰值的速率。

14.1 MeV 中子的能量大約是裂變中子的 10 倍，並且非常有效地裂變甚至是非裂變的重核，而這些高能裂變平均產生的中子比低能中子裂變產生的中子更多。14.1 MeV 中子還可以透過將中子從原子核中擊出而產生中子。另一方面，這些非常高能的中子不太可能被簡單地捕獲而不會引起裂變或散裂。出於這些原因，核武器設計廣泛利用 D-T 聚變 14.1 MeV 中子來引起更多裂變。

其他聚變反應產生的中子能量要低得多。D-D 聚變一半時間產生 2.45 MeV 中子和氦-3，另一半時間產生氚和質子，但不會產生中子。D-³He 聚變不會產生中子。

中等能量中子

LWR（熱能譜反應堆）中的嬗變流。

裂變能量中子在減速但尚未達到熱能時被稱為超熱中子。

捕獲反應和裂變反應的截面在超熱能範圍內通常在特定能量處具有多個共振峰。這些在快中子反應堆中意義不大，因為大多數中子在減速到該範圍之前就被吸收了，或者在良好減速的熱反應堆中，超熱中子主要與減速劑原子核發生相互作用，而不是與裂變或可育的錒系元素核素發生相互作用。然而，在部分減速的反應堆中，超熱中子與重金屬原子核的相互作用更多，更容易發生反應性的瞬變變化，這可能會使反應堆控制更加困難。

捕獲反應與裂變反應的比率在大多數核燃料（如鈽-239）中也更差（更多捕獲而沒有裂變），這使得使用這些燃料的超熱能譜反應堆不太理想，因為捕獲不僅浪費了被捕獲的一箇中子，而且通常還會產生用熱中子或超熱中子不能裂變的核素，儘管它仍然可以用快中子裂變。例外是釷迴圈中的鈾-233，它在所有中子能量下都具有良好的捕獲-裂變比率。

高能中子

這些中子的能量比裂變能量中子高，它們是由粒子加速器作為次級粒子產生的，或者是由宇宙射線在空氣中產生的。它們的能量可以高達每中子數十焦耳。