当射线在某种物质中穿行时，射线要与物质相互作用，作用结果可使射线能量损失，甚至消失（转化成其他的粒子或能量）。

α、β等带电粒子和γ、X等高能光子，能够直接地或间接地引起物质的电离，因此我们称这些射线为电离辐射。电离辐射与物质作用时，几乎都是通过直接的或间接的电离作用，把能量传递给介质（通常称介质为吸收物质），引起某些物理的或化学的变化，或者引起生物机体的某些效应。

射线使物质原子变成离子对的现象就是电离，射线所具有的这种作用就叫做电离作用。核外轨道电子要脱离原子的束缚，必须获得足够的能量，射线产生电离作用时将损失能量。由入射的带电粒子直接与物质原子的核外电子作用产生的电离称为直接电离或初级电离。带电粒子与原子碰撞，打出具有较大动能的电子，叫次级电子。次级电子也可引起电离，称次级电离。初级电离和次级电离之和构成了入射带电粒子的总电离。

不带电荷的γ光子、X射线和中子流，不能通过静电作用使物质中的原子直接电离，但它们都具有电离效应，因为它们能通过与电子的碰撞或其他各种效应（在本节后面将介绍）而产生一些高能电子，即次级电子，这些次级电子在介质中快速运动，也能引起介质发生电离。次级电离的几率比直接电离的几率要小。

当射线在介质中通过时，在径迹周围留下了许多离子对，每厘米径迹上所产生的离子对数就叫做电离密度或叫比电离，有时也称电离比值或电离比度。射线对生物机体的损伤在很大程度上由电离密度决定。不同种类及不同的射线，所产生的生物效应不同，主要原因是由于它们在机体中的电离密度不同。

带电粒子速度越大电离密度越小。

粒子所带电量越大，电离密度越大，电离密度与粒子所带电量成正比。

电离密度与物质的密度成正比。

具有相同能量的不同射线在同一介质中，电离本领不同，表2-1所示为具有2MeV能量的三种射线在空气中的电离密度。

如果射线给予原子核外束缚电子的能量不足以使原子电离，即不足以使轨道电子变成自由电子，而只是使它从内层低能级轨道跳到较外层的高能级轨道上，此时，原子就处于激发状态，这一过程就是激发。处于激发状态的原子是不稳定的，它不能维持很久，一般很快就要从激发态跃迁到低能的基态，同时放出能量。其释放能量的方式一般是以发出电磁波的形式，发出的电磁波的能量大小等于二能级之间的能量差。激发总是与射线相伴而生的。目前用于探测β射线和γ射线的闪烁计数器的原理正是利用射线的激发作用。

α粒子在介质中穿行时和电子的碰撞，如同又大又重的物碰撞又小又轻的物一样，基本上不改变运动的方向，几乎是直线。

当从原子核中发射出的α粒子穿越空气时，开始速度快，与原子核外的电子作用的时间很短，传给电子的能量较少，此时电离密度就较小。随着α射线不断前进，与核外电子作用，其能量不断减少，其速度逐渐变小，它与核外电子作用的时间逐渐变长，传给电子的能量逐渐增多，单位径迹上留下的离子对也就逐渐增多。到一定的程度时电离密度迅速增加达到一个顶峰，同时α粒子的能量也迅速失去，随后电离密度迅速下降为零。

当α粒子的能量全部损失后，它就变成了一个自由漂浮的正粒子，直到碰到自由电子时俘获两个自由电子变成氦原子，于是α粒子就消失了，即被物质吸收了。α粒子消失前，在物质中走的距离称为α粒子的射程。射程也称作全吸收厚度。在不同的物质中，α粒子的射程是不同的。

通常用射程来表示α粒子在物质中的穿透本领，射程越大，穿透本领越强。α粒子的射程一般由通过实验作出的吸收曲线确定。

对具有确定能量的α粒子来讲，其电离密度与吸收物质的密度成正比，而电离密度越大，α粒子的能量损失越快，α粒子的射程越短。也就是说，吸收物质的密度越大，射程越短，穿透本领越弱。固体物质的密度比液体和气体的密度大得多，因此所以，α粒子在气体中的穿透本领最强，在液体中次之，在固体中最弱。

β射线包括β ⁺射线和β ^-射线，正负β粒子除了电荷符号相反，及正β粒子有湮灭效应之外，其他性质完全相同。下面介绍的β射线与物质的作用，如果没有特殊说明，对正负β粒子都适用，因此将正负β粒子统称为β粒子。

β粒子的质量与原子比较起来太小了，当它在介质中穿行时，与介质原子发生碰撞，极易改变自己前进的方向，发生散射。

β粒子与介质原子核碰撞的几率很小，主要是与核外电子碰撞，它给核外轨道电子一个冲力，质量与它相等的电子同时给它一个大小相等、方向相反的反冲力，其结果β粒子不仅损失了能量，而且改变了自己前进的方向。它在介质中运行的径迹不像α粒子那样近乎直线，而是弯弯曲曲的。由于多次散射，最终散射角可能大于90°，甚至180°。这种现象称为β粒子的反散射。

在前边β衰变一节中曾讲过：核内放出β粒子的同时，还放出一个中微子。尽管每次核衰变放出的衰变能是一定的，但此能量对β粒子和中微子的分配是任意的，结果形成β粒子的能量具有从零开始的连续分布。

对某核素的β衰变，β粒子数随其能量的变化曲线为能谱曲线。任何β衰变，β粒子的能量都是从零开始连续分布的，具有最小能量（0）和最大能量（E ₀）的粒子数较少，β粒子数的峰值位于1/3E ₀左右。不同的β衰变，其β粒子的能谱曲线形状相似，但最大能量E ₀不同。最大能量E ₀是β衰变核素的特征常数。通常所说的某放射性物质的β粒子能量，都是指其最大能量E ₀而言。

β粒子带有一电子单位的正电荷或负电荷，它在介质中穿行时，能直接引起径迹附近原子的电离和激发作用。电离和激发导致的β粒子在单位路径上的能量损失（称之为能量损失率，或阻止本领）与β粒子的运动速度、介质的密度、介质的原子序数、β粒子的能量等有关。对于能量在0.01～2.00MeV范围内的β粒子来说，电离效率与其速度的平方大致成反比，与介质的密度N和原子序数Z成正比。

β粒子与原子核发生碰撞时，受到原子核库仑场的作用，如果只改变其方向而不辐射光子，也不激发原子核，碰撞前后，β粒子和原子核的动能之和相等，此时称这种碰撞为弹性碰撞。当β粒子受到多次散射时，有些β粒子出现反散射（back scattering）。散射物质的原子序数越大，反散射越严重。

当快速运动的电子经过原子核附近时，受到库仑场的加速，就会辐射电磁波，称之为轫致辐射。发生轫致辐射后，快速运动的电子骤然减速。轫致辐射发出的电磁波的能量在X射线范围内，因此可将之视为连续X射线光谱。轫致辐射损失率与介质原子序数Z的平方及β粒子的能量成正比。当β粒子的能量低时，电离损失占优势；而当能量高时，辐射损失就变得重要了。

因为轫致辐射的穿透力比β射线强得多，因此在β核素的防护中，使用双层材料屏蔽，内层为低原子序数材料，降低轫致辐射；外层为高原子序数材料，吸收轫致辐射。

自然界无独立存在的正电子（β ⁺粒子），原子核发生衰变时从核内发射出来的正电子寿命很短，它与物质相互作用，通过电离、激发、辐射将其能量很快耗尽，然后和物质中的一个负电子相结合，并且正电子和负电子同时消失，这两个粒子的静止质量以两个光子的形式发射出来，每个光子的能量为0.511MeV，相当于一个电子的质量。这一过程称为湮灭辐射（annihilation radiation），或正电子湮灭，也称为质湮辐射。

β粒子在介质中穿行时，不断地使径迹周围的原子发生电离、激发或发生轫致辐射，同时损失自己的能量，随着β能量的减少和速度的减慢，电离密度迅速增加，能量损失也越来越快，直至耗尽为止。β粒子能量耗尽而停止下来，被介质原子所俘获。β粒子的射程也叫全吸收厚度，是指β粒子全部被吸收所需要的介质厚度。

β粒子的射程有如下特点：①由于β粒子的径迹是弯曲的，所以β粒子实际上走的路程比全吸收厚度即射程大得多；②由于散射，即使是能量完全相同的电子，在同一物质中的射程也相差很大；③β衰变时发射出的β粒子能量是连续分布的，故没有确定的射程。但是为了测量和防护的方便，仍然使用β粒子的射程这一概念，并且假定射程是指具有最大能量的β粒子没有经过一次碰撞或散射，其能量损失全部用于电离或激发时所走的路程，也叫最大射程。

γ射线与物质的相互作用比α和β都复杂得多，作用方式主要有光电效应、康普顿效应和电子对效应。

当γ光子与介质原子中束缚电子作用时，光子把全部能量传给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失，这个过程就叫光电效应。光电效应中发射出来的电子称为光电子。

入射光子的能量越大，光电子的运动方向与入射光子的运动方向的夹角越小。打出的光电子与物质相互作用同前述β粒子。电子在原子中束缚得越紧，产生光电效应的几率就越大。因此，光电子为内层电子。发射了光电子的原子，会在光电子所在的内层留下空缺，使原子处于激发态，又会产生特征X射线或俄歇电子。

γ光子在与原子发生弹性碰撞时，把一部分能量转移给电子，使它脱离原子发射出去，而γ光子的能量和运动方向发生变化，这个过程称为康普顿效应，也称康普顿散射。康普顿散射中发射出去的电子称为康普顿电子，也称为反冲电子。而能量和运动方向发生变化了的γ光子称为散射光子。散射光子与入射光子的夹角，称为散射角。

康普顿效应与光电效应不同，它是发生在束缚得最松的外层轨道电子上。外层电子与原子的结合能是很小的，可以把外层电子看成是“自由电子”，康普顿效应可以认为是具有中等能量的γ光子与动能为零的自由电子之间的弹性碰撞。入射光子的能量和动量就在反冲电子和散射光子两者之间进行分配。

康普顿电子与光电子相似，也能引起电离激发作用。而散射光子带有比碰撞前小的能量继续运动，有可能偏离前进方向而离开物质，也有可能继续与物质发生康普顿效应或光电效应，直至能量全部被物质吸收。

具有高能量的γ光子，从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，γ光子可以转化为一个正电子和一个负电子，这种过程叫电子对效应，也称为电子对的产生。

γ光子在物质中产生电子对效应必须具备两个条件：①必须有原子核参加；②γ光子的能量必须大于正负电子对的静止能量，即2m _ec ² = 2 × 0.511 = 1.022MeV。

入射的高能γ光子的能量（ hν）除一部分转变为正负电子对的静止能量（1.022MeV）外，其余就作为正负电子的动能。

电子对效应产生的负电子，类似于光电子和反冲电子，也能使介质电离。而电子对效应产生的正电子，在介质中通过电离和辐射损失动能之后，将和物质中的一个自由电子相互结合发生湮灭辐射。

γ光子的三种效应，不仅与γ光子的能量有关，而且与吸收介质的原子序数Z值有关。光电效应和康普顿效应发生的几率随着γ光子能量的增加而减小。而电子对效应出现在γ光子能量大于1.02MeV以后。

上述γ射线与物质的三种相互作用导致射线在其运动方向上的衰减。

对γ射线来讲，衰减表现为当γ射线通过物质时，原射线束中的γ光子不断的损失。这种损失是由两种过程引起的，即：散射和吸收。散射损失指γ光子在与物质中粒子作用时，其方向发生改变，使之在原射线束中消失，将能量带到了其他的地方，例如康普顿散射中的散射光子。而吸收损失指γ光子与物质中粒子作用时，将能量转移给物质中粒子，同时该γ光子在原射线束消失，例如，光电效应和电子对效应。γ射线的衰减为指数衰减规律：

其中I ₀和I分别为x = 0和x处的γ射线强度（或光子数），射线强度指单位时间内垂直通过单位面积的能量（或光子数），μ为衰减系数，也称为线性衰减系数，单位为cm ^-1或m ^-1。不同的吸收物质，对于不同的射线，μ值不同。

该衰减规律同样适用于α射线、β射线、X射线、可见光以及其他带电粒子及中性粒子。

当I = I ₀/2时，射线穿透的物质的厚度称为半厚度，用D _1/2表示，由衰减规律I = I ₀e ^-μx得：

因此，射线在物质中的衰减规律又可以写为：

有些情况下，在衰减公式中用质量衰减系数更为方便，质量衰减系数μ _m =线性衰减系数μ/密度ρ。质量衰减系数的单位为cm ²/g或m ²/kg。衰减规律可以写为：

其中，x _m = ρx，表示在单位面积上射线通过的物质的质量，其单位为g·cm ^-2。

在任何物质中，射线的衰减是不可避免的，医学中的投射成像（比如：X线片、CT等）正是利用X射线在不同的组织中衰减不同而成像。在核医学的成像中，都是将放射性核素注入人体，从人体中发射出的射线到达探测器的路程中，射线也有衰减，要想得到精确的影像，必须对衰减进行校正。核医学中的影像设备（如SPECT、PET）中，都有衰减校正装置。

由上式中可得衰减系数μ越大，衰减程度越大，在一定的距离内损失的γ光子数越多。由此式可导出衰减系数μ为：

衰减系数μ的物理意义是在单位距离内从原射线束中消失的γ光子数占原射线束中γ光子数的百分率。

上述讨论是针对窄束射线而言，对宽束射线，部分散射光子仍然在透射光束中，因此宽束射线的衰减系数小于上述的窄束射线。在核医学的防护中，大部分情况将射线考虑为宽束射线。

γ射线可以穿透几十米的空气，其穿透能力比α射线大10 000多倍，比β射线大50～100倍。但是，γ射线不像α和β粒子那样，它没有最大射程，因为α和β粒子在穿过物质时，最后能量全部损失，就停止下来，此时就认为α和β射线被吸收。而γ射线在穿过物质时，不可能完全被吸收，而只是逐渐地减弱。

由于散射和吸收过程的复杂性，γ射线的衰减系数主要取决于介质的性质，在一般情况下，一定能量的γ射线在物质中的衰减系数随着介质原子序数的增加而变大。在实际工作中，常用高原子序数的铅作γ射线的防护屏。