2.2.1 相互作用的定性描述
电离辐射分为带电的电离辐射和不带电的电离辐射，前者又称为带电粒子。由于这两类辐射在电荷、性质、质量等方面存在显著差异，因此它们之间的相互作用差异也很大。我们从以下方面分别进行叙述。
2.2.1.1 带电粒子与物质的相互作用
物质是由原子、分子构成的，考虑到原子核和核外电子的电性，我们可以将物质看作一个复杂的电场。显然，带电粒子和不带电粒子进入物质时的行为和作用方式会有很大的不同。前已述及，辐射与物质相互作用的对象可以是包含原子核和核外电子的整个原子。因此，具有一定能量的带电粒子入射到物质中，相互作用的主要方式有4种：
①与核外电子发生非弹性碰撞。
②与原子核发生非弹性碰撞。
③与原子核发生弹性碰撞。
④与原子核发生核反应。
2.2.1.2 带电粒子在物质中的能量损失形式
一般，带电粒子贯穿物质时，主要受到物质中原子核和核外电子的电磁作用。这种作用会使运动着的带电粒子改变方向、损失能量。这一过程前后，若无能量形式的改变，则称过程是弹性的（elastic）；否则，损失的能量主要表现为物质的电离、激发，或者变成轫致辐射（bremsstrahlen）。此外，甚高能量的带电粒子还能引起核反应。
在物质中，电子与质量比它重的带电粒子（如质子、α粒子）相比，行为稍有差异，因此，常把静止时质量大于电子的带电粒子归为一类，统称为重带电粒子（heavy charged particle）。
带电粒子与物质的相互作用方式、损失能量多寡，取决于带电粒子的电荷、质量和能量，同时也依赖于物质的原子序数。
除非引起核反应，整个带电粒子会被相遇的原子核吸收。一般情形下，由于与物质持续的相互作用，带电粒子将不断地发生能量转移。
（1）与物质原子、分子的弹性碰撞
弹性碰撞导致相撞粒子间的动能交换，增加了物质分子不规则运动的动能，使物质变热、温度升高。带电粒子部分能量直接变成了热能。
（2）与束缚电子的非弹性碰撞使物质原子电离、激发
为使物质原子释放出一个电子，带电粒子应有最低限度的能量E cut，对于生物组织，这个能量约为10 eV。
电离过程释放出的电子，如果动能超过100 eV，会明显偏离原来粒子的运动方向且穿越一段路程进一步引起其他原子的电离和激发，此类电子称为δ粒子（或δ射线）。
被电离、激发的原子退激时还会释放出俄歇电子、特征X射线（characteristic Xrays）的光子。
注意：电离过程中，带电粒子损失的能量，并非会在发生电离的那个部位（site）被物质局部吸收，而是有相当部分被δ粒子带到了其他位置。
（3）与原子核、束缚电子电场发生轫致辐射过程
当带电粒子从原子核附近掠过时，在原子核库仑场的作用下，运动方向和速度发生变化，此时带电粒子的一部分动能就变成具有连续能谱的X射线辐射出来，这种辐射称为轫致辐射。这一过程中，带电粒子的部分能量又变成了辐射（光子）的能量；轫致辐射的光子则会到比δ粒子射程更远的位置，继续消耗其得到的能量。
不过，因发生轫致辐射而损失能量的可能性，与带电粒子本身静止质量的平方成反比。例如，在同一种物质内，如质子、电子原来的能量相同，那么质子在轫致辐射中损失的能量大约是电子的三百万分之一。所以，常可忽略重带电粒子在轫致辐射过程中损失的能量。
若以发生的过程名称表示，总括起来，在物质中带电粒子能量E最后将变成3种类型的能量损失：
对于通常遇到的带电粒子，因弹性碰撞过程损失的能量常可忽略，尤其是重带电粒子，即使对于一般常见的初始能量介于104～106 e V的电子，弹性碰撞中损失的能量充其量也不过其初始动能的0.15%。随着电子初始能量的增高，这一份额会变得更小。
所以，造成带电粒子能量损失的因素主要是电离、激发和轫致辐射。
2.2.1.3 不带电粒子与物质的相互作用
不带电粒子是指本身不带有正、负电荷的粒子或波。常见的不带电粒子包括X射线、γ射线（两者统称为光子）和中子。与之前叙述过的带电粒子不同，不带电的光子和中子在与物质相互作用过程中一般不会受到物质原子核和核外电子电场的影响，发生相互作用的主要对象就是整个原子、原子核和核外电子本身。由于光子一般被看作波，而中子却是具有实际质量的实体粒子（原子核的组成成分之一），故而它们与物质的相互作用形式有着明显不同的特征，以下分别进行叙述。
（1）光子与物质的相互作用形式
X、γ射线本质上都是高能电磁辐射，都是光子，只是产生方式不同；而且一旦产生，只要能量相同则物理性质完全相同。光子的能量为E=h v=h（c/λ），h为普朗克（Planck）常量，c为光速，v和λ分别是电磁辐射的频率和波长。γ射线由原子核能级之间的跃迁产生，X射线主要由轫致辐射产生。X、γ射线与物质的相互作用跟带电粒子与物质相互作用方式不同，带电粒子通过连续、多次的电离损失或辐射损失而损失能量，可用阻止本领和射程等物理量来描述。而X、γ射线与物质的相互作用是通过单次性的随机事件与介质的原子核或原子核外电子发生作用，一旦光子与物质发生作用，光子或被吸收而消失并损失全部能量，或受到散射而损失很大一部分能量，同时产生次级电子。X、γ射线与物质相互作用的主要方式有3种，即光电效应（photoelectric effect）、康普顿散射（Compton effect）和电子对产生（pair production）。
①光电效应：是指光子被整个原子吸收，从原子壳层打出一个电子，即光电子。光子将全部能量转移给原子，一小部分（可忽略）用于提供原子的反冲能，其余作为电子脱离原子束缚所需的电离能和光电子的动能。光电效应主要发生在原子束缚最紧的K层（80%）。光电效应发生后，由于原子内层电子出射，出现空位，外层电子内填，将以发射特征X射线或俄歇电子的形式释放出多余的能量。根据能量守恒，光电子能量为：
式中，εi是电子在第i壳层的结合能。光电效应的示意图如图2.2所示。
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图2.2 光电效应示意图
②康普顿散射：为入射光子与核外轨道电子的非弹性碰撞。在非弹性碰撞过程中，入射光子的一部分能量转移给电子，使其脱离原子束缚成为自由电子（康普顿反冲电子）。而光子同时受到散射，其运动方向和能量都发生变化，称为散射光子。康普顿效应一般发生在束缚最疏松的外层电子中。若次级电子能量比较高，它仍将继续与介质相互作用直至能量耗尽。散射光子也将继续与介质相互作用。康普顿散射过程中反冲电子得到的能量为：
式中，h v′为散射光子的能量。式中没有包括结合能是因为结合能与入射光子能量相比实在太小了。康普顿散射的示意图如图2.3所示。辐射（也称作质湮辐射），放出两个方向相反、能量各为0.511 Me V的γ光子。电子对产生的示意图如图2.4所示。
③ 电子对产生：如果入射光子能量足够高，当它从原子核旁经过时，在原子核库仑场的作用下，光子整个被吸收，转化为一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对产生。只有光子能量大于1.022 MeV时，即大于两个静止电子质量时，才可能发生电子对效应。此过程所产生的正、负电子继续在物质中按照带电粒子的规律慢化，负电子成为物质中的自由电子或者原子的轨道电子，而正电子速度接近零时将与附近的负电子发生湮没（annihilation）图2.4 电子对产生示意图辐射（也称作质湮辐射），放出两个方向相反、能量各为0.511MeV的γ光子。电子对产生的示意图如图2.4所示。
（2）光子与物质相互作用的一般规律
光子入射到物质中后，在某一个瞬间，如果不发生相互作用，则光子继续在物质中穿行。一旦与物质发生相互作用，主要作用的种类就是上述3种。究竟发生哪种相互作用，与光子能量以及物质的性质密切相关，一般规律如下：
①低能光子，主要经历光电效应，对高原子序数物质而言尤为明显。
②高能光子，主要经历电子对产生，随物质原子序数增高，电子对产生越加突出。
③中能光子，主要经历康普顿散射。在物质中，主要经历康普顿散射的光子能量：在高原子序数物质（如铅）中为1 Me V左右，且范围较窄（图2.5a）；在碳、水、软组织之类的低原子序数物质（如碳）中范围很宽，介于25 keV至25 MeV之间（图2.5b），几乎覆盖医学、生物学领域用到的所有X、γ射线。
（3）光子与物质相互作用的次要过程
除了上述提及的3个主要作用过程——光电效应、康普顿散射和电子对产生外，光子还可以与物质发生相干散射和光核反应。以下进行简要介绍。
相干散射：X、γ光子具有波粒二象性，既是粒子，也是电磁波。入射电磁波从原子附近经过时，引起轨道电子共振，振荡电子将发射波长相同但方向不同的电磁波，不同轨道电子发射的电磁波具有相干性，故称此过程为相干散射，又称瑞利散射。在相干散射过程中，X、γ光子仅改变运动方向而没有能量转移。
图2.3 康普顿散射示意图
图2.4 电子对产生示意图
图2.5 碳和铅中不同能量光子相互作用的相对概率分布
光核反应：X、γ光子与原子核作用引起的核反应称为光核反应。常见的反应类型有（γ，p）、（γ，n）。光核反应是有阈能的反应。当X、γ光子能量大于阈能时，反应截面随X、γ光子能量增加而增大；当X、γ光子能量大于阈能数个Me V时，反应截面达到最大，此后随X、γ光子能量增加而减小。
由于光核反应截面很小，在剂量学中往往忽略光核反应的贡献。但在机房防护设计时，如果加速器X射线能量大于10 Me V，则需要考虑（γ，n）反应，这是因为一方面中子比光子更容易从迷道中逸出，另一方面反应后的核素具有短寿命的β+衰变（半衰期约10 min）。
（4）中子与物质的相互作用形式
与光子不同的是，中子虽不带电，并且只与原子核相互作用，相互作用过程种类繁多。
在物质中，中子经历何种过程、能量损失多寡，与中子的能量、物质种类关系密切，且变化剧烈。通常，按能量高低，中子分成5类：热中子、慢中子、中能中子、快中子和高能中子。
热中子（0.025～0.5 eV）：通过俘获过程（capture），会被任何物质的原子核吸收；吸收热中子后，原子核可能发射γ光子或带电粒子。特别地，把发射γ光子的俘获过程称为辐射俘获（radiative capture），如1 H（n；γ）2 H。吸收热中子后，只有轻核才可能有发射带电粒子的俘获过程，如人体中常有14 N（n；p）14 C反应。
慢中子（0.5～1 000 eV）：遇轻核，主要发生弹性散射（elastic collision）（n；n′）；遇重核，呈现辐射俘获（n；γ）。
中能中子（1～10 keV）、快中子（0.01～10 MeV）：主要经历弹性散射；中子能量超过0.1 Me V，便能引发非弹性散射（inelastic collision）（n；n′、γ）。
高能中子（＞10 Me V）：与原子核碰撞后，会有多个中子出现，称为去弹性散射（nonelastic collision），如14 N（n；2n′）13 N等。
此外，在吸收了能量甚高的中子后，原子核会变得四分五裂，此过程称为散裂（spallation），如人体中会有14 N（n；2α）7 Li、12 C（n；n′，α）8 Be、12 C（n；n′，3α）等。
以上所述，圆括号内分号前的n，代表入射中子；分号后的n′、p、γ、α，分别代表相互作用后出射的中子、质子、γ光子和α粒子；字母前的数字，代表作用过程发生后出现的相关粒子数。
进入人体后，通过上列过程，中子的能量E n，大部分变成重带电粒子（例如，弹性散射后氢、碳、氮、氧反冲核，以及其他过程中的质子和α粒子）的动能。
由于人体中氢核最多，中子与氢核发生弹性散射的截面（可能性）最大，放出的能量也最多，因此，在人体中，中子能量有85%～95%是向氢核转移的。
经由上述重带电粒子后续的电离、激发过程，中子的部分能量最终为能量转移点附近的物质所吸收。