本發明涉及一種通過熵變分析電離及非電離輻射劑量效應關系的方法，具體的涉及一種通過引入分子有效體積和自由體積的概念、基于熵變函數的定義、計算有效熵變和自由熵變、分析電離及非電離輻射劑量效應關系的方法。
背景技術：
1850年，德國物理學家魯道夫·克勞修斯首次提出熵的概念，用來表示任何一種能量在空間中分布的均勻程度，能量分布得越均勻，熵就越大。一個體系的能量完全均勻分布時，這個系統的熵就達到最大值。在克勞修斯看來，在一個系統中，如果聽任它自然發展，那么，能量差總是傾向于消除的。讓一個熱物體同一個冷物體相接觸，熱量總會自發的從熱物體向冷物體流動，熱物體將冷卻，冷物體將變熱，直到兩個物體達到相同的溫度為止。克勞修斯在研究卡諾熱機時，根據卡諾定理得出了對任意可逆循環過程都都適用的一個公式：dS = dQ/T。
1877年，奧地利物理學家玻爾茲曼在研究微觀粒子運動統計現象的基礎上采用統計學方法建立了熵函數：S=klnΩ，其中，Ω為系統微觀粒子的微觀狀態數，k為玻爾茲曼常數。這個公式反映了熵函數的統計學意義，它將系統的宏觀物理量S與微觀物理量Ω聯系起來，成為聯系宏觀與微觀的重要橋梁之一。基于上述熵與熱力學概率之間的關系，可以得出結論：系統的熵值直接反映了它所處狀態的均勻程度，系統的熵值越小，它所處的狀態越是有序，越不均勻；系統的熵值越大，它所處的狀態越是無序，越均勻。系統總是力圖自發地從熵值較小的狀態向熵值較大（即從有序走向無序）的狀態轉變，這就是隔離系統“熵增加原理”的微觀物理意義。
1906年，德國物理學家、物理化學家瓦爾特·能斯特提出了熱力學第三定律：在0K時任何完整晶體中的原子或微觀粒子只有一種排列方式，即只有唯一的微觀狀態，其熵值為零。從熵值為零的狀態出發，使體系變化到P=1.013×105Pa和某溫度T，如果知道這一過程中的熱力學數據，原則上可以求出過程的熵變值，它就是體系的絕對熵值。于是人們求得了各種物質在標準狀態下的摩爾絕對熵值，簡稱標準熵，單位為kJ/mol。
在熱力學中，熵是表征物質狀態的參量之一，通常用符號S表示。對于可逆過程，熵增定義為dS = dQ/T，若過程是不可逆的，則dS > dQ/T，式中T為物質的熱力學溫度，dQ為熵增過程中物質吸收的熱量。從微觀上說，熵是組成系統的大量微觀粒子無序度的量度，系統越無序、越混亂，熵就越大。熱力學過程不可逆性的微觀本質和統計意義就是系統從有序趨于無序，從概率較小的狀態趨于概率較大的狀態。
電離輻射的全稱是致電離輻射，是指通過射線與物質的相互作用能夠直接或間接地使物質的原子、分子電離的輻射。電離輻射包括波長短、頻率高、能量高的電磁波及各種射線(重帶電粒子、帶電輕子和不帶電粒子)。電離輻射可以從原子、分子或其它束縛狀態電離出一個或幾個電子，電離能力取決于射線(粒子或電磁波)所帶的能量，而不是射線的數量。如果射線沒有帶足夠電離能量，大量的射線也不能夠導致電離。電離輻射引起的劑量效應關系很復雜，射線可以在一維、二維和三維材料及生物體器官、組織、細胞、細胞器及分子層面引起各種輻射劑量效應關系。特別是電離輻射對生物體的生物效應除了在被照射生物體中引起軀體效應外，還會在被照射生物體的子代引起遺傳效應。軀體效應對人體而言主要有由電離輻射誘發的腫瘤、白血病、皮膚損傷、生育能力減弱和白內障等，遺傳效應主要有身體和智力發育中出現的障礙等。射線的種類和劑量不同產生的劑量效應關系會有很大的不同，電離輻射對生物體引起的有害效應可以分為隨機性效應和非隨機性效應。隨機效應發生的概率和劑量有關，而其嚴重程度和劑量無關，即隨機效應和劑量之間存在線性無閾關系。而非隨機效應是指輻照產生的嚴重程度隨劑量大小而改變的效應，已經被ICRP更名為組織反應。
非電離輻射是指能量比較低并不能使物質原子或分子產生電離的輻射。非電離輻射包括低能量的電磁輻射(包括紫外線、可見光、紅外線、微波及無線電波等)和各種能量的機械波。隨著電磁輻射和超聲波技術的廣泛使用，非電離輻射在日常生活和工作中較普遍，但非電離輻射對材料和生物體的作用機理相當復雜至今還不是很清楚，建立非電離輻射劑量效應關系還需要方法學的突破，特別是對生物體非電離輻射劑量效應關系更需要理論指導。根據目前已有的知識可以將非電離輻射生物效應歸類為熱效應、非熱效應和累積效應等。熱效應主要是因為生物體70%以上都是水，水分子受到非電離輻射后會升溫，從而影響到生物體內器官正常的生理機能，對人體而言眼睛和睪丸是最容易受到熱效應危害的器官。非熱效應中的窗口效應是其特點之一，窗口效應有兩種即頻率窗和功率窗，包括人體的器官和組織在內的生物體都存在微弱的電磁場，它們一旦受到外界非電離輻射的干擾，處于平衡狀態的電磁場即將遭到破壞，生物體即會遭受電磁輻射損傷。累積效應是指生物體受到的熱效應和非熱效應引起的電磁損傷還沒自我修復之前，再次受到非電離輻射，其傷害程度就會累積，久而久之就可能引發永久性病變，甚至危害生命。
本申請的發明人經過近年來教學實踐中對熱力學中熵變規律深入細致的思考結合科研實踐中對電離及非電離輻射劑量效應關系的潛心研究，設計了一種通過引入分子有效體積和自由體積的概念、基于熵變函數的定義、計算有效熵變和自由熵變、分析電離及非電離輻射劑量效應關系的方法，實踐業已證實該方法是一種簡便易行的分析電離及非電離輻射劑量效應關系的新方法。
技術實現要素：
本發明提供了一種通過熵變分析電離及非電離輻射劑量效應關系的方法，該方法包括分子有效體積和自由體積概念的引入、熵變函數的定義、有效熵變和自由熵變的計算、電離及非電離輻射劑量效應關系的分析等步驟。優選地，在通過熵變分析電離及非電離輻射劑量效應關系的步驟中還包括分子有效體積和自由體積概念的引入、熵變函數的定義與有效熵變和自由熵變的計算等步驟，經過上述對材料或生物體有效熵變和自由熵變的計算和分析可獲得電離及非電離輻射劑量效應關系。
鑒于電離及非電離輻射劑量效應關系急需一種簡便易行的分析方法的現實需要，以材料和生物體為研究對象，通過引入分子有效體積和自由體積的概念、基于熵變函數的定義、計算有效熵變和自由熵變，分析并獲得電離及非電離輻射劑量效應關系，為輻射材料學、輻射生物學、輻射加工、輻射環境、輻射防護、核醫、核農、核探測等核技術及應用領域劑效關系的研究提供了一種全新的分析方法。
其中，分子有效體積和自由體積概念的引入是通過熵變分析電離及非電離輻射劑量效應關系最核心的科學問題，因此，分子的有效體積和自由體積如何定義和界定是通過熵變分析電離及非電離輻射劑量效應關系首先要解決的問題。分子的有效體積是指包含分子間及內外場對分子作用的空間體積，用表示；分子的自由體積是指不受任何相互作用的分子自由活動的空間體積，用表示。對于一個材料或生物體由于每個分子間及內外場對分子作用都不同，每個分子的有效體積都將不相同，但其平均值即平均有效體積卻是一定的，可以通過統計熱力學的方法理論計算得到，同理平均自由體積也是確定的，可以通過實驗測得材料或生物體的總體積扣除每個分子的平均有效體積數學計算得到。影響分子有效體積的因素主要包括分子自身的物理化學性質、所處的熱力學狀態或生理環境以及各種電離和非電離輻射射線的作用，具體來說，一個材料或生物體所處的熱力學狀態或生理環境不同，由于其組成分子所受的作用不同，其有效體積和平均有效體積將顯著不同。此外，隨著輻射劑量的增大由于各種射線對分子的作用增大，分子的有效體積和平均有效體積都將增大，反之亦然。總之，但凡是能改變分子間及各種射線對分子作用的因素，都將改變分子的有效體積和平均有效體積，并引起材料或生物體的熵變。
熵變函數的定義是通過熵變分析電離及非電離輻射劑量效應關系的最關鍵因素，因此，怎樣定義熵變函數直接決定了通過熵變分析電離及非電離輻射劑量效應關系的計算方法。基于玻爾茲曼熵函數：S =klnΩ，對于一個材料或生物體，由于微觀狀態數Ω取決于材料或生物體的總體積、單位體積、分子的種類n和每種分子的數量，因為單位體積是相對的，因此，熵也是一個相對的物理量。熵變函數被定義為：
式中，K，是玻爾茲曼常數，Ω, 是一個材料或生物體的微觀狀態數， J/mol?K，是摩爾氣體常數， 是第i種分子的質量， 是第i種分子的摩爾質量，和 分別是第i種分子的任意兩種狀態的平均自由體積，和 分別是第i種分子的任意兩種狀態的平均有效體積， 是有效熵變， 是自由熵變。對于一個給定的材料或生物體，由于, 和 都是絕對的，因此，熵變也是絕對的物理量。
有效熵變和自由熵變的計算是通過熵變分析電離及非電離輻射劑量效應關系的重要環節，因此，有效熵變和自由熵變的計算顯得尤為重要。基于一個材料或生物體中各種分子平均有效體積的理論計算、總體積的實驗測定和平均自由體積的數學計算，分別代入熵變函數和，可以得到材料或生物體的有效熵變和自由熵變。
對電離及非電離輻射劑量效應關系的分析是本方法的最后環節。電離輻射是指通過射線與物質的相互作用能夠直接或間接地使物質的原子、分子電離的輻射。隨著輻射劑量的增大，開始階段分子的種類將稍微增多且構型和空間構象將發生微弱改變，分子的平均有效體積將增大而平均自由體積將減小且，材料或生物體的熵變，從而引起各種隨機性輻射效應；當輻射劑量增大到一閾值時，分子的平均有效體積達到某一臨界值，平均自由體積也將不變，材料或生物體的熵變，各種相互作用和分子熱運動達到輻射平衡；隨著輻射劑量的再增大，分子的種類將顯著增多且構型和空間構象將發生顯著改變，分子的平均有效體積將顯著增大而平均自由體積將減小，但因為分子種類及數量顯著增加，材料或生物體的熵變，從而引起各種非隨機性輻射效應，反之亦然。非電離輻射是指能量比較低并不能使物質原子或分子產生電離的輻射。隨著輻射劑量的增大，分子的種類不變但其空間構象將發生微弱改變，分子的平均有效體積將增大而平均自由體積將減小但，材料或生物體的熵變，從而引起材料或生物體的熱效應；當輻射劑量增大到一閾值時，分子的平均有效體積達到某一臨界值，平均自由體積也將不變，材料或生物體的熵變，從而引起材料或生物體的非熱效應；隨著輻射劑量的再增大，分子的種類雖不變但其空間構象將發生顯著改變，分子的平均有效體積將顯著增大而平均自由體積將減小但，材料或生物體的熵變，從而引起材料或生物體的累積效應，反之亦然。
電離及非電離輻射劑量效應關系是分子有序性和無序性兩種傾向相互競爭決定的，相互作用是有序性的起因并引起熵減小，即；分子熱運動是無序性的來源并引起自發的熵增加，即。通過熵變分析電離及非電離輻射劑量效應關系可以概括為：
I. 隨著輻射劑量的增大，開始階段分子的種類及數量將稍微增多且構型和空間構象將發生微弱改變，分子的平均有效體積將增大而平均自由體積將減小但，材料或生物體的熵變，從而引起各種隨機性輻射效應；當輻射劑量增大到一閾值時，分子的平均有效體積達到某一臨界值，平均自由體積也將不變，材料或生物體的熵變，各種相互作用和分子熱運動達到輻射平衡；隨著輻射劑量的再增大，分子的種類及數量將顯著增多且構型和空間構象將發生顯著改變，分子的平均有效體積將顯著增大而平均自由體積將減小且，但因為分子種類及數量顯著增加，材料或生物體的熵變，從而引起各種非隨機性輻射效應，反之亦然；
II. 對于非電離輻射，隨著輻射劑量的增大，分子的種類不變但其空間構象將發生微弱改變，分子的平均有效體積將增大而平均自由體積將減小但，材料或生物體的熵變，從而引起材料或生物體的熱效應；當輻射劑量增大到一閾值時，分子的平均有效體積達到某一臨界值，平均自由體積也將不變，材料或生物體的熵變，從而引起材料或生物體的非熱效應；隨著輻射劑量的再增大，分子的種類不變但其空間構象將發生顯著改變，分子的平均有效體積將顯著增大而平均自由體積將減小但，材料或生物體的熵變，從而引起材料或生物體的累積效應，反之亦然。
該方法業已在實踐中驗證，結果表明該方法是一種簡便易行的分析電離及非電離輻射劑量效應關系的新方法。
具體實施方式
實施例 通過熵變分析電離及非電離輻射劑量效應關系的方法
通過熵變分析電離及非電離輻射劑量效應關系的方法包括分子有效體積和自由體積概念的引入、熵變函數的定義、有效熵變和自由熵變的計算、電離及非電離輻射劑量效應關系的分析幾個步驟，基于上述熵變函數的定義、通過對材料或生物體有效熵變和自由熵變的計算和分析可獲得電離及非電離輻射劑量效應關系。
（1）、分子有效體積和自由體積概念的引入
分子的有效體積是指包含分子間及內外場對分子作用的空間體積，用表示；分子的自由體積是指不受任何相互作用的分子自由活動的空間體積，用表示。對于一個材料或生物體由于每個分子間及內外場對分子作用都不同，每個分子的有效體積都將不相同，但其平均值即平均有效體積卻是一定的，可以通過統計熱力學的方法理論計算得到，同理平均自由體積也是確定的，可以通過實驗測得材料或生物體的總體積扣除每個分子平均有效體積數學計算得到。
（2）、熵變函數的定義
熵變函數被定義為：
式中，K，是玻爾茲曼常數Ω, 是一個材料或生物體的微觀狀態數， J/mol?K，是摩爾氣體常數， 是第i種分子的質量， 是第i種分子的摩爾質量，和 分別是第i種分子的任意兩種狀態的平均自由體積，和 分別是第i種分子的任意兩種狀態的平均有效體積， 是有效熵變， 是自由熵變。
（3）、有效熵變和自由熵變的計算
基于步驟(1)中材料或生物體各種分子平均有效體積的理論計算和平均自由體積的數學計算結果，分別代入熵變函數和，可以分別得到材料或生物體的有效熵變和自由熵變。
（4）、電離及非電離輻射劑量效應關系的分析
電離及非電離輻射劑量效應關系是分子有序性和無序性兩種傾向相互競爭決定的，相互作用是有序性的起因并引起熵減小，即；分子熱運動是無序性的來源并引起自發的熵增加，即。通過熵變分析電離及非電離輻射劑量效應關系可以概括為：
I. 隨著輻射劑量的增大，開始階段分子的種類及數量將稍微增多且構型和空間構象將發生微弱改變，分子的平均有效體積將增大而平均自由體積將減小但，材料或生物體的熵變，從而引起各種隨機性輻射效應；當輻射劑量增大到一閾值時，分子的平均有效體積達到某一臨界值，平均自由體積也將不變，材料或生物體的熵變，各種相互作用和分子熱運動達到輻射平衡；隨著輻射劑量的再增大，分子的種類及數量將顯著增多且構型和空間構象將發生顯著改變，分子的平均有效體積將顯著增大而平均自由體積將減小且，但因為分子種類及數量顯著增加，材料或生物體的熵變，從而引起各種非隨機性輻射效應，反之亦然；
II. 對于非電離輻射，隨著輻射劑量的增大，分子的種類不變但其空間構象將發生微弱改變，分子的平均有效體積將增大而平均自由體積將減小但，材料或生物體的熵變，從而引起材料或生物體的熱效應；當輻射劑量增大到一閾值時，分子的平均有效體積達到某一臨界值，平均自由體積也將不變，材料或生物體的熵變，從而引起材料或生物體的非熱效應；隨著輻射劑量的再增大，分子的種類不變但其空間構象將發生顯著改變，分子的平均有效體積將顯著增大而平均自由體積將減小但，材料或生物體的熵變，從而引起材料或生物體的累積效應，反之亦然。
通過上述具體的實施例，更容易理解本發明。上述實施例只是舉例性的描述，而不應當被理解為用來限制本發明的范圍。