本发明涉及一种通过熵变分析电离及非电离辐射剂量效应关系的方法，具体的涉及一种通过引入分子有效体积和自由体积的概念、基于熵变函数的定义、计算有效熵变和自由熵变、分析电离及非电离辐射剂量效应关系的方法。
背景技术：
1850年，德国物理学家鲁道夫·克劳修斯首次提出熵的概念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热量总会自发的从热物体向冷物体流动，热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意可逆循环过程都都适用的一个公式：dS = dQ/T。
1877年，奥地利物理学家玻尔兹曼在研究微观粒子运动统计现象的基础上采用统计学方法建立了熵函数：S=klnΩ，其中，Ω为系统微观粒子的微观状态数，k为玻尔兹曼常数。这个公式反映了熵函数的统计学意义，它将系统的宏观物理量S与微观物理量Ω联系起来，成为联系宏观与微观的重要桥梁之一。基于上述熵与热力学概率之间的关系，可以得出结论：系统的熵值直接反映了它所处状态的均匀程度，系统的熵值越小，它所处的状态越是有序，越不均匀；系统的熵值越大，它所处的状态越是无序，越均匀。系统总是力图自发地从熵值较小的状态向熵值较大（即从有序走向无序）的状态转变，这就是隔离系统“熵增加原理”的微观物理意义。
1906年，德国物理学家、物理化学家瓦尔特·能斯特提出了热力学第三定律：在0K时任何完整晶体中的原子或微观粒子只有一种排列方式，即只有唯一的微观状态，其熵值为零。从熵值为零的状态出发，使体系变化到P=1.013×105Pa和某温度T，如果知道这一过程中的热力学数据，原则上可以求出过程的熵变值，它就是体系的绝对熵值。于是人们求得了各种物质在标准状态下的摩尔绝对熵值，简称标准熵，单位为kJ/mol。
在热力学中，熵是表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示。对于可逆过程，熵增定义为dS = dQ/T，若过程是不可逆的，则dS > dQ/T，式中T为物质的热力学温度，dQ为熵增过程中物质吸收的热量。从微观上说，熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度，系统越无序、越混乱，熵就越大。热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。
电离辐射的全称是致电离辐射，是指通过射线与物质的相互作用能够直接或间接地使物质的原子、分子电离的辐射。电离辐射包括波长短、频率高、能量高的电磁波及各种射线(重带电粒子、带电轻子和不带电粒子)。电离辐射可以从原子、分子或其它束缚状态电离出一个或几个电子，电离能力取决于射线(粒子或电磁波)所带的能量，而不是射线的数量。如果射线没有带足够电离能量，大量的射线也不能够导致电离。电离辐射引起的剂量效应关系很复杂，射线可以在一维、二维和三维材料及生物体器官、组织、细胞、细胞器及分子层面引起各种辐射剂量效应关系。特别是电离辐射对生物体的生物效应除了在被照射生物体中引起躯体效应外，还会在被照射生物体的子代引起遗传效应。躯体效应对人体而言主要有由电离辐射诱发的肿瘤、白血病、皮肤损伤、生育能力减弱和白内障等，遗传效应主要有身体和智力发育中出现的障碍等。射线的种类和剂量不同产生的剂量效应关系会有很大的不同，电离辐射对生物体引起的有害效应可以分为随机性效应和非随机性效应。随机效应发生的概率和剂量有关，而其严重程度和剂量无关，即随机效应和剂量之间存在线性无阈关系。而非随机效应是指辐照产生的严重程度随剂量大小而改变的效应，已经被ICRP更名为组织反应。
非电离辐射是指能量比较低并不能使物质原子或分子产生电离的辐射。非电离辐射包括低能量的电磁辐射(包括紫外线、可见光、红外线、微波及无线电波等)和各种能量的机械波。随着电磁辐射和超声波技术的广泛使用，非电离辐射在日常生活和工作中较普遍，但非电离辐射对材料和生物体的作用机理相当复杂至今还不是很清楚，建立非电离辐射剂量效应关系还需要方法学的突破，特别是对生物体非电离辐射剂量效应关系更需要理论指导。根据目前已有的知识可以将非电离辐射生物效应归类为热效应、非热效应和累积效应等。热效应主要是因为生物体70%以上都是水，水分子受到非电离辐射后会升温，从而影响到生物体内器官正常的生理机能，对人体而言眼睛和睾丸是最容易受到热效应危害的器官。非热效应中的窗口效应是其特点之一，窗口效应有两种即频率窗和功率窗，包括人体的器官和组织在内的生物体都存在微弱的电磁场，它们一旦受到外界非电离辐射的干扰，处于平衡状态的电磁场即将遭到破坏，生物体即会遭受电磁辐射损伤。累积效应是指生物体受到的热效应和非热效应引起的电磁损伤还没自我修复之前，再次受到非电离辐射，其伤害程度就会累积，久而久之就可能引发永久性病变，甚至危害生命。
本申请的发明人经过近年来教学实践中对热力学中熵变规律深入细致的思考结合科研实践中对电离及非电离辐射剂量效应关系的潜心研究，设计了一种通过引入分子有效体积和自由体积的概念、基于熵变函数的定义、计算有效熵变和自由熵变、分析电离及非电离辐射剂量效应关系的方法，实践业已证实该方法是一种简便易行的分析电离及非电离辐射剂量效应关系的新方法。
技术实现要素：
本发明提供了一种通过熵变分析电离及非电离辐射剂量效应关系的方法，该方法包括分子有效体积和自由体积概念的引入、熵变函数的定义、有效熵变和自由熵变的计算、电离及非电离辐射剂量效应关系的分析等步骤。优选地，在通过熵变分析电离及非电离辐射剂量效应关系的步骤中还包括分子有效体积和自由体积概念的引入、熵变函数的定义与有效熵变和自由熵变的计算等步骤，经过上述对材料或生物体有效熵变和自由熵变的计算和分析可获得电离及非电离辐射剂量效应关系。
鉴于电离及非电离辐射剂量效应关系急需一种简便易行的分析方法的现实需要，以材料和生物体为研究对象，通过引入分子有效体积和自由体积的概念、基于熵变函数的定义、计算有效熵变和自由熵变，分析并获得电离及非电离辐射剂量效应关系，为辐射材料学、辐射生物学、辐射加工、辐射环境、辐射防护、核医、核农、核探测等核技术及应用领域剂效关系的研究提供了一种全新的分析方法。
其中，分子有效体积和自由体积概念的引入是通过熵变分析电离及非电离辐射剂量效应关系最核心的科学问题，因此，分子的有效体积和自由体积如何定义和界定是通过熵变分析电离及非电离辐射剂量效应关系首先要解决的问题。分子的有效体积是指包含分子间及内外场对分子作用的空间体积，用表示；分子的自由体积是指不受任何相互作用的分子自由活动的空间体积，用表示。对于一个材料或生物体由于每个分子间及内外场对分子作用都不同，每个分子的有效体积都将不相同，但其平均值即平均有效体积却是一定的，可以通过统计热力学的方法理论计算得到，同理平均自由体积也是确定的，可以通过实验测得材料或生物体的总体积扣除每个分子的平均有效体积数学计算得到。影响分子有效体积的因素主要包括分子自身的物理化学性质、所处的热力学状态或生理环境以及各种电离和非电离辐射射线的作用，具体来说，一个材料或生物体所处的热力学状态或生理环境不同，由于其组成分子所受的作用不同，其有效体积和平均有效体积将显著不同。此外，随着辐射剂量的增大由于各种射线对分子的作用增大，分子的有效体积和平均有效体积都将增大，反之亦然。总之，但凡是能改变分子间及各种射线对分子作用的因素，都将改变分子的有效体积和平均有效体积，并引起材料或生物体的熵变。
熵变函数的定义是通过熵变分析电离及非电离辐射剂量效应关系的最关键因素，因此，怎样定义熵变函数直接决定了通过熵变分析电离及非电离辐射剂量效应关系的计算方法。基于玻尔兹曼熵函数：S =klnΩ，对于一个材料或生物体，由于微观状态数Ω取决于材料或生物体的总体积、单位体积、分子的种类n和每种分子的数量，因为单位体积是相对的，因此，熵也是一个相对的物理量。熵变函数被定义为：
式中，K，是玻尔兹曼常数，Ω, 是一个材料或生物体的微观状态数， J/mol∙K，是摩尔气体常数， 是第i种分子的质量， 是第i种分子的摩尔质量，和 分别是第i种分子的任意两种状态的平均自由体积，和 分别是第i种分子的任意两种状态的平均有效体积， 是有效熵变， 是自由熵变。对于一个给定的材料或生物体，由于, 和 都是绝对的，因此，熵变也是绝对的物理量。
有效熵变和自由熵变的计算是通过熵变分析电离及非电离辐射剂量效应关系的重要环节，因此，有效熵变和自由熵变的计算显得尤为重要。基于一个材料或生物体中各种分子平均有效体积的理论计算、总体积的实验测定和平均自由体积的数学计算，分别代入熵变函数和，可以得到材料或生物体的有效熵变和自由熵变。
对电离及非电离辐射剂量效应关系的分析是本方法的最后环节。电离辐射是指通过射线与物质的相互作用能够直接或间接地使物质的原子、分子电离的辐射。随着辐射剂量的增大，开始阶段分子的种类将稍微增多且构型和空间构象将发生微弱改变，分子的平均有效体积将增大而平均自由体积将减小且，材料或生物体的熵变，从而引起各种随机性辐射效应；当辐射剂量增大到一阈值时，分子的平均有效体积达到某一临界值，平均自由体积也将不变，材料或生物体的熵变，各种相互作用和分子热运动达到辐射平衡；随着辐射剂量的再增大，分子的种类将显著增多且构型和空间构象将发生显著改变，分子的平均有效体积将显著增大而平均自由体积将减小，但因为分子种类及数量显著增加，材料或生物体的熵变，从而引起各种非随机性辐射效应，反之亦然。非电离辐射是指能量比较低并不能使物质原子或分子产生电离的辐射。随着辐射剂量的增大，分子的种类不变但其空间构象将发生微弱改变，分子的平均有效体积将增大而平均自由体积将减小但，材料或生物体的熵变，从而引起材料或生物体的热效应；当辐射剂量增大到一阈值时，分子的平均有效体积达到某一临界值，平均自由体积也将不变，材料或生物体的熵变，从而引起材料或生物体的非热效应；随着辐射剂量的再增大，分子的种类虽不变但其空间构象将发生显著改变，分子的平均有效体积将显著增大而平均自由体积将减小但，材料或生物体的熵变，从而引起材料或生物体的累积效应，反之亦然。
电离及非电离辐射剂量效应关系是分子有序性和无序性两种倾向相互竞争决定的，相互作用是有序性的起因并引起熵减小，即；分子热运动是无序性的来源并引起自发的熵增加，即。通过熵变分析电离及非电离辐射剂量效应关系可以概括为：
I. 随着辐射剂量的增大，开始阶段分子的种类及数量将稍微增多且构型和空间构象将发生微弱改变，分子的平均有效体积将增大而平均自由体积将减小但，材料或生物体的熵变，从而引起各种随机性辐射效应；当辐射剂量增大到一阈值时，分子的平均有效体积达到某一临界值，平均自由体积也将不变，材料或生物体的熵变，各种相互作用和分子热运动达到辐射平衡；随着辐射剂量的再增大，分子的种类及数量将显著增多且构型和空间构象将发生显著改变，分子的平均有效体积将显著增大而平均自由体积将减小且，但因为分子种类及数量显著增加，材料或生物体的熵变，从而引起各种非随机性辐射效应，反之亦然；
II. 对于非电离辐射，随着辐射剂量的增大，分子的种类不变但其空间构象将发生微弱改变，分子的平均有效体积将增大而平均自由体积将减小但，材料或生物体的熵变，从而引起材料或生物体的热效应；当辐射剂量增大到一阈值时，分子的平均有效体积达到某一临界值，平均自由体积也将不变，材料或生物体的熵变，从而引起材料或生物体的非热效应；随着辐射剂量的再增大，分子的种类不变但其空间构象将发生显著改变，分子的平均有效体积将显著增大而平均自由体积将减小但，材料或生物体的熵变，从而引起材料或生物体的累积效应，反之亦然。
该方法业已在实践中验证，结果表明该方法是一种简便易行的分析电离及非电离辐射剂量效应关系的新方法。
具体实施方式
实施例 通过熵变分析电离及非电离辐射剂量效应关系的方法
通过熵变分析电离及非电离辐射剂量效应关系的方法包括分子有效体积和自由体积概念的引入、熵变函数的定义、有效熵变和自由熵变的计算、电离及非电离辐射剂量效应关系的分析几个步骤，基于上述熵变函数的定义、通过对材料或生物体有效熵变和自由熵变的计算和分析可获得电离及非电离辐射剂量效应关系。
（1）、分子有效体积和自由体积概念的引入
分子的有效体积是指包含分子间及内外场对分子作用的空间体积，用表示；分子的自由体积是指不受任何相互作用的分子自由活动的空间体积，用表示。对于一个材料或生物体由于每个分子间及内外场对分子作用都不同，每个分子的有效体积都将不相同，但其平均值即平均有效体积却是一定的，可以通过统计热力学的方法理论计算得到，同理平均自由体积也是确定的，可以通过实验测得材料或生物体的总体积扣除每个分子平均有效体积数学计算得到。
（2）、熵变函数的定义
熵变函数被定义为：
式中，K，是玻尔兹曼常数Ω, 是一个材料或生物体的微观状态数， J/mol∙K，是摩尔气体常数， 是第i种分子的质量， 是第i种分子的摩尔质量，和 分别是第i种分子的任意两种状态的平均自由体积，和 分别是第i种分子的任意两种状态的平均有效体积， 是有效熵变， 是自由熵变。
（3）、有效熵变和自由熵变的计算
基于步骤(1)中材料或生物体各种分子平均有效体积的理论计算和平均自由体积的数学计算结果，分别代入熵变函数和，可以分别得到材料或生物体的有效熵变和自由熵变。
（4）、电离及非电离辐射剂量效应关系的分析
电离及非电离辐射剂量效应关系是分子有序性和无序性两种倾向相互竞争决定的，相互作用是有序性的起因并引起熵减小，即；分子热运动是无序性的来源并引起自发的熵增加，即。通过熵变分析电离及非电离辐射剂量效应关系可以概括为：
I. 随着辐射剂量的增大，开始阶段分子的种类及数量将稍微增多且构型和空间构象将发生微弱改变，分子的平均有效体积将增大而平均自由体积将减小但，材料或生物体的熵变，从而引起各种随机性辐射效应；当辐射剂量增大到一阈值时，分子的平均有效体积达到某一临界值，平均自由体积也将不变，材料或生物体的熵变，各种相互作用和分子热运动达到辐射平衡；随着辐射剂量的再增大，分子的种类及数量将显著增多且构型和空间构象将发生显著改变，分子的平均有效体积将显著增大而平均自由体积将减小且，但因为分子种类及数量显著增加，材料或生物体的熵变，从而引起各种非随机性辐射效应，反之亦然；
II. 对于非电离辐射，随着辐射剂量的增大，分子的种类不变但其空间构象将发生微弱改变，分子的平均有效体积将增大而平均自由体积将减小但，材料或生物体的熵变，从而引起材料或生物体的热效应；当辐射剂量增大到一阈值时，分子的平均有效体积达到某一临界值，平均自由体积也将不变，材料或生物体的熵变，从而引起材料或生物体的非热效应；随着辐射剂量的再增大，分子的种类不变但其空间构象将发生显著改变，分子的平均有效体积将显著增大而平均自由体积将减小但，材料或生物体的熵变，从而引起材料或生物体的累积效应，反之亦然。
通过上述具体的实施例，更容易理解本发明。上述实施例只是举例性的描述，而不应当被理解为用来限制本发明的范围。