放射治療物理學(xué),江蘇省腫瘤醫(yī)院放療科物理室王靜wj620517313951707401,物理學(xué)分支,經(jīng)典力學(xué)及理論力學(xué)(Mechanics)研究物體機(jī)械運(yùn)動的基本規(guī)律的規(guī)律電磁學(xué)及電動力學(xué)(ElectromagnetismandElectrodynamics)研究電磁現(xiàn)象，物質(zhì)的電磁運(yùn)動規(guī)律及電磁輻射等規(guī)律熱力學(xué)與統(tǒng)計物理學(xué)(ThermodynamicsandStatisticalPhysics)研究物質(zhì)熱運(yùn)動的統(tǒng)計規(guī)律及其宏觀表現(xiàn)相對論和時空物理(Relativity)研究物體的高速運(yùn)動效應(yīng)，相關(guān)的動力學(xué)規(guī)律以及關(guān)于時空相對性的規(guī)律量子力學(xué)(Quantummechanics)研究微觀物質(zhì)運(yùn)動現(xiàn)象以及基本運(yùn)動規(guī)律,粒子物理學(xué)、原子核物理學(xué)、原子分子物理學(xué)、固體物理學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)、激光物理學(xué)、等離子體物理學(xué)、地球物理學(xué)、生物物理學(xué)、天體物理學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、無線電物理學(xué)、熱學(xué)、量子場論、低溫物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)、磁學(xué)、液晶、醫(yī)學(xué)物理學(xué)、非線性物理學(xué)、計算物理學(xué)和空氣動力學(xué)等等。,醫(yī)學(xué)物理學(xué),醫(yī)學(xué)物理學(xué)是把物理學(xué)的原理和方法應(yīng)用于人類疾病的預(yù)防、診斷、治療和保健的交叉學(xué)科，它包括:腫瘤放射治療科（放射物理學(xué)，放射生物學(xué)，臨床腫瘤學(xué)，放療技術(shù)學(xué)）；醫(yī)學(xué)影像科(如CT、CR、DR及非電離輻射如MRI、超聲、微波、射頻、激光等）核醫(yī)學(xué)科(如SPECT、PET)；保健物理學(xué)科(其他非電離輻射如超聲微波射頻激光等及輻射防護(hù))。,醫(yī)學(xué)物理師,和臨床醫(yī)師和技師配合，在.等各科，從事臨床診斷和治療的物理和技術(shù)支持及其中的教學(xué)和科研工作，特別是在診療新技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用、質(zhì)量保證和質(zhì)量控制以及保健物理和輻射防護(hù)等方面起著極其重要的作用。,物理師：國外3:2,100萬/13人國內(nèi)8:1,100萬/小于0.5人,醫(yī)生和技術(shù)員之間的紐帶機(jī)器和人之間的橋梁高質(zhì)量治療的保證前提條件是自身的良好服務(wù),1、腫瘤放射治療發(fā)展簡史,放射治療發(fā)展的第一個里程碑放射治療發(fā)展的第二個里程碑放射治療發(fā)展的第三個里程碑,放射治療發(fā)展的第一個里程碑KV級時代（1896年1942年）,在這一時代里的主要治療設(shè)備是“鐳錠”和“深、淺度X光機(jī)”。腫瘤病人通過放射治療后的五年生存率平均為22%。,2020/5/26,歷史回顧重要事件,1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線。1896：貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾(U)放射現(xiàn)象;1897：居里夫婦發(fā)現(xiàn)釙(Po)和鐳(Ra);1899：盧瑟福發(fā)現(xiàn)、射線；1903：盧瑟福證實射線為He2+，射線為電子；1911：盧瑟福提出原子的核式模型；1919：盧瑟福首次實現(xiàn)人工核反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。1932：J.Chadwick發(fā)現(xiàn)了中子;1934：F.&I.Joliot-Curie發(fā)現(xiàn)人工放射性；1939：O.Hahn等人發(fā)現(xiàn)重核裂變；,1985年倫琴在實驗室中,在真空條件下,用高速電子流轟擊鎢靶時,產(chǎn)生了一種強(qiáng)穿透力的不可見光,因為是未知的,所以稱為X射線,也叫倫琴射線.,倫琴夫人對于丈夫發(fā)現(xiàn)的神秘射線既好奇又不相信，倫琴就讓夫人把手放在射線前拍攝了一張照片，這就是歷史上第一張X光照片它一直被保存到今天，成為20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的一個里程碑式的標(biāo)志,世界上第一張X線片-倫琴夫人的手,由于X射線可以穿透皮肉透視手掌、骨骼，在醫(yī)學(xué)診斷上很有用處。因此，這項發(fā)現(xiàn)一公布，就引起了很大的震動。醫(yī)務(wù)界和科學(xué)家隨即把X射線應(yīng)用于醫(yī)療診斷和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究。,諾貝爾物理學(xué)獎得主,1901年倫琴由于發(fā)現(xiàn)X線而榮獲全世界首次頒發(fā)的諾貝爾物理學(xué)獎；1903年貝可勒爾和居里夫婦發(fā)現(xiàn)鈾的天然放射性現(xiàn)象分享諾貝爾物理學(xué)獎；1908年盧瑟福證實了射線為He2+，射線為電子，提出了原子的核式模型，首次實現(xiàn)人工核反應(yīng)，獲得諾貝爾獎，被稱為近代原子核物理學(xué)之父；1911年波爾對原子結(jié)構(gòu)和原子輻射的貢獻(xiàn)而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎；,放射治療發(fā)展的第二個里程碑MV級時代（1942年20世紀(jì)90年代）,1942年科斯忒（Kerst）成功地研制成20MeV的電子感應(yīng)加速器（Betatron）。1947年建造了第一臺電子行波直線加速器。1951年加拿大首先提供了一臺60Co遠(yuǎn)距離治療機(jī)。后來又發(fā)展了CT、MR、模擬定位機(jī)，TPS和劑量測試系統(tǒng)。這一時期里腫瘤病人通過放療后五年生存率由原來的22%提高到49%。,2020/5/26,歷史回顧重要事件,1945：原子彈試爆成功，并在廣島上空爆炸；1952：氫彈試爆成功。第一個里程碑到第二個里程碑的時間間隔約50年（四十六年）,放射治療發(fā)展的第三個里程碑調(diào)強(qiáng)適形治療時代（從20世紀(jì)90年代起）,20世紀(jì)90年代市場上出現(xiàn)了帶有多葉光欄（MLC）的電子直線加速器、帶有反向治療計劃設(shè)計功能的三維TPS系統(tǒng)、CT模擬定位機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這就為“三維調(diào)強(qiáng)適形治療”的開展奠定了物質(zhì)和科學(xué)基礎(chǔ)，使放射治療的發(fā)展開始進(jìn)入到第三個里程碑。,三維適形放射治療(3DCRT)、立體定向放射治療(SRT)、調(diào)強(qiáng)放射治療(IMRT)、圖像引導(dǎo)放射治療(IGRT)、四維生物自適應(yīng)放射治療（4DBSART)；斷層調(diào)強(qiáng)適形治療機(jī)（TomotherapyIMRT）又是集加速器、CT、TPS、劑量監(jiān)測系統(tǒng)為一體的系統(tǒng)，能使“靜態(tài)適形”進(jìn)入到“動態(tài)適形”階段。將診斷范圍拓展到“功能性”范圍，這就為更精確的調(diào)強(qiáng)適形治療“避開正常組織的治療（AvoidTreatment）”打下了基礎(chǔ)。在腫瘤治療中TCP與NTCP正通過技術(shù)變化而獲得最佳治療增益結(jié)果。,第二個里程碑到第三個里程碑的時間間隔恰好也是50年,二.放射治療在腫瘤治療中的地位,放射治療（Radiationtherapy）是利用放射線治療各種腫瘤的臨床方法。放射治療與外科手術(shù)治療、化學(xué)藥物治療是現(xiàn)代臨床治療腫瘤的三大手段。國際衛(wèi)生組織（WTO）2010年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：（1）70%左右的腫瘤患者需要接受放射治療；（2）腫瘤治愈率45%中:手術(shù)治療貢獻(xiàn)為22%（相對貢獻(xiàn)率為49）；放射治療為18%（40）；化療為5%（11）。因此，放射治療在腫瘤治療中所起的作用是不可替代的。,三.放射治療方法,外照射位于體外一定距離，集中照射人體某一部位，叫體外遠(yuǎn)距離照射，簡稱外照射。包括普通2D放療（SST，SAD,ROT）、3D放療（CRT、IMRT、立體定向放射治療SRT或SRS)。內(nèi)照射將放射源密封直接放入被治療的組織內(nèi)或人體的天然腔內(nèi)，包括腔內(nèi)、組織間插植、敷貼、放射粒子植入、表面施源器照射。,圖像引導(dǎo)調(diào)強(qiáng)放療加速器,第一章放射治療物理學(xué)基礎(chǔ),物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第一節(jié)原子和原子核結(jié)構(gòu),一、原子的大小和重量,原子的直徑10-10m。把1000萬個碳原子一個接一個排成行，其長度只有1厘米。50萬個原子只能排滿頭發(fā)絲的距離。全世界50億人一起來數(shù)一滴水中包含原子的數(shù)目，假定每人數(shù)一個原子的時間一秒鐘，50億人一起數(shù)完一滴水中全部原子所需的時間為30000年。,原子的重量只有10-23克。一杯水的重量與其中的一個原子的重量相比，約等于地球的重量與其上的一小塊磚頭的重量之比。,原子結(jié)構(gòu)示意圖,原子atom,原子核（核子）nucleus,電子（帶負(fù)電）electron,質(zhì)子（Z,帶正電proton）,中子（N,不帶電neutron）,質(zhì)子所帶電荷數(shù)和核外電子數(shù)相同，都為1個電荷單位e,原子核總電荷為Ze,原子呈電中性。,核子數(shù)也稱原子核的質(zhì)量數(shù)A,等于質(zhì)子和中子數(shù)之和。,實際上核素符號X和質(zhì)子數(shù)Z具有唯一、確定的關(guān)系，所以用符號AX足以表示一個特定的核素。,二、核素的表示,例如：,為三個核素，可表示為：,核素（nuclide）：,具有一定數(shù)目的中子和質(zhì)子以及特定能態(tài)的一種原子核或原子稱為核素。,核子數(shù)、中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)和能態(tài)只要有一個不同，就是不同的核素。,同位素：Z質(zhì)子數(shù)同，N中子數(shù)不同。,同質(zhì)異能素：Z和N同，能態(tài)(指自旋與能級）不同。稱亞穩(wěn)態(tài)。廣泛用于醫(yī)學(xué)影像診斷。如99Tcm。,核素分為：穩(wěn)定性的：中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比是11，結(jié)果最穩(wěn)定。中子和質(zhì)子的和諧組合導(dǎo)致穩(wěn)定（非放射性）核素的形成。例如，在低原子數(shù)范圍內(nèi)，穩(wěn)定元素的中子數(shù)N和質(zhì)子數(shù)Z數(shù)目基本相同。不穩(wěn)定性的（即為放射性核素）：中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比大于或小于穩(wěn)定的比值，結(jié)果最不穩(wěn)定，這時原子核具有放射性,能自發(fā)地發(fā)射射線或自發(fā)裂變。,99.985%、0.015%,穩(wěn)定核素和放射性同位素,其中，穩(wěn)定同位素為：,而為放射性同位素，具有放射性，放出最大能量為18KeV的射線，其半衰期。它的產(chǎn)生是宇宙射線與空氣中的N和O發(fā)生核反應(yīng)，稱為宇生放射性,氫的三種同位素具有相同的化學(xué)性質(zhì)，但其放射性卻不同。,人工放射性核素是指在反應(yīng)堆或加速器所生成的，而非天然和自然界的因素下生成的放射性核素。同位素技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的放射源-鈷源（）就是在反應(yīng)堆中生成。將金屬鈷，即，其豐度，放在反應(yīng)堆孔道內(nèi)，利用中子照射，發(fā)生如下核反應(yīng)：工業(yè)上應(yīng)用于食品和醫(yī)療器具的殺菌、消毒的鈷源（），其活度達(dá)幾十萬至百萬居里（）。,某元素中天然含量的百分比稱為同位素豐度。,具有相同質(zhì)子數(shù)，但中子數(shù)不同的核素稱同位素。同位是指該元素的各種原子在元素周期表中處于同一個位置，它們具有基本相同的化學(xué)性質(zhì)。,同位素（Isotope）和同位素豐度,鈾的三種同位素。,氫的三種同位素；,99.756%、0.039%、0.205%,99.985%、0.015%,0.0055、0.7200%、99.2745%,核素圖：我們可以把核素排在一張所謂核素圖上。核素圖共包含3000多個核素,其中天然存在332個核素(280為穩(wěn)定核素),人工放射性核素2600多個。,三、原子的質(zhì)量和能量單位,原子的質(zhì)量用原子質(zhì)量單位u表示,就叫做原子量（AtomicMass或AtomicWeight）。1u定義為12C原子質(zhì)量的1/12，根據(jù)阿伏伽德羅假說，每一克原子單位的物質(zhì)所含原子數(shù)相同，稱做阿伏伽德羅常數(shù)（AvogadrosNumber），目前公認(rèn)為6.02281023個原子/克原子量。得：1u1.6610-24g1.6610-27kg?？嗽恿浚℅ramAtomicWeight），它定義的數(shù)值與原子量相等，單位是用克來表示的質(zhì)量。,組成原子的不同粒子的質(zhì)量分別是：電子0.000548u,質(zhì)子1.00727u，中子1.00866u。因為電子的質(zhì)量比質(zhì)子或中子的質(zhì)量小得多，而且質(zhì)子和中子的質(zhì)量幾乎相等，大致等于1u。所有以u為單位的原子量都幾乎與其質(zhì)量數(shù)相等。,能量的基本單位是焦耳（joule），它等于1牛頓（newton）的力在1m的距離上所作的功。牛頓是力的單位，它等于質(zhì)量（kg）和加速度（m/s）的乘積。但是，在原子核物理學(xué)中所用的更為方便的能量單位是電子伏特（eV），它的定義是電子通過電勢差為1伏特（V）的電場所應(yīng)具備的動能。在此情況下電場力所作的功等于電勢差與電子電荷的乘積；即1eV=1V1.60210-19C=1.60210-19J，實用中可表示成千電子伏（KeV）和兆電子伏（MeV）。,一個物體具有m的質(zhì)量，必有mC2的能量。質(zhì)量和能量是不可分的。由于原子核的質(zhì)量（質(zhì)子+中子的質(zhì)量）則原子核的質(zhì)量虧損為M=MP+Mn-M(X)-Me用MC2表示自由狀態(tài)的單個核子結(jié)合成原子核時所釋放出來的能量，稱為原子核的結(jié)合能。,質(zhì)量和能量的關(guān)系：,按照愛因斯坦質(zhì)能相對性原理，質(zhì)量m與能量E可互相轉(zhuǎn)換，關(guān)系如下：E=mC2（1-1-1）式中，C為光速（3108m/s）。例如，如果1千克質(zhì)量轉(zhuǎn)換成能量，它就等于E=1kg(3108m/s)2=91016J=5.621029MeV電子在靜止?fàn)顟B(tài)下的質(zhì)量有時用其能量當(dāng)量E0表達(dá)。因為它的質(zhì)量是9.110-31kg，所以我們從算式（1-1-1）可得E0=0.511MeV；另一個有用的換算是amu與能量間的換算，不難證明1u=931MeV。一個原子的質(zhì)量單位（1u）所具有的能量：E=1uC2=1.6610-27(3.0108)2J=1.4910-10J=931Mev1eV=1.6*10-19J,原子核既然是由質(zhì)子和中子組成的，它的質(zhì)量就應(yīng)等于所有質(zhì)子和中子的質(zhì)量之和：,mx=Zmp+(A-Z)mn,但實驗測定的原子質(zhì)量mx總是小于所有核子質(zhì)量之和，這一差值稱為原子核的質(zhì)量虧損（原因是當(dāng)構(gòu)成原子核時，一部分質(zhì)量要消耗并轉(zhuǎn)換成“粘合劑”形式的能量，用于將核子“粘合”在一起。這種質(zhì)量差稱做質(zhì)量虧損。）,m=Zmp+(A-Z)mn-mX,四.原子核結(jié)合能,原子核含有不帶電的中子和帶有正電的質(zhì)子。然而，帶相同電荷的粒子間存在有靜電排斥力,那么這些粒子又是怎樣結(jié)合在一起的呢？這就是原子核的質(zhì)量虧損和結(jié)合能的功勞了，核子結(jié)合在一起所需的能量實際是由質(zhì)量虧損提供的。,核力是把質(zhì)子和中子糾合在一起，構(gòu)成一個個穩(wěn)定的原子核(也包括不穩(wěn)定的原子核)的強(qiáng)大的束縛力。,核力出現(xiàn)于質(zhì)子質(zhì)子、中子中子、質(zhì)子中子之間，強(qiáng)度相等。,結(jié)合能：當(dāng)所有核子（質(zhì)子和中子）由于核力相互吸引而聚集在一起時，將有能量放出，此放出的能量稱結(jié)合能又稱原子能。,核力,按強(qiáng)度的順序排列：,強(qiáng)核力（StrongNuclearForce）、電磁力（ElectromagneticNuclearForce）、弱核力（WeakForce）重力（GravitationalForce）。在這四種力中，重力在原子核中非常弱，以致可以忽略；核內(nèi)帶電粒子之間的電磁力十分強(qiáng)，但它是排斥力，趨于使核分裂；比電磁力大得多的力是強(qiáng)核力，它將核子維系在一起。,核力是當(dāng)核子之間的距離小于核直徑（m）時才起作用的短程力。如果我們假定當(dāng)一核子離原子核無限遠(yuǎn)時的勢能為零，那么當(dāng)其靠近原子核而達(dá)到核力作用范圍時，它就會受到強(qiáng)大的吸引力而“落入”勢井（PotentialWell），勢井由質(zhì)量虧損而形成；它提供核結(jié)合能，并起著防止核子從原子核的勢壘逃逸的作用。,表現(xiàn)為引力,表現(xiàn)為斥力,就正電荷粒子臨近原子核的情況而論，會因庫侖排斥力作用而產(chǎn)生勢壘（PotentialBarrier），該勢壘防止正電粒子靠近原子核。但是，一旦粒子能夠足以接近原子核的核力作用范圍，那么排斥力將被克服，粒子將能夠進(jìn)入原子核。,核子的比結(jié)合能越大，原子核就愈穩(wěn)定。,原子核的結(jié)合能非常大，所以一般原子核都是非常穩(wěn)定的系統(tǒng)。然而，不同原子核的穩(wěn)定程度不同。,每個核子的平均結(jié)合能稱為比結(jié)合能：,原子核的結(jié)合能,第二種方法是輕核聚變。,因此，要利用原子核的結(jié)合能，必須從自然界中存在的原子核來考慮。,方法有二：,第一種方法是重核裂變（一個重核分裂成兩個中等質(zhì)量的核）,要利用核能，理論上是把自由狀態(tài)的Z個質(zhì)子和(A-Z)中子結(jié)合起來組成中等質(zhì)量的核，這樣放出的結(jié)合能最多。,原子核的結(jié)合能,重核裂變,裂變,原子彈爆炸,重核的裂變,早期核輻射,放射性沾染,重核的裂變,原子彈爆炸,沖擊波,光輻射,核電磁脈沖,五、原子核的自旋與磁矩,原子核由核子組成，核子除軌道運(yùn)動外還做自旋運(yùn)動。磁矩與自旋相伴，質(zhì)子和中子具有磁矩。原子核的磁矩等于核內(nèi)所有核子的軌道磁矩與所有核子自旋的矢量和。核磁共振就是指核磁矩不為零的核在外磁場的作用下，核自旋能級發(fā)生分裂，共振吸收某一特定頻率的射頻的物理過程。,通常采用能級圖來表示軌道電子的能級。此時的能量是電子的勢能；從另一角度看，它也可以叫做電子的結(jié)合能。能量最低的能級在K層是1s，能級順序由低到高，由內(nèi)向外到Q層?；鶓B(tài)：電子填充殼層時按從低能級躍遷到高能級的空位，以保證原子處于能量最低狀態(tài)。激發(fā)態(tài)：當(dāng)電子獲得能量，從低能級躍遷到高能級而使低能級出現(xiàn)空位時，稱原子處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)的原子很不穩(wěn)定會自發(fā)躍遷到低能級空位上，使原子又回到基態(tài)。,六、核外電子的的能級,電子的殼層結(jié)構(gòu)泡利不相容原理：,一個電子的運(yùn)動狀態(tài)要從4個方面來進(jìn)行描述，即它所處的電子層、電子亞層、電子云的伸展方向以及電子的自旋方向。在同一個原子中沒有也不可能有運(yùn)動狀態(tài)完全相同的兩個電子存在，這就是泡利不相容原理所告訴大家的。根據(jù)這個規(guī)則，如果兩個電子處于同一軌道，那么，這兩個電子的自旋方向必定相反。也就是說，每一個軌道中只能容納兩個自旋方向相反的電子,在原子中具有相同n個量子數(shù)的電子構(gòu)成一個殼層，n=1,2,3,4,5,6,7的各層分別叫K、L、M、N、O、P、Q層；每個殼層軌道上最多可容納的電子的最大數(shù)目由公式2n2計算，n是軌道數(shù)。例如，第一軌道上的電子最大數(shù)目為？第二軌道為？第三軌道為？,原子結(jié)構(gòu)示意圖,如果躍遷涉及到內(nèi)軌道，比如K，L和M殼層，在那一殼層造成的空位幾乎瞬間即被高能級軌道上的電子所填充，結(jié)果產(chǎn)生能量，兩能級（低能級和高能級）能量的差值以電磁輻射形式發(fā)出，這種電磁輻射稱為特征輻射，這也是特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理。當(dāng)能量足夠高進(jìn)入X線能量范圍，又稱特征X線，又稱為光子。,特征X射線產(chǎn)生示意圖：,特征輻射：光子與靶材料的內(nèi)層電子作用，內(nèi)層電子獲得動能，成為自由電子（光電子），外層電子發(fā)生軌道躍遷，補(bǔ)充內(nèi)層軌道的空位，以電磁輻射形式輻射其能量，即產(chǎn)生特征X射線。整個過程稱光電效應(yīng)。,光電子發(fā)射：入射光子把全部能量交給束縛電子，電子在原子中的束縛能一部分轉(zhuǎn)化為電子動能，一部分用于原子核反沖（可忽略）h=E0+Bi（E0：電子動能；Bi：電子在殼層中束縛能；）入射光子不能把全部能量交給物質(zhì)中自由電子而發(fā)射光電子，因不滿足動量守恒；電子在原子中束縛越緊，原子核參與此過程的幾率越大，即光電效應(yīng)的幾率越大；因此在K殼層（內(nèi)層電子）擊出光電子的幾率最大，約占80%；,特征X射線和俄歇電子：發(fā)生光電效應(yīng)時從內(nèi)殼打出電子，該殼留下空穴使原子處于激發(fā)態(tài)。有兩種退激過程：*特征X射線：外殼層電子向內(nèi)殼層躍遷使原子退激，殼層之間束縛能之差以X射線形式發(fā)射*俄歇電子：原子的激發(fā)能交給外層電子使電子發(fā)射出來,放出光電子的原子的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，其內(nèi)層電子的空穴很快被外層電子躍入而補(bǔ)充放出光子，這種光子稱為特征X線光子（熒光X線）。有時這種熒光X線在離開原子之前，又將外層電子擊脫，該電子稱為“俄歇電子”。在光電效應(yīng)中有三種產(chǎn)物：負(fù)離子（光電子，俄歇電子）正離子（丟失電子的原子）光子（特征X線光子）,一、基本粒子：是指具有零電荷、或是具有單位電荷的粒子。輕粒子和重粒子是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本單元，都是基本粒子。其它帶電粒子的電荷是電子電荷整數(shù)倍。種類和物理特性：按放射源類型分為三類：第一類.放射性核素產(chǎn)生的、射線、正電子、質(zhì)子、中子等其它粒子。第二類.電子加速器產(chǎn)生的不同能量的X射線和電子束。第三類.重離子加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束、中子束、-介子束和其它重粒子束等。,第二節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用：,第一類.放射性核素,放射性核素產(chǎn)生射線、射線、射線、正電子、質(zhì)子、中子等其它粒子。其中射線代表有：鈷-60（5.27年,1.25Mev)銥-192（74.3天,0.36Mev）鐳-226（1590年,0.83Mev,天然）等其中射線代表有鍶-90（28年，0.54Mev),0.5mm深度達(dá)100%劑量,第二類.電子加速器產(chǎn)生：,輕粒子(質(zhì)量較輕的）：A.電子線電子質(zhì)量與核子相比很小，電子束廣泛用于放療B.X線又叫X光子,其波長在10-13m，是電磁輻射，也是一種粒子。是由高速運(yùn)動的電子撞擊靶物質(zhì)時，產(chǎn)生碰撞和輻射兩種損失，前者產(chǎn)生熱，后者產(chǎn)生X射線，有兩種成分，特征X射線和韌致輻射X射線。（而無線電波、紅外線、可見光、紫外線波長在107m。)光子射線(放射性核素)和X射線(加速器)。均為電磁輻射粒子，又稱為光子，是放療中應(yīng)用最廣的一種射線。,第三類.重離子加速器產(chǎn)生：,重粒子(質(zhì)量較重的,一般在回旋加速器中產(chǎn)生）：A.質(zhì)子束構(gòu)成原子核的基本單位可用于放療。B.中子束同上C.負(fù)介子束是高能光子束或質(zhì)子束轟擊靶物質(zhì)的產(chǎn)物，很不穩(wěn)定，會發(fā)生衰變反應(yīng)，可用于放療。,二、放射性核素衰變類型,不穩(wěn)定的放射性核素自發(fā)地放出某種射線變成另一種核素，這種現(xiàn)象稱為放射性；這個過程稱為放射性衰變，簡稱核衰變；所謂核衰變就是不穩(wěn)定的原子核自發(fā)的發(fā)射粒子而蛻變?yōu)樾碌淖雍恕＿@些核素稱為放射性核素。,放射性-原子核的蛻變元素的原子核釋放幅射線的過程其包括原子核的核衰變、核反應(yīng)和核裂變等，在這些過程中均會產(chǎn)生放射性。這是輻射線被磁場分離的情況，粒子帶正電粒子帶負(fù)電射線不帶電,衰變大于82的高原子序數(shù)其不穩(wěn)定核發(fā)射兩質(zhì)子和兩中子組成的粒子粒子=氦原子核,輻射射線（伽瑪射線）=高能的電磁波,衰變伴隨有正負(fù)電子發(fā)射粒子=電子,二、核衰變主要的類型:a,b,g衰變,1,2,3,1、衰變：原子核自發(fā)地放射出粒子=氦原子核,如：,-衰變：,衰變：,電子俘獲：,放出電子、反中微子,放出正電子、中微子,一個質(zhì)子變?yōu)橹凶?，放出中微?2、,衰變：粒子=電子,表達(dá)式：,母核X衰變?yōu)樽雍薡、一個電子和一個反中微子.核中一個中子變成了質(zhì)子。,衰變前，母核X靜止，根據(jù)能量守恒定律：,衰變,表達(dá)式：,母核X衰變?yōu)樽雍薡、一個正電子和一個中微子.核中一個質(zhì)子變成了中子。,衰變前，母核X靜止，根據(jù)能量守恒定律：,EC(軌道電子俘獲),表達(dá)式,母核俘獲核外軌道上的一個電子，使母核中的一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子，同時放出一個中微子。,K電子俘獲最容易發(fā)生。EC衰變的后續(xù)過程：特征X射線；俄歇電子,3.躍遷：射線=高能電子波,躍遷：原子核從激發(fā)態(tài)通過發(fā)射光子(射線)或其他過程躍遷到較低能態(tài)的過程。該過程核電荷數(shù)不變、核子數(shù)不變。內(nèi)轉(zhuǎn)換：將躍遷的能量直接轉(zhuǎn)移給軌道電子而使其逃逸，這種現(xiàn)象稱-，發(fā)射出的電子稱內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。,發(fā)射射線粒子能量在幾KeV十幾MeV,三、核衰變規(guī)律,1.衰變定律（衰變常數(shù)）：一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。又叫放射性衰變或蛻變。對于每個放射性原子核的衰變來說，就是服從一定規(guī)律進(jìn)行衰變的一個隨機(jī)事件，可以用衰變概率（入）表示。也就是說人們可以預(yù)測在給定期限內(nèi)含有大量原子的物質(zhì)中有多少原子將發(fā)生衰變，卻不知會在什么時候發(fā)生衰變。,分子表示：t時刻單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的核數(shù)目，稱為衰變率，記作,t時刻放射性原子核總數(shù),衰變常數(shù)：一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。入=0.693/T1/2,放射性核素的特征量,量綱為：t-1,如1/s，1/h，1/d，1/a,2、半衰期,半衰期：放射性核數(shù)衰變一半所需的時間，記為,即：,量綱為：t,如s，h，d，a,3、平均壽命,平均壽命總壽命/總核數(shù),平均壽命（MeanLife）,平均壽命()是指放射性原子核衰變的平均期限即平均生存時間.試想一等效放射源，該源按初始活度的恒定速率衰變，經(jīng)時間間隔后全部個原子均發(fā)生衰變，這與該源按指數(shù)規(guī)律從時間t0到t衰變產(chǎn)生的總蛻變數(shù)相同。得出半衰期與平均壽命的關(guān)系：=1.44T1/2,特征量大小與核衰變的快慢,即：,定義：,則：,活度定義：一定量的放射性核素在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。以A表示，表征放射源的強(qiáng)弱。,4、放射性活度及其單位,放射性活度在數(shù)學(xué)上定義為單位時間內(nèi)衰變的原子核數(shù)（A/t），與所具有的初始放射性原子核數(shù)A0成正比，它們之間關(guān)系用符號表示為A/t-入A0（1）式中，入是一比例常數(shù)，又稱衰變常數(shù)，表示一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。負(fù)號表示放射性原子核數(shù)隨時間增長而減少。如果A和t小到可用其相應(yīng)的微分dA和dt取代，那么算式1可表達(dá)成微分方程的解，即眾所周知的放射性衰變指數(shù)方程：A=A0exp(-入t)（2）式中，A表示在時間t時的放射活度，A0為初始放射活度即放射性原子核的初始數(shù)量，exp是自然對數(shù)的底數(shù)（e=2.178）。,活度單位為貝可(Bq)：,常用單位居里(Ci)：1克226Ra所具有的放射性活度。,較小的單位還有毫居(mCi)和微居(Ci),所以：,比活度(SpecificActivity),定義為：單位質(zhì)量放射源的放射性活度。,比活度反映了放射源中放射性物質(zhì)的純度。,即：,單位為：Bq/g或Ci/g,例：單一放射性核素137Cs，1987年10月137Cs源的放射性活度：半衰期T1/2=30.17年。請計算該源2007年的放射性活度。,當(dāng)前137Cs源的放射性活度：,解：,137Cs源經(jīng)過20年，其放射性活度減弱為原來的63。,計算題,【例】：（a）計算60Co（T1/2=5.26y）的衰變常數(shù)，單位用month-1。（b）四年后5000Ci的60Co源的放射性活度是多少？解：（a）根據(jù)入0.693/T1/2因為T1/25.26y1263.12months，因此，入0.693/63.120.011/months，即每月衰變1.1。（b）t4y48months。根據(jù)公式可得A=A0exp(-入t)=5000exp（-1.097910-2124）2952Ci；,四.X、射線與物質(zhì)的相互作用,原子的電離：中性原子獲得正負(fù)電荷的過程。具有足夠動能的帶電粒子（如電子質(zhì)子等）與核外電子碰撞，獲得能量，并掙脫原子核束縛，引起原子電離-叫直接電離。不帶電粒子（如光子中子等）借助與原子的殼層電子和原子核作用產(chǎn)生的次級粒子（如電子反沖核）再與原子作用，引起原子電離-叫間接電離。由直接電離粒子或間接電離粒子組成的輻射稱電離輻射，其與物質(zhì)的相互作用是電離輻射劑量學(xué)基礎(chǔ).,粒子輻射,輻射（Radiation）：是指能量在空間或介質(zhì)中的發(fā)射和傳播。所謂粒子輻射指的是由具有確定靜止質(zhì)量、在一定范圍內(nèi)具有確定動量和任何瞬間具有確定位置的運(yùn)動微粒所傳遞的能量。即不僅光子（電磁波）有時具有粒子樣性能（呈現(xiàn)動量），而且諸如電子、質(zhì)子和原子等粒子具有與粒子相關(guān)的某種波動性，表現(xiàn)出折射性和其它波動樣特性。,電磁輻射,用波動模型解釋:包括諸如光波、熱波、無限電波、微波、紫外線、X射線和射線等傳播模式，因為他們最初都是由麥克斯韋用振蕩電磁場理論來解釋的，所以這些輻射都叫“電磁輻射”。電磁波的光譜在波長范圍107（無限電波）到10-13（超高能X射線）范圍內(nèi)。因為波長和頻率呈反比關(guān)系，所以對應(yīng)于上述范圍內(nèi)的頻譜將是3101到31021周期/s。電磁輻射的波動特性已為光的干涉和衍射等實驗所證實。,X線和r線與物質(zhì)的相互作用,當(dāng)X和r射線束照射介質(zhì)時，會通過光子和物質(zhì)的相互作用向介質(zhì)轉(zhuǎn)移能量。過程是先把電子從吸收介質(zhì)的原子中擊發(fā)出來，這些高速電子沿其運(yùn)行軌跡上使原子電離、受激，從而完成能量傳遞的過程。如果吸收介質(zhì)是肌體組織，就會有足夠的能量沉積在細(xì)胞內(nèi)，從而破壞它們的再生能力，不過絕大多數(shù)吸收能量將轉(zhuǎn)換成熱能，并未產(chǎn)生任何生物學(xué)效應(yīng)。,1、光電效應(yīng)：X光子將能量傳給受照物質(zhì)原子的內(nèi)層電子，使該電子從軌道上飛出成為“光電子”，原子的外層軌道上電子補(bǔ)充空位，原子發(fā)生電離伴隨產(chǎn)生特征輻射。,特征輻射：光子與靶材料的內(nèi)層電子作用，內(nèi)層電子獲得動能，成為自由電子（光電子），外層電子發(fā)生軌道躍遷，補(bǔ)充內(nèi)層軌道的空位，以電磁輻射形式輻射其能量，即產(chǎn)生特征X射線。整個過程稱光電效應(yīng)。,光電子發(fā)射：入射光子把全部能量交給束縛電子，電子在原子中的束縛能一部分轉(zhuǎn)化為電子動能，一部分用于原子核反沖（可忽略）h=E0+Bi（E0：電子動能；Bi：電子在殼層中束縛能；）入射光子不能把全部能量交給物質(zhì)中自由電子而發(fā)射光電子，因不滿足動量守恒；電子在原子中束縛越緊，原子核參與此過程的幾率越大，即光電效應(yīng)的幾率越大；因此在K殼層（內(nèi)層電子）擊出光電子的幾率最大，約占80%；,特征X射線和俄歇電子：發(fā)生光電效應(yīng)時從內(nèi)殼打出電子，該殼留下空穴使原子處于激發(fā)態(tài)。有兩種退激過程：*特征X射線：外殼層電子向內(nèi)殼層躍遷使原子退激，殼層之間束縛能之差以X射線形式發(fā)射*俄歇電子：原子的激發(fā)能交給外層電子使電子發(fā)射出來,放出光電子的原子的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，其內(nèi)層電子的空穴很快被外層電子躍入而補(bǔ)充放出光子，這種光子稱為特征X線光子（熒光X線）。有時這種熒光X線在離開原子之前，又將外層電子擊脫，該電子稱為“俄歇電子”。在光電效應(yīng)中有三種產(chǎn)物：負(fù)離子（光電子，俄歇電子）正離子（丟失電子的原子）光子（特征X線光子）產(chǎn)生光電效應(yīng)的能量為10-200kev,光電效應(yīng)光電子角分布,光電效應(yīng)光電子角分布，由能量和動量守恒限制：光電子發(fā)射不可能在00和1800低能光子：光電子沿近900方向發(fā)射高能光子：沿近00方向發(fā)射,900低能光子h00高能光子,光電效應(yīng)的臨床應(yīng)用：,1.光電效應(yīng)能使受照物體電離，這構(gòu)成了放射治療和劑量測量的基礎(chǔ)。2.光電效應(yīng)能產(chǎn)生特征輻射。碘和鋇的特征輻射能量比較高，分別是33.7KeV和37.4KeV，能穿過人體組織到膠片和熒光屏上產(chǎn)生灰度，故臨床上常用碘和鋇做X線檢查的造影劑。人體內(nèi)主要元素鈣的原子序數(shù)最高，但它的特征輻射只有4KeV，在其發(fā)生點幾毫米之內(nèi)就被吸收了。人體內(nèi)其他元素的特征輻射能量就更低了（只有0.5KeV）?？梢?，人體內(nèi)各組織由X線照射所產(chǎn)生光電效應(yīng)的特征輻射將全部被組織所吸收,所以被檢查者接受體劑量大。,3.光電效應(yīng)產(chǎn)生的光電子的影響：加速器產(chǎn)生的X線通過準(zhǔn)直筒，均整器，穿透電離室和上下鎢門都會由于光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子。這些就構(gòu)成了X線內(nèi)的電子線污染，在臨床物理上就造成表面劑量增加。4.光電效應(yīng)在放射診斷學(xué)中的作用：1）由于沒有散射，照片灰霧少，影像質(zhì)量高。2）由于與原子序數(shù)4次方成正比，不同組織間吸收X線的差別大，則增加了它們之間的對比度。3）光電效應(yīng)主要發(fā)生在低于200KV能量的X線，故在用200KV以下的X線照射時，骨組織的吸收劑量要比軟組織高的多。為了減少被檢查者體劑量，盡量采用高千伏照像技術(shù)；為了增加乳房檢查中的對比度就不得不采用低電壓鉬靶技術(shù)。,吳有訓(xùn)：中國近代物理學(xué)奠基人教育家,吳有訓(xùn)(18971977)，1920年畢業(yè)于南京高等師范學(xué)校。1921年赴美入芝加哥大學(xué)，隨康普頓從事物理學(xué)研究，1926年獲博士學(xué)位。1926年秋回國，先后在江西大學(xué)和中央大學(xué)任教，1928年秋起任清華大學(xué)教授，物理系主任、理學(xué)院院長，1945年10月任中央大學(xué)校長。1948年底任上海交通大學(xué)教授。1949年任校務(wù)委員會主任。1950年夏任中國科學(xué)院近代物理研究所所長，同年12月起任中國科學(xué)院副院長，吳有訓(xùn)曾任中國物理學(xué)會理事長。1977年11月30日在北京逝世。吳有訓(xùn)在物理學(xué)領(lǐng)域中的重要成就是：在參與康普頓的X射線散射研究的開創(chuàng)工作時，他以精湛的實驗技術(shù)和卓越的理論分析，驗證了康普頓效應(yīng)。1924年他與康普頓合作發(fā)表經(jīng)過輕元素散射后的鉬Ka射線的波長。30年代中，他在清華大學(xué)講授近代物理和普通物理學(xué)，注重實驗課，并指導(dǎo)許多屆學(xué)生的畢業(yè)論文工作。他不辭辛勞，誨人不倦，親自指導(dǎo)查閱文獻(xiàn)，制備實驗裝置；以嚴(yán)的科學(xué)作風(fēng)培養(yǎng)出許多優(yōu)秀學(xué)生吳有訓(xùn)是1921年底赴美，1922年1月進(jìn)入芝加哥大學(xué)，正好在這兩年，康普頓以訪問學(xué)者身份在芝加哥大學(xué)從事