肿瘤放射物理学

1. 肿瘤放射物理学 大连医科大学第二临床医院 肿瘤学教研室 杨月琴

2. 第一章 放射性核素 内容： 1、了解与核物理基础相关的基本概念及放 射性衰变规律 2、 掌握X（γ）射线及带电粒子与物质的 作用方式 3、掌握辐射量的物理意义、射线质的规 定。

3. 第一节 核物理基础 • 一、原子结构 质子 ：带正电 原子核 原子 中子 ：不带电 电子：带负电

4. 原子结构符号 AZX ：X是元素符号，Z是原子序数(核外电子数），A是原子的质量数（核子数）。 不同的壳层每层电子数按2n2规律排列，并从内层 开始习惯称为K、L、M、N、O……层。它所包含 的电子数分别为2，8，18，32，……

5. 二、 原子能级、电磁辐射 1、原子能级：原子根据外围电子所处的不同壳层状 态而呈不同的能量级别 。 2、基态：电子填充壳层时按照从低能级到高能级的顺 序以保证原子处于能量最低状态，这种状态 称为基态。 3、激发态：当电子获得能量，从低能级跃迁到高级而使 低能级出现空位时，称原子处于激发态。

6. 4、特征辐射：处于激发态的原子很不稳定，高能级电子会自发跃迁到低能级空位上而使原子回到基态。两能级能量的差值一种可能是以电磁辐射的形式发出，这种电磁辐射称为特征辐射；另一种可能是传递给外层电子，获得能量的外层电子脱离原子束缚而成为自由电子，这种电子成为俄歇电子。4、特征辐射：处于激发态的原子很不稳定，高能级电子会自发跃迁到低能级空位上而使原子回到基态。两能级能量的差值一种可能是以电磁辐射的形式发出，这种电磁辐射称为特征辐射；另一种可能是传递给外层电子，获得能量的外层电子脱离原子束缚而成为自由电子，这种电子成为俄歇电子。 每一种元素都有它自己的特征辐射。

7. 18.4 17.2 16.6 12.7 5、韧致辐射：原子核内核子（质子和中子）间的相互作用，使之具有一定的状态，如受外界能量的激发后，使整个核的能级发生变化。当它由受激态返回固定态时，便释放γ光子，此种光子称为韧致辐射。 11.8 10.7 9.6 7.7 4.4 0 12C原子核的能级示意图（MeV)

8. 能量单位 电子伏特（eV）：一个电子在真空中通过1V电位 差所获得的动能。 千电子伏特（keV） 兆电子伏特（MeV） 1 eV=1.0× 10-3 keV= 1.0× 10-6 MeV =1.602192 × 10-19 J

9. 三、放射性衰变、放射性活度、半衰期 1、放射性衰变：不稳定核素自发地放出射线，转变为另一种核素，这种现象称为放射性，这个过程称为放射性衰变，这些核素称为放射性核素。

10. 放射性同位素衰变方式 衰变有三种方式： α衰变：原子核自发地放射出α粒子的转变过程，伴随着产生 α射线；镭（88226Ra) β衰变：原子核自发地放射出电子e-或正电子e+或捕获一个轨道 电子的转变过程 γ跃迁： α和β衰变后的子核很可能处于激发态，会以γ射线 形式释放能量跃迁到较低的能态或基态。 钴-60源、铯-137源和铱-192源均既具有β放射性，同 时也具有γ放射性。

11. 2、放射性指数衰变规律：不稳定核 素的放射性衰变遵从指数规律，称为 指数衰变：N = N0 e-λt

12. 3、放射性活度：是指一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔之商。3、放射性活度：是指一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔之商。 A = -dN/dt =A0 e-λt 单位：贝可勒尔（Bq）和居里（Ci） １Ci = 3.7×１０１０Ｂq 例：一台60Co治疗机初装时活度为3000 Ci

13. 4. 半衰期：放射性核素其原子核数目衰变到原 来数目一半所需的时间称为半衰期， 用T1/2表示 。 T ½ = 0.693 / λ λ为衰变常数 如： 钴-60源 T ½ =5.27年 铱-192源 T ½ =74天

14. 第二节、射线与物质的相互作用 电离： 原子的核外电子因与外界相互作用获得足够 的能量，挣脱原子核对它的束缚，造成原子 的电离。 直接电离：由具有足够动能的带电粒子（如电子、 质子）与原子中的电子的碰撞引起的。

15. 间接电离：不带电粒子（如光子、中子等），本身间接电离：不带电粒子（如光子、中子等），本身 不能使物质电离，但能借助它们与原子 的壳层电子或原子核作用产生的次级粒 子，然后再与物质中原子作用，引起原 子的电离。 电离辐射：直接电离粒子或间接电离粒子、或者两 者混合组成的辐射。

16. 一、射线与物质的相互作用 （一）、带电粒子与物质的作用 （二）、Ｘ（γ）射线与物质的作用

17. （一）带电粒子与物质的作用方式 具有一定能量的高速运动的电子入射到靶物质中，与物质 原子发生作用，主要有以下两种方式： 1、弹性散射：当电子与物质原子核库仑场发生相互作用时， 不改变原子本身的状态，仅改变入射电子的 速度和方向。 电子散射的方向决定于入射电子的能量。 弹性碰撞发生的概率：能量小，5%

18. 2、非弹性散射：在入射电子的作用下，原子本身2、非弹性散射：在入射电子的作用下，原子本身 状态发生一定的变化，同时入射 电子的能量和方向发生变化，有 以下三种情况：

19. 非弹性散射的三种情况 作用在原子的外层电子上：激发：释放光和热 不产生Ｘ线 电离：形成δ电子 作用于内层电子 ：释放光子，称特征辐射 作用于原子核：放出γ线 ，称为韧致辐射

20. （二）Ｘ（γ）射线与物质作用的特点 ①Ｘ（γ）光子不能直接引起物质原子电离或激发，而是首先把能量传递给带电粒子； ②Ｘ（γ）光子与物质的一次相互作用可以损失其能量的全部或很大一部分，而带电粒子则是通过许多次相互作用逐渐损失其能量； ③Ｘ（γ）光子束入射到物体时，其强度随穿透物质厚度近似呈指数衰减，而带电粒子有确定的射程，在射程之外观察不到带电粒子。

21. 主要过程有光电效应、康普顿效应和电子对效应主要过程有光电效应、康普顿效应和电子对效应 其他次要的作用过程有相干散射、光致核反应等 Ｘ（γ）射线与物质的作用方式

22. 1、光电效应： 光子与原子的内层电子的相互作用。 能量为E的光子 把全部能量传递内层电子 自由电子（光电子），Ｘ（γ）光子消失 原子处于激发态 外层轨道上的电子立即填充这一空位 产生特征辐射 原子又回到基态。

23. 2、康普顿效应 ： 光子与原子的外层电子相互作用 入射Ｘ（γ）光子 光子损失部分能量，并改变运动方向 电子获得能量而脱离原子。

24. 3、电子对效应 ： 光子与原子核的相互作用 当Ｘ（γ）光子从原子核旁边经过时，在原子核库仑的作用下形成一对正负电子，此过程称电子对效应。

25. (三)三种作用过程的相对重要性 低能Ｘ线有很强的光电吸收， 高能X线（＞2MeV）几乎全部为康普顿吸收， 当能量大于50MeV以上时，电子对吸收为主要形式。

26. （四）人体组织对临床常用光子束能量吸收的差别（四）人体组织对临床常用光子束能量吸收的差别 康普顿效应为主 三种组织对射线的吸收几乎相同 康 光电效应 电子对效应为主 骨头吸收射线最多 光电效应为主 骨头吸收射线最多

27. 第三节 放射线的质与量 1、放射线的质：放射线的质是表示电离辐射 贯穿物质的能力，即射线的 硬度。

28. 2、临床上描述射线的质的规定： • 2MV以下的X线：通常用半价层来表示，如2mmAl； 0.5mmCu等； • 2MV以上的X线：通常用MV数表示； • 放射性核素产生的γ射线：通常用其核素名和辐射 类型表示，如钴-60γ线等。

29. 3、辐射量及单位 Ｘ（γ）射线和高能电子束等电离辐射进入人体 和人体组织中的原子相互作用，传递电离辐射的部分或全部能量 人体组织会发生一系列物理、化学、生物学变化 导致组织的生物学损伤，即生物效应。 生物效应的大小正比于组织中吸收的电离辐射的能量。

30. （1）吸收剂量： D = dE / dm 吸收剂量是度量单位质量受照物质 吸收辐射能量多少的一个量。 单位：焦耳/千克（J/kg）， 其专用名为戈瑞（Gy）, 1Gy=1 J/kg， 原单位：拉德（rad）, 1Gy=100rad，1 c Gy=1rad.

31. （2）比释动能：K = dEtr /dm 比释动能用以衡量不带电电离粒子与物质相互作用时，在单位质量物质中转移给次级带电粒子初始动能总和的多少的一个量。 与吸收剂量不同，比释动能只适用于间接致电离辐射，但适用于任何介质。 单位：戈瑞（Gy）

32. 转移部分或全部能量，释放次级电子 比释动能 吸收剂量 与介质中的电子作用，以使原子发生电离或激发的形式损失其能量，即被介质所吸收 与介质原子的原子核作用，发生韧致辐射产生X射线

33. 小结 1、基本概念：基态、激发态、特征辐射、韧致辐射、放射性指数衰变 规律、半衰期 2、电离、直接电离、间接电离 3、带电粒子与物质的作用 （1）弹性散射 （2）非弹性散射：作用在原子的外层电子 作用于内层电子 作用于原子核 4、Ｘ（γ）射线与物质的作用 （1）光电效应：光子与原子的内层电子的相互作用 （2）康普顿效应：光子与原子的外层电子相互作用 （3）电子对效应：光子与原子核的相互作用 5、放射线的质及其规定 6、辐射量及单位：（1）吸收剂量（2）比释动能