医用放射防护学》总论

医用放射防护学第一单元 绪论、物质结构,昆明医科大学第二临床学院杨青 副教授,本章单元基本要求,1，熟练掌握2，确切理解于原子核内外放射线产生的原子的物理基础3，理解原子模型、原子核的稳定性与放射性的关系,第一单元绪论、物质的结构、核转变,l、辐射（放射）防护学的概念、任务、学习方法和要求,辐射防护学概念：研究人类在生存、生产活动中，对辐射（放射）危害进行的合理、科学的防护措施与对策的学科。辐射防护的任务是：既要积极进行有益于人类的伴有电离辐射的实践活动，促进核能利用及其新技术 的迅速发展；又要最大限度地预防和缩小电离辐射对人类的危害。辐射防护的研究范围非常广泛，而研究和制定辐射防护标准是极其重要的内容。 辐射防护的目的是：防止确定性效应的发生；限制随机性效应的发生率，使之达到被认为可以接受水平。确保放射工作人员、公众及其后代的健康和安全。,学习方法和要求,使学生了解、掌握将来工作所需的放射物理学、放射剂量学、放射防护学的基本知识，这是该专业学生所必备的物理学基础。要求：掌握、熟悉、了解,2，辐射（放射）防护学简史,1896：H.Becquerel发现了铀(U)放射现象; 1897：P.&M.Curie发现钋(Po)和镭(Ra); 1899：卢瑟福发现a , b 射线； 1900：维拉德发现g 射线; 1903：卢瑟福证实a 射线为He2+， b 射线为电子； 1911：卢瑟福提出原子的核式模型； 1919：卢瑟福首次实现人工核反应，发现了质子。1932：J.Chadwick发现了中子; 1934：F.&I.Joliot-Curie发现人工放射性； 1939：O.Hahn等人发现重核裂变； 1939：N.Bohr等提出液滴模型; 1942：E.Fermi发明热中子链式反应堆； 1945：原子弹试爆成功，并在广岛上空爆炸； 1952：氢弹试爆成功。,核物理的伟大天才们,可能最著名的一次索尔维会议是1927年10月召开的第五次索尔维会议。此次会议主题为“电子和光子”，世界上最主要的物理学家聚在一起讨论重新阐明的量子理论。会议上最出众的角色是爱因斯坦和尼尔斯玻尔。前者以“上帝不会掷骰子”的观点反对海森堡的不确定性原理，而玻尔反驳道，“爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做”这一争论被称为玻尔-爱因斯坦论战。参加这次会议的二十九人中有十七人获得或后来获得诺贝尔奖。,Becquerel 发现放射现象 物理学奖1903 Marie.Curie 发现镭等元素 物理学奖1911 Marie.Curie 化学奖1908 Rutherford 发现铀能发射和粒子，化学奖1921 Frederick Soddy 放射性物质和天然同位素研究，化学奖，“同位素”一词也是他1913年与苏格兰物理学家Margaret Todd在一次午餐谈话中提出.1921 Albert Einstein 发现光电效应的定律获物理奖1922 Aston 发现大量同位素及其质谱获化学奖1923 Millikan 在元素的光电效应电荷研究方面获物理学奖1927 Compton 发现了以他本人名字命名的“Compton效应”获物理学奖1935 Joliot和他的妻子Irne Joliot-Curie人工方法合成新的放射性元素获化学奖,诺贝尔奖,1935 Chadwick 发现了中子获物理学奖 1936 Anderson 发现了正电子获物理学奖1938 Fermi 用中子辐照和慢中子核反应生产出新的放射性核素获物理学奖1930 Ernest Orlando Lawrence 生产出回旋加速器1939年获得物理学奖1923 Hevesy 首先用同位素进行生命科学示踪研究，提出了“示踪技术”的概念，1943年获诺贝尔化学奖。1944 Hahn 在原子核裂变研究方面获化学奖1960 Libby 发明了放射性14C测龄技术获化学奖1959 Berson和Yalow 建立了放射免疫分析法1977年Yalow获诺贝尔医学奖1984 Jerne等 在免疫系统的控制以及单克隆抗体的研究中获医学奖,诺贝尔奖,防护学简史,1895年X射线的发现也开始了辐射损伤研究的历史, 第二年“ British Medical Journal”第一次报道了初期X射线研究人员眼睛疼痛和皮肤出现红斑的现象。1902年出现了因射线照射所致的皮肤癌患者死亡的病例,这一年Ro llins首先提出放射线危险界限的概念。危险界限的确定方法为: 当时的照像胶片照射7分钟而未感光的X 射线量有可能对人体是无害的。据推算这个剂量约为100mSv /天。,防护学简史,直到1915年英国伦琴学会发表了“对X射线操作者进行防护的建议” , 1921年英国设立了X射线与镭防护委员会,该组织的建立很快波及到美国、法国等其他国家。1925年在伦敦召开的第一届国际放射学大会上,提出了用于放射防护的第一个建议书,并建议建立国际组织。1928年在斯德哥尔摩举行第二届国际放射学大会时,接受了上述建议成立了国际X射线与镭防护委员会( IXRPC)。,防护学简史,1925 年Mutscheller 提出了耐受剂量( tolerance dose)的概念。他选择若干有代表性的医院为调查对象,调查了X射线技师的工作时间和工作内容,研究了电离室测量结果与皮肤红斑量的关系。将工作30天出现的红斑量的1 /100 作为耐受剂量, 约相当于0. 2R /天。该耐受剂量限值1931年被美国、1934 年被国际X 射线与镭防护委员会( IX RPC)所采用。但是随着高管电压X射线装置的普及,射线对造血器官的影响较之以往的皮肤损伤更受重视,美国X射线与镭防护委员会在1936 年将耐受剂量降低为0. 1R /天。,防护学简史,第二次世界大战结束后,核能的和平利用技术蓬勃发展,其应用领域日益扩大,1950年国际X射线与镭防护委员会更名为国际放射防护委员会( Internationa l Commission o n Radiological Protection: ICRP)。ICRP要求将放射防护作为一项重要课题开展范围广泛的研究,除了过去已知的对皮肤及造血器官的影响外,还要求开展对恶性肿瘤、白内障、肥胖、妊娠损伤、寿命缩短、遗传影响等方面进行研究。但是以当时的研究水平还不能明确回答在耐受剂量以下能否保证照射终生也不会产生损伤的问题,所以过去称为耐受剂量并不确切,于是改称作最大允许剂量( maximum permissible do se: MPD) 。,防护学简史,1958年ICRP将过去的建议归纳整理出版了第1号出版物。在这个建议书中作为对职业照射的限制,性腺、造血器官、眼晶体的最大允许剂量为3rem /13周( 30m Sv /13周) , 增加了累积剂量允许值,为5( N 18)rem, ( N: 年龄; 100rem= lSv )。此外,经常出入管理区域的非放射工作者的最大允许剂量为1. 5rem /年,管理区域周围一般居民的最大允许剂量为0. 5rem /年( 5mSv /年)。1965年ICRP出版的第9号出版物表明了当时该委员会的基本立场。职业照射成人性腺和红骨髓的最大允许剂量为5rem ( 50mSv ) /年,公众成员剂量限值为职业照射的10分之1,即0. 5rem( 5mSv ) /年。,防护学简史,1977年ICRP分析并吸收了近10年有关辐射损伤和防护方面的研究成果,对原来的建议进行了大幅度的修改,出版了第26号出版物。26号出版物提出了一些新的概念,指出辐射的生物效应可分为随机性效应和非随机性效应,辐射防护的目的在于防止有害的非随机性效应的发生,并限制随机性效应的发生率使之达到被认为可以接受的水平。该出版物提出的对职业人员和一般公众的年剂量当量限值分别为50mSv /a和5mSv /a。包括中国在内的世界上多数国家的放射卫生防护法规及标准都是根据这个建议书制定的。,防护学简史,1977年以来的十几年间,放射防护领域的研究出现了新进展,特别是对日本广岛和长崎两地原子弹受害者受照剂量的重新评价结果表明,原有的危险系数低估了辐射致癌的危险性。以此为契机ICRP于1990年发表了第60号出版物,将职业性照射的有效剂量限值降低为每年平均20mSv ,连续5年内为100mSv ,并且任何一年不得大于50mSv; 公众限值为每年1mSv , 在特殊情况下单独一年内可以高于1mSv ,但5年的平均值不得大于1mSv。ICRP第60号出版物还提出或明确了一些其它概念,3、物质结构,1，原子结构,1911年卢瑟福提出原子“行星模型”，原子结构类似太阳系“行星”结构，在原子的中心有一个很小的核，叫做原子核。原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里。带负电的电子在核外空间绕着核旋转。即原子由原子核与电子组成。,+,+,+,+,+,核电荷数,电子层,1.原子核外电子的分层排布 从卢瑟福原子模型，我们知道原子是由处于原子中心的原子核和核外电子组成的。为了形象地表示原子的结构，人们就创造了“原子结构示意图”这种特殊的图形。原子核外电子按一定轨道绕核高速旋转，一个轨道只有一个电子，若干个轨道组成一个壳层，每个壳层电子数遵循2n2规律，但最外层电子数最多不超过8个，并由它决定物质的化学性质，且随原子序数的增加而成周期性变化。2原子核外电子的排布规律 各电子层最多容纳的电子数是2n2(n表示电子层)；最外层电子数不超过8个(K层是最外层时，最多不超过2个)，次外层电子数目不超过18个，倒数第三层不超过32个；核外电子总是尽先排布在能量最低的电子层，然后由里向外从能量低的电子层逐步向能量高的电子层排布。,电子层,3原子核外电子运动区域与电子能量的关系 电子能量高在离核远的区域内运动，电子能量低在离核近的区域内运动，把原子核外分成七个运动区域，又叫电子层，分别用n=1、2、3、4、5、6、7表示，分别称为K、L、M、N、O、P、Q，n值越大，说明电子离核越远，能量也就越高。当内层轨道电子获得一定能量即会跃迁到外层轨道，称激发；电子脱离原子称电离。内层电子空缺时，外层电子又会跃迁（激退）到内层补缺，而多余的能量以标志（特征）X射线或俄歇电子形式放出。,玻尔理论,玻尔理论是1913年丹麦物理学家N.玻尔结合M.普朗克的量子概念、A.爱因斯坦的光子概念和E.卢瑟福的原子模型而提出的原子结构理论,氢原子光谱,波尔理论的三个假设, 原子系统只能存在于一系列不连续的能量状态中(E1、E2、E3)，在这些状态中，电子绕核作加速运动而不辐射能量，这种状态称这为原子系统的稳定状态(定态)频率条件:当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，发出或吸收单色辐射的频率满足:只有当原子从一个较大的能量En的稳定状态跃迁到另一较低能量Ek的稳定状态时，才发射单色光，其频率:反之，当原子在较低能量En的稳定状态时,吸收了一个频率为n的光子能量就可跃迁到较大能量Em的稳定状态。处于稳定态中，电子绕核运动的角动量满足角动量量子化条件结论:电子轨道是量子化，能量是量子化的，能量最低的状态叫基态，其他状态叫做激发态。,优点 局限性,成功解释了氢原子光谱不连续的特点.成功的计算出氢原子的轨道半径成功的计算出氢原子的能量引入了量子数这个理论本身仍是以经典理论为基础,且其理论又与经典理论相抵触.它只能解释氢原子以及类氢原子(如锂+离子，等)的光谱,在解决其他原子的光谱时就遇到了困难,如把理论用于其它原子时,理论结果与实验不符,且不能求出谱线的强度及相邻谱线之间的宽度.这些缺陷主要是由于把微观粒子(电子,原子等)看作是经典力学中的质点,从而把经典力学规律强加于微观粒子上(如轨道概念)而导致的.玻尔理论的提出，打破了经典物理学一统天下的局面，开创了揭示微观世界基本特征的前景，为量子理论体系奠定了基础，这是一种了不起的创举，不愧为爱因斯坦的评价-玻尔的电子壳层模型是思想领域中最高的音乐神韵。,原子核的组成,中子,质子,统称核子,U,He,H,11,42,235 92,X,AZ,（核）电荷数,质量数,1015m,元素符号,原子核的质量几乎是整个原子的质量，那么原子核又是怎样构成的呢？ 1原子核的构成 1919年，卢瑟福用粒子轰击氮核，得到了质子，进而猜想原子核内存在不带电的中子，这一猜想被他的学生查德威克用实验证实，并得到公认。原子核是由质子和中子（统称核子）组成。质子和中子质量数相近，质子带有一个正点荷，而中子不带电荷（图13）。原子核结构可表示为 ，X为元素符号，Z为质子数，N为中子数，A为质量数，A为Z和N之和，通常可以略写为AX。,2原子核的能级 原子核由于不断运动而具有一定的能量。一般情况下，原子核都处于能量最低的状态，称为基态，在一定条件下，如：原子核在某些核反应、核裂变及放射性衰变后，原子核可以暂时处于较高的能量状态称为激发态。激发态的原子核可表示为AmX，如99mTc。处于激发态的核素都很不稳定，要释放过剩的能量而回到基态。原子核可处于不同的能量状态。,元素,元素：凡质子数相同的一类原子称为一种元素。因质子数相同，所以核外电子数就相同，最外层电子数亦相同，故其化学性质也相同，它是组成不同物质的基本单位。其中子数可以不同，因而物理特性亦不相同，它可有一种或多种同位素。H、O、C均为不同的元素。,2017/11/18,29,自然界元素,Z83 核力不能保持平衡 全是不稳定元素 自然界少有Z83 至少存在一种稳定的同位素,同质异能素,同质异能素：核内中子数和质子数都相同，但能量状态不同的核素彼此就称为同质异能素（isomer）。例如99mTc是99Tc的激发态，99mTc与99Tc互为同质异能素（图15）。,如质子数相同，中子数不同，（质量数当然不同），则互为 同位素。,4同位素：具有相同质子数而中子数不同的原子，在元素周期表中处于同一位置，互称同位素。同种元素的同位素具有相同的化学性质。,质子,中子,核子,质子数,核电荷数,原子序数,质量数,核子数,中子+质子,同位素,1,2,核外电子数,质子数相同而中子数不同,放射性元素的衰变,原子核放出粒子或粒子，变成另一种原子核，把这种变化称为原子核的衰变,1、两种衰变：衰变、衰变 衰变： 衰变：,原子核发生衰变时，衰变前后的电荷数和质量数都守恒,衰变：,衰变：,说明：1. 中间用单箭头，不用等号；2. 是质量数守恒，不是质量守恒;3. 方程及生成物要以实验为基础，不能杜撰。,3规律：,实质：,衰变,衰变,衰变或衰变后产生的新核往往处于高能级，不稳定，要向低能级跃迁放出光子射线是伴随着射线和射线产生的 没有衰变放射性物质发生衰变时，有的发生衰，有的发生衰变，同时伴随射线这时三种射线都有,核 反 应,用天然放射性的高速粒子或人工加速的粒子去轰击原子核，以产生新的原子核的过程,反应方程,2017/11/18,38,核反应 Nuclear Reaction,快中子作用于物质的原子核时，放出带电粒子而形成新的核，新核可能是稳定的核素，也可能是放射性核素，如果是放射性核素，则可继续衰变放出射线，使物质产生电离或激发，这种现象称为感生放射性。, 衰变,- 衰变,+ 衰变, 衰变,对于由大量原子组成的放射源，每个原子核都可能发生衰变，但不是所有原子在同一时刻都发生衰变，某一时刻仅有极少数原子发生衰变。放射性核素衰变是随机的、自发的按一定的速率进行，各种放射性核素都有自己特有的衰变速度。放射性核素原子随时间而呈指数规律减少，其表达式为：N=N0e-t : decay constant t: decay time e: base of natural logarithm,三、放射性衰变基本规律,指数衰减规律：N = N0e-t N0：（t = 0）时放射性原子核的数目N：经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目:放射性原子核衰变常数；大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关；数值越大衰变越快半衰期(half-live)：放射性原子核数从N0衰变到N0的1/2所需的时间,N = N0e-t,衰变规律,放射性统计涨落,在相同时间间隔内，进行重复测量每一次测得值均不同，且会在一个数上下起伏。,43,一两次连续衰变规律二多次连续衰变规律三放射性平衡,连续衰变：原子核的衰变一代又一代连续进行，直至最后达到稳定为止。,连续衰变规律,44,母体衰变成子体，子体衰变成稳定核。如,设两次连续衰变的一般表达式，,其中：A、B、C的衰变常数为1、2、3 = 0 ；t时刻 A、B、C的原子核数为N1 、 N2 、 N3 ；t=0时 A、B、C的原子核数为N10 、 N20 = N30 = 0 。,一两次连续衰变规律,45,多次连续衰变的一般表达式，,子体C也会发生衰变，其原子核数N3受到子体B衰变速度和子体C衰变速度的影响。,母体衰变成若干代子体，最终子体衰变成稳定核。,二多次连