第十四章 原子核kkk.doc

第五篇 原子物理第十四章 原子核教学要点1掌握放射性核素的衰变规律，衰变常数、半衰期、平均寿命、放射性活度等物理概念。2理解射线剂量的定义及射线的防护方法。3了解原子核的基本性质,原子核的质量亏损和结合能的物理意义以及放射性核素在医学上的应用。原子物理，是20世纪新建立的一个物理学分支。它研究原子核的结构和变化规律，射线束的产生、探测和分析技术，以及与核能、核技术应用有关的物理问题。它是一门既有深刻理论意义，又有重大实践意义的学科。从1896年贝克勒尔发现铀原子核的放射性和1911年卢瑟福提出原子的模型以后，经过长期探索，核技术和核理论都有了很大的发展。目前原子核物理学已广泛应用到医学上，出现了新兴的边缘学科_核医学。本章主要介绍原子核的基本性质、衰变类型和衰变规律，并在此基础上讨论与射线相关的一些问题及医学应用。第一节 原子核的性质我们将从原子核的基本结构出发，讨论原子核的组成、性质和稳定性等内容。一、原子核的组成 原子核的性质 原子核的稳定性（一） 原子核的组成原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子。质子带一个单位正电荷（以电子的电荷e为单位，即1.602库仑），常用符号p表示。中子不带电，常用符号n表示。在正常情况下，原子核外的电子数与核内质子数相等，整个原子呈中性。质子和中子质量都极小，常采用原子质量单位来度量，以符号u表示。国际上规定以自然界中普遍存在的原子质量的为一个原子质量单位， 1u1.660566。质子的质量为1.007277u，是电子质量的1836.1倍。中子的质量比质子略大一些，为1.008665u，是电子质量的1838.1倍。测量结果表明，原子核的质量都接近整数，这个整数称为原子核的质量数，通常用A表示。原子核的质量是由质子和中子共同提供的，由于质子和中子的质量相近，并且都接近1u，所以原子核的质量数就是该原子核所包含的核子总数。一种元素的原子核含有一定数目的质子和中子，用符号表示。表示该元素的化学符号，表示原子核内的质子数，即原子序数。为原子核内的核子数，也就是相应的原子的质量数。-为原子核内的中子数。由于和的一致性，可以略去，写成。自然界中最轻的原子核是（氢1），只有一个质子，没有中子。质子数和中子数相同且能量状态也相同的一类原子核或原子的集合称为核素，同一种元素可以包含多种核素。核素可分为两大类。一类是稳定性核素，它能够稳定地存在，如、等。另一类是不稳定核素亦称为放射性核素，它能自发地放出射线而转变成另一种核素，如、等。放射性核素又分为天然放射性核素和人工放射性核素（由核反应堆、加速器和放射性核素发生器等生成）。至今为止，人们已发现109种元素，得到的核素有2000多种，其中稳定核素约有280多种，其余均为放射性核素。天然放射性核素只有60种左右，如、等，医学上常用的放射性核素如、等几乎都是人工放射性核素。质子数相同，而中子数不同的核素称为同位素。它们就像“孪生兄弟”在元素周期表中占据同一位置，属于同一种元素，化学性质相同，但是物理性质不同。自然界存在的元素往往是由几种同位素所组成，并且各种同位素的含量有一定的比例，这种比例称为同位素的丰度。例如，自然界存在的铀有三种同位素，即、和，它们的丰度分别为99.274%、0.720%和0.006%。质子数和中子数相同，但处于不同能量状态的核素称为同质异能素。核的同质异能素记为，如就是的同质异能素，前者处于较高的亚稳态，后者处于基态。质量数相同而质子数不同的核素称为同量异位素，如和互为同量异位素；、和互为同量异位素。（二） 原子核的性质1 原子核的大小和密度 原子核的形状近似球形，半径小于；原子核的密度，是物质紧密集中之处。2 核力 是什么原因使质子和中子聚合在一起形成原子核呢？核子之间的万有引力与电磁力相比，是可以忽略的。于是我们可以设想，如若核子之间没有更强大的引力作用把它们紧密地束缚在一起，质子之间的强烈静电斥力作用只能使原子核解体。核子之间的这种更强大的引力就是核力。核力有如下性质： 核力具有短程性和饱和性。只有当核子之间的距离等于或小于 m数量级时，核力才表现出来。可见，核力为短程力。核力与液体中分子之间的作用力很相似，任一核子不可能与核内所有核子都发生核力作用，而只能与核内相邻近的核子发生核力作用，而邻近的核子数是相当有限的，所以核力具有明显的饱和性。实验表明，随着原子核质量数的增大，质子之间的斥力作用比核力作用上升得更快，这正是原子核随着质量数的增大而表现出不稳定性的原因。 核力是目前已知最强的力，是比万有引力和电磁力大得多的一种力。 核力的相互作用与核子的带电状况无关 。在原子核内，无论中子与中子之间，质子与质子之间，还是中子与质子之间，表现的核力是相同的，与核子是否带电无关。3 核能级 原子核可以处于不同的能量状态，称为原子核的能级，和原子一样，原子核的能级也是分立的。原子核的能量变化可以发生在能级之间的跃迁。在一定条件下（如核衰变），原子核可暂时处于较高能量的状态，称为激发态。处于激发态的核都不稳定，会释放出过剩的能量而回到基态。（三） 原子核的稳定性1 原子核的质量 原子核的体积很小，几乎集中了原子的全部质量，通常是通过测定原子的质量来推算原子核的质量。原子的质量等于原子核的质量加上核外电子的质量，再减去相当于电子全部结合能的质量。如果忽略与核外全部电子结合能相联系的质量，则原子核的质量近似地等于原子质量与核外电子质量之差。 （14-1）2 原子核的结合能 原子核既然是由质子和中子组成，它的质量等于全部核子质量，但实际测量结果表明，原子核的质量小于组成它的核子质量之和。这个差值称为原子核的质量亏损，用表示。根据相对论的质能关系：核子结合成原子核时发生了的质量亏损，相应地有的能量释放出来，其变化规律为 （14-2） 上式即为爱因斯坦著名的质能联系定律，其中为真空中的光速。与质量亏损相联系的能量，表示自由状态的单个核子在结合成原子核的过程中所释放出的能量，称为原子核的结合能。原子核的结合能非常大，因此一般原子核是非常稳定的，但不同的核素稳定程度不一样。原子核的结合能大致与核子数成正比，通常用每个核子的平均结合能来表示原子核的稳定程度，其值等于原子核的结合能与核子数的比值，即 （14-3）核子的平均结合能也称为比结合能。核子的平均结合能越大，原子核分解为核子所需的能量越大，原子核就越稳定。例如，氘核的结合能为2.23 ，核子的平均结合能为1.11 ，而氦核的结合能为28.28 ，核子的平均结合能为7.07 ，显然氦核比氘核更稳定。表14-1列出了一些常见原子核的结合能及核子的平均结合能。表14-1 一些原子核的结合能及核子的平均结合能原子核 （） （） 原子核 （） （） 2.23 1.11 492.20 8.79 8.47 2.83 915.20 8.55 28.28 7.07 1020.00 8.50 31.98 5.33 1078.60 8.43 58.00 6.46 1636.40 7.87 92.20 7.68 1783.80 7.59 128.22 7.54 1801.60 7.57从表中可以看出，较轻的核和较重的核的核子平均结合能较小，稳定性较差，而中等质量的核的核子平均结合能较大，都在8上下，所以最稳定。原子核是否稳定取决于核内中子数与质子数的比例。中子数和质子数基本相同的原子核，即中、质比为1时为稳定核素。如果核内中子数与质子数之比超过一定范围，无论是过大或过小，均可导致原子核自发地发生一次或多次衰变，以调整核内中质比，最终变为稳定性核素。二、放射性核素的衰变人们对原子核的研究，是从研究放射性现象开始的。某些原子核能自发地衰变，放出、等粒子的性质称为放射性。放射性核素的原子核自发地发出某种射线而转变为另一个核素的原子核的现象，称为原子核的衰变。原子核衰变过程中放出的射线称为核辐射。原子核的衰变过程严格遵守质量和能量守恒、动量守恒、电荷守恒和核子数守恒定律。下面我们讨论原子核的几种主要衰变方式。（一） 衰变原子核在衰变过程中放射出粒子而变为另一种原子核的过程称为衰变。粒子就是高速运动的氦原子核，它由两个质子和两个中子组成，用符号表示。通常把衰变前的原子核称为母核，用表示，衰变后的原子核称为子核，用表示。发生衰变后形成的子核较母核的原子序数减少2，质量数较母核数减少4，所以在元素周期表中的位置比母核移前两位，这种规律称为衰变的位移定则。衰变式为 （14-4）例如铀-238核放出粒子后变成钍-234核。衰变式为：上式中为母核衰变成子核时所放出的能量，称为衰变能，它表现为子核和粒子的动能。计算表明，衰变能主要被粒子带走，因此，粒子的能量较高，约为数百万。处于基态的母核发生衰变时，可以直接衰变到子核的基态；也可以先衰变到子核的激发态，放出能量较低的粒子，然后再放出射线跃迁到基态。图14-1为最早应用于临床的镭的衰变图。图14-1 衰变原子序数大于82的天然核素绝大部分都作衰变，如、等。（二） 衰变衰变包括衰变和衰变以及电子俘获三种类型。 衰变 原子核放射出一个粒子和一个反中微子而转变成另一种原子核的过程，称为衰变。粒子就是高速运动的电子（），反中微子不带电，其质量比电子质量小得多，静止质量几乎为零。根据守恒定律，衰变式为 （14-5）上式中子核与母核的质量数相同，但原子序数增加1，即在元素周期表中的位置移后一位，这种规律称为衰变的位移定则。衰变的子核可能处于激发态，当它回到基态时，伴有射线的发射。图14-2为的衰变图。衰变的原因是母核中的中子数过多，通过衰变使母核中的一个中子转变为一个质子，同时放出一个电子和一个反中微子，衰变式为放射性在医学上有重要的应用价值。一般所说的放射性核素就是指放射性核素，医学上常用的有、等。图14-2 衰变2 衰变 原子核放出一个粒子和一个中微子而转变成另一种原子核的过程称为衰变。粒子就是正电子，正电子是电子的反粒子，是一种质量和电子质量相等，带有一个单位正电荷的粒子，用表示。衰变式为 （14-6）上式中的中微子和反中微子都是不带电的粒子，它们的静止质量近似为零，中微子和反中微子与其它粒子的相互作用非常弱，因此不易探测到。在衰变过程中，子核与母核的质量数相同，而原子序数减少1，即在元素周期表中移前一位，这种规律称为衰变的位移定则。同理，衰变后的子核可能处于激发态，当它回到基态时，伴有射线的发射，如图14-3为的衰变图。图14-3 衰变图14-3 衰变衰变是由于母核中的一个质子转变为一个中子，同时发出一个正电子和一个中微子，衰变式为通常中子数过少的原子核会发生这种衰变。衰变（包括衰变、衰变）中，由于子核的质量比粒子和中微子大得多，所以衰变能量主要为粒子和中微子所共有，能量在这两种粒子之间的分配可以是任意的。因此，同种原子核发出射线的能谱是连续的，一般衰变图中所标示的射线能量均指它的最大能量。正电子只能存在极短时间，当它被物质阻挡而失去动能时，将和物质中的电子结合而转化为一对光子，这一过程称为正负电子对湮没。正负电子对湮没可以转化为一个、二个或三个光子，但转化为二个光子的几率为最大。衰变只有在少数人工放射性核素中发现，在天然放射性核素尚未发现。医学上常用的有、等。3 电子俘获 原子核俘获一个核外电子，使核内的一个质子转变为中子，同时放出一个中微子的过程称为电子俘获，用表示。衰变式为 （14-7）上式中子核的质量数与母核的质量数相同，原子序数减少1，即在元素周期表中移前了一个位置，这就是电子俘获的位移定则。电子俘获也可以用衰变图表示，如图14-4所示，的衰变就有两种不同的电子俘获过程。电子俘获也是发生在中子数过少的核素中。图14-4 电子俘获由于K层的电子最靠近原子核，所以K层电子被俘获的几率最大，占90%，因此电子俘获又称为称为俘获。当然也有少数俘获和俘获。当层一个电子被俘获后，就留下了一个空位，外层电子跃迁填补该空位时，多余的能量将以标识射线的形式释放出来。如果多余的能量不是以射线的形式放射出来，而是传递给同一能级的电子，使该电子摆脱核的吸引力而成为自由电子释放出来，这种效应称为俄歇效应，这种自由电子称为俄歇电子。俄歇电子的能量与特征射线一样，都是单色的，但比特征射线的能量稍小一些。衰变时由于核内的核子数并没有变化，因此都是发生在同量异位素之间的衰变。（三） 衰变和内转换1 衰变 处于激发态的原子核可以通过发射 射线跃迁到低激发态或基态，这种现象称为 衰变，或称跃迁。射线就是光子流。在大多数情况下，原子核处于激发态的时间极短，约为s。因此，衰变通常是伴随衰变和衰变而产生的。但也有些核衰变中，原子核的质量数和原子序数都不改变，只是原子核的能量状态发生了变化，这种过程称为同质异能跃迁。衰变式为 （14-8）同质异能跃迁的衰变能几乎全部被光子携带，即h。式中是光子的频率。核能级跃迁所发出的光子与原子能级跃迁所发出的光子没本质的差别，它的大小差不多等于母核与子核两个能级之差。光子的能量对应于能级差，也就是说具有分立的、不连续的值。2 内转换 有时，原子核从高能级向低能级跃迁时，不一定放出光子，而是将能量通过电磁电磁作用直接传递给核外的某个电子，使其脱离原子核的束缚成为自由电子，这一过程称为内转换。发射出的电子称为内转换电子。因此，光子和内转换电子是激发态子核跃迁至较低能级或基态时释放能量的两种基本形式。内转换电子主要来自层电子，也有L层或其它壳层电子。因为原子核的能级是一定的，所以内转换电子的能量也是单色的，这与射线的连续能谱有很大区别。内转换过程后，内层电子轨道出现空位，外层的电子将填补这一空位，与电子俘获类似，从而产生标识射线或俄歇电子发射。原子核的衰变除了、衰变以外，还有发射质子和中子的原子核衰变。三、放射性核素的衰变规律放射性核素发生衰变时，衰变的快慢和先后都不相同。对某个原子核来说，发生衰变是随机的，但对大量原子核组成的放射性物质而言，其核衰变在数量上服从统计规律。下面主要讨论这种衰变的统计规律。（一） 衰变规律设0时刻原子核的数目为，时刻数目为，经过d时间后，有d个核衰变了。理论和实验表明，放射性核素的衰变率与现有的原子核的个数成正比，即 （14-9）上式中负号表示原子核数随时间的增加而减少。比例系数称为衰变常数，物理意义是放射性原子核在单位时间内发生衰变的概率，它与原子核的种类及发生衰变的类型有关，而与原子核的数量无关。将式(14-9)积分得 (14-10)上式即为放射性核素的衰变规律，它表明放射性核素是按时间的指数函数衰减的。如果某种核素的物质同时进行多种类型的衰变，则原子核的衰变常数则是各种衰变类型的衰变常数之和。即 （14-11）（二） 半衰期和平均寿命常用半衰期和平均寿命来表示放射性核素衰变的快慢。1 半衰期 放射性核素的衰变有一定的快慢。例如，氡-222经过衰变为钋-218，如果隔一定的时间测定一次剩余氡的数量，就会发现，大约每3.8天，就有一半的氡发生了衰变。也就是说，经过第一个3.8天以后，剩下原来一半的氡。再经过第二个3.8天以后，剩下原来的1/4的氡。以此类推。因此，为了说明衰变快慢，引入半衰期这个物理量。放射性核素的原子核数目衰变掉一半所需要的时间称为核素的半衰期，用符号表示。根据定义，当时，代入式(14-10)，得 （14-12）上式表明，与成反比，核素的衰变常数越大，其半衰期越短。各种放射性核素的半衰期长短不一，最短的仅有s,最长的可达y，将式(14-12)代入式(14-10)，得到用半衰期表示的衰变规律 （14-13）表14-2列出了一些常见的放射性核素的衰变类型和半衰期。表14-2 一些常见的放射性核素的半衰期核素 衰变类型 半衰期 核素 衰变类型 半衰期 20.4 min 、 8.04 d 5730 a 、 46.8 d 15 h 、 5 d 、 15 h 、 310 s 14.3 d 、 3.8 d 、 5.27 a 、 1600 a 、 60 d 、 4.510 a医学上碘-131、磷-32、钴-60用得较多，它们的半衰期同学们应该记住。2 平均寿命放射性核素的原子核在衰变前平均生存的时间，称为放射性核素的平均寿命，用符号表示。可以证明，平均寿命和衰变常数互为倒数。因此，衰变常数、半衰期和平均寿命三者的关系为 （14-14）衰变常数、半衰期和平均寿命，三者之间存在一定联系，只要知道了其中一个，另外两个也就完全确定了，它们中的任何一个都可以作为放射性核素的特征量。每一种放射性核素都具有特定值(或值，或值)，我们可以根据测量的值，来判断是哪种放射性核素。实验表明，原子核的放射性是原子核自身性质的反映，其特征量以及所遵从的规律不受外界条件(如温度、压强和磁场等)的影响，也不会由于核是处于单质中或是处于化合物中而有所变化。（三） 放射性活度放射源在单位时间内衰变的原子核数称为放射源产放射性活度，简称活度。用符号表示， （14-15）上式中，是放射性物质时的活度。如果用半衰期表示，则 （14-16）上式说明放射性活度也是随时间按指数规律衰减的。放射性活度的国际单位为贝可，用符号表示，定义为：11个核衰变/s。这个单位显然是太小了，所以常用 (兆贝克勒尔)、(吉贝克勒尔)和（太贝克勒尔）作单位。在此之前，放射性活单位用居里（符号）表示，与贝可的关系是13.73.73.73.7。应当指出的是，放射性活度相同的两种放射性核素，只表示它们每秒钟的衰变次数相同，并不表示它们所发射的粒子数目、粒子种类、粒子能量相同，更不表示它们的辐射生物效应一定相同。由可知：（1） 当一定时，寿命短的核素放射性活度大；当一定时，寿命短的核素所对应的原子核数少。（2） 临床上一方面要保证要有一定的活度以达到诊断和治疗目的，另一方面在此活度下，为减少辐射对人体的伤害要求尽可能减少放射性核素在人体内的残留量，因此临床上一般都尽量使用寿命短的核素，这在核医学中非常重要。在实际测量中，我们测量得到的往往并不是放射性活度，而是与活度成正比的脉冲记数率，它的单位通常用脉冲计数/分钟表示，一般用表示，与的关系为： E为比例常数，称为仪器的测量校正系数或测量效率，它与仪器的性能、样品的情况及测量时的条件等因素有关。【例14-1】 设一台刀初装时的总活度为6040，使用5年后，钴源活度还剩相当于多少？其平均寿命为多少年？解：已知的半衰期5.27y，6040224，5y代入式（14-16）得平均寿命由式（14-14）得y答：使用5年后，钴源活度还剩相当于？其平均寿命约为年。【例14-2】 人体中含钾量约占体重的0.20%。在天然钾中，放射性同位素的含量为0.012%，求在体重为多少的人体中的活度为4.3?已知的半衰期为1.3年。解：由和得，即个设人的体重为，则解得69.2答：体重为69.2的人体中的活度为4.3。第二节 放射性核素在医学上的应用核医学的发展是医学现代化的重要标志之一，它不仅为阐明代谢过程、探讨生命活动的物质基础及客观规律提供了灵敏、特异、快速和方便的研究手段，也为临床诊断、放射治疗、医学科学研究开辟了新的途径。一、示踪原子 放射治疗（一） 示踪原子1 示踪的原理 放射性核素作为示踪原子是指一种元素的各种同位素都有相同的化学性质，它们在机体内的分布、吸收、代谢和转移过程是一样的。如果要研究某一种元素在机体内的情况，只要在这种元素中掺入少量该元素的放射性同位素，并将其引入体内，这些放射性核素在体内参与各种过程的变化，然后借助它们放出的射线，在体外探测到该元素的踪迹，这种方法称为示踪原子法。被引入的放射性同位素称为示踪原子或标记原子，就是说使该元素带上一种特殊的标记，便于从体外进行追踪。但由于放射线对人体有伤害，一旦研究结束，就希望放射性同素放出的射线量大大减小，因此，应选择半衰期较短、衰变稍快的放射性元素做示踪原子。临床上的示踪诊断应用日益广泛，例如应用标记的马尿酸作为示踪剂，静脉注射后通过肾图仪描计出肾区的放射性活度随时间的变化情况,可以反映肾动脉血流、肾小管分泌功能和尿路的排泄情况。体外标本测量：它是将放射性药物放入体内，然后取其血、尿、粪或活体组织等样品，测量其放射性活度。例如口服维生素示踪剂后，通过测量尿液排出的放射性活度，可以间接测得胃肠道吸收维生素的情况。放射自显影：放射性核素发生的射线能使胶片感光，人们利用胶片来探测和记录放射性的方法称为放射自显影，它是追踪标记药物或代谢物在体内去向的一种有效方法。如把细胞培养在含有放射性脱氧核糖核酸（DNA）的水中，就可以把细胞内的染色体标记上放射性核素，通过放射自显影，可观察到染色体分裂过程中DNA的变化细节。示踪原子法的优点是灵敏度高，可在生理条件下研究物质在机体内的活动规律，而且简单易行。放射性核素作为示踪原子，广泛应用于基础医学研究中。将放射性核素特异地标记在核酸分子的链节上，通过超微量分析方法，可以进行结构分析。应用这种技术，已阐明了几十种不同来源的转运核糖核酸的排列，弄清了某些核糖核蛋白体的结构。在肿瘤病因研究中，应用放射性核素技术研究病变与正常核酸结构上表现的差异，从分子生物学角度探讨肿瘤细胞的起因的工作也取得成果。用原子示踪法探讨中医理论，研究针刺麻醉的镇痛原理，研究中草药的作用原理，筛选中草药和寻找新药等，对发掘祖国医学宝库具有十分重要的意义。2 放射诊断 放射诊断主要介绍放射性核素成像，简称核素成像，是一种利用放射性核素示踪方法显示人体内部结构的医学影像技术。由于体内不同组织和脏器对某些化合物具有选择性吸收的特点，故选用不同的放射性核素制成的标记化合物注入体内后，可以使体内各部位按吸收程度进行放射性核素的分布。再根据核素放出射线的特性，在体外用探测器进行跟踪，以获得反映放射性核素在体内的浓度分布及其随时间变化的图像。借助这种影像技术可以了解各种组织、脏器对药物的选择吸收、正常组织与病变组织的吸收差异、血液循环情况对药物吸收的影响等，医生可以根据图像中某脏器的占位性病变和功能变化进行诊断。像消化道出血定位、骨显像、淋巴显像、脑血流灌注显像、心功能测定、肾功能测定等。核素成像仪器早期有闪烁扫描机和照相机，目前临床使用最多的是发射型计算机断层成像（ECT）。照相机可将体内放射性核素分布一次成像，其特点是成像速度快，可提供静态和动态图像，把形态和功能结合起来进行观察和诊断。在使用时只要将照相机的探头放置在待测部位体表上一段时间，采集这段时间内从体内放射出的射线，即可得到射线在该方向的全部投影，在屏幕上的放射性核素分布图像很像一幅射线透射照片，当然其分辨率远不如光片。发射型计算机断层成像（ECT）可分为单光子发射型计算机断层和正电子发射型计算机断层。单光子发射型计算机断层（SPECT）的基本原理是用探测器绕着人体外部分别把各个方向放射性核素所放射出来的射线记录下来，得到一组直线的投影值。每完成一次扫描，探测器旋转一定角度，再重复以上过程，直到绕人体一周。然后将每一个角度的直线投影值集合组成一个投影正层面，这就是人体内某一断层面上放射性核素分布的层面图像。但SPECT所产生的图像仅是描绘人体内组织和脏器断层中放射性核素的浓度分布，这种分布不是有关断层的解剖学形态，而是把放射性核素注入体内一个或几个有关组织脏器时的生理、生化过程的分布。SPECT常用的放射性标记物主要有、和等能产生射线的核素。正电子发射型计算机断层（PET）是通过探测注入体内的放射性核素所放射的射线所产生的湮没光子而实现断层成像的，是目前大型的医学影像设备之一。PET使用的标记化合物很多，如测定血容量的，测定蛋白质合成的-蛋氨酸等。PET提供的图像是反映人体的生理、病理及功能的状况。用PET所得到的断层图像比SPECT真实、清晰、不论器官大小都能反映放射性量的分布。 医学上常用的成像技术还有X射线计算机断层成像(X-CT)和磁共振成像。（二） 放射治疗核素治疗的原理是利用核素发射出的射线在病变组织产生一系列的电离辐射的生物效应，导致细胞繁殖能力丧失，代谢紊乱失调，细胞衰老或死亡从而达到治疗的目的。正常细胞和病变的细胞群体对核素射线的敏感性不同，一般细胞分裂活性越大对射线越敏感，浓聚放射性核素的能力也越强，因而射线破坏或抑制病变组织的同时对正常组织可不发生或仅发生轻微的损伤。 放射治疗可按以下方式分类：1. 远距离放射治疗 放射源离开人体一定距离集中照射某一病变部位。包括X线治疗、60钴治疗和电子加速器治疗。例如利用钴-60产生的射线进行体外照射， 放出的能量分别为1.17和1.33的二种射线。主要用于治疗深部肿瘤，这种治疗机俗称钴炮。2 近距离放射治疗 将放射源直接置入人体被治疗的组织内或器官腔内进行照射，包括腔内照射、组织间照射、术中照射和同位素敷贴等。常用的放射性核素有、等。例如将碘-131放入体内，通过血液循环很快聚集在甲状腺中，它放出的射线将杀伤部分甲状腺组织。可以用来治疗甲状腺功能亢进和部分甲状腺肿瘤等。实施短程放射治疗，具有使肿瘤部位有较高剂量，而周围正常组织损伤较小的优点。 3 刀治疗 用高能量的射线“代替”传统意义上的手术刀，简称刀。主要是利用高精度的立体定向装置对病灶进行三维定义，用高能量的射线一次多方向地聚集于病灶，使组织发生坏死，病灶外的组织因放射线剂量迅速减少而不受损伤，其效果类似于外科手术。这种方法可以治疗脑肿瘤、肺癌、纵隔、腹腔和盆腔肿瘤等，还可以治疗颅内血管畸形、癫痫、帕金森氏病等良性疾病。二、辐射剂量与辐射防护放射性射线（包括带电粒子、中子射线和光子射线等）通过物质时都能直接或间接产生电离作用，称为电离辐射。电离辐射会在生物体上产生相应的物理、化学和生物变化，导致生物组织的损伤称为放射性生物效应，其效应的强弱与照射量和生物体吸收的剂量多少有关。下面从应用角度出发，介绍反映各种电离辐射大小的物理量以及引起生物效应所面临的防护问题。（一） 辐射剂量1 照射量 照射量只适用于射线和射线，由它们对空气的电离能力来定义，用表示，即 （14-17）上式中是质量为的干燥空气中，在射线或射线的照射下直接或间接电离产生的正离子或负离子的总电量。式14-17中的射线或射线的能量适用范围为。在国际单位中，照射量的单位是库仑/千克（/），并用的旧单位是伦琴（），它们之间的换算关系是12.582 吸收剂量 吸收剂量可以应用于任何类型的电离辐射，它是指单位质量的受照射物质所吸收电离辐射的能量，用表示，即 （14-18）上式中是受照射物质的质量元，是所吸收电离辐射的平均能量。在国际单位中，吸收剂量单位是焦耳/千克（/），称为戈瑞，用符号表示。11/。并用的旧单位是拉德（），两者的关系是1100。【例14-3】 设射线在某处的照射量为1，问该处空气的吸收剂量是多少？已知电子在空气中每产生一对离子平均要消耗能量33.85。解：1照射量可使1空气产生的离子对数目为个/消耗射线的能量，就是空气的吸收剂量答：该处空气的吸收剂量是。3 品质因数与剂量当量 吸收剂量是用来说明生物体受照射而产生的生物效应重要的物理量。人体受到照射时，常常是多个器官受到照射，器官不同，产生的效应也不同。除此之外，辐射类型也能影响生物效应。对不同类型的辐射，即使具有相同的吸收剂量，产生的生物效应也不同，即辐射对生物体的伤害程度与国徽能量的分布及电离程度有关。例如能量在以下的快中子射线对人体组织造成的伤害是的（或）射线的10倍，的射线对人体组织造成的伤害是的射线的20倍。因此，引入描述不同辐射类型所引起的同类生物效应强弱的物理量，称为品质因数，用符号表示，这是一个没有量纲的修正因子。用它可以表示在吸收剂量相同的情况下，各种射线对生物体的相对伤害程度。越大，表示该种射线被生物体吸收的单位辐射能量所产生的生物效应强，伤害亦越大。表14-3列出了一些放射性射线的品质因数。表14-3 放射性射线的品质因数辐射种类 近似值 建议值* 辐射种类 近似值 建议值*X和射线 1 1 快中子 10 20-和+射线 1 1 快质子 10 20慢中子 3 5 粒子 20 20在辐射防护中，用生物组织受伤害的程度来修正单纯的吸收剂量，这样就得到了剂量当量，用符号表示，其值为吸收剂量与放射性射线的品质因数的乘积，即 （14-19）的单位是焦耳/千克（/），国际单位为希沃特（），符号为，并用的旧单位是雷姆（），1。【例14-4】 有甲、乙两人，甲的肺组织受射线照射，吸收剂量为2；乙的肺组织受射线照射，吸收剂量为，同时还受射线照射，吸收剂量也是。试比较这两人所受射线影响的大小。解：仅靠吸收剂量是无法作出判断的，只有借助于剂量当量来衡量。参考表14-3所列数据，甲的肺组织受到的剂量当量为：乙的肺组织受到的剂量当量为:答：相比之下，甲受到的辐射影响比乙大。4 本底辐射和射线对人体的效应 人们在日常生活中一直受到各种射线的照射，这种天然照射称为本底辐射。在本底辐射中有30% 40%来自地球外空间的宇宙射线。地球表面的大气对宇宙射线（及紫外线）有一定吸收作用。在海拔高的地区，这种保护作用有削弱，在海拔3千米的地方，本底辐射比海平面高20%。来自人体本身的天然放射性（主要是）约占本底总数的20%。另外一个放射线的来源是空气中的氡气。它的半衰期约为4天，然后蜕变为固体附着在它遇到的任何固体（例如尘埃）上。当我们呼吸时，它就能粘着在肺壁上，因此肺部每年受到的辐射比身体的其他部分约高9倍。空气中氡的含量与建筑物的材料有很大关系。在木屋中，肺部受到氡的照射量只为砖房的1/2，为混凝土结构的1/3。烟叶在干燥过程中能收集放射线，因此吸烟者所受的放射量一般比不吸烟者要高几倍。 射线对人体可以产生一系列的不良效应，其中包括皮肤红斑、毛发脱落、溃疡、肺纤维化（硬化）、白细胞减少、白内障以及引起恶性肿瘤。此外，射线还可以使生殖细胞发生突变，引起遗传变异。所有这些生物效应都与剂量当量有关，当然和被照射部位以及年龄等也有关系。年纪愈小，愈容易受到射线的伤害，特别是发育中的胚胎对射线最为敏感。地球上的本底辐射如果增加很多倍，它对人类和整个生物界的影响是难以预测的。（二） 辐射防护1 辐射防护标准 核应用技术自20世纪40年代中期开始形成规模后，在全世界范围内取得迅速的发展。在当今的世界上，核应用技术已经渗透到各个领域，核应用技术为人类造福，但是不注意辐射防护则会给人类带来灾难。各国对辐射防护有明确地法律法规。对辐射防护标准的制度不考虑自然辐射和医疗辐射。规定：经过一次或长期照射后，对机体既无损伤，又无遗传危害的最大剂量称为最大允许剂量。不同器官和部位的最大允许剂量是不同的，各国规定的最大允许剂量也不尽相同。我国现行规定最大允许剂量如表14-4所示。表14-4 我国现行规定最大允许剂量（年）受照射部位 放射性工作者（） 放射性工作场所附近 一般居民（） 工作人员和居民（） 全身、性腺、红骨髓、眼晶体 0.05 0.005 0.0005 皮肤、骨、甲状腺 0.30 0.03 0.01 手、前臂、足踝 0.75 0.075 0.025 其他器官 0.15 0.015 0.0152 外照射防护 放射源在体外对人体进行照射称为外照射。外照射防护有距离防护、时间防护和屏蔽防护三个基本原则。即在不影响工作的前提下，工作人员采用具有不同功用的长柄器械或机械手进行远距离操作，保持控制室、操作台与辐射源有足够的距离，同时熟练技术，尽快完成操作，尽量减少在放射源旁停留时间。放射源与工作人员之间加入适当材料和厚度的屏蔽层，减小射线的强度。射线的性质、类型、输出量大小不同，采用的屏蔽方法也不相同。对射线和射线因穿透能力强，主要采用密度大、原子序数高的物质如铅、混凝土等作屏蔽材料。对于射线，因其穿透本领较强，采用双层屏蔽：内层采用中等原子序数的物质（如铝和有机玻璃）作屏蔽材料，外层采用高原子序数的物质来吸收由轫致辐射所产生的射线。对于射线，由于其射程短，穿透本领弱，因此很容易防护，工作时只需戴上手套即可。对于中子的屏蔽原则是先使中子减速，然后再用铁、铅等材料和含硼或锂的材料吸收这些中子，以达到防护的目的。外照射防护，除了上述基本措施外，还应做好工作人员的防护培训，进行工作环境和个人剂量的监测，及时屏蔽或移走暂时无用或多余的放射性物质等。3 内照射防护 放射性核素进入体内对人体的照射称为内照射。多数放射性核素都具有较长的半衰期，进入体内后会对人体进行长期辐射造成伤害。因此，除了治疗和诊断的需要必须将放射性核素放入人体，要尽量防止放射性物质由呼吸道、食道及外伤部位进入人体。一旦进入人体，应立刻服药，缩短核素在体内的半衰期，加速核素的排出。内照射防护的基本原则是采取各种措施，尽可能地隔断放射性物质进入体内的各种途径、减少放射性核素进入人体的一切机会，在“可