核物理与辐射防护基础知识.doc

上篇 检验核医学基础知识与方法学第一章 核物理与辐射防护基础知识.核医学的各个分支学科都是研究核素及其相关技术在医学中应用的理论与方法的科学。因此，学习和从事检验核医学的人员，必须掌握并科学、合理、规范地应用这门学科的基础知识，必须对核物理学及核辐射防护的基本知识有清晰的认识。第一节 核素与核衰变一、核素（一）原子核组成 任何一种物质都是由许多同样的分子组成。分子是由相同的或不同的原子结合而成，而原子是任何一种化学方法都不能分解的最小粒子。分子是保持该物质基本化学性质的最小个体。它的种类虽然是无穷无尽的，但它们都是由100多种基本成分组成的。这些基本成分叫元素，元素的最小单位是原子。各种元素的原子，其组成不同，但结构相似。均由原子核和按一定轨道绕核运行的电子组成。原子核原子的中心带正电荷，核外电子带负电荷。在通常情况下，核外电子与核电荷数相等，原子呈中性。核外电子绕核运行，其状态由四个量子数来确定，且在一个原子系统内不可能有两个或两个以上的电子具有相同的状态。绕核运动的电子组成许多壳层，每层能容纳的电子数为2n2个，主量子数n相同的电子属于同一壳层，对应于n=1，2，3，的壳层分别用K，L，M，N，O，来表示。各壳层上的轨道电子分别具有一定能量，距核越远，位能越高。原子核不是最小粒子，它是由一种力量强大而作用范围很小的核力（Nuclear force）将若干个质子（proton简称p）和中子（neutron简称n）等聚合在一起而形成的。质子和中子统称为核子（Nucleon），质子带有正电荷，其电量在数值上等于一个电子电量（1.60210-19库仑），而中子是不带电荷的中性粒子。质子和中子的质量相差很小，稍大于1个原子质量单位（Atomic mass unit，简写amu，1amu1/12的12C质量）。若以原子质量（u）来量度，质子质量mp=1.0072675u，中子质量mn=1.008650u。将1amu定义为1个质量数(Mass number)，质量1amu的质量数为零，故p、n的质量数均为1。原子核内质子数和中子数之和称为原子核的质量数（mass number），也叫核子数（nucleon number），它是一个整数，以A表示；原子核的质子数就是元素周期表中的原子序数（atomic number），通常以Z表示，原子核的中子数N=A-Z。若用X代表元素符号，则任何一种元素的原子核可以用X表示，如Li它的质量数为7，质子数（Z = A-N）为3。实际上，由于每一元素在周期表中的原子序数是一定的，因此只要用AX就足以表明一个原子核的组成了，通常Z可以省略不写，如1H，4He，7Li，125I等。（二）原子核的分类 原子核的种类和能态分别用符号X和mX来表示。X代表核的名称（与原子、元素名称相同），质量数A后之m表示该原子核处于高能状态，即激发态（Excited state），又称亚稳态；无m者则为基态（Groundstate）。例如：符号31H表示该原子核的名称为H（氢），是由1个质子（Z1）和2个中子（A123）组成，且处于基态；符号m Tc，表示该原子核名称为Tc（锝），由56个n和43个p组成，处于激发态。原子核是物质，具有质量和能量两个基本的属性。从这两个基本属性出发，可将大千世界中无法统计的，名目繁多的原子核归纳为以下几类，并冠以不同的称谓。1元素（Element）指具有相同质子数的一类原子核。视其p的数目赋予确定的名称、符号，称为某元素。迄今为止，已被科学家发现和人工制造的元素共有118种，在自然界存在的有92种。2核素（Nuclide）凡是原子核内的质子数相同（Z相同），中子数相同（即质子数与中子数之和相等，A相同），所处的能态也一致的一类原子核，称为某元素的某核素。例如：H、H、H是氢元素的三种核素，分别称谓氕、氘、氚；又如： C、C、C、C分别是碳元素的四种核素。可见，每一种元素都是由多个核素构成的。目前已知组成元素的核素多达2,000余个，其中人工制造的有1,600余个，天然存在的只有300多个（280多个稳定核素，60多个长寿命的放射性核素）。3同质异能素（Nuclear isomer）指原子核内质子数相等，中子数相同，但所处能态不一致的核素间的相互关系称谓。例：Tc和m Tc属同质（Z43，A99），但前者处于基态，后者处于激发态。这两种核素互称同质异能素。4同位素（Isotope）质子数相同而中子数不同的核素互称同位素，因为它们属于同一元素，在元素周期表中处于同一个位置，元素的Z相等；例如：H、H、H；C0、C0； I、 I、I等。5放射性核素与稳定性核素 在目前已经发现的二千多种核素中，仅有274种为稳定性核素，其余均为不稳定性核素及放射性核素（Radioactive nuclide）。放射性核素具有下述特性：能自发地发生核的结构或和能态的变化，释放粒子或和光子，生成另一种核素。这种性质叫做核的放射性（Radioactivity）；这种变化过程称为放射性衰变（Radioactive decay）；具有放射性的核素称为放射性核素。不具有放射性的核素被称为稳定性核素（Stable nuclide）。二、核衰变（一）核衰变类型按核衰变释放的射线性质来分类，核衰变有以下常见类型：1衰变（Alpha decay） 指核变化时释放一个携带2个单位正电荷，质量数为4的粒子的衰变。该粒子被命名为粒子，其本质是氦原子核（He）。衰变的反应式表示为：XY + He + Q式中X表示衰变前的核素（母体），Y表示衰变后的核素（子体），Q表示衰变能。例：RaRn + He + Q衰变图如下（图11）：图1-1 Ra的衰变图衰变的衰变能（Decay energy）Q由粒子携带。对于特定衰变的核素，其粒子能量是一个定值。2衰变（Beta decay）原子核放射粒子或俘获轨道电子的放射性衰变称为衰变。原子核的衰变是原子序数增加或减少，但不改变其质量数。从核衰变前后的结构分析，此类衰变属于核内n、p之间的转移，以达到维持合理np比的目的。衰变包括三种方式，即、和电子俘获。分述如下：（1）衰变（ decay，Negatron decay）放射性核素的原子核放出粒子变为另一核素的过程称衰变。核衰变时释放一个携带1个单位负电荷，质量数为0的轻粒子，其本质是电子（e），又称粒子（ Particle）；在释放粒子的同时，还释放一个电中性的，质量数比电子更小的基本粒子，称为反中微子（Antineutrino，用符号表示）。因此，衰变能Q成为e 和共享的能量。衰变多发生于核内中子过剩的核，因为npe 使中子数减少，质子数增加，达到核结构合理。衰变的反应式表示为：XY + e + + Q母核 子核 - 反中微子 衰变能母体核经衰变后，其质量数不变，原子序数增加1，即在元素周期表中移后一个位置。例如： CoNi + + + Q PS + + + QCo与P的衰变图如下（图12）：图12 Co与P的衰变图由于分配的随机性，导致同种核素释放的各个粒子的能量不相等，有的可以多至与Q相等，有的却少至近于零，多数粒子能量在0Q之间，形成一个连续能谱。例如：将3H的各个粒子能量从小到大分布图示出来（图13），可见，3H的粒子图13 3H能谱曲线示意图 能量大多数约等于Q3值（分布曲线峰位能量）。不同种衰变的核素Q值不同，能量分布曲线形态有异。各种核素表、手册、附录中列出的粒子能量指其几乎与Q值相等的最大能量。例如：3H的E0.0189MeV，14C的E0.155MeV等。（2）衰变（ decay，Positron decay） 放射性核素的原子核放出粒子，变为另一核素的过程称衰变。+粒子就是正电子，是电子的反粒子。原子核在衰变时释放一个携带1个单位正电荷，质量数为0的粒子，其本质是正电子（e），称为粒子（Positron）。这种衰变多发生于核内中子数相对不足的核素，因为pne，使核内质子数减少而中子数增加，以维持合理的核结构。十 衰变的反应式表示为：X Y + + + Q式中表示中微子，亦是静止质量为零的中性粒子。母体核素经衰变后，其质量数不变，原子序数减少1，即在元素周期表中移前一个位置。例如：NC + + + Q FeMn + + + QN、Fe的+ 的衰变图如下（图1-4）：图1-4 N、Fe的+ 衰变图由于Q被和随机分配，十粒子的能量与一样是连续的能谱。（3）电子俘获（Electron capture decay，简写EC）放射性核素的原子核在衰变时不放出粒子，从核外俘获一个轨道电子而变成另一种原子核的放射性转变过程称电子俘获。由于原子核最容易从原子的内层（即K层）俘获电子，因而常称其为K俘获。某些核内中子数相对不足的核可以俘获1个离它最近的绕行轨道电子（K电子）进人核内，形成pen，使核内中子增加，质子减少，达到结构合理。其衰变反应式表示为：X + e Y + + Q 母体核经电子俘获后，其质量数不变，原子序数减少1，即在元素周期表中移前一个位置。例如：I + e Te + + Q 电子俘获时核内虽不放射粒子，但由于核外电子壳层内层轨道缺少电子，外层电子向内层补充，其余的能量将以光子形式放出，其光子被称为标识X射线，也称特征射线（characteristic X ray）；若不以光子形式放出，而把能量传给原子外层的电子，获得能量的电子以自由电子的形式放出，对此称为“俄歇电子”（Auger electron）。有些核素可以同时发生和EC衰变，如Fe就是这种情况。EC的Q由携带，其能量是单色的，E Q。由于K电子被俘获，K层出现电子空缺，此时比K层能级高的绕行电子（如L层电子）跃迁至K层填补空位，这样就出现电子的能级差E（EELEK），对于特定的核素，E是一个确定值。E有两种可能的归宿：以电磁波形式释放。该电磁波的波长、频率属X线范畴，称为特征X线。E被其它轨道电子接受而使该电子被高度激发乃至脱离核的约束而成为自由电子，称之为俄歇电子。EC衰变图如下（图15）。图15 电子俘获模式图3跃迁和内转换(1) 跃迁（Gamma transition） 经过或衰变生成的子核往往处于高度激发态，并很快退激（步或多步），将退激能以光子（Photon）形式释放。这种衰变称为跃迁。射线是一种波长极短的电磁波或称为光子流，不带电。其衰变反应式表示为：XX + 在衰变时，原子核的质量数和原子序数均不改变，只是核的能量状态发生了改变。由于原子核处于激发态的时间极短，因此一些和衰变可伴有衰变。但有些核素在处于激发态时并不马上退激，可以维持一段时间再按自身的衰变速度进行退激，例如：Tc Tc + ，可单独放出射线，其光子的能量为0.1426MeV和0.1405MeV，半衰期约为6.02小时。(2)内转换（internal conversion） 处于激发态的原子核在向较低能态跃迁时，把多余的能量交给核外的壳层电子，使轨道上的电子获得足够的能量后脱离轨道成为自由电子，这种现象称为内转换电子。在发生内转换后内层轨道上留下的空位，外层电子的跃迁可继续产生标识X射线或俄歇电子。原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时，可以向外发射射线，亦可发射内转换电子，对于不同核素来讲，这两种方式出现的概率是不同的。例如Tc向基态跃迁时，衰变占89%，内转换占11%。（二）核衰变规律对于放射性核素而言，虽然所有的核都可能发生衰变，但就单个核来说衰变是偶然而无规律的；通过大量原子核所组成的放射性样品进行的研究表明，其衰变是遵循一种统计学规律而且不受外界条件如温度、压强、磁场以及原子的化学结构的影响。对一定量的放射性物质测其计数率n，发现n的数值随时间的延长而逐渐减少。假设某种放射性核素在t时刻含有N个原子核，由于不断衰变，母核的数量逐渐减少，若在时间dt内衰变的原子核数为-dN，实验证明-dN与当时存在的母体核素N和时间间隔dt成正比。-dNNdt或dN= -Ndt式中的负号表示母体核数随时间的增长而减少。称衰变常数（decay constant），其定义是：某种放射性核素的一个核在单位时间内进行自发衰变的概率，即：= - 1 dNN dt若将上式积分dN= -dt，解之得lnN=-t + CN式中C为积分常数。当t=0时，放射性核素为N0，代入上式C=lnNO 则 N=NOe-t上式表明放射性核素按时间的指数规律衰减，式中e是自然对数的底（e=2.718）。这是表示核衰变规律的基本公式，它适用于任何一种单一存在的放射性核素。衰变常数的大小决定着核衰变的快慢，值愈大，核衰变的速度愈快，只与放射性核素的种类有关，是反映原核衰变快慢的特征量。（三）半衰期和平均寿命实际工作中用来表示放射性核素衰变快慢的特征量还有半衰期（物理半衰期）、生物半衰期、有效半衰期和平均寿命。1. 物理半衰期（physical half life） 在单一的放射性衰变过程中，放射性核素衰变掉一半所需要的时间，称为物理半衰期，简称半衰期，记为T1/2或T。半衰期和衰变常数的关系可由衰变规律求得。由定义，若t=0时，核素的个数为N0，则当t=T时，母核数N=N0/2，得N= N0/2= N0e-T，则有：T = 0.693/上式表明半衰期与衰变常数成反比，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。最长者可达1010年，最短者仅有10-10秒。核医学中常用的放射性核素如131I的半衰期 T1/2=8.04天，125I的半衰期 T1/2=60.2天。用半衰期表征衰变规律，有：N=N0（1/2）t/T2. 生物半衰期（biological half life）和有效半衰期（effective half life） 非放射性药物进入人体后，由于生物代谢，药物在血液或器官中的留存量随着时间逐渐减少。在绝大多数情况下，这种过程也是服从负指数规律的。非放射性药物因生物代谢在体内留存量减少一半所需要的时间，称为生物半衰期或生物半减期，记作Tb。放射性核素进入人体后，一方面由于物理衰变而减少，另一方面由于生物代谢而被排出。因此，若在生物体内单位时间里放射性核素每一原子核从体内实际减少的概率为e，那么e为生物衰变常数b和物理衰变常数之和，即：e=+be称为有效衰变常数（effective decay constant），与e相应的半衰期，称为有效半衰期或有效半减期，记作Teff。根据半衰期与衰变常数之间的关系，有0.693=0.693+0.693TeffTTb1=1+1TeffTTb或Teff=TTbT+ Tb式中T为物理半衰期。由此，再根据N= N0/2= N0e-T，可将放射性核素在生物体内的负指数衰减规律写成：N= N0e-Teff = N0（1/2）t /Teff此式经常应用于基础医学研究临床实践中。3.平均寿命（mean life） 平均寿命也是表征各种放射性核素衰变快慢的一个特征量，定义为：处在特定能态的一定数量的放射性核素的平均生存时间，记作。由定义可以推导出与、T之间的关系。若某一放射性核素的样品，在t=0的任一起始时刻含有该种核素的原子核数目为N0，经过时间t后剩下N个，在tt+dt的一段非常短的时间内衰变掉-dN，则这一部分原子核在衰变之前存在于样品中的时间（寿命）可以视为各等于t，所以-tdN就是它们的总寿命。由前式dN=-Ndt可得出：-tdN=Ntdt由于有的原子核在t=0时就衰变掉，而有的要到t才衰变掉，则在t=0t范围内积分，即可得到样品中放射性核素全部原子核的总寿命为：Ntdt再除以原有的原子核的总数N0，就得到这种核素的原子核的平均寿命：=1/NNtdt=1/由T=0.693，即可得平均寿命与半衰期T的关系为：=1.44T （四）放射性活度1.放射性活度（Radioactivity，简称活度，activity） 是指单位时间内放射性原子核衰变的核数，是常用的反映放射性强弱的物理量。在应用放射性核素时所关心的是其放射性，因此一般不用它的质量表示放射性核素的多少，而是用单位时间内发生的核衰变数作量度，这个量即为放射性活度，用A表示。若处于某一能态的一定量的放射性核素，在一个很短的时间间隔dt内发生的核衰变次数为-dN，则放射性活度为： A= -dN= N dt因N= N0e-T= N0（1/2）t/T，则A= N0e-T=A0 e-T或A=A0（1/2）t/T 放射性活度反映的是放射性核素的核衰变率。由上式可见，放射性活度也是按负指数规律衰减的。当放射性活度与放射性物质的化学量联系时，即单位化学质量的放射性物质所具有的放射性活度，称为放射性比活度（Specific activity）。通常用S表示。当放射性活度与液态放射性物质的体积相联系时，即单位体积的放射性物质所含有的放射性活度，称为放射性浓度（Radioactive concentration）。常用C表示。放射性活度、放射性比活度、放射性浓度等三个反映放射性物质自身放射量的概念是相互紧密联系的，在放射性标记物（示踪剂）制备、使用中，是很重要的参数。2放射性活度单位 1975年第15届国际计量大会批准使用放射性活度的国际单位制（The International System of Units，SI）：贝可勒尔（Becquerel，简写Bq），简称贝可。其定义：1Bq等于每秒l次核衰变：即1Bq1S-1。并明确规定在一切公开场合（会议报告，论文发表，资料文献出版等）必须使用SI制单位。从贝可单位的定义可见，这是一个非常微小的放射量，为了实际需要，在此基础上作千进位扩大，即：1KBq103Bq，1MBq103KBq106Bq1GBq103MBq106KBq109Bq1TBql03GBq106MBq109KBq1012Bq平时工作中，仍有习惯于使用1975年前的放射性活度专用单位：居里（Curie，简写Ci）。定义：1Ci等于3.71010次核衰变秒。即1Ci3.71010S-1。这是一个数值很大的放射性活度单位，在它的基础上作千倍缩小，即：1Ci1,000mCi1,000,000Ci两种单位的相互关系：1Ci3.71010Bq，1Bq2.70310-11Ci 或1Ci37GBq，1mCi37MBq，lCi37KBq第二节 射线与物质的相互作用射线与物质相互作用的规律既是核辐射生物效应的机制基础，又是核辐射防护的理论根据，也是核辐射探测器的设计依据。在检验核医学中，涉及到的核衰变所释放的射线局限于、X射线三种，属于带电粒子（）和电磁波（，X线）两个类型。因此，下面仅就带电粒子和射线与物质相互作用产生的效应作简要介绍。一、带电粒子与物质相互作用（一）激发与电离带电粒子入射物质后，带电粒子与被作用物质的原子核外壳层电子间的静电作用，使壳层电子获得能量而加速运动。若电子获得的能量只能使其由内层轨道跃迁至外层轨道，导致该电子所属的原子由基态变为高能态称为带电粒子对物质的激发（Excitation）。若电子获得的能量足以使其脱离原子而形成自由电子，失去电子的原子成为正离子。自由电子与正离子合称离子对（Ion pair），若带电粒子与壳层电子相碰撞，使壳层电子被击出原子，也形成离子对。带电粒子入射物质后，使物质的原子变为离子对的作用称为电离（Ionization）。这类电离叫做带电粒子的直接电离作用。被击出的高速运动电子再使其它原子电离，则称带电粒子的间接电离作用。电离作用的强弱，以带电粒子在物质内行进的单位路程上产生的离子对数目，即被称为比电离（Specific Ionization）或电离密度（Ionization density）来衡量。电离密度越大，电离强度越强。电离密度的大小与以下因素有关：带电粒子在物质内的运动速度越大，在壳层电子周围通过的时间短，与壳层电子间静电作用的持续时间也少，电离密度相应就小;反之，电离密度越大。带电粒子本身的电荷越多，静电作用强，电离密度大，反之则小。被作用物质的密度越大，电子密度相应越大，壳层电子与带电粒子间的静电作用机率和强度均增大，故电离密度大，反之则小。激发与电离作用使带电粒子的能量逐渐损耗，直至殆尽。带电粒子在物质内运行的单位路程上损失的能量，称为传能线密度，又称线性能量传递（Linear energy transfer，简写LET），量度单位：MeVcm-1。（二）散射带电粒子入射物质受到物质的原子核库仑电场作用而改变运动方向，称为散射（Scattering）。只改变运动方向而带电粒子的动能不变的散射，称为弹性散射（Elastic scattering）。粒子的质量小，被散射的折角往往较大，且多次散射。当散射角大于90时，称为反散射（Backscattering）。反散射对于粒子的探测有明显干扰。散射是物质原子核电场对带电粒子的库仑力作用，因此核电场越强（Z越大），散射作用越显著。（三）轫致辐射高能粒子入射物质通过原子核附近时，受到核库仑电场作用而急剧减速，一部分动能以光子的形式辐射出去，这种辐射称为轫致辐射（Bremsstrahlung）。轫致辐射使带电粒子的能量损失称为辐射损失。用物质的线性辐射阻止本领S，即单位路程上由于轫致辐射损失的能量来反映轫致辐射产生的机率。S与以下因素有关： S EZ2 m2 式中：E为带电粒子能量，Z为物质的原子序数，m为带电粒子质量。由上式可见：带电粒子的能量增大，产生轫致辐射的机率增大。对于同种射线，能量越高者，这种辐射的机率越大。如：32 P14 C3H。与物质的Z2成正比。因此，高能粒子入射高Z物质比入射低Z物质产生的轫致辐射更显著。与带电粒子的rn2成反比。因此，粒子不仅质量大，运行速度也慢，故产生轫致辐射的几率极小，而轻质的粒子就显著得多。所以，轫致辐射主要发生于高能粒子入射高Z物质中。对诸如32P等产生高能射线的核素，应采用低Z和高Z物质的依次双层防护，即先让高能粒子通过低Z物质，使其能量的多数消耗于对低Z物质的激发和电离作用（在物质内部发生），少部分能量发生轫致辐射释放出的光子（射线的能量相应也低）再通过后面的高Z物质被有效地阻挡。（四）契伦科夫辐射高速带电粒子在非真空的透明介质中穿行，当粒子速度大于介质中的光速时所产生的一种特殊辐射。当高能电子入射折射率较大的透明介质时，其在该介质中的运动速度VC/n（光在该介质中的相速度，C为光在真空中的速度，n为介质的折射率），则在粒子经过的径迹处，沿一定方向发射出近紫外波长的微弱可见光。这种辐射现象是1934年被P.A.契伦科夫发现，1937年I.M.弗兰克和I.E.塔姆作了理论说明，称为契伦科夫辐射（Cerenkov radiation）。契伦科夫辐射的产生条件是：VC/n，即VC1/n，令VCB，有Bn1可见，当B越大和/或n也越大时，Bn 1的条件易于达到，契伦科夫辐射也易于发生。在确定的介质中，能量越高的粒子其V越大，B值也增加；若粒子的能量确定，在n值大的介质中，光的相速度（C/n）变小，VC/n的条件也易于实现。由于契伦科夫辐射，可利用液体闪烁计数器在无闪烁液，只用水等n值大的溶液作介质条件下，对32P等高能射线实现有相当高计数效率的测量。（五）吸收带电粒子对物质的激发、电离以及物质对带电泣子散射等作用的结果，表现为物质对粒子的吸收，即带电粒子在物质中运行产生的上述效应使其能量逐渐消耗直至全部，粒子的运行停止，并和周围的物质产生一些特殊作用，如粒子成为自由电子，+粒子与自由电子结合形成湮没辐射（Annihilation radiation）等。原来的带电粒子不复存在，这种现象称为吸收（Absorption）。带电粒子被物质吸收前，在物质中所经过的距离称为带电粒子在该物质中的射程（Range）。一定能量的粒子在一定密度的物质中有一定的射程R（图1-6a）；粒子在物质中的吸收与粒子不完全相同，因散射而使其径迹曲折，所以其射程测定也较复杂，通常以吸收物质的质量吸收厚度（dm）作为粒子的最大射程Rm（单位：g/cm2），见图1-6b。 图1-6a 粒子在空气中的吸收规律曲线 图1-6b 粒子在物质中的吸收规律曲线二、射线与物质相互作用（一）光电效应指射线入射物质后，与物质的原子核外壳层电子（多数为K电子，也可以是L电子）碰撞，将能量全部交给电子，使该电子被击出成为高能电子而射线不复存在的效应，称为光电效应（Photoelectric effect）。被击出的电子称为光电子（Photoelectron）。研究认为，光电效应的发生几率几乎与光子能量的三次方成反比。因此，光电效应主要发生在能量较低的射线入射物质的过程中。同时，光电效应的发生几率又与物质的密度以及物质的原子序数Z的4.1次方成正比。因此，低能射线入射高密度或和高Z物质时，光电效应是主要的，即用高密度，高Z物质防护射线的效果十分显著。（二）康普顿吴有训效应当光子与物质原子核的核外壳层电子发生非弹性碰撞（Nonelastic collision），即光子将其一部分能量交给该电子，使其脱离核的约束，成为高能电子逸出，而光子损失部分能量后继续在物质内改变方向运行，这种现象称为康普顿吴有训效应（ComptonWu You-Xun effect）,简称康普顿效应（Compton effect）。由于光子与壳层电子非碰撞后继续运行的方向与原来入射方向的夹角是任意的，可以是0180中的任意一个角度值。依据能量守恒与动量守恒定律，入射光子与散射光子的波长差（）及康普顿电子的能量是从零到一个最大值的连续变量。 康普顿效应导致射线能量减弱的几率，与物质的密度及原子序数成正比，但随射线的能量增大而减少。 （三）电子对生成当能量大于两个电子静止质量（m0）的相应能量（即E1.022MeV）的射线入射物质后，受到原子核与核外壳层电子的库仑电场作用，可转化为一对正电、负电子，这种现象称为电子对生成(Electron pair production)。射线用1.022MeV的能量转化为电子对，多余的能量则作为该电子对的动能。由于电子对生成消耗射线能量，即电子对生成导致物质对射线减弱，同样是与物质的密度及原子序数成正比，与射线能量也成正比。（四）射线的吸收射线能量因上述三种效应而减弱。研究证明，无论何种物质，对射线强度的吸收规律相同，即与物质的厚度成指数函数关系：A = A0e- d A = A0e -m dm式中：A0是入射物质前射线强度；A是入射一定厚度（d或dm）物质后的射线强度；d、dm分别指物质的厚度和质量厚度；、m分别指物质对射线的总吸收系数和总质量吸收系数。又因为 = + + x ，m = / + / + x/ 式中：、x分别代表光电效应、康普顿效应、电子对生成的吸收系数，为物质密度。物质对射线吸收与射线能量关系的研究证实，随着射线能量增大，总吸收系数变小，说明射线在物质中的贯穿本领变大，当射线能量小于0.1MeV时，在中是主要成分；能量为0.12 MeV时，上升为的主要成分；能量超过10 MeV时，主要取决于x。 从上述内容可知，无论何种效应占主导地位，对射线的有效防护，应使用高密度、高原子序数的物质。第三节 核辐射剂量与生物效应一百余年来，应用核辐射技术诊疗疾病已在全球普及，并极大地推动了医学科学的发展，提高了医疗诊断水平。但核辐射对于生物体都具有直接或和间接的电离作用，故称核辐射为电离辐射，需要严格遵守有关辐射防护条例。在核医学工作中接触的放射性核素具有以下特征：衰变类型以、为主；放射性多为低活度开放型；长期使用，可产生低水平的放射性废物等。因此，要遵守开放型放射性实验室规则，科学地按操作规程工作，妥善地按要求处理放射性废物，就不会对机体产生危害。虽然安全度很大，但作为放射性工作的专职或非专职人员，都必须学习、掌握核辐射卫生防护的基本知识和方法原则。一、常用辐射量及其单位在电离辐射生物效应与核辐射卫生防护学中，衡量电离辐射的物理量叫做辐射剂量（Radiation dose），简称辐射量。常用的辐射量有以下三种。(一)照射量（Exposure dose）照射量指X、射线对空气电离能力的量，是量度辐射场强度的一种物理量。其定义是：若X或射线在质量为dm的空气中，与原子相互作用释放出来的次级电子完全被阻止时，所产生的同一种符号离子的总电荷为dQ的绝对值除以dm，该X或射线照射量：XdQdm1。照射量的国际制单位是：库仑千克1（CKg1）；旧有专用单位是伦琴（Roentgen，R）。R又有毫伦琴（mR）和微伦琴（R）之分，R、mR、R三单位依次万千位制缩小。两者的换算关系：1R2.58104CKg11 CKg1 =3.877103R照射量仅适用于能量在10KeV3MeV范围内的X和射线，它是从电荷量这一角度来反映放射源的强度。单位时间内的照射量称为照射量率（Exposure rate）。以符号表示，即：= dX dt1照射量率的国际制单位是：库仑千克1秒1 （CKg1S1）；旧有专用单位为：伦琴小时或分钟。（二）吸收剂量（Absorbed dose）吸收剂量指受照射物质吸收任何电离辐射能量的物理量，它是从能量角度来反映照射量的。定义：单位质量的受照射物质从电离辐射所接受的平均能量，即吸收剂量。 用符号D表示，即：DdEdm1 ；式中dE是质量为dm的被照射物质所吸收的辐射能量。吸收剂量的国际制单位是：JKg1（焦耳千克1），又叫戈瑞（Gray，Gy）；戈瑞（Gy）的分数单位是：厘戈瑞（cGy）、毫戈瑞（mGy）、微戈瑞（Gy）；1Gy等于1kg被照射物质吸收1J（焦耳）的辐射能量，即：1Gy1JKg1；旧有专用单位是：拉德（radiation absorbed dose，rad）。两者的换算关系：lrad100ergg10.01Gy或1Gy100rad 单位时间内的吸收剂量称为吸收剂量率(Absorbed dose rate)，以符号表示。其国际制单位是：戈瑞秒1（GyS1），旧有专用单位是radh或min。（三）剂量当量（Dose equivalent）剂量当量各种射线对组织产生的生物效应与射线的种类有关，也与吸收剂量有关。由于不同射线在相同吸收剂量下产生的生物效应不同，故剂量当量是用适当的修正因子对吸收剂量进行加权，从而使修正后的吸收剂量更好地反映辐射对机体的危害程度。剂量当量用H表示，即：H=DQN式中D为吸收剂量；Q是品质因素，是与辐射品质有关的修正因子；N是其他任何修正因素的乘积。目前国际放射防护委员会(The International Commission on Radiological Protection，ICRP)规定：N1。不同种类核射线的品质因数见表1-1。表11 不同种类射线的品质因素（Q）辐射种类品质因素（Q）X、射线，电子或正电子1中子（能量10keV）3中子（能量10keV）10质子10粒子、裂变碎片、反冲核20剂量当量的国际制单位是JKg1，命名为希沃特（sievert，Sv），其定义为：1Sv1JKg1。旧有专用单位叫雷姆（roentgen equivalent man，rem）。Sv与rem之间的换算关系：1Sv100rem或1rem0.01Sv 单位时间内的剂量当量称剂量当量率(Dose equivalent rate)，用符号表示，即：= dHdt1，其国际制单位是SvS1，及其派生单位Svmin1、Svh1等。剂量当量仅限于核辐射防护工作中使用，不适用于高水平的核辐射事故的照射剂量估算。（四）当量剂量（equivalent dose）当量剂量是ICRP于1990年在第60号建议书中推荐使用的新单位，用以取代剂量当量。当量剂量是依据不同照射源引起的生物效应轻重来衡量辐射对机体的危害，用于辐射防护领域。当量剂量以辐射权重因子（WR）取代品质因数及其他因子的乘积。当量剂量的表达式为：HT=WR DrR式中HT表示当量剂量，单位Sv；WR表示辐射权重因子；DrR表示按组织或器官T平均计算的来自辐射R的吸收剂量，单位JKg1。二、电离辐射生物效应电离辐射的能量传递给生物机体后所造成的后果，被称为电离辐射生物效应，简称辐射生物效应。（一）辐射生物效应的发生机理辐射生物效应的发生，从机体接受电离辐射的能量起，继而发生生物效应，至机体康复或死亡的全过程，是十分复杂的过程。从生物效应发生机理上分析，有两个方面：1原发作用 原发作用又包括直接作用和间接作用两方面：（1）直接作用(Direct Effect)指射线直接作用于蛋白质、核酸等生物分子，使之发生电离、激发或化学键断裂，造成分子结构和功能的改变；（2）间接作用(Indirect Effect)指射线首先作用于体内的水分子，水是生物体内含量最多的物质，使水分子电离或激发。被激发的水分子处于不稳定的较高能量状态，激发能可能转变为振动能，引起化学键断裂，分解成为氢自由基和氢氧自由基（H、OH、HO）、过氧化氢（H2O2）等，自由基通过一系列反应后可以直接作用于生物大分子，如核酸分子、蛋白质分子等，对核酸分子的作用主要作用于碱基、磷酸二酯键、核糖。另外通过脂质过氧化作用造成体内包括细胞膜、线粒体膜、溶酸体膜等生物膜的损伤，使生物膜的能量传递，物质输送，信息识别功能受到影响。2继发作用 指由于原发作用的结果，导致细胞的代谢、功能及结构的改变，直至机体整体性代谢紊乱，功能障碍，病理形态变化乃至基因突变等损伤效应。（二）辐射生物效应分类辐射生物效应的分类方法很多，如：以效应出现的范围，分为躯体效应和遗传效应，躯体效应中又有全身和局部之分；以效应出现的时间，分为早期效应和远期效应；以射线对机体照射条件分为一次性（或短期内）大剂量照射生物效应和长期小剂量照射生物效应；以效应发生的规律和性质分为随机效应和非随机效应等。现以效应的规律和性质分类法介绍如下：1.随机效应（Stochastic effect） 指效应的发生几率不仅随照射剂量增加而增大，且无阈值的效应。属于此类效应的有辐射致癌效应与遗传效应。2非随机效应（Nonstochastic effect） 指效应的发生几率不仅随照射量增加而增大，而且有阈值的效应。即要达到一定的剂量照射后才发生效应，效应的严重程度与照射量成正相关。属于此类效应的有白内障形成、生育能力降低、造血功能障碍等。一些组织非随机效应吸收剂量当量阈值，见表1-2。表1-2 非随机效应的剂量阈值组织与效应单次照射（Sv）多次照射的累积剂量（Sv）睾丸 精子减少0.15无意义 永久性不育3.5无意义卵巢 永久性不育2.56.06.0眼晶体 混浊0.52.05.0 视力障碍5.08.0骨髓 血细胞暂时减少0.5无意义 致死性再生不良1.5无意义（三）影响辐射生物效应的主要因素射线作用于机体所产生的生物效应，受多种因素的影响，并具有一定的规律性。1与辐射有关的因素（1）电离辐射的种类与能量 电离密度越大的射线（如射线），生物效应越明显。能量不同的同种射线对某种生物效应的发生程度也不同，例如，X线致皮肤红斑效应，高能X的照射剂量大于低能X线。（2）吸收剂量与剂量率 吸收剂量越多，生物效应越明显。吸收剂量相同时，剂量率高的比剂量率低的射线造成的生物效应显著。（3）照射条件 照射方式为内照射时，生物效应以；照射方式为外照射时，生物效应以。辐射范围越大，生物效应越明显。故全身照射生物效应大于局部照射。总照射剂量相同时，一次或短时间间隔的分次照射，比长时间间隔的分次照射所发生的生物效应明显，且分次越多，生物效应越小。2与机体相关的因素 在辐照因素完全相同的条件下，不同机体对辐射作用的反映强弱可不相同，这种机体反映不同的表现，称为机体的辐射敏感性（Radiosensitivity）。它与下述诸因素有关。（l）物种 不同种系的生物其放射敏感性有很大差异。总的趋 势是种系演化越高, 机体组织结构越复杂, 其敏感性越高。多细胞生物比单细胞生物敏感, 哺乳类比鸟类、鱼类、两栖类敏感。同类动物中不同品系之间敏感性也有较明显的差异。（2）个体 同一种体系不同个体放射敏感性不尽相同, 他与年龄、性别、生理状态、遗传特性、营养状态等均有关系。同一个体在其发育的不同阶段, 对辐射敏感性亦有显著的差异。总的趋势是随着个体的发育过程, 其敏感性逐渐降低。一般胚胎期较胎儿期敏感, 幼年较成年敏感, 但老年较成年敏感。女性在月经、妊娠期敏感性增高。近年来,人们对电离辐射胎内照射的效应越来越重视。这种效应被称为胚胎效应 (Effects-on the embryo and Fetus), 它是一种特殊的非随机效应。胚胎各发育阶段的辐射敏感度不同。（3）组织和细胞 细胞更新快的组织（如：生殖、造血、肠粘膜、皮肤等）比更新较慢的组织（如：肌肉、神经系统等）敏感性高。如以放射敏感的程度分类，可将人体的组织分为高度、中度和低度敏感3类，见表1-3。表1-3 机体部分组织的放射敏感性分类放射敏感性分类器官、组织细 胞高度淋巴组织淋巴细胞胸 腺胸腺细胞骨 髓原始红细胞、原始粒细胞、幼稚粒细胞、巨核细胞中度性 腺睾丸、卵巢的生殖细胞胃肠上皮小肠隐窝上皮细胞皮 肤成纤维细胞、皮脂腺细胞、毛囊、汗腺细胞眼角膜晶体细胞低度骨软骨细胞、成骨细胞肌 肉肌细胞结缔组织结缔组织细胞（4）其它因素 含氧量增高，温度升高的局部组织对辐射敏感性也增高，即所谓“氧效应”(Oxygen Effect)和“温度效应” (Temperature Effect)。此外，某些激素和化学物质也能改变对辐射的敏感性。例如：雌激素类药物和氨基硫醇类化合物具有提高机体对辐射耐受性的作用。第四节 核辐射卫生防护核医学的主要任务是利用核射线诊断治疗疾病，并开展医学研究。在工作中不可避免地需要接触一定剂量的辐射，但假如接受过量辐射就会对身体造成损害，因此必须重视对射线的防护。为了保障从事放射性工作者的健康，防止意外辐射事故的发生，各国政府都根据国际性学术机构（如ICRP）对辐射生物效应的深人认识，以及相继提出而又不断修正的建议书和技术报告作出的相应规定，制定出一系列符合本国国情的放射卫生防护法规。一、放射卫生防护基本法规我国政府对放射卫生防护高度重视，国家卫生部和有关部门多年来制定了近百项有关放射卫生防护的法规文件，与医疗有关的达数十项。其中有为从事医学放射性工作者制定的GBZ98-2002放射工作人员的健康标准、放射工作人员职业健康管理办法、放射诊疗管理规定等标准和法规；还特别针对核医学的特殊工作情况，相继制定了GB16360-1996和GBZ120-2002临床核医学放射卫生防护标准、GB16361-1996临床核医学中患者的放射卫生防护标准、GBZ 136-2002生产和使用放射免疫分析试剂（盒）卫生防护标准等新法规新标准；并于2006年11月03日发布了最新版的GBZ120-2006临床核医学放射卫生防护标准取代了GB16360-19