第一章放射物理基础

放射治疗物理学,江苏省肿瘤医院放疗科物理室王静wj620517313951707401,物理学分支,经典力学及理论力学(Mechanics)研究物体机械运动的基本规律的规律电磁学及电动力学(ElectromagnetismandElectrodynamics)研究电磁现象，物质的电磁运动规律及电磁辐射等规律热力学与统计物理学(ThermodynamicsandStatisticalPhysics)研究物质热运动的统计规律及其宏观表现相对论和时空物理(Relativity)研究物体的高速运动效应，相关的动力学规律以及关于时空相对性的规律量子力学(Quantummechanics)研究微观物质运动现象以及基本运动规律,粒子物理学、原子核物理学、原子分子物理学、固体物理学、凝聚态物理学、激光物理学、等离子体物理学、地球物理学、生物物理学、天体物理学、声学、电磁学、光学、无线电物理学、热学、量子场论、低温物理学、半导体物理学、磁学、液晶、医学物理学、非线性物理学、计算物理学和空气动力学等等。,医学物理学,医学物理学是把物理学的原理和方法应用于人类疾病的预防、诊断、治疗和保健的交叉学科，它包括:肿瘤放射治疗科（放射物理学，放射生物学，临床肿瘤学，放疗技术学）；医学影像科(如CT、CR、DR及非电离辐射如MRI、超声、微波、射频、激光等）核医学科(如SPECT、PET)；保健物理学科(其他非电离辐射如超声微波射频激光等及辐射防护)。,医学物理师,和临床医师和技师配合，在.等各科，从事临床诊断和治疗的物理和技术支持及其中的教学和科研工作，特别是在诊疗新技术的开发和应用、质量保证和质量控制以及保健物理和辐射防护等方面起着极其重要的作用。,物理师：国外3:2,100万/13人国内8:1,100万/小于0.5人,医生和技术员之间的纽带机器和人之间的桥梁高质量治疗的保证前提条件是自身的良好服务,1、肿瘤放射治疗发展简史,放射治疗发展的第一个里程碑放射治疗发展的第二个里程碑放射治疗发展的第三个里程碑,放射治疗发展的第一个里程碑KV级时代（1896年1942年）,在这一时代里的主要治疗设备是“镭锭”和“深、浅度X光机”。肿瘤病人通过放射治疗后的五年生存率平均为22%。,2020/5/26,历史回顾重要事件,1895年伦琴发现X射线。1896：贝可勒尔发现了铀(U)放射现象;1897：居里夫妇发现钋(Po)和镭(Ra);1899：卢瑟福发现、射线；1903：卢瑟福证实射线为He2+，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；,1985年伦琴在实验室中,在真空条件下,用高速电子流轰击钨靶时,产生了一种强穿透力的不可见光,因为是未知的,所以称为X射线,也叫伦琴射线.,伦琴夫人对于丈夫发现的神秘射线既好奇又不相信，伦琴就让夫人把手放在射线前拍摄了一张照片，这就是历史上第一张X光照片它一直被保存到今天，成为20世纪物理学发展的一个里程碑式的标志,世界上第一张X线片-伦琴夫人的手,由于X射线可以穿透皮肉透视手掌、骨骼，在医学诊断上很有用处。因此，这项发现一公布，就引起了很大的震动。医务界和科学家随即把X射线应用于医疗诊断和物质结构的研究。,诺贝尔物理学奖得主,1901年伦琴由于发现X线而荣获全世界首次颁发的诺贝尔物理学奖；1903年贝可勒尔和居里夫妇发现铀的天然放射性现象分享诺贝尔物理学奖；1908年卢瑟福证实了射线为He2+，射线为电子，提出了原子的核式模型，首次实现人工核反应，获得诺贝尔奖，被称为近代原子核物理学之父；1911年波尔对原子结构和原子辐射的贡献而荣获诺贝尔物理学奖；,放射治疗发展的第二个里程碑MV级时代（1942年20世纪90年代）,1942年科斯忒（Kerst）成功地研制成20MeV的电子感应加速器（Betatron）。1947年建造了第一台电子行波直线加速器。1951年加拿大首先提供了一台60Co远距离治疗机。后来又发展了CT、MR、模拟定位机，TPS和剂量测试系统。这一时期里肿瘤病人通过放疗后五年生存率由原来的22%提高到49%。,2020/5/26,历史回顾重要事件,1945：原子弹试爆成功，并在广岛上空爆炸；1952：氢弹试爆成功。第一个里程碑到第二个里程碑的时间间隔约50年（四十六年）,放射治疗发展的第三个里程碑调强适形治疗时代（从20世纪90年代起）,20世纪90年代市场上出现了带有多叶光栏（MLC）的电子直线加速器、带有反向治疗计划设计功能的三维TPS系统、CT模拟定位机和网络系统，这就为“三维调强适形治疗”的开展奠定了物质和科学基础，使放射治疗的发展开始进入到第三个里程碑。,三维适形放射治疗(3DCRT)、立体定向放射治疗(SRT)、调强放射治疗(IMRT)、图像引导放射治疗(IGRT)、四维生物自适应放射治疗（4DBSART)；断层调强适形治疗机（TomotherapyIMRT）又是集加速器、CT、TPS、剂量监测系统为一体的系统，能使“静态适形”进入到“动态适形”阶段。将诊断范围拓展到“功能性”范围，这就为更精确的调强适形治疗“避开正常组织的治疗（AvoidTreatment）”打下了基础。在肿瘤治疗中TCP与NTCP正通过技术变化而获得最佳治疗增益结果。,第二个里程碑到第三个里程碑的时间间隔恰好也是50年,二.放射治疗在肿瘤治疗中的地位,放射治疗（Radiationtherapy）是利用放射线治疗各种肿瘤的临床方法。放射治疗与外科手术治疗、化学药物治疗是现代临床治疗肿瘤的三大手段。国际卫生组织（WTO）2010年的统计数据表明：（1）70%左右的肿瘤患者需要接受放射治疗；（2）肿瘤治愈率45%中:手术治疗贡献为22%（相对贡献率为49）；放射治疗为18%（40）；化疗为5%（11）。因此，放射治疗在肿瘤治疗中所起的作用是不可替代的。,三.放射治疗方法,外照射位于体外一定距离，集中照射人体某一部位，叫体外远距离照射，简称外照射。包括普通2D放疗（SST，SAD,ROT）、3D放疗（CRT、IMRT、立体定向放射治疗SRT或SRS)。内照射将放射源密封直接放入被治疗的组织内或人体的天然腔内，包括腔内、组织间插植、敷贴、放射粒子植入、表面施源器照射。,图像引导调强放疗加速器,第一章放射治疗物理学基础,物质结构基础第一节原子和原子核结构,一、原子的大小和重量,原子的直径10-10m。把1000万个碳原子一个接一个排成行，其长度只有1厘米。50万个原子只能排满头发丝的距离。全世界50亿人一起来数一滴水中包含原子的数目，假定每人数一个原子的时间一秒钟，50亿人一起数完一滴水中全部原子所需的时间为30000年。,原子的重量只有10-23克。一杯水的重量与其中的一个原子的重量相比，约等于地球的重量与其上的一小块砖头的重量之比。,原子结构示意图,原子atom,原子核（核子）nucleus,电子（带负电）electron,质子（Z,带正电proton）,中子（N,不带电neutron）,质子所带电荷数和核外电子数相同，都为1个电荷单位e,原子核总电荷为Ze,原子呈电中性。,核子数也称原子核的质量数A,等于质子和中子数之和。,实际上核素符号X和质子数Z具有唯一、确定的关系，所以用符号AX足以表示一个特定的核素。,二、核素的表示,例如：,为三个核素，可表示为：,核素（nuclide）：,具有一定数目的中子和质子以及特定能态的一种原子核或原子称为核素。,核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同，就是不同的核素。,同位素：Z质子数同，N中子数不同。,同质异能素：Z和N同，能态(指自旋与能级）不同。称亚稳态。广泛用于医学影像诊断。如99Tcm。,核素分为：稳定性的：中子数与质子数之比是11，结果最稳定。中子和质子的和谐组合导致稳定（非放射性）核素的形成。例如，在低原子数范围内，稳定元素的中子数N和质子数Z数目基本相同。不稳定性的（即为放射性核素）：中子数与质子数之比大于或小于稳定的比值，结果最不稳定，这时原子核具有放射性,能自发地发射射线或自发裂变。,99.985%、0.015%,稳定核素和放射性同位素,其中，稳定同位素为：,而为放射性同位素，具有放射性，放出最大能量为18KeV的射线，其半衰期。它的产生是宇宙射线与空气中的N和O发生核反应，称为宇生放射性,氢的三种同位素具有相同的化学性质，但其放射性却不同。,人工放射性核素是指在反应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。同位素技术中应用最广泛的放射源-钴源（）就是在反应堆中生成。将金属钴，即，其丰度，放在反应堆孔道内，利用中子照射，发生如下核反应：工业上应用于食品和医疗器具的杀菌、消毒的钴源（），其活度达几十万至百万居里（）。,某元素中天然含量的百分比称为同位素丰度。,具有相同质子数，但中子数不同的核素称同位素。同位是指该元素的各种原子在元素周期表中处于同一个位置，它们具有基本相同的化学性质。,同位素（Isotope）和同位素丰度,铀的三种同位素。,氢的三种同位素；,99.756%、0.039%、0.205%,99.985%、0.015%,0.0055、0.7200%、99.2745%,核素图：我们可以把核素排在一张所谓核素图上。核素图共包含3000多个核素,其中天然存在332个核素(280为稳定核素),人工放射性核素2600多个。,三、原子的质量和能量单位,原子的质量用原子质量单位u表示,就叫做原子量（AtomicMass或AtomicWeight）。1u定义为12C原子质量的1/12，根据阿伏伽德罗假说，每一克原子单位的物质所含原子数相同，称做阿伏伽德罗常数（AvogadrosNumber），目前公认为6.02281023个原子/克原子量。得：1u1.6610-24g1.6610-27kg。克原子量（GramAtomicWeight），它定义的数值与原子量相等，单位是用克来表示的质量。,组成原子的不同粒子的质量分别是：电子0.000548u,质子1.00727u，中子1.00866u。因为电子的质量比质子或中子的质量小得多，而且质子和中子的质量几乎相等，大致等于1u。所有以u为单位的原子量都几乎与其质量数相等。,能量的基本单位是焦耳（joule），它等于1牛顿（newton）的力在1m的距离上所作的功。牛顿是力的单位，它等于质量（kg）和加速度（m/s）的乘积。但是，在原子核物理学中所用的更为方便的能量单位是电子伏特（eV），它的定义是电子通过电势差为1伏特（V）的电场所应具备的动能。在此情况下电场力所作的功等于电势差与电子电荷的乘积；即1eV=1V1.60210-19C=1.60210-19J，实用中可表示成千电子伏（KeV）和兆电子伏（MeV）。,一个物体具有m的质量，必有mC2的能量。质量和能量是不可分的。由于原子核的质量（质子+中子的质量）则原子核的质量亏损为M=MP+Mn-M(X)-Me用MC2表示自由状态的单个核子结合成原子核时所释放出来的能量，称为原子核的结合能。,质量和能量的关系：,按照爱因斯坦质能相对性原理，质量m与能量E可互相转换，关系如下：E=mC2（1-1-1）式中，C为光速（3108m/s）。例如，如果1千克质量转换成能量，它就等于E=1kg(3108m/s)2=91016J=5.621029MeV电子在静止状态下的质量有时用其能量当量E0表达。因为它的质量是9.110-31kg，所以我们从算式（1-1-1）可得E0=0.511MeV；另一个有用的换算是amu与能量间的换算，不难证明1u=931MeV。一个原子的质量单位（1u）所具有的能量：E=1uC2=1.6610-27(3.0108)2J=1.4910-10J=931Mev1eV=1.6*10-19J,原子核既然是由质子和中子组成的，它的质量就应等于所有质子和中子的质量之和：,mx=Zmp+(A-Z)mn,但实验测定的原子质量mx总是小于所有核子质量之和，这一差值称为原子核的质量亏损（原因是当构成原子核时，一部分质量要消耗并转换成“粘合剂”形式的能量，用于将核子“粘合”在一起。这种质量差称做质量亏损。）,m=Zmp+(A-Z)mn-mX,四.原子核结合能,原子核含有不带电的中子和带有正电的质子。然而，带相同电荷的粒子间存在有静电排斥力,那么这些粒子又是怎样结合在一起的呢？这就是原子核的质量亏损和结合能的功劳了，核子结合在一起所需的能量实际是由质量亏损提供的。,核力是把质子和中子纠合在一起，构成一个个稳定的原子核(也包括不稳定的原子核)的强大的束缚力。,核力出现于质子质子、中子中子、质子中子之间，强度相等。,结合能：当所有核子（质子和中子）由于核力相互吸引而聚集在一起时，将有能量放出，此放出的能量称结合能又称原子能。,核力,按强度的顺序排列：,强核力（StrongNuclearForce）、电磁力（ElectromagneticNuclearForce）、弱核力（WeakForce）重力（GravitationalForce）。在这四种力中，重力在原子核中非常弱，以致可以忽略；核内带电粒子之间的电磁力十分强，但它是排斥力，趋于使核分裂；比电磁力大得多的力是强核力，它将核子维系在一起。,核力是当核子之间的距离小于核直径（m）时才起作用的短程力。如果我们假定当一核子离原子核无限远时的势能为零，那么当其靠近原子核而达到核力作用范围时，它就会受到强大的吸引力而“落入”势井（PotentialWell），势井由质量亏损而形成；它提供核结合能，并起着防止核子从原子核的势垒逃逸的作用。,表现为引力,表现为斥力,就正电荷粒子临近原子核的情况而论，会因库仑排斥力作用而产生势垒（PotentialBarrier），该势垒防止正电粒子靠近原子核。但是，一旦粒子能够足以接近原子核的核力作用范围，那么排斥力将被克服，粒子将能够进入原子核。,核子的比结合能越大，原子核就愈稳定。,原子核的结合能非常大，所以一般原子核都是非常稳定的系统。然而，不同原子核的稳定程度不同。,每个核子的平均结合能称为比结合能：,原子核的结合能,第二种方法是轻核聚变。,因此，要利用原子核的结合能，必须从自然界中存在的原子核来考虑。,方法有二：,第一种方法是重核裂变（一个重核分裂成两个中等质量的核）,要利用核能，理论上是把自由状态的Z个质子和(A-Z)中子结合起来组成中等质量的核，这样放出的结合能最多。,原子核的结合能,重核裂变,裂变,原子弹爆炸,重核的裂变,早期核辐射,放射性沾染,重核的裂变,原子弹爆炸,冲击波,光辐射,核电磁脉冲,五、原子核的自旋与磁矩,原子核由核子组成，核子除轨道运动外还做自旋运动。磁矩与自旋相伴，质子和中子具有磁矩。原子核的磁矩等于核内所有核子的轨道磁矩与所有核子自旋的矢量和。核磁共振就是指核磁矩不为零的核在外磁场的作用下，核自旋能级发生分裂，共振吸收某一特定频率的射频的物理过程。,通常采用能级图来表示轨道电子的能级。此时的能量是电子的势能；从另一角度看，它也可以叫做电子的结合能。能量最低的能级在K层是1s，能级顺序由低到高，由内向外到Q层。基态：电子填充壳层时按从低能级跃迁到高能级的空位，以保证原子处于能量最低状态。激发态：当电子获得能量，从低能级跃迁到高能级而使低能级出现空位时，称原子处于激发态。激发态的原子很不稳定会自发跃迁到低能级空位上，使原子又回到基态。,六、核外电子的的能级,电子的壳层结构泡利不相容原理：,一个电子的运动状态要从4个方面来进行描述，即它所处的电子层、电子亚层、电子云的伸展方向以及电子的自旋方向。在同一个原子中没有也不可能有运动状态完全相同的两个电子存在，这就是泡利不相容原理所告诉大家的。根据这个规则，如果两个电子处于同一轨道，那么，这两个电子的自旋方向必定相反。也就是说，每一个轨道中只能容纳两个自旋方向相反的电子,在原子中具有相同n个量子数的电子构成一个壳层，n=1,2,3,4,5,6,7的各层分别叫K、L、M、N、O、P、Q层；每个壳层轨道上最多可容纳的电子的最大数目由公式2n2计算，n是轨道数。例如，第一轨道上的电子最大数目为？第二轨道为？第三轨道为？,原子结构示意图,如果跃迁涉及到内轨道，比如K，L和M壳层，在那一壳层造成的空位几乎瞬间即被高能级轨道上的电子所填充，结果产生能量，两能级（低能级和高能级）能量的差值以电磁辐射形式发出，这种电磁辐射称为特征辐射，这也是特征X射线产生的机理。当能量足够高进入X线能量范围，又称特征X线，又称为光子。,特征X射线产生示意图：,特征辐射：光子与靶材料的内层电子作用，内层电子获得动能，成为自由电子（光电子），外层电子发生轨道跃迁，补充内层轨道的空位，以电磁辐射形式辐射其能量，即产生特征X射线。整个过程称光电效应。,光电子发射：入射光子把全部能量交给束缚电子，电子在原子中的束缚能一部分转化为电子动能，一部分用于原子核反冲（可忽略）h=E0+Bi（E0：电子动能；Bi：电子在壳层中束缚能；）入射光子不能把全部能量交给物质中自由电子而发射光电子，因不满足动量守恒；电子在原子中束缚越紧，原子核参与此过程的几率越大，即光电效应的几率越大；因此在K壳层（内层电子）击出光电子的几率最大，约占80%；,特征X射线和俄歇电子：发生光电效应时从内壳打出电子，该壳留下空穴使原子处于激发态。有两种退激过程：*特征X射线：外壳层电子向内壳层跃迁使原子退激，壳层之间束缚能之差以X射线形式发射*俄歇电子：原子的激发能交给外层电子使电子发射出来,放出光电子的原子的状态是不稳定的，其内层电子的空穴很快被外层电子跃入而补充放出光子，这种光子称为特征X线光子（荧光X线）。有时这种荧光X线在离开原子之前，又将外层电子击脱，该电子称为“俄歇电子”。在光电效应中有三种产物：负离子（光电子，俄歇电子）正离子（丢失电子的原子）光子（特征X线光子）,一、基本粒子：是指具有零电荷、或是具有单位电荷的粒子。轻粒子和重粒子是物质结构的基本单元，都是基本粒子。其它带电粒子的电荷是电子电荷整数倍。种类和物理特性：按放射源类型分为三类：第一类.放射性核素产生的、射线、正电子、质子、中子等其它粒子。第二类.电子加速器产生的不同能量的X射线和电子束。第三类.重离子加速器产生的质子束、中子束、-介子束和其它重粒子束等。,第二节射线与物质的相互作用：,第一类.放射性核素,放射性核素产生射线、射线、射线、正电子、质子、中子等其它粒子。其中射线代表有：钴-60（5.27年,1.25Mev)铱-192（74.3天,0.36Mev）镭-226（1590年,0.83Mev,天然）等其中射线代表有锶-90（28年，0.54Mev),0.5mm深度达100%剂量,第二类.电子加速器产生：,轻粒子(质量较轻的）：A.电子线电子质量与核子相比很小，电子束广泛用于放疗B.X线又叫X光子,其波长在10-13m，是电磁辐射，也是一种粒子。是由高速运动的电子撞击靶物质时，产生碰撞和辐射两种损失，前者产生热，后者产生X射线，有两种成分，特征X射线和韧致辐射X射线。（而无线电波、红外线、可见光、紫外线波长在107m。)光子射线(放射性核素)和X射线(加速器)。均为电磁辐射粒子，又称为光子，是放疗中应用最广的一种射线。,第三类.重离子加速器产生：,重粒子(质量较重的,一般在回旋加速器中产生）：A.质子束构成原子核的基本单位可用于放疗。B.中子束同上C.负介子束是高能光子束或质子束轰击靶物质的产物，很不稳定，会发生衰变反应，可用于放疗。,二、放射性核素衰变类型,不稳定的放射性核素自发地放出某种射线变成另一种核素，这种现象称为放射性；这个过程称为放射性衰变，简称核衰变；所谓核衰变就是不稳定的原子核自发的发射粒子而蜕变为新的子核。这些核素称为放射性核素。,放射性-原子核的蜕变元素的原子核释放幅射线的过程其包括原子核的核衰变、核反应和核裂变等，在这些过程中均会产生放射性。这是辐射线被磁场分离的情况，粒子带正电粒子带负电射线不带电,衰变大于82的高原子序数其不稳定核发射两质子和两中子组成的粒子粒子=氦原子核,輻射射线（伽瑪射线）=高能的电磁波,衰变伴随有正负电子发射粒子=电子,二、核衰变主要的类型:a,b,g衰变,1,2,3,1、衰变：原子核自发地放射出粒子=氦原子核,如：,-衰变：,衰变：,电子俘获：,放出电子、反中微子,放出正电子、中微子,一个质子变为中子，放出中微子,2、,衰变：粒子=电子,表达式：,母核X衰变为子核Y、一个电子和一个反中微子.核中一个中子变成了质子。,衰变前，母核X静止，根据能量守恒定律：,衰变,表达式：,母核X衰变为子核Y、一个正电子和一个中微子.核中一个质子变成了中子。,衰变前，母核X静止，根据能量守恒定律：,EC(轨道电子俘获),表达式,母核俘获核外轨道上的一个电子，使母核中的一个质子转变为一个中子，同时放出一个中微子。,K电子俘获最容易发生。EC衰变的后续过程：特征X射线；俄歇电子,3.跃迁：射线=高能电子波,跃迁：原子核从激发态通过发射光子(射线)或其他过程跃迁到较低能态的过程。该过程核电荷数不变、核子数不变。内转换：将跃迁的能量直接转移给轨道电子而使其逃逸，这种现象称-，发射出的电子称内转换电子。,发射射线粒子能量在几KeV十几MeV,三、核衰变规律,1.衰变定律（衰变常数）：一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。又叫放射性衰变或蜕变。对于每个放射性原子核的衰变来说，就是服从一定规律进行衰变的一个随机事件，可以用衰变概率（入）表示。也就是说人们可以预测在给定期限内含有大量原子的物质中有多少原子将发生衰变，却不知会在什么时候发生衰变。,分子表示：t时刻单位时间内发生衰变的核数目，称为衰变率，记作,t时刻放射性原子核总数,衰变常数：一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。入=0.693/T1/2,放射性核素的特征量,量纲为：t-1,如1/s，1/h，1/d，1/a,2、半衰期,半衰期：放射性核数衰变一半所需的时间，记为,即：,量纲为：t,如s，h，d，a,3、平均寿命,平均寿命总寿命/总核数,平均寿命（MeanLife）,平均寿命()是指放射性原子核衰变的平均期限即平均生存时间.试想一等效放射源，该源按初始活度的恒定速率衰变，经时间间隔后全部个原子均发生衰变，这与该源按指数规律从时间t0到t衰变产生的总蜕变数相同。得出半衰期与平均寿命的关系：=1.44T1/2,特征量大小与核衰变的快慢,即：,定义：,则：,活度定义：一定量的放射性核素在单位时间内发生衰变的原子核数。以A表示，表征放射源的强弱。,4、放射性活度及其单位,放射性活度在数学上定义为单位时间内衰变的原子核数（A/t），与所具有的初始放射性原子核数A0成正比，它们之间关系用符号表示为A/t-入A0（1）式中，入是一比例常数，又称衰变常数，表示一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。负号表示放射性原子核数随时间增长而减少。如果A和t小到可用其相应的微分dA和dt取代，那么算式1可表达成微分方程的解，即众所周知的放射性衰变指数方程：A=A0exp(-入t)（2）式中，A表示在时间t时的放射活度，A0为初始放射活度即放射性原子核的初始数量，exp是自然对数的底数（e=2.178）。,活度单位为贝可(Bq)：,常用单位居里(Ci)：1克226Ra所具有的放射性活度。,较小的单位还有毫居(mCi)和微居(Ci),所以：,比活度(SpecificActivity),定义为：单位质量放射源的放射性活度。,比活度反映了放射源中放射性物质的纯度。,即：,单位为：Bq/g或Ci/g,例：单一放射性核素137Cs，1987年10月137Cs源的放射性活度：半衰期T1/2=30.17年。请计算该源2007年的放射性活度。,当前137Cs源的放射性活度：,解：,137Cs源经过20年，其放射性活度减弱为原来的63。,计算题,【例】：（a）计算60Co（T1/2=5.26y）的衰变常数，单位用month-1。（b）四年后5000Ci的60Co源的放射性活度是多少？解：（a）根据入0.693/T1/2因为T1/25.26y1263.12months，因此，入0.693/63.120.011/months，即每月衰变1.1。（b）t4y48months。根据公式可得A=A0exp(-入t)=5000exp（-1.097910-2124）2952Ci；,四.X、射线与物质的相互作用,原子的电离：中性原子获得正负电荷的过程。具有足够动能的带电粒子（如电子质子等）与核外电子碰撞，获得能量，并挣脱原子核束缚，引起原子电离-叫直接电离。不带电粒子（如光子中子等）借助与原子的壳层电子和原子核作用产生的次级粒子（如电子反冲核）再与原子作用，引起原子电离-叫间接电离。由直接电离粒子或间接电离粒子组成的辐射称电离辐射，其与物质的相互作用是电离辐射剂量学基础.,粒子辐射,辐射（Radiation）：是指能量在空间或介质中的发射和传播。所谓粒子辐射指的是由具有确定静止质量、在一定范围内具有确定动量和任何瞬间具有确定位置的运动微粒所传递的能量。即不仅光子（电磁波）有时具有粒子样性能（呈现动量），而且诸如电子、质子和原子等粒子具有与粒子相关的某种波动性，表现出折射性和其它波动样特性。,电磁辐射,用波动模型解释:包括诸如光波、热波、无限电波、微波、紫外线、X射线和射线等传播模式，因为他们最初都是由麦克斯韦用振荡电磁场理论来解释的，所以这些辐射都叫“电磁辐射”。电磁波的光谱在波长范围107（无限电波）到10-13（超高能X射线）范围内。因为波长和频率呈反比关系，所以对应于上述范围内的频谱将是3101到31021周期/s。电磁辐射的波动特性已为光的干涉和衍射等实验所证实。,X线和r线与物质的相互作用,当X和r射线束照射介质时，会通过光子和物质的相互作用向介质转移能量。过程是先把电子从吸收介质的原子中击发出来，这些高速电子沿其运行轨迹上使原子电离、受激，从而完成能量传递的过程。如果吸收介质是肌体组织，就会有足够的能量沉积在细胞内，从而破坏它们的再生能力，不过绝大多数吸收能量将转换成热能，并未产生任何生物学效应。,1、光电效应：X光子将能量传给受照物质原子的内层电子，使该电子从轨道上飞出成为“光电子”，原子的外层轨道上电子补充空位，原子发生电离伴随产生特征辐射。,特征辐射：光子与靶材料的内层电子作用，内层电子获得动能，成为自由电子（光电子），外层电子发生轨道跃迁，补充内层轨道的空位，以电磁辐射形式辐射其能量，即产生特征X射线。整个过程称光电效应。,光电子发射：入射光子把全部能量交给束缚电子，电子在原子中的束缚能一部分转化为电子动能，一部分用于原子核反冲（可忽略）h=E0+Bi（E0：电子动能；Bi：电子在壳层中束缚能；）入射光子不能把全部能量交给物质中自由电子而发射光电子，因不满足动量守恒；电子在原子中束缚越紧，原子核参与此过程的几率越大，即光电效应的几率越大；因此在K壳层（内层电子）击出光电子的几率最大，约占80%；,特征X射线和俄歇电子：发生光电效应时从内壳打出电子，该壳留下空穴使原子处于激发态。有两种退激过程：*特征X射线：外壳层电子向内壳层跃迁使原子退激，壳层之间束缚能之差以X射线形式发射*俄歇电子：原子的激发能交给外层电子使电子发射出来,放出光电子的原子的状态是不稳定的，其内层电子的空穴很快被外层电子跃入而补充放出光子，这种光子称为特征X线光子（荧光X线）。有时这种荧光X线在离开原子之前，又将外层电子击脱，该电子称为“俄歇电子”。在光电效应中有三种产物：负离子（光电子，俄歇电子）正离子（丢失电子的原子）光子（特征X线光子）产生光电效应的能量为10-200kev,光电效应光电子角分布,光电效应光电子角分布，由能量和动量守恒限制：光电子发射不可能在00和1800低能光子：光电子沿近900方向发射高能光子：沿近00方向发射,900低能光子h00高能光子,光电效应的临床应用：,1.光电效应能使受照物体电离，这构成了放射治疗和剂量测量的基础。2.光电效应能产生特征辐射。碘和钡的特征辐射能量比较高，分别是33.7KeV和37.4KeV，能穿过人体组织到胶片和荧光屏上产生灰度，故临床上常用碘和钡做X线检查的造影剂。人体内主要元素钙的原子序数最高，但它的特征辐射只有4KeV，在其发生点几毫米之内就被吸收了。人体内其他元素的特征辐射能量就更低了（只有0.5KeV）。可见，人体内各组织由X线照射所产生光电效应的特征辐射将全部被组织所吸收,所以被检查者接受体剂量大。,3.光电效应产生的光电子的影响：加速器产生的X线通过准直筒，均整器，穿透电离室和上下钨门都会由于光电效应产生光电子。这些就构成了X线内的电子线污染，在临床物理上就造成表面剂量增加。4.光电效应在放射诊断学中的作用：1）由于没有散射，照片灰雾少，影像质量高。2）由于与原子序数4次方成正比，不同组织间吸收X线的差别大，则增加了它们之间的对比度。3）光电效应主要发生在低于200KV能量的X线，故在用200KV以下的X线照射时，骨组织的吸收剂量要比软组织高的多。为了减少被检查者体剂量，尽量采用高千伏照像技术；为了增加乳房检查中的对比度就不得不采用低电压钼靶技术。,吴有训：中国近代物理学奠基人教育家,吴有训(18971977)，1920年毕业于南京高等师范学校。1921年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究，1926年获博士学位。1926年秋回国，先后在江西大学和中央大学任教，1928年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长，1945年10月任中央大学校长。1948年底任上海交通大学教授。1949年任校务委员会主任。1950年夏任中国科学院近代物理研究所所长，同年12月起任中国科学院副院长，吴有训曾任中国物理学会理事长。1977年11月30日在北京逝世。吴有训在物理学领域中的重要成就是：在参与康普顿的X射线散射研究的开创工作时，他以精湛的实验技术和卓越的理论分析，验证了康普顿效应。1924年他与康普顿合作发表经过轻元素散射后的钼Ka射线的波长。30年代中，他在清华大学讲授近代物理和普通物理学，注重实验课，并指导许多届学生的毕业论文工作。他不辞辛劳，诲人不倦，亲自指导查阅文献，制备实验装置；以严的科学作风培养出许多优秀学生吴有训是1921年底赴美，1922年1月进入芝加哥大学，正好在这两年，康普顿以访问学者身份在芝加哥大学从事