放射与防护-第一、二章PPT课件

放射物理与防护,陕中附院贺太平,第一章物质结构及其性质,物质结构及其性质,原子核,物质结构及其性质,核外结构,原子,第一节原子核与核外结构,物质结构及其性质,一、原子的基本状况,目前已知的地球元素有107种，其中93种是地球上天然存在的，15种是人造元素。任何原子都是由小而致密的原子核和核外高速绕行的电子所组成的。一个原子就如同太阳系一样，它的核如同太阳，核外电子如同行星，沿一定轨道绕原子核旋转。原子核带正电荷，核外电子带负电荷。在正常情况下，原子核所带正电荷量与核外电子所带负电荷量相等。因此整个原子对外呈现中性。,物质结构及其性质,一、原子的基本状况,原子的质量和体积都极其微小，一个氢原子的质量是1.673510-27kg，较重的铀原子也只有3.95110-25kg。原子的直径为10-10m数量级，如果把1亿个原子挨个排成一行，它的长度仅有lcm。,物质结构及其性质,原子核比原子还要小，核半径仅为原子半径的万分之一到十万分之一，原子核的几何截面积仅为原子的几千亿分之一。假设原子有一座10层楼那么大，原子核只有樱挑那么小。由此可见，原子内有一个相对来说很大的空间，核外电子就像几粒尘埃一样在这个庞大的空间里绕核旋转。由于原子的这种“空虚”性，一个高速电子或X线光子可以很容易地穿过许多原子后，才会与某个原子发生碰撞。,一、原子的基本状况,物质结构及其性质,原子结构,电子壳层,核,物质结构及其性质,二、原子核及核外轨道电子原子核由质子和中子所组成，通常又把质子和中子统称为核子。每个质子带1个单位的正电荷，中子不带电呈中性。因此，原子核所带电荷数由质子数决定。核电荷数用Z表示。即核电荷数(Z)=核内质子数=核外电子数其中X表示原子，A为质量数；Z为质子数(即原子序数),质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N)只要知道上述3个数中任意2个，就可推算出另1个的数值来。如钨原子核内有74个质子，质量数为184，则中子数为：N=AZ=18474=110碘的原子质量数为131，核内具有53个质子，则中子数为：N=AZ=13153=78,物质结构及其性质,1、核外轨道电子核外电子按一定轨道高速绕核运行。通常每个轨道上只有一个电子，由于其运行受到多个参数的影响，故参数相近的电子近乎在同样的空间运行，这个容纳多个轨道的空间范围称为电子层。距原子核由近及远依次可分为K、L、M、N、O层。各层轨道电子均有特定的能量。,物质结构及其性质,2、能级电子在不同轨道上的能量大小与其所在的轨道数有关，内层轨道的能级低，外层轨道能级高。正常情况下，电子先填满内层轨道，然后依次向外填充，这时原子处于最低能量状态（能量最低原理）。当内层轨道电子从外界得到能量时会转移到能量较高的外层轨道上去,此时的原子处于不稳定状态(受激态),根据能量最低原理,内层轨道空位立刻有外层电子填充并释放能量.,物质结构及其性质,物质结构及其性质,原子壳层结构示意图,物质结构及其性质,物质结构及其性质,基态：原子处于最低能量状态，电子运行时如既不向外界辐射也不向外界吸收能量，处于基态的原子最稳定。受激态：电子吸收了一定大小的能量后（某两个能级差的能量），电子跳跃到一更高的能级轨道上，此时原子不稳定，称受激态。跃迁：外层轨道电子或自由电子填充空位，同时放出一个能量为hv的光子。（该光子的能量大小取决于两轨道之间的能级差）电离：电子吸收了足够大的能量而摆脱原子核的束缚而成为自由电子。,物质结构及其性质,hv基态受激态基态激发跃迁,物质结构及其性质,3、浓度,当光子与电子碰撞时，光子被吸收。光子通过物质时，它被吸收的机会决定于材料内可用的电子浓度。,掌握一句话：能改变电子浓度的唯一因素是材料的浓度。,物质结构及其性质,第二节原子能级,各层轨道电子均有特定的能量。这是因为核外带负电的轨道电子处于带正电的核电场中，具有负电势能；轨道电子绕核运动具有动能，这两部份能量的代数和，就是该壳层电子在原子中的总能量。电子在不连续的轨道上运动,原子所具有的能量也是不连续的,这种不连续的能量状态称为原子的能级.,物质结构及其性质,物质结构及其性质,原子核对核外电子有很强的吸引力，离核最近的K层电子所受引力最大。显然，要从原子中移走K电子所需能量也最多，外层电子受核的引力较小，移走外层电子所需能量也较少。通常把移走原子中某壳层轨道电子所需要的最小能量，称为该壳层电子在原子中的结合能。,物质结构及其性质,第三节能量与辐射,一、概述,物理世界,能量,物质,人体组织,图像,聚集形式的能量,一种物质材料内产生的能量,物质结构及其性质,二、能量,在医学成像中，与物质有关的能量形式的重要特征是它的供出能量形成辐射，当辐射被吸收时，能量又被重新取回。,宇宙间的基本物理定律：能量既不能创造也不能消灭，它是从一种形式转换成另一种形式。,成像系统的各种部件，可将能量从一种形式转换为另一种形式。,物质结构及其性质,一个电子质量是9.110g,-28,意味着10.910个电子的质量等于1cm水的重量。,26,3,一个电子既有质量又有电荷，它可占有多种形式的能量，这就是电子取得、输运和放出能量的能力，致使它在X射线系统中成为有用的物质。,物质结构及其性质,（一）静止质量能量一个电子即使处于静止状态，但仍具有能量。,物理学定律：一物质只要具有一定的能量，最一定条件下，质量可转换为能量。,E=mc,2,（c是光速）,物质结构及其性质,（二）动能与势能,动能,与运动有关的能量,一个物体在一个位置或构形时会比另一种状态具有更多或更少的势能。,势能,电子具有两种形式的势能,一种形式与在电路的位置有关一种形式与原子的位置有关,物质结构及其性质,（三）能量交换与转移1、能量交换,物质结构及其性质,2、能量转移电子的主要功能之一是从一个位置输运能量至另一个位置。电子是以势能的形式携带能量的。,物质结构及其性质,（四）能量单位1、焦耳：J能量的基本单位2、热单位：是放射中表示X射线管所产生的热能量一个热单位是焦耳的71%3、克拉德：在放射学中表示人体吸收的总辐射能量所提出的4、尔格：表示组织内吸收辐射能量的大小5、电子福特：能量的电子单位6、功率：表示具体过程中能量转移的速率7、强度：是功率的空间浓度，表示能量通过单位面积的速率,物质结构及其性质,三、辐射（一）概述辐射就是能量的空间运动。（二）电磁辐射电磁辐射离子辐射,物质结构及其性质,（三）辐射的量子性电磁辐射具有速度，且带有一定能量，此种能量束称为量子或光子。1、光子能量光子只不过是能量的一个单位，它最重要的特征是它所包含的能量的多少。光子能量决定辐射的穿透能力。较低能量的X射线通常称软辐射，而在波谱较高能量端的光子称为硬辐射。,物质结构及其性质,2、频率就是波传播时震动或震荡的速率3、波长波动的一个特征是两个相继峰值间的距离，即波长。光子能量与波长的关系是：E（keV）=1.24/（nm）能量与波长成反比关系，谱上最高能量处相当最短波长处。,物质结构及其性质,四、电磁波谱包括所有电磁辐射，从长的无线电波到非常短而有穿透性的射线。,物质结构及其性质,第四节能量放射任何一个轨道上的空穴都可有几种方式来填充。如K层电子被除去，则L层，M层或其他层上的电子会降落到此空穴中去，此时，将会产生相应的放射线。,物质结构及其性质,第二章电磁辐射与离子辐射,电磁辐射与粒子辐射,第一节辐射的种类,辐射就是一种能量的空间传递,一、天然辐射和人工辐射（一）天然辐射通常是指来自外太空的宇宙射线及存在于食物、空气及居住环境中的天然放射性物质所产生的各种辐射。另一种天然辐射来自于太空的宇宙射线。此外，人体内也含有放射性核素，如钾-40、铀等，人类日常吃的食物也含有少量放射性物质。（二）人工辐射在医学上和工业上用处广泛，如X光、CT检查，核能发电等。,电磁辐射与粒子辐射,二、非离子辐射及电离辐射非离子辐射一般是低能量的电磁辐射，经常接触到的有紫外线、光线、微波及无线电波等。电离辐射包括高速粒子及高能量电磁波。三、电磁辐射和离子辐射电磁辐射的实质是仅含有能量而没有静止质量的电磁波，具有相对强的穿透性。离子辐射是既有运动能量又有静止质量的高速运动的粒子，穿透性相对较差。,电磁辐射与粒子辐射,第二节电磁辐射电磁辐射是一种可以在相垂直的电场和磁场中随时间变化而交变震荡形成向前运动的电磁波，是能量以电磁波的形式通过空间传播的现象。,电磁辐射的本质：同时具有波动性和微粒性！,电磁辐射与粒子辐射,电磁辐射的本质：波动性电磁辐射以一定的波长和频率在空间传播，并会在传播中发生反射、折射等现象；微粒性电磁辐射以量子的形式进行辐射和吸收，同时在辐射和吸收时具有一定的能量和动量。,电磁辐射与粒子辐射,在医学诊疗中选用的X线通常是以光电效应为主的射线能量范围，以保证所摄取的X射线片对骨组织、软组织有较高的分辨率；在放射治疗中则选用康普顿效应占绝对优势的高能量范围（0.210MeV），这样可以保证骨组织、软组织的吸收剂量相近，组织内剂量分布均匀。X射线由两种原子核外的物理过程产生：高速电子在物质中受阻而减速，其能量以电磁辐射的形式放出叫做韧致辐射；高速电子与靶原子碰撞，把内壳层某一能级上的电子击出原子，然后外壳层某一能级上的电子去填补内壳层留下的空位，放出的能量等于这两个能级之差的光子量，产生了特征X射线。,电磁辐射与粒子辐射,-17,-15,-15,-14,-14,-13,-12,-11,16,18,18,19,19,20,21,22,几种X射线和,60,几种X射线和射线的能量范围及波长和频率,电磁辐射与粒子辐射,第三节粒子辐射粒子辐射是指一些组成物质的基本粒子，或者由这些基本粒子构成的原子核，这些粒子具有运动能量和静止质量，它们通过消耗自己的动能吧能量传递非其他物质。基本粒子：电子、质子、中子、光子、介子等，被认为是物质结构的基本单元。,电磁辐射与粒子辐射,一、带电粒子常见的带电粒子有质子、氘核（重氢，氢的同位素之一），粒子、裂变碎片等，它们带有不同数量的正电荷，质量比电子大得多。,电磁辐射与粒子辐射,二、高能电子包括放射性核素核转变时释放射线（电子或正电子）及电子加速器产生的能量接近单一的电子束。高能电子的本质都是电子，带有单位电荷，在介质中容易被介质原子的轨道电子所偏转。通过物质时主要与电子相碰撞而损失能量。高能电子主要在组织深部产生电离作用。,电磁辐射与粒子辐射,三、中子