肿瘤放射物理学1练习

1、放射物理学放射物理学第一节第一节 核物理基础核物理基础一、一、基本概念基本概念1 1、原子结构、原子结构 中心是带中心是带正电正电的原子核的原子核 核的周围是带核的周围是带负电负电的电子在绕核运动的电子在绕核运动 原子核原子核: 质子和中子组成，质子和中子组成，质子质子带带正正电荷，电荷，中子中子不带不带电，电，质子质子和和中子中子统称为统称为核子核子。2 2、原子原子序序数、元素、核素、同位素和同质异能素数、元素、核素、同位素和同质异能素原子序数原子序数 ： 任何原子的任何原子的核外电子数核外电子数，统称为原子的，统称为原子的原子原子序数序数。由于原子是电中性，核内。由于原子是电中性，核内质

2、子质子数必然等于数必然等于核外核外电子电子数，因此数，因此原子序数原子序数同时表示了核外电子同时表示了核外电子数、核内质子数和核电荷数。数、核内质子数和核电荷数。 元素：元素： 质子数相同的原子称为一种元素，它质子数相同的原子称为一种元素，它们的原子序数相同，因此具有相同的化学们的原子序数相同，因此具有相同的化学特性。但其原子核中的中子数可以不同，特性。但其原子核中的中子数可以不同，因而物理特性可有某些差异。因而物理特性可有某些差异。 到目前为止，天然和人工合成的元素到目前为止，天然和人工合成的元素有有109109种，组成种，组成元素周期表元素周期表 核素：核素： 质子和中子数相同，质量数相同

3、，并处于质子和中子数相同，质量数相同，并处于同能量状态的原子，称为一种核素，例如同能量状态的原子，称为一种核素，例如: : 为为5 5种不同的核素。目前已知的核素有种不同的核素。目前已知的核素有23002300多多种，分别属于种，分别属于100100多种元素。多种元素。11H21H31H22688Ra、 9943Tc同位素：同位素： 质子数相同而中子数不同，称为元素的同质子数相同而中子数不同，称为元素的同位素，例如位素，例如: :同质异能素：同质异能素： 核内中子数和质子数都相同，但核所处能核内中子数和质子数都相同，但核所处能态不同的核素互为同质异能素。态不同的核素互为同质异能素。例如：正常的

4、钴元素和镤元素表示为例如：正常的钴元素和镤元素表示为6060CoCo和和234234PaPa，它们的同质异能素则表示为它们的同质异能素则表示为6060CoCom m和和234234PaPam m等。等。 和和互为氢的同位素。互为氢的同位素。H11H21H313 3、原子、原子核能级、原子、原子核能级基态：基态：电子填充壳层时按照从低能到高能的顺序进行，以电子填充壳层时按照从低能到高能的顺序进行，以保证原子处于最低能量状态保证原子处于最低能量状态, ,这种状态称为基态。由于内这种状态称为基态。由于内层电子对外层电子具有屏蔽效应，所以实际电子填充壳层层电子对外层电子具有屏蔽效应，所以实际电子填充壳

5、层时，会出现时，会出现能级交错能级交错，而不是按壳层顺序逐个填充。，而不是按壳层顺序逐个填充。激发态：激发态：当电子获得能量，从低能级跃迁到高能级而使低当电子获得能量，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。能级出现空位时，称原子处于激发态。 特征辐射：特征辐射：处于激发态的原子很不稳定，高能级处于激发态的原子很不稳定，高能级的电子会自发跃迁到低能级空位上，从而使原子回的电子会自发跃迁到低能级空位上，从而使原子回到基态。两能级能量的差值一种可能是以电磁辐射到基态。两能级能量的差值一种可能是以电磁辐射的形式发出，这种辐射称为的形式发出，这种辐射称为特征辐射特征辐射，当特征辐射

6、，当特征辐射的能量足够高，进入的能量足够高，进入X X射线能量范围时，又称为射线能量范围时，又称为特特征征X X射线射线。二二、 放射性放射性 1 1、衰变类型、衰变类型 不稳定核素自发的放出射线，而变成为另一种核素，不稳定核素自发的放出射线，而变成为另一种核素，这种现象称为这种现象称为放射性放射性，这个过程称为，这个过程称为放射性衰变放射性衰变，这些，这些核素称为核素称为放射性核素放射性核素。衰变前的核称为。衰变前的核称为母核母核，衰变后的，衰变后的核称为核称为子核子核。衰变过程中释放的能量称为。衰变过程中释放的能量称为衰变能衰变能。衰变。衰变能等于衰变前后诸粒子静止质量之差所对应的能量能等

7、于衰变前后诸粒子静止质量之差所对应的能量。 原子核的衰变，主要有三种类型，即原子核的衰变，主要有三种类型，即、衰变和衰变和跃迁。跃迁。（1 1）衰变衰变 粒子是氦的原子核，它由粒子是氦的原子核，它由2 2个质子和个质子和2 2个中子个中子组成。组成。衰变的反应式如下衰变的反应式如下8790.4HeThU4223490238924422AAZZXYHeQMeV（2 2）衰变衰变 衰变包括衰变包括3 3种类型：种类型：- -衰变、衰变、衰变、轨道电子衰变、轨道电子俘获。俘获。1 1、- -衰变：衰变： 核内中子多，核内中子多，nn变变P P，放出一个负电子。，放出一个负电子。SP32163215Q

8、反中微子反中微子 QYXAZAZ12 2、衰变衰变: : 核内质子多，核内质子多，PP变变n n，放出一个正电子。，放出一个正电子。 QYXA1zAzQOF188189QYXA1 zAz QOF188189 （3 3）跃迁和内转换跃迁和内转换 伴随伴随或或衰变后发生。衰变后发生。 QXXAZmAZTcTc9943h02. 6tm99432/1例：例： （E E=0.141MeV=0.141MeV）是是的的同质异能素同质异能素。注：注：m9943TcTc99433 3、放射性度量、放射性度量放射性指数衰变规律：放射性指数衰变规律： 放射性活度：放射性活度：是指一定量的放射性核素在一个很短的时是指

9、一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔之商。公式表达间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔之商。公式表达如下：如下：0tdNANA edt活度的国际单位是贝可活度的国际单位是贝可勒尔勒尔（Bq）。旧单位是居里）。旧单位是居里（Ci）。）。 1Ci3.71010Bq3.71010核衰变核衰变/秒秒0tNN e为衰变常数为衰变常数半衰期：半衰期：放射性核素其原子核数目衰减到原来数目一半放射性核素其原子核数目衰减到原来数目一半所需的时间（所需的时间（T T1/21/2）。半衰期与衰变常数的关系为：）。半衰期与衰变常数的关系为：1/2ln20.693TT T1/21/2的单

10、位是秒，对半衰期长的核素可以用分（的单位是秒，对半衰期长的核素可以用分（minmin）、）、天（天（d d）、年（）、年（a a）。）。平均寿命（平均寿命（ ）：）：是指放射性原子核平均生存的时间。是指放射性原子核平均生存的时间。01/21/200()11.440.693tdN tTtedtTN例例：一台一台60Co治疗机源初装时的活度为治疗机源初装时的活度为111TBq111TBq（3000Ci3000Ci），），使用使用5 5年、年、1010年后源的活度还剩多少？年后源的活度还剩多少？（已知（已知T T1/21/25.27a）解：将解：将A A0 0111TBq111TBq，T T1/21

11、/25.27a，代入，代入1/ 20.69300tTtAA eA e当当t5a，t10a时时，得得557.5aATBq，1029.8aATBq。4、递次衰变和放射平衡、递次衰变和放射平衡 递次衰变：递次衰变：放射性核素转变为稳定核素时往往要经放射性核素转变为稳定核素时往往要经过多次衰变才能完成，这种衰变称为递次衰变。衰变过程过多次衰变才能完成，这种衰变称为递次衰变。衰变过程中形成的核素系列称衰变系列。中形成的核素系列称衰变系列。例如，例如，9036Kr转变为转变为9040Zr需经需经4 4次次衰变衰变142.9min286490909090903637383940sahKrRbSrYZr 小结

12、：小结：1基本概念基本概念元素，核素，同位素，原子量，基态，激发态，元素，核素，同位素，原子量，基态，激发态，特征特征X射线，原子结构和能级，原子核结构和能射线，原子结构和能级，原子核结构和能级级。2放射性放射性原子核的稳定性，衰变类型，放射性指数衰变规原子核的稳定性，衰变类型，放射性指数衰变规律，放射性活度，半衰期，衰变常数，平均寿命律，放射性活度，半衰期，衰变常数，平均寿命，递次衰变，递次衰变。作业作业1：名词解释：名词解释：特征辐射、放射性活度特征辐射、放射性活度填空填空题：题：1、某放射性元素经过某放射性元素经过11.4天有天有7/8的原子核发生的原子核发生了衰变，该元素的半衰期有了衰

13、变，该元素的半衰期有天？天？选择题：选择题：1、原子核原子核23892U经放射性衰变变为原子核经放射性衰变变为原子核23490Th，继而经放射性衰变变为原子核，继而经放射性衰变变为原子核23491Pa，再经放射性衰变变为原子核再经放射性衰变变为原子核23492U。放射性衰。放射性衰变变 、 和依次为和依次为 （ ） A衰变、衰变、-衰变和衰变和-衰衰变变 B衰变、衰变、-衰变和衰变和衰变衰变 C-衰变、衰变、衰变和衰变和-衰变衰变 D衰变、衰变、-衰变和衰变和衰变衰变4.元素元素X是是Y的同位素，分别进行下列衰变的同位素，分别进行下列衰变过程过程:则下列说法正确的是则下列说法正确的是( ) A

14、.Q与与S是同位素是同位素 B.X与与R原子序数原子序数相同相同C.R比比S的中子数多的中子数多2 D.R的质子数少于的质子数少于 上述任何元素上述任何元素问答题：1.23892U核经一系列的衰变后变为核经一系列的衰变后变为206 82Pb核核,问问: (1)一共经过几次一共经过几次衰变和几次衰变和几次-衰变衰变? (2)20682Pb和和238 92U相比相比,质子数和中子数各少了质子数和中子数各少了多少多少? (3)综合写出这一衰变过程的方程综合写出这一衰变过程的方程. 2.约里奥约里奥居里夫妇因发现人工放射性元素而获居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了得了1935年的诺贝尔化学奖，他们发

15、现的放射年的诺贝尔化学奖，他们发现的放射性元素性元素3015P 衰变成衰变成3014Si的同时放出另一种粒子，的同时放出另一种粒子，这种粒子是什么这种粒子是什么? 3215P是是3015P的同位素，被广的同位素，被广泛应用于生物示踪技术。泛应用于生物示踪技术。1 mg 3215P随时间衰变随时间衰变的关系如图所示，请估计的关系如图所示，请估计4 mg的的3215P经多少天经多少天的衰变后还剩的衰变后还剩0.25 mg？第二节第二节放射源的种类及照射方式放射源的种类及照射方式一、放射源的种类一、放射源的种类： 1、 、 射线射线放射性同位素。放射性同位素。 2、普通、普通X射线（射线（KV级）级

16、）X线治疗机。线治疗机。 高能高能X射线（射线（MV级）级）加速器。加速器。 3、根据性质分类根据性质分类 X线与线与线线 电磁辐射电磁辐射(光子射线）光子射线） 电子束、质子束、中子束、负电子束、质子束、中子束、负介子束子束 重重 粒子束等粒子束等粒子辐射（粒子射线）。粒子辐射（粒子射线）。：二、放疗的基本照射方式：二、放疗的基本照射方式： 1 1、体外照射体外照射( (外照射外照射) )：又称体外远距离照射：指放射又称体外远距离照射：指放射源位于体外一定距离源位于体外一定距离(80-100(80-100厘米厘米) )，集中照射人体某一，集中照射人体某一部位。部位。是最常用的。如是最常用的。

17、如X X线机、线机、60Co60Co机、机、X X刀等。刀等。 2 2、体内照射体内照射( (包括包括组织间放疗组织间放疗和和腔内放疗腔内放疗) )：又称又称近近距离治疗距离治疗( (，指将放射源密封直接放入被治疗的组织内，指将放射源密封直接放入被治疗的组织内( (组织间放疗组织间放疗) )或放入人体的天然体腔内或放入人体的天然体腔内( (腔内放疗腔内放疗) )进行进行照射。放射源与被治疗的部位距离在照射。放射源与被治疗的部位距离在5cm5cm以内，故称近距以内，故称近距离离。限用于肿瘤体积较小，边界较清晰的肿瘤。如腔内、。限用于肿瘤体积较小，边界较清晰的肿瘤。如腔内、管内后装，组织间插植等。

18、管内后装，组织间插植等。第三节第三节射线的产生及放射治疗机射线的产生及放射治疗机（一）电子线与物质相互作用（一）电子线与物质相互作用1.弹性散射：弹性散射：电子穿过原子时改变了入射电子的远动方向，电子本身状态无变化。光子与物质的相互作用：光子与物质的相互作用： 光电效应：光子与原子的内层电子的相互作用光电效应：光子与原子的内层电子的相互作用 康普顿效应：光子与外层电子的相互作用康普顿效应：光子与外层电子的相互作用 电子对效应：光子与原子核的相互作用电子对效应：光子与原子核的相互作用 低能X线有很强的光电吸收； 高能X线（2MeV）几乎全部为康普顿吸收； 能量50 MeV 时，电子对吸收为主要形

19、式。（二二）放射治疗设备放射治疗设备 置。置。 第四节第四节 常用放射线的物理特性常用放射线的物理特性 （2）、几种常见、几种常见线同位素源及其特性线同位素源及其特性 2 2、钴、钴-60-60远距离治疗机：远距离治疗机： 是利用放射性同位素钴是利用放射性同位素钴-60发射出的发射出的射线治疗肿瘤的装置。射线治疗肿瘤的装置。 其产生的其产生的线平均能量线平均能量1.25MV 相当相当于于4MV左右加速器产生的左右加速器产生的X线。线。（四）、医用电子直线加速器（四）、医用电子直线加速器 除打靶产生高能除打靶产生高能X线（线（MV)外，还能直接引出外，还能直接引出高能电子束，其能量范围高能电子束

20、，其能量范围450MeV之间。之间。 单能单能X线加速器线加速器 单能单能X线线+电子线加速器电子线加速器 双能双能X线线+电子线加速器电子线加速器 三能三能X线线+电子线加速器电子线加速器二、二、线的产生及线的产生及钴钴6060治疗机治疗机 1、线的产生及其特性线的产生及其特性 （1）产生：）产生： 线是由放射性同位素产生的，线是由放射性同位素产生的，具有不同的能量和半衰期。具有不同的能量和半衰期。 3 3、钴、钴-60-60治疗机的半影问题治疗机的半影问题 半影的定义半影的定义：射野边缘剂量随离开中心：射野边缘剂量随离开中心轴距离增加而急剧变化的范围，用轴距离增加而急剧变化的范围，用P P

21、90-10%90-10%或或P P80-20%80-20%表示。有下列三种原因造成钴表示。有下列三种原因造成钴-60-60治治疗机有半影疗机有半影( (图图2-1-9)2-1-9)三、普通三、普通X X线与高能线与高能X X线、线、射线的比较射线的比较 五、高能电子束五、高能电子束 电子束是带电粒子，由加速器产生。具有电子束是带电粒子，由加速器产生。具有以下临床剂量学特点：以下临床剂量学特点： 在组织中具有一定的射程，射程深度与电在组织中具有一定的射程，射程深度与电子能量呈正比，从加速器中引出的电子能量可子能量呈正比，从加速器中引出的电子能量可以调节，可以根据病变的不同深度选择合适的以调节，可

22、以根据病变的不同深度选择合适的电子能量作治疗。电子线的能量：电子能量作治疗。电子线的能量： E=3d(肿瘤深度肿瘤深度)+23MeV 。 剂量曲线剂量曲线：从表面到一定深度，剂量分布：从表面到一定深度，剂量分布均匀，达到一定深度后，剂量迅速下降，可保均匀，达到一定深度后，剂量迅速下降，可保护病变后面的正常组织。护病变后面的正常组织。 不同组织如骨、肌肉、脂肪对电子束的吸不同组织如骨、肌肉、脂肪对电子束的吸收差别不显著，但对组织中气腔应进行剂量效收差别不显著，但对组织中气腔应进行剂量效正。正。 单野照射治疗表浅及偏心部位的肿瘤。单野照射治疗表浅及偏心部位的肿瘤。四、医用加速器与Co60治疗机的比

23、较 六、高线性能量传递射线六、高线性能量传递射线( (高高LETLET射线射线) ) 线性能量传递线性能量传递( LET)( LET)：是致电离粒子在组织中是致电离粒子在组织中沿次级粒子径迹上单位长度的能量转换。沿次级粒子径迹上单位长度的能量转换。 LETLET值值100KeV/100KeV/称之为低称之为低LETLET射线，这类射线，这类射线的生物效应大小对细胞的含射线的生物效应大小对细胞的含O O2 2情况及细胞的情况及细胞的生长周期依赖较大，即：对乏生长周期依赖较大，即：对乏O O2 2细胞和细胞和G G0 0期细胞期细胞作用小。作用小。 1、高、高LET射线包括快中子、质子、射线包括快

24、中子、质子、负介子负介子以及氦、碳、氮、氧、氖等重粒子。以及氦、碳、氮、氧、氖等重粒子。 2、这类射线的生物效应大小对细胞的含氧情、这类射线的生物效应大小对细胞的含氧情况和细胞生长周期依赖较小。况和细胞生长周期依赖较小。 3、物理特性好，除去快中子不带电外，所有、物理特性好，除去快中子不带电外，所有其他粒子都带电，因此具有一定的射程，具有电其他粒子都带电，因此具有一定的射程，具有电离吸收峰离吸收峰(Bragg峰峰)型剂量曲线。型剂量曲线。4、用单一照射野就可以得到较好的剂量分布。、用单一照射野就可以得到较好的剂量分布。第四节第四节 射线的基本计量单位及剂量学射线的基本计量单位及剂量学 第一第一节节 百分深度剂量分布百分深度剂量分布放射源（放射源（S） 一般规定为放射一般规