放射性基础知识周振山

1、1周振山周振山军事医学科学院附属医院军事医学科学院附属医院 20132013年年0808月月放射性基础知识放射性基础知识2威廉威廉康拉德康拉德伦琴伦琴n威廉康拉德伦琴（德语：Wilhelm Conrad Rntgen，1845年3月27日1923年2月10日），德国物理学家。医学医学微观世界和太空微观世界和太空工业探伤工业探伤n1895年，发现伦琴射线（X射线，俗称X光）。他因发现X光，于1901年第一位获诺贝尔物理学奖。原照射量单位：R。n莱纳德真空管；金属铝做的窗口；涂了氰亚铂酸钡的小纸屏，莹光。这种光有非常强的穿透力，伦琴就根据圣经希伯来书，取希腊文“基督”的第一个字母X为名，称为X光，

2、即基督之光。3安东尼安东尼亨利亨利贝克勒尔贝克勒尔n安东尼亨利贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel，18521908），法国物理学家。经过研究表明，它是由三种成份组成的：p一种是高速运动的氦原子核的粒子束，称为射线;p另一种是高速运动的粒子（电子）束，称为射线;p第三种是波长很短的电磁波，称为射线;以上三种射线，由于它们的电离作用贯穿本领，在工业、农业、医学和科学研究重要的应用。n1896年他发现了自发放射性。1903年获一半诺贝尔物理学奖。n他发现铀盐能放射出穿透力很强的，并能使照相底片感光的一种不可见的射线。放射性强度单位：Bq.4玛丽玛丽居里居里n玛丽居里（Marie

3、 Sklodowska Curie，1867-1934年）出生波兰华沙，法国物理学家、化学家。医学医学- -肿瘤治疗肿瘤治疗n1898年7月，他们在沥青铀矿中发现两种元素，先把其中一种元素命名为钋，以纪念居里夫人的祖国波兰。1898年12月，他们又把另一种元素命名为镭。原放射强度单位：Ci。n1903年因发现天然放射性做出的杰出贡献而获诺贝尔物理学奖。n1911年，诺贝尔化学奖。5p辐射指的是能量以电磁波或粒子的形式向外扩散。p非电离辐射：非电离辐射包括低能量的电磁辐射。有紫外线、光线、红内线、微波及无线电波等。它们的能量不高，只会令物质内的粒子震动，温度上升。 6p电离辐射：能量高、使物质发

4、生电离作用的辐射p电离辐射形式：粒子辐射，如、中子等；波的辐射，如x、射线等。78放射性放射性p某些元素的原子通过核衰变自发地放出射线的性质，称为放射性。p一种元素的原子核自发地放出某种射线而转变成别种元素的原子核的现象，称作放射性衰变。p能发生放射性衰变的核素，称为放射性核素（或称放射性同位素）。9 电离辐射的标记p1946年由美国加利福尼亚大学 伯克利分校的辐射实验室设计 出来，最开始的图案底部颜色 为蓝色，辐射标记为洋红色。p采用蓝色做背景是因为在使用放射性物质的房间墙壁或工作台很少是蓝色的，在这种场合下蓝色比较容易识别；采用洋红色是它不同于常见颜色，并且当时这种颜色的颜料价格昂贵，其他

5、标志很少会采用这种颜色，不易混淆10p1948年美国橡树岭国家实验室的Bill Ray和George Warlick与伯克利大学的学者们共同设计出新的黄黑两种颜色的标准电离辐射标志。p这个标志中有两层含义（个人理解）同位素是不稳定的同位素是双刃剑11p 由于核工业的发展，普通人接触到核辐射的可能性逐渐增多，其中大多数人对上述电离辐射标志不熟悉，为此，国际标准组织（ISO）和国际原子能机构（IAEA）于2007年推出新标志： p该标志采用了表示危险的红色背景，在传统的三扇叶电离图案下方画出五条标识电离辐射的含箭头波纹线，并在波纹线下方标出骷髅和交叉腿骨图案，逃离图案，该方案通俗易懂，正在逐步取代

6、传统标志。 12放射性的种类放射性的种类p 射线，也称 粒子：氦原子核 ，带正电荷，能量一般为4-6MeV，速度接近光速的1/10。穿透能力很小，但是其电离能力很强，在穿过空气时就可以把空气电离。p 射线: 射线是高速运动的电子流，是负电子组成的；后来又发现另一种射线，带正电，无论是正电子还是负电子的质量都是电子的质量。约为 粒子1/7300。能量是连续分布的，从最低能到最高能都有。电离比 粒子弱，但也能使空气电离。42He13p 射线：是一种波长短、能量大的电磁波。它从原子核里面发出来，不带电，以光速运动。 射线能量一般在几十KeV至几MeV，穿透力很强。p 温度、压力及电磁场不影响 核素的

7、放射性。p 常用射线除了上述的三种射线外，还有X射线，中子等: X射线:主要来源于原子核外电子从高能级到低能级的跃迁（称为特征X射线）以及电子的轫致辐射。 中子:主要来源于核裂变以及一些特殊的核反应。14NS磁铁镭 源（放在铅屏蔽罐中）15同位素同位素210210PoPo234234ThTh235235U U238238U U239239PuPu238238PuPu241241AmAm243243CmCm同位素同位素6060CoCo7575SeSe137137CsCs182182Ta（钽）Ta（钽）192192Ir（铱）Ir（铱）109109Cd（镉）Cd（镉）226226Ra和子体Ra和子体

8、169169Yb（镱）Yb（镱）153153GdGd同位素同位素3 3H H1414C C147147PmPm9090SrSr9090Y Y3232P P6565NiNi204204C C2222NaNa2424NaNa106106RhRh同位素中子源同位素中子源210210Po-BePo-Be238238Pu-BePu-Be239239Pu-BePu-Be241241Am-BeAm-Be242242Cm（锔）Cm（锔）244244Cm（锔）Cm（锔）放射源放射源放射源放射源放射源放射源中子放射源中子放射源16衰变： 原子核自发地放射出粒子而转变成另外一种原子核的过程，叫做衰变。经过衰变以后，

9、子核的质量数比母核减少4，原子序数减少2，其衰变式如下：p射线实际上就是带两个正电荷的氦-4原子核p质量数A小于140的原子核不具有放射性, 能够发生衰变的与原子核都为重核。QHYXAZAZ424217衰变：原子核自发地放射出电子或正电子或俘获一个轨道电子而发生的转变统称为衰变。原子核的衰变有三种形式。它们是-衰变、+衰变和电子俘获，其表达式分别为：-衰变： 衰变后原子核的一个质子变成中子+衰变： EC： 衰变后原子核的一个中子变成质子QeYXAZAZ11AAZZXYeQ1AAZZECXeYQ18 跃迁： 处于较高激发态的原子核要向较低能级跃迁，跃迁过程中释放出 射线 ，因此这种跃迁称为跃迁。

10、p 跃迁不会导致核素的变化，而只改变原子核的内部状态，因此跃迁的子核和母核，其电荷数和质量数均相同，只是内部能量状态不同而已。 19p 射线：是一种波长短、能量大的电磁波。它从原子核里面发出来，不带电，以光速运动。 射线能量一般在几十KeV至几MeV，穿透力很强。p 温度、压力及电磁场不影响 核素的放射性。p 常用射线除了上述的三种射线外，还有X射线，中子等: X射线:主要来源于原子核外电子从高能级到低能级的跃迁（称为特征X射线）以及电子的轫致辐射。 中子:主要来源于核裂变以及一些特殊的核反应。20 原子核发生衰变时，母核由于不断生成子核，因此随着时间t的增加，母核数目将不断减少。通过大量的测

11、量得出，任何一种放射性核素衰变都遵从下面的指数衰变规律： No为起始时刻（t=0）放射性原子核的数目。N为t时刻放射性原子核的数目，为衰变常数。0tNN e21 以222n（常称氡射气）的衰变为例，把一定量的氡射气单独存放，在大约4天之后氡射气的数量减少一半，经过8天减少到原来的1/4，经过12天减到1/8，一个月后就不到原来的1/100了。22p衰变常数p半衰期p平均寿命23 上式中常数称之为衰变常数，是表征原子核发生衰变或发生同质异能跃迁几率的一个常数，量纲是时间的倒数（s-1，min-1，d-1，a-1）。显然，的大小决定了放射性核素衰变的快慢，越大，衰变越快；越小，衰变越慢。0tNN

12、e24半衰期半衰期 放射性原子核数衰减到一半所需的时间。用T1/2表示，量纲：年（a）、天（d）、小时（h）、分（min）和秒（s）。 不同的放射性核素T1/2的差别可能很大，如：238U：T1/2=45108a，镭衰变产生的氡-222（室内监测项目），T1/2=3.825d。1/20.693T25平均寿命平均寿命 平均寿命是指放射性原子核平均生存的时间。T1/2与的关系：T1/2=ln2/=0.693/，可见T1/2与成反比关系，即T1/2愈长，衰变常数就愈小；T1/2愈短,愈大。如 23892U的=4.88310-18s-1 ,22286Rn(氡)的=2.09610-6S-1。平均寿命与、

13、 T1/2的关系1/21/21/ln20.693TT26 从放射性衰变的指数规律，可知某一放射性核素，当经过n个T1/2以后，则尚未衰变掉的核数仅为原来核数的（1/2）n，从而可以知道该放射性核素的现存量。如出厂活度为100mci钴-60放射源，其半衰期为5.27年，经过若干年后的现存活度为：3.2年后:65.65mci; 5.27年后:50mci; 10.6年后:25mci; 15.27年后:13.43mci。27 射线与物质的相互作用过程，本质上是能量的转移和吸收的过程。一方面射线能量不断损耗，另一方面，物质吸收射线的能量，产生电离和激发。 电离辐射是由直接或间接电离粒子或由两者混合组成的

14、任何辐射。直接电离粒子是那些具有足够大的动能，以致通过碰撞就能引起物质电离的带电粒子，如电子、射线、质子和粒子等。间接电离粒子是能够使物质释放出直接电离粒子或引起核变化的非带电粒子，如光子、中子等。四、电离辐射四、电离辐射与物质与物质的相互作用的相互作用28p带电粒子在物质中的射程（Range）： 带电粒子在某种物质中沿着入射方向从进入到最后被物质吸收所经过的最大直线距离，称为带电粒子在该物质中的射程。射程的大小: 与粒子的种类、初始能量以及吸收物质的性质有关。电离辐射与物质电离辐射与物质的相互作用的相互作用29粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用 粒子一般由质量较重的放射性原子核发射，能

15、量不连续，通常为4-9MeV。粒子通过物质时，能量转移的主要方式是电离和激发。p5Mev的粒子空气中射程约3.5cm,铝金属中23m, 粒子外照射不会对人体造成伤害；p在体内，由于其能量会全部被组织和器官吸收，内照射的危害要重视。30粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用p粒子，在同一物质中的射程要比粒子长的多。p粒子穿过物质时，有明显的散射现象，其特点是粒子的运动方向发生了改变。当运动方向发生大的改变时，粒子的一部分能量会以X射线的形势辐射出来，这种辐射叫作轫致辐射。p轫致辐射的强度与阻止物质的原子序数Z的平方成正比，还与射线的能量成正比。31粒子粒子径迹是一条直线径迹是一条直线 5.3

16、MeV5.3 MeV粒子在空气中粒子在空气中 的射程的射程3.83 cm3.83 cm电子径迹是折线电子径迹是折线32粒子与物质的相互作用粒子与物质的相互作用p对射线屏蔽要用原子序数比较低的物质，如有机玻璃和铝材料，以减少轫致辐射份额。p放射活度及能量较高的辐射源，屏蔽轻材料在前重元素材料在后，以屏蔽轫致辐射。33n光电效应光电效应 自由电子自由电子作用机制光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。 + A A* + e- （光电子） 原子 A + X 射线原子原子受激原子受激原子34n康普顿效应：康普顿效应： 与

17、一个轨道电子碰撞，光子部分能量给电子，产生反冲电子，光子带走其余的能量。35 电子对效应电子对效应能量1.02 MeV 的射线与原子核作用可能产生一对正-负电子。 M M M + e M + e+ + + e+ e- - 1 1 + + 2 2 1.02 MeV m 1.02 MeV me e m me e 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV基本条件：基本条件： 射线能量射线能量 E E 1.02 1.02 MeVMeV能量转化成能量转化成质量质量M = E /C236正电子湮灭正电子湮灭正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 光子。 e

18、+ + e- + me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量质量转化为能量 转化效率转化效率 (100 %） 37光电效应截面：光电效应截面：康普顿效应截面：康普顿效应截面：电子对效应截面：电子对效应截面：38射线对物质的相互作用射线对物质的相互作用p较低能量时，在物质中主要产生光电效应；p中等能量时，康普顿效应为主；p较高能量时，主要发生电子对效应；p对射线屏蔽时，一般不考虑次级电子；p由于三种效应均正比于原子序数Z，屏蔽时应选用高原子序数材料如铅金属39中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用 根据中子能量的高低，可以把中子分为慢中子（能量小于5keV,

19、其中能量小于1eV，平均能量为0.025eV的称为热中子），中能中子（其能量范围为5-100KeV）和快中子（0.1-500MeV）。p中子与物质的原子核相互作用过程基本上分为两类：散射和吸收；p慢中子与原子核相互作用的主要形式是吸收；p中能中子和快中子与物质作用的主要形式是弹性散射；p能量10MeV快中子，以非弹性散射为主40中子与物质的相互作用中子与物质的相互作用 中子防护： 由于中子与轻物质发生弹性散射时，能量损失远远多于比与重物质作用时的能量损失，屏蔽时多用含氢多的材料，如水和石蜡等。4142不同辐射源的防护材料不同辐射源的防护材料辐射源辐射源 材材 料料源源 铅眼镜、铅玻璃、塑料板、

20、铝板等铅眼镜、铅玻璃、塑料板、铝板等源源 铅、生铁、混凝土、钢板、钨合金等高密度材料铅、生铁、混凝土、钢板、钨合金等高密度材料快中子快中子 混凝土、水、金属氢化物、石蜡、沙、砖等含氢物质混凝土、水、金属氢化物、石蜡、沙、砖等含氢物质慢中子慢中子 具有最大俘获慢中子截面的元素例如镉、硼等构成具有最大俘获慢中子截面的元素例如镉、硼等构成43不同射线的穿透能力n 粒子：氦原子核(2颗质子及2颗中子)，带正电荷，由於 粒子质量较大，穿透能力很弱。 n 粒子：高速电子，穿透能力比 粒子强。 nX射线 及 射线：能穿透人体。 n中子：不带电荷的粒子，穿透能力最强 44不同射线的能力比较不同射线的能力比较4

21、5t = 0 秒秒t = 1 秒秒1000个个500个个A=(1000-500) /1秒秒=500Bq5kg4647236.02 10XA48照射量照射量定义：定义：X、射线在单位质量空气中释放出的所有正负电子被阻留在空气中时，形成的总电荷。照射量SI单位：C / kg 库伦 / 千克；曾用名：伦琴R 1R=2.58 10-4CKg-1 或 1CKg-1=3.876102RdQXdm49（Kerma，kinetic energy in material）不带电间接电离粒子与物质的相互作用的过程可以分为两个阶段：p把能量转移给释放出的次级带电粒子；比释动能p次级带电粒子通过电力和激发把能量转移给

22、吸收物质，吸收剂量50（Kerma，kinetic energy in material）定义：定义：不带电粒子在特定单位质量物质的体积元内产生的所有带电的致带电粒子的初始动能的总和。SI单位：戈瑞，Gy；JKg-151 对不带电粒子适用对不带电粒子适用 ； 适用于所有介质适用于所有介质 ； 针对针对“点点”的概念的概念 52比释动能率比释动能率定义：定义：某一时间间隔内比释动能的增量除以该时间间隔的商。SI单位：戈瑞单位：戈瑞/秒，秒，Gy/s53辐射体辐射体受照体受照体 射线射线 射线射线 射线射线辐 射 能 量54吸收剂量吸收剂量单位质量的物质吸收的辐射能量定义：定义：dmdDSI单位：

23、戈瑞，Gy 1Gy1J/kg；曾用名：拉德，rad 1Gy 100rad55在定义剂量时，没有考虑时间的因素，即相同的剂量可以是1小时的照射，也可以是1天（24小时）的照射。为描述受照体接受辐照能量的快慢，则需引入剂量率。定义：单位时间内单位质量的受照体所接受（吸收）的辐射能量。 D/t=E/m/t. 单位：(J/kg/h)=戈瑞/小时(Gy/h)。或者： n Gy/h=10-9Gy/h剂量或者剂量率，都是与具体的受照物质相对应，如人体的吸收剂量率、空气的吸收剂量率等。56 对所有射线适用对所有射线适用 ； 适用于所有介质适用于所有介质 ； 针对针对“点点”的概念的概念 57 5.吸收剂量、比

24、释动能和照射量的区别吸收剂量、比释动能和照射量的区别辐辐 射射 量量吸收剂量吸收剂量D比释动能比释动能K照射量照射量X适用范围适用于任何带电粒子及不带电粒子和任何物质适用于不带电粒子如X、光子、中子等和任何物质仅适用于X或射线，并仅限于空气介质剂量学含义表征辐射在所关心的体积V内沉积的能量，这些能量可来自V内或V外表征不带电粒子在所关心的体积V内交给带电粒子的能量，不必注意这些能量在何处，以何种方式损失的表征X或射线在所关心的空气体积V内交给次级电子用于电离、激发的那部分能量58n对于不同的射线，即使剂量相同，对受照物体所产生的效果可能不同，为描述不同射线对受照体的不同作用效果引入剂量当量。n

25、剂量当量=剂量 射线的品质因子。n单位：希沃特(Sv). 59p这是一个与个体相关的辐射量；p描述人体受辐射照射时的危害程度；p与辐射类型、能量以及照射条件有关式中：式中：WR辐射权重因子；辐射权重因子；DT,R器官、组织的平均剂量器官、组织的平均剂量RTRRTDwH,器官或组织T中的平均吸收剂量DT,R与辐射权重因子WR的乘积(equivalent dose)当量剂量当量剂量H HT,RT,R60I单位：希沃特，Sv 1Sv1J/kg 曾用名：雷姆，rem 1Sv 100 remRRTRTDwH, 如果辐射场由具有不同WR值的不同类型的辐射所组成时，则当量剂量HT为DT,R是辐射R在器官或组

26、织T内产生的平均吸收剂量；WR为辐射R的辐射权重因子。61 辐射权重因子（辐射权重因子（WR）（）（ICRP60）辐射类型辐射类型能量范围能量范围WR光子电子和介子中子质子（反冲质子除外）粒子，裂变碎片，重核所有能量所有能量10keV 10-100keV100keV-2MeV2-20MeV20MeV能量2MeV115102010552062有效剂量有效剂量ETTTHwE式中：式中：WT组织T的权重因子；HT 器官或组织的当量剂量当所考虑的效应是随机效应时，在全身受到不均匀照射的情况下，人体所有组织或器官的加权后的当量剂量之和。(effective dose)这也是一个与个体相关的辐射量63组织

27、权重因子组织权重因子（tissue weighting factor, WT)定义：WT代表组织T接受的照射所导致的随机效应的危险系数与全身受到均匀照射时的总危险系数的比值。 表征组织或器官的辐射敏感性，反应了在全身均匀受照下各该组织或器官对总危害的相对贡献。全身接受全身接受1Sv均匀照射时总危险度均匀照射时总危险度 WTT器官或组织接受器官或组织接受1Sv照射时危险度照射时危险度 64组织权重因子（组织权重因子（ICRP 60）组织或器官组织或器官组织权重因子组织权重因子WT睾丸红骨髓结肠肺胃膀胱乳腺肝食道甲状腺皮肤骨表面其余组织或器官0.200.120.120.120.120.050.05

28、0.050.050.050.010.010.0565SI单位：希沃特，Sv 1Sv1J/kg曾用名：雷姆，rem 1Sv 100rem 意义：对不同照射情景进行定量比较，但不能对辐射照射所导致的生物效应或辐射危险度进行直接评价RTRRTTTTTDwwHwE, 有效剂量表示了在非均匀照射下随机性效应发生率与均匀照射下发生率相同时所对应的全身均匀照射的当量剂量。 有效剂量也表示了为身体各器官或组织的双叠加权的吸收剂量之和：66六、电离辐射对人体的作用六、电离辐射对人体的作用 电离辐射对人体的作用：p对细胞杀伤作用p对细胞诱变作用67l 物理过程与能量传递（10-16 s） 电离（初级电离，次级电离

29、）l 物理、化学作用（ 10-12 s） 自由基的生成：H2O2, H02, H-, OH-l 分子组成及性质的改变 作用靶物质： 染色体上的DNA生物大分子 细胞膜，核膜渗透性改变等辐射损伤过程和机理辐射损伤过程和机理68分子水平分子水平细胞死亡细胞死亡细胞变异细胞变异体细胞体细胞生殖细胞生殖细胞体细胞体细胞生殖细胞生殖细胞功能障碍功能障碍不孕不孕肿瘤肿瘤遗传效应遗传效应确定性效应确定性效应多细胞死亡导致多细胞死亡导致随机性效应随机性效应单一细胞变异导致单一细胞变异导致DNA损伤损伤细胞水平细胞水平临床症状临床症状效应效应69DNA水平水平损伤损伤70细胞水平损伤细胞水平损伤细胞死亡细胞死亡

30、71细胞水平损伤细胞水平损伤细胞变异细胞变异（modification)72辐射生物效应类型辐射生物效应类型p躯体效应与遗传效应发生在受照者本人身上称之躯体效应，主要作用于体细胞；生殖细胞受到照射，有可能在后代身上发生某种辐射生物效应，称之遗传效应p早期效应与晚期效应受照后数周之内发生的效应称之早期效应；受照在数月后发生的效应称为晚期效应；73p随机效应和确定性效应随机效应和确定性效应随机效应：发生几率与受照剂量成正比而严重程度与剂量无关的辐射效应叫随机效应。确定性效应：通常情况下存在剂量阈值的一种辐射效应叫确定性效应。接受的剂量超过阈值越多，产生的效应越严重。因此只有当受照剂量达到或超过阈值

31、时，确定性效应才会发生。人们日常所遇到的照射大多与随机效应有关，但在放射性事故和医疗照射中，发生确定性效应的可能性应该引起足够的重视。74确定性效应阈值的估计值确定性效应阈值的估计值组 织 与 效 应单次照射阈值（Sv）多次照射的累积剂量的阈值（Sv）睾丸精子减少永久不育0.153.5无意义无意义卵巢永久性绝育2.56.06.0眼睛体浑浊视力障碍0.52.05.05.08.0骨髓血细胞暂时减少致死性再生不育0.51.5无意义无意义7576急性损伤的分类急性损伤的分类临临 床床 症症 状状估计剂量估计剂量大体上无症状,有时有轻度前驱性症状0.51.5Gy轻度急性放射病，暂时性呃逆和呕吐,轻度的造

32、血机能损伤。1.54Gy症状严重，造血机能严重损伤。在高剂量时，有胃肠道损伤。46Gy急性放射病症状明显，胃肠道损伤起主要作用，造血器官损伤比造血型放射病时严重。临床症状主要有高烧、频繁的呕吐、反复的腹痛、血水便等。620Gy除骨髓、胃肠道的严重损伤外，主要是中枢神经系统的损伤。临床症状为共济失调、肌肉张力增加和震颤、强直性或阵痉性抽搐、昏睡、眼震等伴有剧烈的发展过程。数千Gy以上77辐射损伤辐射损伤78效应类别阈值剂量伴随剂量变化的效应辐射防护目标确定性效应存在发生几率，严重程度防止随机性效应假设不存在发生几率减少确定性效应与随机性效应的特性比较确定性效应与随机性效应的特性比较79小小 结结

33、80同位素同位素210210PoPo234234ThTh235235U U238238U U239239PuPu238238PuPu241241AmAm243243CmCm同位素同位素6060CoCo7575SeSe137137CsCs182182Ta（钽）Ta（钽）192192Ir（铱）Ir（铱）109109Cd（镉）Cd（镉）226226Ra和子体Ra和子体169169Yb（镱）Yb（镱）153153GdGd同位素同位素3 3H H1414C C147147PmPm9090SrSr9090Y Y3232P P6565NiNi204204C C2222NaNa2424NaNa106106RhRh同位素中子源