肿瘤放射物理-第一讲课件

肿瘤放射物理学核物理基础带电粒子与物质的相互作用第一讲放射物理基础肿瘤放射物理学核物理基础电离辐射与物质的相互作用肿瘤放射物理学(RadiationOncologyPhysics)是将放射物理学的基本概念和原理应用于肿瘤放射治疗的一门交叉学科是放射肿瘤学的一个重要基础是医学物理学的一个重要的分支肿瘤放射治疗学(RadiationTherapy)是描述从体位确定到肿瘤定位到计划设计到计划执行及随访过程的一门科学。肿瘤放射物理学核物理基础电离辐射与物质的相互作用物理量与基本单位物理量用它们的数值大小和相应的单位描述国际单位制定义的基本单位 长度(l)

米(m) 质量(m)千克(kg) 时间(t)秒(s) 电流(I)安培(A) 温度开尔文(K) 物质的量摩尔(mol) 发光强度坎德拉(cd)原子结构原子是构成物质的微小单位，其中心是带正电的原子核，核周围是带负电的电子在绕核运动。原子核由不同数目的质子和中子组成任何原子的核外电子数称为该原子的原子序数；具有相同原子序数的原子总体称为元素；具有一定数的质子和中子的原子总体称为核素；原子序数相同而质量数不同的核素互称同位素。原子的基本表述一个原子的基本表述可以用符号表示，其中是元素符号，是原子序数，是原子的质量数核外电子的运动状态运动状态由主量子数n，轨道角动量量子数l，轨道方向量子数ml和自旋量子数ms决定。n取值依次为1,2,…,7;对每一个n，l可以取0,1,…,(n-1);对每一个l，ml可以取-l，-l+1,…,l-1,l;对每一个ml，ms可以取-1/2和+1/2。泡利不相容原理在原子中不能有两个电子处在同一运动状态，也就是说不能有两个电子具有完全相同的四个量子数。核外电子的壳层分布规律在原子中具有相同主量子数的电子构成一个壳层，具有相同轨道角动量量子数的电子构成一个次壳层。根据泡里不相容原理，可确定每个壳层和次壳层可容纳的电子数,分别是2n2和2(2l+1)。原子能级电子在原子核库仑场中所具有的势能主要有主量子数n和轨道角动量量子数l决定。n和l的变化就构成了分立的原子能级,依次是1s<2s<…。电子填充壳层时按照从低能级到高能级的顺序，以保证原子处于能量最低状态。原子能级和特征辐射原子核壳层结构和能级在原子核内部也存在类似核外电子的壳层结构和能级。每个壳层也只能容纳一定数量的质子和中子。核子填充壳层的顺序也遵从从低能级到高能级的顺序。微观粒子的质量微观粒子的质量以原子质量单位u表示电子0.000548u，质子1.007277u，中子1.008665uu与g之间的关系阿伏加德罗定律一摩尔(mol)任何元素的物质包含有6.022045x1023个原子，该数称为阿伏加德罗NA1mol物质的质量在数值上与其相应原子质量相等，单位是g/mol转换关系微观粒子的能量单位射线粒子的能量单位eV、KeV、MeV,

1eV表示一个电子穿过电压为1V的电场所获得的

动能eV与J的转换质量和能量的转换关系质量和能量是物质的基本属性。根据相对论，这两个属性是相互联系的。具有一定质量的物体具有相应的能量，当它的质量发生了变化，则其能量也发生相应变化。两者关系用质能关系式描述, 单位体积、单位质量中的原子数单质对于化合物或混合物单位体积原子数每克原子数电子密度和每克电子数电子密度ne是单位体积中的电子数每克电子数Ne对于单质对于化合物或混合物Ne与Z的关系对于单质氢元素Z/MA1,Ne=5.974x1023/g其它元素Z/MA0.5-0.4,Ne=3x1023/g对于化合物/混合物，Ne与氢量有关重要基本粒子的特性名称质量(u)电荷(e)放疗地位质子p1.007277+1++中子n1.0086650+电子e,0.000548-1+++正电子e+,+0.000548+1-光子(,X)00+++++原子核的稳定性中子数与质子数的比例核子数的奇偶性重核的不稳定性放射性衰变不稳定的核素自发地放出射线，而成为另一种核素的过程称为放射性衰变。这些核素称为放射性核素。衰变前的核称为母核，衰变后的核称为子核。衰变过程中释放的能量称衰变能。根据能量守恒定律，衰变能等于衰变前后诸粒子静止质量之差所对应的能量，并以子核和发射粒子动能的形式释放。由于子核的质量往往远大于发射粒子的质量，因此发射粒子的动能近似等于衰变能或衰变能与子核的激发能之差。衰变过程可以用反应式和衰变图表示。放射性衰变类型(一):

α衰变镭衰变为氡的衰变纲图放射性衰变类型(二):

β衰变从磷至硫的衰变纲图从钠至氖的衰变纲图放射性衰变类型(三):

γ跃迁和内转换α、β衰变后的原子核很可能处于激发态，会以γ射线的形式跃迁到较低的能态或基态，这种跃迁的过程称为γ跃迁。处于激发态的原子核还有另外一种释放能量的方式，即将跃迁的能量直接转移给一个轨道电子，而将后者发射出原子，这个过程称为内转换。放射性度量(一)衰变常数表示单位时间内每个原子核衰变的概率,放射性活度是指一种放射性核素的一定数量的原子核在一个很短的时间间隔内发生的衰变数除以该时间间隔之商，1Ci=3.7x1010Bq半衰期表示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,。放射性度量(二)平均寿命是指放射性原子核平均生存的时间，

放射性比活度是指单位质量放射源的放射性活度，是衡量放射性物质纯度的指标放射性活度计算示例一台60Co治疗机源初装时活度为111TBq(3000Ci)，使用一个半衰期、二个半衰期后源的活度还剩多少？计算Co-60源比活度的极限值比活度的极限值应等于放射源100%纯度时的比活度1mol纯Co-60源的活度纯Co-60源的比活度为递次衰变定义：放射性核素变为稳定核素时往往经多次衰变完成放射性平衡：子母体的放射性活度可保持固定比例的状态。平衡条件:母体半衰期>子体半衰期，人工放射性核素人工放射性核素在医学中有着广泛的运用，制备途径有两种：1.利用核反应堆生产，利用反应堆中的强中子束照射，靶核俘获中子而生成放射性核素，或者利用中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取放射性核素。2.高能加速器用来生产短寿命放射性核素。肿瘤放射物理学核物理基础带电粒子与物质的相互作用电离辐射概念凡是与物质直接或间接作用时能使物质电离的一切辐射称为电离辐射具有足够动能的带电粒子，与原子中的电子发生碰撞，使后者脱离原子的束缚而成为自由电子，直接使原子电离，因此被称为直接致电离粒子(辐射)不带电粒子，本身不能使物质电离，但能借助与原子的壳层电子或原子核发生相互作用产生的次级粒子，使物质电离，因此被称为间接致电离粒子(辐射)带电粒子与物质的相互作用与核外电子发生非弹性碰撞与原子核发生非弹性碰撞与原子核发生弹性碰撞与原子核发生核反应与核外电子发生非弹性碰撞:

碰撞过程

当带电粒子从靶物质原子近旁经过时，入射粒子和轨道电子之间的库仑力使电子受到吸引或排斥，从而获得一部分能量。如果能量足够，就能引起原子电离；如果能量不够，则引起原子激发。当原子退激时，会释放特征X射线或俄歇电子。如果电离出来的电子可进一步引起电离，则称次级电子或电子.与核外电子发生非弹性碰撞:

碰撞的能量损失

线性碰撞阻止本领(Scol)是指入射带电粒子在靶物质中穿行单位路径长度时电离损失的能量质量碰撞阻止本领等于线性碰撞本领除以靶物质的密度，对于重带电粒子，对于电子，碰撞损失仍是与物质的每克电子数成正比，但是与能量的关系发生了变化。低能时近似与电子的能量成反比；高能时随能量缓慢增加。与原子核发生非弹性碰撞:

碰撞过程

当带电粒子从原子核附近掠过时，在原子核库仑场的作用下，运动方向和速度发生变化，带电粒子的一部分能量就变成具有连续谱的X射线辐射出来，这种辐射称为轫致辐射。与原子核发生非弹性碰撞:

碰撞的能量损失用线性辐射阻止本领和质量辐射阻止本领描述带电粒子在单位路径长度和单位质量厚度的辐射能量损失质量辐射阻止本领辐射损失与入射带电粒子的质量平方成反比与带电粒子的电荷数和靶物质原子序数的平方成正比与粒子能量成正比与原子核发生弹性碰撞:

碰撞过程

当带电粒子与靶物质原子核库仑场发生相互作用时，尽管带电粒子的运动方向和速度发生了变化，但不辐射光子，也不激发原子核，则此种相互作用满足动能和动量守恒定律，属弹性碰撞，也称弹性散射。碰撞发生后，原子核由于质量大，散射现象不明显；而电子质量轻，散射角可以大于90o。与原子核发生核反应:

当一个重带电粒子具有足够高的能量(约100MeV)，并且与原子核的碰撞距离小于原子核的半径，如果有一个或数个核子被入射粒子击中，它们将在一个内部级联过程中离开原子核，其飞行方向主要倾向于粒子入射方向。失去核子的原子核处于高能量的激发态，将通过发射所谓的“蒸发粒子”和γ射线而退激。四种相互作用的相对重要性:

对于电子在放疗用到的能量范围内，与核外电子发生非弹性碰撞和与原子核发生非弹性碰撞是主要的作用形式，两者的相对重要性可表示为

电离损失与辐射损失相等时的电子能量称临界能量四种相互作用的相对重要性:

对于重带电粒子在放疗用到的能量范围内，辐射损失可以忽略，与核外电子发生非弹性碰撞是唯一主要的作用方式。其它相互作用系数总质量阻止本领质量角散射本领路径长度射程比电离传能线密度总质量阻止本领定义为带电粒子在密度为的介质中穿过路径dl时，一切形式的能量损失dE除以dl而得的商对于电子对于重带电粒子质量角散射本领描述带电粒子束与吸收体发生相互作用后，散射粒子的角分布情况，定义为均方散射角除从吸收体密度和厚度

之积所得的商，路径长度、射程路径长度:带电粒子从入射位置至完全停止位置沿运动轨迹所经过的距离.连续慢化近似射程射程:沿入射方向从入射位置至完全停止位置所经过的距离.平均射程、外推射程比电离比电离:带电粒子穿过靶物质时使物质原子产生电子-离子对，单位路径上产生的电子-离子对数比电离与碰撞阻止本领成正比，在带电粒子射程末端达到