放射物理基础知识-课件

放射物理基本知识1PPT课件原子物理基本概念放射性核素带电粒子与物质相互作用X射线与物质的相互作用放射性核素与射线装置2PPT课件原子：组成物质的微小单元结构：原子核核子核外电子：带负电一原子物理基本概念质子:带正电中子:不带电3PPT课件

原子名称的表示AZX

元素符号X

原子质量A：核子数=中子+质子

原子序数Z

：原子在元素周期表中的序号。数值上等于原子核的核电荷数（即质子数）或中性原子的核外电子数原子物理基本概念4PPT课件核素：质子数和中子数相同,并具有相同能态的一类原子,如果核子数、中子数、质子数和能态只要有一个不同，就是不同的核素。原子物理基本概念

两种核素，A同，Z、N不同。两种核素，N同，A、Z不同。60Co60mCo两种核素，A、Z、N同，能态不同。

99Tc

99mTc

同质异能两种核素，Z同，A、N不同。5PPT课件

核素一般分为放射性核素和稳定核素。如锶-90，钚-239等具有放射性的核素称为放射性核素。如碳-12，氧-16等非放射性的核素称为稳定核素。到目前，人类已经发现了2000多种核素，有近300种核素是稳定的，其余都是不稳定核素。原子物理基本概念6PPT课件元素：具有相同原子序数（质子数）的原子同位素：质子数相同中子数不同的原子总称，同位是指该同位素的各核素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如碳的三个同位素，质子数=6

但中子分别为：12C、13C和14C,统称为碳的同位素而锰、铍、氟、铝等在天然条件下,只存在一种核素,称为单一核素而不能说它们只有一种同位素。原子物理基本概念7PPT课件原子物理基本概念原子结构—壳层结构

原子核外电子的分布和运动状态遵循量子力学规律

主量子数n决定电子构成壳层数:1，2，3，4，….壳层，分别为K，L，M，N，….壳层，每个壳层最多可容纳的电子为2n2。每个主量子数n还包括次壳层轨道角量子数l：=0，1，2，3….，分别为s，p，d….，每个次壳层最多可容纳的电子为2l（l+1）

n

和ｌ量子数决定了电子所具有的能量高低，离核越远的壳层，电子具有的能量越高8PPT课件原子结构—壳层结构能级：原子根据核外电子处于不同的壳层状态所呈现的能量级别电子所处的壳层从内到外能级为增加基态：电子填充壳层时按照能级从低到高顺序，使原子处于能量最低的状态激发态：当电子获得能量后从低能级壳层跃迁到高能级壳层，而出现低能级壳层空位，即原子处于不稳定状态，这种状态不会持久，会迅速释放能量恢复到基态原子物理基本概念9PPT课件特征X射线：若原子激发发生在内壳层，如K，L….使电子离开原子而发射出去，形成内壳层空穴，瞬时被外壳层电子填充，导致辐射发生，产生特征X射线。束缚能：指原子核对壳层电子的束缚能（或结合能），轨道电子的结合能随n和1的增大而减小。原子物理基本概念10PPT课件原子质量

原子质量很小，很难用g表示，通常采用相对质量表示：即以碳原子（12C）质量的十二分之一作为标准，相对原子质量=原子质量/（12C的质量×1/12）。相对原子质量数值上≈中子数+质子数（电子的质量约为质子质量的万分之一）原子物理基本概念11PPT课件原子物理基本概念能量单位：国际单位焦尔,1J原子能单位：1eV=1电子伏特（在真空中一个电子通过1V的电位差时所获得的动能）

1eV=1.6×10-19J派生单位：1keV=103eV,1MeV=106eV能量的表示：12PPT课件二放射性核素

基本概念和术语放射性衰变：核素（母核）自发地释放辐射线（光子或粒子），导致其结构和能量状态的改变而转变成另一种核素（子核）的过程。

13PPT课件放射性活度：单位时间内由一特定核能态发生核跃迁数的期望值。用ci或Bq表示

lBq=放射性物质在1秒钟内有1个原子核发生衰变

1ci=3.71010Bq放射性核素14PPT课件放射性比活度：是放射性物质纯度的指标。因放射源中含有大量的相同元素的稳定同位素和其它元素的稳定同位素即单位质量中或单位体积中的放射性活度。单位分别是“贝克/千克”和“贝克/升

放射性核素15PPT课件

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。放射性核素衰变遵从的指数衰变规律：

N=N0×e-λt用活度表示：A=A0×e-λtNo（A0）为起始时刻（t=0）放射性原子核的数目（活度）。N（A）为t时刻放射性原子核的数目（活度）。放射性核素放射性核素衰变规律16PPT课件衰变常数：表示一个原子核在单位时间内发生衰变的几率，即N/t与放射性核素数N成正比。其比例常数为衰变常数。N/t=-N

放射性核素17PPT课件

半衰期：放射性活度或放射性核素数目衰减到初始值一半时所需时间。用T1/2表示。不同的放射性核素T1/2的差别可能很大，如：

238U：T1/2=45×108a，222氡，T1/2=3.825d。

=ln2/T1/2=0.693/T1/2，

T1/2与λ成反比关系，即T1/2愈长，衰变常数就愈小；T1/2愈短,λ愈大。

18PPT课件衰变类型原子核的衰变类型有αβγ。衰变放出的能量叫衰变能。衰变：

原子核自发地发出粒子（氦原子核24H）的蜕变过程放射性核素19PPT课件衰变原子核自发放出电子e-或正电子e+或捕获一个轨道电子的过程

衰变：

—衰变：AZXAZ+1Y+e

++Q

+衰变：AZXAZ1Y+e+++Q轨道电子俘获也是一种衰变：AZX+e

AZ1Y++Q式中：和表式中微子和反中微子。Q为衰变能。放射性核素20PPT课件

跃迁和内转换

αβ衰变后的原子核可能处于激发态，通常会以跃迁方式退激，回到低能态或基态。射线的能量在KeVMeVγ射线是光子流，其波长很短，也可以说γ射线是波长很短的电磁波，由于它们不带电，所以在磁场中不发生偏转。放出γ射线的原子核其质量数、电荷数均保持不变，只是能量状态发生了变化，故又称这种过程为：“同质异能跃迁”。例如常用γ放射源137Cs和60Co都是由于母核发生β-衰变后，子核处于较高激发态能级，在向较低能态或基态跃迁时便发出光子

放射性核素基态γγβ2760Co0.31MeV1.33MeV1.17MeV2860Ni21PPT课件

内转换也是一种退激方式，即是指处于激发态的原子核把激发能给予核外电子，结果使该电子从壳层发射出来，而原子核则从激发态回到基态。内转换也是γ跃迁的一种，因为这种跃迁不放出光子，所以又称这种跃迁为“无辐射跃迁”。电子由于内转换被发射出去，外层电子填补空位仍可能发射特征X射线。放射性核素22PPT课件αβγ三种射线的特性电离能力穿透能力α（原子核）最强最弱β（电子)中中γ（高能光子）最弱最强放射性核素23PPT课件常用放射性同位素的衰变形式、半衰期和射线能量

放射性核素符号射线种类射线平均能量半衰期镭—226226Ra0.83MeV1590a

钴—6060Co1.25MeV5.271a

铯—137137Cs0.662MeV33.0a

铱—192192Ir0.36MeV74.2d

碘—125125I28KeV59d

锎—252252Cfn2.35MeV2.65a放射性核素24PPT课件三带电粒子与物质相互作用一般特征非弹性碰撞：带电粒子与核外电子----碰撞损失带电粒子与原子核----辐射损失弹性碰撞：带电粒子与核外电子或原子核----仅改变带电粒子的速度和方向，不改变原子本身的状态25PPT课件弹性碰撞

仅当带电粒子的运动速度不高于2183km/s时才会发生，与该速度对应的粒子的动能分别为：

α粒子：0.1Mev

质子：0.025Mev

电子：0.0135Mev

通常遇到的质子、α粒子的能量比上述高很多，因此，重带电粒子在弹性碰撞过程中损失的能量几可忽略。在常见电子能量范围内，弹性碰撞的能量损失不超过0.15%。且电子能量越高，发生弹性碰撞几率越小。带电粒子与物质相互作用26PPT课件非弹性碰撞的三种情况作用原子外层电子作用原子内层电子释放光子-----特征X射线作用原子核释放光子-----韧致辐射激发：释放光和热电离：释放δ电子不产生X射线带电粒子与物质相互作用27PPT课件带电粒子与核外电子的非弹性碰撞-------电离和激发电离：入射带电粒子（如电子）将能量传递给原子核外电子，电子获得的能量大于原子核对它的束缚能量时，电子就可以离开原子，使原来呈中性的原子变成一个带正电的“离子”，激发：入射带电粒子传递给原子核外电子较少能量，电子不足摆脱原子核束缚，电子可以向外壳越迁使原子处于激发状态。此过程称为“激发”激发原子退激时发光ee-+ee带电粒子与物质相互作用28PPT课件散射：带电粒子受到原子核库仑场作用发生运动方向偏转或能量改变，粒子自身质量越小，散射作用越明显。吸收：带电粒子通过物质时，由于与物质相互作用，

结果使它们的强度减弱，最后停留在物质中，称为吸收射程：带电粒子沿入射方向，从入射位置到完全停止置所经过的距离。带电粒子与物质相互作用29PPT课件带电粒子与原子核的非弹性碰撞辐射损失：入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的方向和速度发生改变，运动状态的改变伴随发生电磁辐射，使入射带电粒子的能量损失。此称为“辐射损失”。因电子质量小，与原子核碰撞时运动状态改变显著韧致辐射：当快速带电粒子穿过物质时，受核库伦场作用而改变速度，这时粒子的动能的一部分会以电磁波的形式辐射出来带电粒子与物质相互作用30PPT课件电离损失和辐射损失的相对重要性临床应用的能量范围内，总能量损失为电离损失和辐射损失之和，其它作用过程的能量损失可忽略重带电粒子：辐射损失可以忽略

SS

总=()col

如α粒子，主要与核外电子作用，产生电离和激发损失能量电子：辐射损失和电离损失的相对重要性

SSZE

（）rad/()col800MeVZ:靶原子的原子序数E：入射电子的动能带电粒子与物质相互作用31PPT课件

带电电离粒子或不带电电离粒子与物质相互作用而引起物质的某种变化，最终都是通过带电电离粒子与物质相互作用完成的，阻止本领是描述带电电离粒子在物质中损失能量的过程。即用能量损失与穿过的路程之比来定量描述带电电离粒子损失能量的过程就是阻止本领的概念X射线与物质的相互作用能量损失用阻止本领予以定量32PPT课件四X（γ）射线与物质的相互作用

来源伴随核衰变的γ射线轫致辐射

当快电子与物质相互作用时，其部分能量转换成轫致辐射，其转换的份额随能量的增加而增加；随吸收物质的原子序数的增加而增加，能量连续分布另外还有湮没辐射、伴随核反应的γ射线、特征X射线33PPT课件由于X射线不带电，在物质中的穿透情况不能“射程”来描述。带电粒子是多次与电子和核碰撞作用（电离和激发），每一次碰撞能量损失很小，逐渐损失能量；光子可以与物质中的原子一次碰撞损失全部或大部分能量。X射线穿过物质时，不能直接引起物质电离和激发，而是通过一次碰撞损失大部分或全部能量，将能量传给次级电子，其能量不变，强度按指数规律衰减X射线同物质相互作用完全不同于带电粒子主要区别在：34PPT课件X射线与物质的相互作用方式光子能量小于30MeV，主要相互作用方式：光电效应：康普顿散射：电子对效应：X射线与物质相互作用35PPT课件光电效应：X射线全部能量转移给原子中的内层

(主要是K层）束缚电子使其从原子中发射出来，光子本身消逝

e-

光电子特征X线入射光子hnX射线与物质相互作用36PPT课件康普顿散射：光子与原子中的外层束缚电子作用，光子的一部分能量转移给电子使它反冲出来，散射光子本身的能量和运动方向发身发生变化e-康普顿电子hn散射光子hn入射光子X射线与物质相互作用37PPT课件电子对效应：光子与靶原子核的库仑场作用，光子被吸收后转化为正负电子对。e-

负电子e+正电子hn>1.02MeV光子0.511Mev0.511MevX射线与物质相互作用38PPT课件X射线与物质的相互作用X、γ射线进入物质后，有可能不经过任何相互作用而穿透出去。一旦发生了相互作用，则会按照三种过程被吸收或散射。光子究竟发生何种相互作用过程，与：光子能量和物质性质有关。光电效应

10KeV~30KeV低能光子与高原子序数物质作用，光电效应占优势，发生几率大约与原子序数的4次方成正比康普顿散射

30KeV~25MeV中能光子与物质作用，康普顿效应占优势，发生几率与原子序数无关，但与物质的单位体积的电子密度相关电子对效应

光子和原子核之间的作用，有能量阈值，为1.02MeV，发生几率随能量增加而增加，在25MeV~100MeV高能光子与高原子序数物质中电子对效应占优势39PPT课件小结：几类射线与物质相互作用的特点重带电粒子如α粒子

重带电粒子能量损失的主要方式是电离损失，通过电离和激发逐渐损失能量。当入射重带电粒子穿过足够厚的物质时，具有平均射程。如果物质的厚度远小于平均射程时，在入射方向上粒子的能量随吸收物质厚度的增加而逐渐减小，但强度基本不变。40PPT课件β射线（电子）

能量损失主要是通过电离能量损失、辐射能量损失而逐渐损失能量的。电子由于质量小故散射现象严重。因此，在穿过物质时，既有能量的损失，也有强度的减少。电子在物质中的穿透本领，采用电子的最大能量对应的吸收物质的厚度来表示，称为电子在物质中的最大射程。41PPT课件X射线

X射线按照一定的几率与物质发生光电效应、康普顿效应和电子对效应。在相互作用的过程中，一次损失全部或大部分能量。

穿过物质后，在X射线入射的方向上的强度随吸收物质的厚度按照指数规律衰减、能量不变。所以，X射线没有射程的概念可言。X射线在物质中的穿透情况，也常常用半吸收厚度

d1/2

表示42PPT课件放射源的种类放射性同位素射线装置五放射源和医用射线装置机X线机加速器中子发生器43PPT课件常用于临床的放射性核素核素射线平均能量半衰期TVL铅（HVL铅)照射量率常数

空气比释动能

(MeV)(Rh-1mCi-1cm2)(Gyh-1GBq1m2)镭-2260.831590aHVL铅=1.3cm8.25195钴-601.255.27aHVL铅=1.27cm13.1309铯-1370.66233.0aTVL铅=1.85cm3.378铱-1920.3674.2dTVL铅=0.71cm4.8113碘-1250.02859dTVL铅=0.025cm1.433金-1980.4122.7dHVL铅=0.3cm2.3555.5钯-1030.02217dTVL铅=0.013cm1.4835.0此处，HVL和TVL分别为半值厚度和十分之一值厚度放射源和医用射线装置44PPT课件钴-60治疗机利用钴-60的射线，（平均1.25MVT1/2=5.27年）作为外照射治疗源。源位校正：在钴-60长期使用中，放射源由“储位”到“源位”的反复运动，放射源有可能不在准确的“源位”，这将导致对称性变差