第一讲放射物理基础

第二篇肿瘤放射治疗学的物理学根底第一讲放射物理根底余健前言自1895年Roentgen发现X线和1897年Curie发现放射性同位素镭，放疗即开始用于治疗各种恶性肿瘤。肿瘤放射物理学是以物理学的知识为根底，研究和解决与医学治疗有关的物理问题的医学交叉学科。放射治疗在肿瘤综合治疗中的地位“三精〞时代放射物理根底放射物理的根本知识物质结构放射性衰变计量学中的根本辐射量射线与物质的相互作用电子与物质的相互作用X〔γ〕射线与物质的作用射线源的种类及照射方式临床应用的放射性核素常规远距离照射近距离照射重粒子治疗物质结构原子是构成物质的根本单位原子由原子核和核外电子组成。原子核由质子和中子组成，质子带正电，中子不带电。电子带负电，所带电荷量e=1.602×10-19c任何原子的核外电子数称为该原子的原子序数。由于原子是电中性的，核内质子数必等于核外电子数。具有确定质子数和中子数的原子的总体称为核素。原子序数相同而质量数不同的核素，在元素周期表中处于同一位置，互称同位素。原子结构

量子力学，能很好地解释原子现象。当微观粒子处于某一状态时，它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值，而具有一系列可能值，每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时，力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。由量子力学导出的原子模型是电子位置随机变化的电子云模型。原子模型物质结构原子核能级当一个自由电子填充壳层时，会以发射一个光子的形式释放能量，能量值的大小等于壳层能级能量的绝对值，这些能量称为相应壳层的结合能以钨原子为例：由于K，L，M层能级的能量分别为-70000ev，-11000ev和-2500ev，因此K，L，M层电子的结合能分别是

70000ev，11000ev和2500ev特征辐射与俄歇电子当电子获得能量，从低能级跃迁到高能级而使低能级出现空位时，称原子处于激发态处于激发态的原子很不稳定，高能级电子会自发跃迁到低能级空位上而使原子回到基态。两能级能量的差值一种可能是以电磁辐射的形式发出，这种电磁辐射称为特征辐射。另一种可能是传递给外层电子，获得能量的外层电子脱离原子束缚而成为自由电子，这种电子称俄歇电子。特征辐射俄歇电子根本物理常数阿伏加德罗常数：NA=6.022×1023原子数／克-原子真空中的光速：C=299792458m/s(≈3×108m/s)根本电荷：e=1.602×10-19c电子静止质量：me-=0.5110Mev/c2质子静止质量：mp=938.3Mev/c2中子静止质量：mn=939.6Mev/c2原子质量单位：u=931.5Mev/c2普朗克常数：h=6.626×10-34js物质结构国际单位制SI七个根本物理量长度L：米〔m〕质量m：千克〔kg)时间t:秒〔s〕电流I:安培〔A〕温度T:开尔文〔K〕物质的量：摩尔〔mol〕发光强度：坎德拉〔cd〕物质结构自然界中的四种根本作用力作用力来源交换粒子相对强度强相互作用强电荷胶子1电磁作用电荷光子1/137弱相互作用弱电荷W和Z010-6引力能量引力子10-39物质结构辐射分类非电离辐射能量较低，不能使物质原子产生电离的辐射，如紫外线、红外线、激光等电离辐射直接电离辐射〔带电粒子〕电子、质子、a粒子、重离子间接电离辐射〔非带电粒子〕X射线和r射线、中子电磁辐射电磁辐射的能量和频率关系式：

E=hv

能量E的单位是焦耳〔J〕；频率v的单位是赫兹〔Hz〕；h是普朗克常数。普朗克常数：h=6.626×10-34js电磁辐射电磁辐射分类电磁辐射衰变类型放射性：不稳定核素自发地放出射线，转变为另一种核素，这种现象称为放射性，这个过程称为放射性衰变，这些核素称为放射性核素。发出的射线种类可能有α射线、β射线、γ射线，还可能有正电子、质子、中子等其他粒子发生衰变前的核称为母核，发生衰变后的核称为子核，衰变过程中释放的能量称为衰变能。根据能量守恒定律，衰变能=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放射性核衰变放射性衰变方式α衰变原子序数z和质量数A的放射性母核X通过以下方式变成子核Y：a、β-、β+、电子俘获、γ和内转换。其中是一个核，也叫a粒子。a衰变的一个例子是衰变成，半衰期1600年。α衰变

镭是典型的α衰变核素。它通过发射4.78MeV的α粒子直接衰变到氡的基态，也可能通过发射4.60MeV的α粒子先衰变到氡的激发态，后者再发射0.18MeV的γ射线而跃迁到基态。放射性核衰变原子核自发地放射出电子e-或正电子e+或俘获一个轨道电子的转变过程称为β衰变放射电子的称为β-衰变，发射出的电子称为β-粒子；放射正电子的称为β+衰变，发射出的正电子称为β+粒子；俘获轨道电子的称轨道电子俘获，如果俘获的是K层电子，那么称K俘获。β衰变放射性核衰变β-衰变P到S的转变是β-衰变，在纲图中β-粒子的最大能量是1.71MeV和平均能量0.698MeVγ衰变α和β衰变后的子核很可能处于激发态，会以γ射线的形式释放能量跃迁到较低的能态或基态，这种跃迁的过程称为γ跃迁。eg:放疗中常用的钴-60源、铯-137源和铱-192源均既具有β放射性，同时也具有γ放射性放射性核衰变剂量学中的根本辐射量光子注量能量注量照射量吸收剂量比释动能〔kerma〕根本辐射量光子注量和能量注量光子注量：指入射在横截面积dA的球体上的粒子数目dN除以横截面积。单位：m-2能量注量：入射在横截面积dA的球体的辐射能量dE除以横截面积。单位：J/m2根本辐射量照射量：X〔γ〕辐射在质量为dm的空气中释放的全部次级电子〔正负电子〕完全被空气阻止时，在空气中形成的同一种符号的离子总电荷的绝对值dQ与dm的比值，即：X=dQ/dm单位为，曾用单位为伦琴〔R〕。

照射量吸收剂量同时适用于直接和间接电离辐射吸收剂量：电离辐射给予质量为dm的介质的平均授予能：单位为；专用名为戈瑞〔Gray,Gy〕曾用单位为拉德〔rad〕,1Gy=100rad.根本辐射量比释动能(Kerma)是单位质量中释放的动能〔kineticenergyreleasedperunitmass)，它适用于间接电离辐射，定量描述计算从间接电离辐射转移到直接电离辐射的平均数量值，不考虑转移后的发生的情况。定义：不带电电离粒子在质量为dm的介质中释放的全部带电粒子的初始动能之和：根本辐射量电子平衡所有离开△V的次级电子带走的能量，恰好等于进入△V的次级电子带入的能量，那么称在O点出处于电子平衡。根本辐射量电子平衡成立条件1.小体积△V周围的X〔γ〕辐射场必须是均匀的，以使△V周围X〔γ〕光子释出的次级电子注量率保持不变。2.小体积△V在各个方向离介质边界的距离d要足够大，至少要大于次级电子在介质中的最大射程Rmax，即d>Rmax。电子与物质相互作用过程：高能电子穿过介质时，通过库伦作用与原子轨道电子和原子核进行相互作用。通过碰撞，电子可能损失其功能〔碰撞损失和辐射损失〕或改变其运行方向〔散射〕。能量损失用阻止本领描述，散射用散射本领描述。电子与轨道电子的相互作用电离与激发电子与原子核的相互作用韧致辐射射线与物质的相互作用X射线的产生轨道电子从低能级跃迁到高能级，为了保持原子的稳定，高能级的电子会自发的跃迁到低能级而使原子回到基态，同时释放出特征X射线或俄歇电子带电粒子从原子核附近经过时，在核库仑场的作用，运动方向和速度发生变化，带电粒子的一局部动能就变成具有连续能谱的X射线辐射出来，这种辐射称为轫致辐射射线与物质的相互作用电子与物质的作用特征X射线：产生于电子在原子壳层间跃迁韧致辐射：产生于电子与核的库伦相互作用γ射线：产生于核跃迁湮没光子：产生于正负电子对湮没射线与物质的相互作用光电效应：光子与吸收介质中的束缚很紧的轨道电子作用并消失相干散射：光子与轨道束缚电子相互作用。属弹性反射，光子根本没有能量损失仅发生小角度的散射，没有能量转移康普顿效应：描述光子与根本“自由和静止〞的轨道电子间的相互作用电子对效应：光子消失，在原子核库伦场作用下形成一个正负电子对光核反响：高能光子被原子核吸收发射中子X〔γ〕射线与物质的作用

射线与物质的相互作用光电效应：光子将能量全部传递给原子轨道电子。光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子〔光电子〕。辐射出特征x线射线与物质的相互作用康普顿效应：当入射光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失一局部能量，并改变运动方向，电子获得能量而脱离原子。射线与物质的相互作用康普顿〔A.H.Compton)美国人(1892-1962〕康普顿在做康普顿散射实验

证实了康普顿效应的普遍性

证实了两种散射线的产生机制

－外层电子(自由电子)散射

0－内层电子(整个原子)散射在康普顿的一本著作?X-Raysintheoryandexperiment?(1935)中19处引用了吴的工作两图并列作为康普顿效应的证据

吴有训(1897—1977)意义:1923年参加了发现康普顿效应的研究工作电子对效应：当光子从原子核旁经过时，在原子核库伦场的作用下形成一对正负电子。光子能量的一局部转变为正负电子的静止能量2mec2，另一局部作为正负电子的动能E+和E-hv=E++E-+2mec2只有当入射X〔γ〕光子能量大于2mec2=1.02MeV时，才能发生电子对效应。射线与物质的相互作用相干散射：光子与轨道束缚电子相互作用。属弹性反射，光子根本没有能量损失仅发生小角度的散射，没有能量转移。过程：当入射电磁波从原子附近经过时，引起轨道电子共振，振荡电子将发射波长相同但方向不同的电磁波，不同轨道电子发射的电磁波有相干性。又称瑞利散射射线与物质的相互作用三种效应的能量区间在10～200keV能量范围内的X线，光电效应是主要在200keV～7MeV能量范围，康普顿效应成为主要的能量吸收方式在7～100MeV能量范围，由于电子对效应变得重要，使得骨的吸收增大。射线与物质的相互作用放射性核素的物理特性射线源的种类及照射方式常规远距离照射射线源的种类及照射方式近距离照射重粒子治疗质子治疗快中子治疗

重离子治疗传能线密度LET〔linearenergytransmission〕传能线密度：指沿次级电子径迹单位长度上的能量转换，单位为KeV/um。低LET射线包括X射线、γ射线及电子线。高LET包括中子束、负π介子及重粒子。

质子治疗不同射线在水体模中的穿透特性〔深度吸收剂量曲线〕当粒子束射入介质时，在介质外表，能量损失较慢；随深度的增加，粒子运动速度逐渐减低，粒子能量损失率突然增加，形成电离吸收峰，即布拉格峰；然后当粒子最后静止时，能量损失率急剧降为零。布拉格峰值的深度用改变离子入射能量或外加吸收体的方式进行调节。光子线IMRT与质子放疗的治疗方案结果比较

MEVIONS250质子放疗系统水分子(H2O)经过高压电离，其中的氢原子核与周围的电子被别离，氢原子核就是质子。质子被注入盘旋加速器后经过交变电磁场的鼓励，运动速度到达光速的2/3，并不断获得能量，到达约250MeV能量后，从盘旋加速器引出。引出的质子束流经过一系列的传