腫瘤放射物理學(xué)1 練習(xí)

1、放射物理學(xué)放射物理學(xué)第一節(jié)第一節(jié) 核物理基礎(chǔ)核物理基礎(chǔ)一、一、基本概念基本概念1 1、原子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu) 中心是帶中心是帶正電正電的原子核的原子核 核的周圍是帶核的周圍是帶負(fù)電負(fù)電的電子在繞核運動的電子在繞核運動 原子核原子核: 質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子質(zhì)子帶帶正正電荷，電荷，中子中子不帶不帶電，電，質(zhì)子質(zhì)子和和中子中子統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為核子核子。2 2、原子原子序序數(shù)、元素、核素、同位素和同質(zhì)異能素數(shù)、元素、核素、同位素和同質(zhì)異能素原子序數(shù)原子序數(shù) ： 任何原子的任何原子的核外電子數(shù)核外電子數(shù)，統(tǒng)稱為原子的，統(tǒng)稱為原子的原子原子序數(shù)序數(shù)。由于原子是電中性，核內(nèi)。由于原子是電中性，核內(nèi)質(zhì)

2、子質(zhì)子數(shù)必然等于數(shù)必然等于核外核外電子電子數(shù)，因此數(shù)，因此原子序數(shù)原子序數(shù)同時表示了核外電子同時表示了核外電子數(shù)、核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和核電荷數(shù)。數(shù)、核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和核電荷數(shù)。 元素：元素： 質(zhì)子數(shù)相同的原子稱為一種元素，它質(zhì)子數(shù)相同的原子稱為一種元素，它們的原子序數(shù)相同，因此具有相同的化學(xué)們的原子序數(shù)相同，因此具有相同的化學(xué)特性。但其原子核中的中子數(shù)可以不同，特性。但其原子核中的中子數(shù)可以不同，因而物理特性可有某些差異。因而物理特性可有某些差異。 到目前為止，天然和人工合成的元素到目前為止，天然和人工合成的元素有有109109種，組成種，組成元素周期表元素周期表 核素：核素： 質(zhì)子和中子數(shù)相同，質(zhì)量數(shù)相同

3、，并處于質(zhì)子和中子數(shù)相同，質(zhì)量數(shù)相同，并處于同能量狀態(tài)的原子，稱為一種核素，例如同能量狀態(tài)的原子，稱為一種核素，例如: : 為為5 5種不同的核素。目前已知的核素有種不同的核素。目前已知的核素有23002300多多種，分別屬于種，分別屬于100100多種元素。多種元素。11H21H31H22688Ra、 9943Tc同位素：同位素： 質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，稱為元素的同質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，稱為元素的同位素，例如位素，例如: :同質(zhì)異能素：同質(zhì)異能素： 核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同，但核所處能核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同，但核所處能態(tài)不同的核素互為同質(zhì)異能素。態(tài)不同的核素互為同質(zhì)異能素。例如：正常的

4、鈷元素和鏷元素表示為例如：正常的鈷元素和鏷元素表示為6060CoCo和和234234PaPa，它們的同質(zhì)異能素則表示為它們的同質(zhì)異能素則表示為6060CoCom m和和234234PaPam m等。等。 和和互為氫的同位素。互為氫的同位素。H11H21H313 3、原子、原子核能級、原子、原子核能級基態(tài)：基態(tài)：電子填充殼層時按照從低能到高能的順序進行，以電子填充殼層時按照從低能到高能的順序進行，以保證原子處于最低能量狀態(tài)保證原子處于最低能量狀態(tài), ,這種狀態(tài)稱為基態(tài)。由于內(nèi)這種狀態(tài)稱為基態(tài)。由于內(nèi)層電子對外層電子具有屏蔽效應(yīng)，所以實際電子填充殼層層電子對外層電子具有屏蔽效應(yīng)，所以實際電子填充殼

5、層時，會出現(xiàn)時，會出現(xiàn)能級交錯能級交錯，而不是按殼層順序逐個填充。，而不是按殼層順序逐個填充。激發(fā)態(tài)：激發(fā)態(tài)：當(dāng)電子獲得能量，從低能級躍遷到高能級而使低當(dāng)電子獲得能量，從低能級躍遷到高能級而使低能級出現(xiàn)空位時，稱原子處于激發(fā)態(tài)。能級出現(xiàn)空位時，稱原子處于激發(fā)態(tài)。 特征輻射：特征輻射：處于激發(fā)態(tài)的原子很不穩(wěn)定，高能級處于激發(fā)態(tài)的原子很不穩(wěn)定，高能級的電子會自發(fā)躍遷到低能級空位上，從而使原子回的電子會自發(fā)躍遷到低能級空位上，從而使原子回到基態(tài)。兩能級能量的差值一種可能是以電磁輻射到基態(tài)。兩能級能量的差值一種可能是以電磁輻射的形式發(fā)出，這種輻射稱為的形式發(fā)出，這種輻射稱為特征輻射特征輻射，當(dāng)特征輻射

6、，當(dāng)特征輻射的能量足夠高，進入的能量足夠高，進入X X射線能量范圍時，又稱為射線能量范圍時，又稱為特特征征X X射線射線。二二、 放射性放射性 1 1、衰變類型、衰變類型 不穩(wěn)定核素自發(fā)的放出射線，而變成為另一種核素，不穩(wěn)定核素自發(fā)的放出射線，而變成為另一種核素，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為放射性放射性，這個過程稱為，這個過程稱為放射性衰變放射性衰變，這些，這些核素稱為核素稱為放射性核素放射性核素。衰變前的核稱為。衰變前的核稱為母核母核，衰變后的，衰變后的核稱為核稱為子核子核。衰變過程中釋放的能量稱為。衰變過程中釋放的能量稱為衰變能衰變能。衰變。衰變能等于衰變前后諸粒子靜止質(zhì)量之差所對應(yīng)的能量能等

7、于衰變前后諸粒子靜止質(zhì)量之差所對應(yīng)的能量。 原子核的衰變，主要有三種類型，即原子核的衰變，主要有三種類型，即、衰變和衰變和躍遷。躍遷。（1 1）衰變衰變 粒子是氦的原子核，它由粒子是氦的原子核，它由2 2個質(zhì)子和個質(zhì)子和2 2個中子個中子組成。組成。衰變的反應(yīng)式如下衰變的反應(yīng)式如下8790.4HeThU4223490238924422AAZZXYHeQMeV（2 2）衰變衰變 衰變包括衰變包括3 3種類型：種類型：- -衰變、衰變、衰變、軌道電子衰變、軌道電子俘獲。俘獲。1 1、- -衰變：衰變： 核內(nèi)中子多，核內(nèi)中子多，nn變變P P，放出一個負(fù)電子。，放出一個負(fù)電子。SP32163215Q

8、反中微子反中微子 QYXAZAZ12 2、衰變衰變: : 核內(nèi)質(zhì)子多，核內(nèi)質(zhì)子多，PP變變n n，放出一個正電子。，放出一個正電子。 QYXA1zAzQOF188189QYXA1 zAz QOF188189 （3 3）躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換 伴隨伴隨或或衰變后發(fā)生。衰變后發(fā)生。 QXXAZmAZTcTc9943h02. 6tm99432/1例：例： （E E=0.141MeV=0.141MeV）是是的的同質(zhì)異能素同質(zhì)異能素。注：注：m9943TcTc99433 3、放射性度量、放射性度量放射性指數(shù)衰變規(guī)律：放射性指數(shù)衰變規(guī)律： 放射性活度：放射性活度：是指一定量的放射性核素在一個很短的時是指

9、一定量的放射性核素在一個很短的時間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)除以該時間間隔之商。公式表達間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)除以該時間間隔之商。公式表達如下：如下：0tdNANA edt活度的國際單位是貝可活度的國際單位是貝可勒爾勒爾（Bq）。舊單位是居里）。舊單位是居里（Ci）。）。 1Ci3.71010Bq3.71010核衰變核衰變/秒秒0tNN e為衰變常數(shù)為衰變常數(shù)半衰期：半衰期：放射性核素其原子核數(shù)目衰減到原來數(shù)目一半放射性核素其原子核數(shù)目衰減到原來數(shù)目一半所需的時間（所需的時間（T T1/21/2）。半衰期與衰變常數(shù)的關(guān)系為：）。半衰期與衰變常數(shù)的關(guān)系為：1/2ln20.693TT T1/21/2的單

10、位是秒，對半衰期長的核素可以用分（的單位是秒，對半衰期長的核素可以用分（minmin）、）、天（天（d d）、年（）、年（a a）。）。平均壽命（平均壽命（ ）：）：是指放射性原子核平均生存的時間。是指放射性原子核平均生存的時間。01/21/200()11.440.693tdN tTtedtTN例例：一臺一臺60Co治療機源初裝時的活度為治療機源初裝時的活度為111TBq111TBq（3000Ci3000Ci），），使用使用5 5年、年、1010年后源的活度還剩多少？年后源的活度還剩多少？（已知（已知T T1/21/25.27a）解：將解：將A A0 0111TBq111TBq，T T1/21

11、/25.27a，代入，代入1/ 20.69300tTtAA eA e當(dāng)當(dāng)t5a，t10a時時，得得557.5aATBq，1029.8aATBq。4、遞次衰變和放射平衡、遞次衰變和放射平衡 遞次衰變：遞次衰變：放射性核素轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定核素時往往要經(jīng)放射性核素轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定核素時往往要經(jīng)過多次衰變才能完成，這種衰變稱為遞次衰變。衰變過程過多次衰變才能完成，這種衰變稱為遞次衰變。衰變過程中形成的核素系列稱衰變系列。中形成的核素系列稱衰變系列。例如，例如，9036Kr轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)?040Zr需經(jīng)需經(jīng)4 4次次衰變衰變142.9min286490909090903637383940sahKrRbSrYZr 小結(jié)

12、：小結(jié)：1基本概念基本概念元素，核素，同位素，原子量，基態(tài)，激發(fā)態(tài)，元素，核素，同位素，原子量，基態(tài)，激發(fā)態(tài)，特征特征X射線，原子結(jié)構(gòu)和能級，原子核結(jié)構(gòu)和能射線，原子結(jié)構(gòu)和能級，原子核結(jié)構(gòu)和能級級。2放射性放射性原子核的穩(wěn)定性，衰變類型，放射性指數(shù)衰變規(guī)原子核的穩(wěn)定性，衰變類型，放射性指數(shù)衰變規(guī)律，放射性活度，半衰期，衰變常數(shù)，平均壽命律，放射性活度，半衰期，衰變常數(shù)，平均壽命，遞次衰變，遞次衰變。作業(yè)作業(yè)1：名詞解釋：名詞解釋：特征輻射、放射性活度特征輻射、放射性活度填空填空題：題：1、某放射性元素經(jīng)過某放射性元素經(jīng)過11.4天有天有7/8的原子核發(fā)生的原子核發(fā)生了衰變，該元素的半衰期有了衰

13、變，該元素的半衰期有天？天？選擇題：選擇題：1、原子核原子核23892U經(jīng)放射性衰變變?yōu)樵雍私?jīng)放射性衰變變?yōu)樵雍?3490Th，繼而經(jīng)放射性衰變變?yōu)樵雍?，繼而經(jīng)放射性衰變變?yōu)樵雍?3491Pa，再經(jīng)放射性衰變變?yōu)樵雍嗽俳?jīng)放射性衰變變?yōu)樵雍?3492U。放射性衰。放射性衰變變 、 和依次為和依次為 （ ） A衰變、衰變、-衰變和衰變和-衰衰變變 B衰變、衰變、-衰變和衰變和衰變衰變 C-衰變、衰變、衰變和衰變和-衰變衰變 D衰變、衰變、-衰變和衰變和衰變衰變4.元素元素X是是Y的同位素，分別進行下列衰變的同位素，分別進行下列衰變過程過程:則下列說法正確的是則下列說法正確的是( ) A

14、.Q與與S是同位素是同位素 B.X與與R原子序數(shù)原子序數(shù)相同相同C.R比比S的中子數(shù)多的中子數(shù)多2 D.R的質(zhì)子數(shù)少于的質(zhì)子數(shù)少于 上述任何元素上述任何元素問答題：1.23892U核經(jīng)一系列的衰變后變?yōu)楹私?jīng)一系列的衰變后變?yōu)?06 82Pb核核,問問: (1)一共經(jīng)過幾次一共經(jīng)過幾次衰變和幾次衰變和幾次-衰變衰變? (2)20682Pb和和238 92U相比相比,質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)各少了質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)各少了多少多少? (3)綜合寫出這一衰變過程的方程綜合寫出這一衰變過程的方程. 2.約里奧約里奧居里夫婦因發(fā)現(xiàn)人工放射性元素而獲居里夫婦因發(fā)現(xiàn)人工放射性元素而獲得了得了1935年的諾貝爾化學(xué)獎，他們發(fā)

15、現(xiàn)的放射年的諾貝爾化學(xué)獎，他們發(fā)現(xiàn)的放射性元素性元素3015P 衰變成衰變成3014Si的同時放出另一種粒子，的同時放出另一種粒子，這種粒子是什么這種粒子是什么? 3215P是是3015P的同位素，被廣的同位素，被廣泛應(yīng)用于生物示蹤技術(shù)。泛應(yīng)用于生物示蹤技術(shù)。1 mg 3215P隨時間衰變隨時間衰變的關(guān)系如圖所示，請估計的關(guān)系如圖所示，請估計4 mg的的3215P經(jīng)多少天經(jīng)多少天的衰變后還剩的衰變后還剩0.25 mg？第二節(jié)第二節(jié)放射源的種類及照射方式放射源的種類及照射方式一、放射源的種類一、放射源的種類： 1、 、 射線射線放射性同位素。放射性同位素。 2、普通、普通X射線（射線（KV級）級

16、）X線治療機。線治療機。 高能高能X射線（射線（MV級）級）加速器。加速器。 3、根據(jù)性質(zhì)分類根據(jù)性質(zhì)分類 X線與線與線線 電磁輻射電磁輻射(光子射線）光子射線） 電子束、質(zhì)子束、中子束、負(fù)電子束、質(zhì)子束、中子束、負(fù)介子束子束 重重 粒子束等粒子束等粒子輻射（粒子射線）。粒子輻射（粒子射線）。：二、放療的基本照射方式：二、放療的基本照射方式： 1 1、體外照射體外照射( (外照射外照射) )：又稱體外遠(yuǎn)距離照射：指放射又稱體外遠(yuǎn)距離照射：指放射源位于體外一定距離源位于體外一定距離(80-100(80-100厘米厘米) )，集中照射人體某一，集中照射人體某一部位。部位。是最常用的。如是最常用的。

17、如X X線機、線機、60Co60Co機、機、X X刀等。刀等。 2 2、體內(nèi)照射體內(nèi)照射( (包括包括組織間放療組織間放療和和腔內(nèi)放療腔內(nèi)放療) )：又稱又稱近近距離治療距離治療( (，指將放射源密封直接放入被治療的組織內(nèi)，指將放射源密封直接放入被治療的組織內(nèi)( (組織間放療組織間放療) )或放入人體的天然體腔內(nèi)或放入人體的天然體腔內(nèi)( (腔內(nèi)放療腔內(nèi)放療) )進行進行照射。放射源與被治療的部位距離在照射。放射源與被治療的部位距離在5cm5cm以內(nèi)，故稱近距以內(nèi)，故稱近距離離。限用于腫瘤體積較小，邊界較清晰的腫瘤。如腔內(nèi)、。限用于腫瘤體積較小，邊界較清晰的腫瘤。如腔內(nèi)、管內(nèi)后裝，組織間插植等。

18、管內(nèi)后裝，組織間插植等。第三節(jié)第三節(jié)射線的產(chǎn)生及放射治療機射線的產(chǎn)生及放射治療機（一）電子線與物質(zhì)相互作用（一）電子線與物質(zhì)相互作用1.彈性散射：彈性散射：電子穿過原子時改變了入射電子的遠(yuǎn)動方向，電子本身狀態(tài)無變化。光子與物質(zhì)的相互作用：光子與物質(zhì)的相互作用： 光電效應(yīng)：光子與原子的內(nèi)層電子的相互作用光電效應(yīng)：光子與原子的內(nèi)層電子的相互作用 康普頓效應(yīng)：光子與外層電子的相互作用康普頓效應(yīng)：光子與外層電子的相互作用 電子對效應(yīng)：光子與原子核的相互作用電子對效應(yīng)：光子與原子核的相互作用 低能X線有很強的光電吸收； 高能X線（2MeV）幾乎全部為康普頓吸收； 能量50 MeV 時，電子對吸收為主要形

19、式。（二二）放射治療設(shè)備放射治療設(shè)備 置。置。 第四節(jié)第四節(jié) 常用放射線的物理特性常用放射線的物理特性 （2）、幾種常見、幾種常見線同位素源及其特性線同位素源及其特性 2 2、鈷、鈷-60-60遠(yuǎn)距離治療機：遠(yuǎn)距離治療機： 是利用放射性同位素鈷是利用放射性同位素鈷-60發(fā)射出的發(fā)射出的射線治療腫瘤的裝置。射線治療腫瘤的裝置。 其產(chǎn)生的其產(chǎn)生的線平均能量線平均能量1.25MV 相當(dāng)相當(dāng)于于4MV左右加速器產(chǎn)生的左右加速器產(chǎn)生的X線。線。（四）、醫(yī)用電子直線加速器（四）、醫(yī)用電子直線加速器 除打靶產(chǎn)生高能除打靶產(chǎn)生高能X線（線（MV)外，還能直接引出外，還能直接引出高能電子束，其能量范圍高能電子束

20、，其能量范圍450MeV之間。之間。 單能單能X線加速器線加速器 單能單能X線線+電子線加速器電子線加速器 雙能雙能X線線+電子線加速器電子線加速器 三能三能X線線+電子線加速器電子線加速器二、二、線的產(chǎn)生及線的產(chǎn)生及鈷鈷6060治療機治療機 1、線的產(chǎn)生及其特性線的產(chǎn)生及其特性 （1）產(chǎn)生：）產(chǎn)生： 線是由放射性同位素產(chǎn)生的，線是由放射性同位素產(chǎn)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、鈷、鈷-60-60治療機的半影問題治療機的半影問題 半影的定義半影的定義：射野邊緣劑量隨離開中心：射野邊緣劑量隨離開中心軸距離增加而急劇變化的范圍，用軸距離增加而急劇變化的范圍，用P P

21、90-10%90-10%或或P P80-20%80-20%表示。有下列三種原因造成鈷表示。有下列三種原因造成鈷-60-60治治療機有半影療機有半影( (圖圖2-1-9)2-1-9)三、普通三、普通X X線與高能線與高能X X線、線、射線的比較射線的比較 五、高能電子束五、高能電子束 電子束是帶電粒子，由加速器產(chǎn)生。具有電子束是帶電粒子，由加速器產(chǎn)生。具有以下臨床劑量學(xué)特點：以下臨床劑量學(xué)特點： 在組織中具有一定的射程，射程深度與電在組織中具有一定的射程，射程深度與電子能量呈正比，從加速器中引出的電子能量可子能量呈正比，從加速器中引出的電子能量可以調(diào)節(jié)，可以根據(jù)病變的不同深度選擇合適的以調(diào)節(jié)，可

22、以根據(jù)病變的不同深度選擇合適的電子能量作治療。電子線的能量：電子能量作治療。電子線的能量： E=3d(腫瘤深度腫瘤深度)+23MeV 。 劑量曲線劑量曲線：從表面到一定深度，劑量分布：從表面到一定深度，劑量分布均勻，達到一定深度后，劑量迅速下降，可保均勻，達到一定深度后，劑量迅速下降，可保護病變后面的正常組織。護病變后面的正常組織。 不同組織如骨、肌肉、脂肪對電子束的吸不同組織如骨、肌肉、脂肪對電子束的吸收差別不顯著，但對組織中氣腔應(yīng)進行劑量效收差別不顯著，但對組織中氣腔應(yīng)進行劑量效正。正。 單野照射治療表淺及偏心部位的腫瘤。單野照射治療表淺及偏心部位的腫瘤。四、醫(yī)用加速器與Co60治療機的比

23、較 六、高線性能量傳遞射線六、高線性能量傳遞射線( (高高LETLET射線射線) ) 線性能量傳遞線性能量傳遞( LET)( LET)：是致電離粒子在組織中是致電離粒子在組織中沿次級粒子徑跡上單位長度的能量轉(zhuǎn)換。沿次級粒子徑跡上單位長度的能量轉(zhuǎn)換。 LETLET值值100KeV/100KeV/稱之為低稱之為低LETLET射線，這類射線，這類射線的生物效應(yīng)大小對細(xì)胞的含射線的生物效應(yīng)大小對細(xì)胞的含O O2 2情況及細(xì)胞的情況及細(xì)胞的生長周期依賴較大，即：對乏生長周期依賴較大，即：對乏O O2 2細(xì)胞和細(xì)胞和G G0 0期細(xì)胞期細(xì)胞作用小。作用小。 1、高、高LET射線包括快中子、質(zhì)子、射線包括快

24、中子、質(zhì)子、負(fù)介子負(fù)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、這類射線的生物效應(yīng)大小對細(xì)胞的含氧情、這類射線的生物效應(yīng)大小對細(xì)胞的含氧情況和細(xì)胞生長周期依賴較小。況和細(xì)胞生長周期依賴較小。 3、物理特性好，除去快中子不帶電外，所有、物理特性好，除去快中子不帶電外，所有其他粒子都帶電，因此具有一定的射程，具有電其他粒子都帶電，因此具有一定的射程，具有電離吸收峰離吸收峰(Bragg峰峰)型劑量曲線。型劑量曲線。4、用單一照射野就可以得到較好的劑量分布。、用單一照射野就可以得到較好的劑量分布。第四節(jié)第四節(jié) 射線的基本計量單位及劑量學(xué)射線的基本計量單位及劑量學(xué) 第一第一節(jié)節(jié) 百分深度劑量分布百分深度劑量分布放射源（放射源（S） 一般規(guī)定為放射一般規(guī)