放射物理基礎(chǔ)知識-課件

放射物理基本知識1PPT課件原子物理基本概念放射性核素帶電粒子與物質(zhì)相互作用X射線與物質(zhì)的相互作用放射性核素與射線裝置2PPT課件原子：組成物質(zhì)的微小單元結(jié)構(gòu)：原子核核子核外電子：帶負(fù)電一原子物理基本概念質(zhì)子:帶正電中子:不帶電3PPT課件

原子名稱的表示AZX

元素符號X

原子質(zhì)量A：核子數(shù)=中子+質(zhì)子

原子序數(shù)Z

：原子在元素周期表中的序號。數(shù)值上等于原子核的核電荷數(shù)（即質(zhì)子數(shù)）或中性原子的核外電子數(shù)原子物理基本概念4PPT課件核素：質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)相同,并具有相同能態(tài)的一類原子,如果核子數(shù)、中子數(shù)、質(zhì)子數(shù)和能態(tài)只要有一個不同，就是不同的核素。原子物理基本概念

兩種核素，A同，Z、N不同。兩種核素，N同，A、Z不同。60Co60mCo兩種核素，A、Z、N同，能態(tài)不同。

99Tc

99mTc

同質(zhì)異能兩種核素，Z同，A、N不同。5PPT課件

核素一般分為放射性核素和穩(wěn)定核素。如鍶-90，钚-239等具有放射性的核素稱為放射性核素。如碳-12，氧-16等非放射性的核素稱為穩(wěn)定核素。到目前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2000多種核素，有近300種核素是穩(wěn)定的，其余都是不穩(wěn)定核素。原子物理基本概念6PPT課件元素：具有相同原子序數(shù)（質(zhì)子數(shù)）的原子同位素：質(zhì)子數(shù)相同中子數(shù)不同的原子總稱，同位是指該同位素的各核素在元素周期表中處于同一個位置,它們具有基本相同的化學(xué)性質(zhì)如碳的三個同位素，質(zhì)子數(shù)=6

但中子分別為：12C、13C和14C,統(tǒng)稱為碳的同位素而錳、鈹、氟、鋁等在天然條件下,只存在一種核素,稱為單一核素而不能說它們只有一種同位素。原子物理基本概念7PPT課件原子物理基本概念原子結(jié)構(gòu)—殼層結(jié)構(gòu)

原子核外電子的分布和運動狀態(tài)遵循量子力學(xué)規(guī)律

主量子數(shù)n決定電子構(gòu)成殼層數(shù):1，2，3，4，….殼層，分別為K，L，M，N，….殼層，每個殼層最多可容納的電子為2n2。每個主量子數(shù)n還包括次殼層軌道角量子數(shù)l：=0，1，2，3….，分別為s，p，d….，每個次殼層最多可容納的電子為2l（l+1）

n

和ｌ量子數(shù)決定了電子所具有的能量高低，離核越遠(yuǎn)的殼層，電子具有的能量越高8PPT課件原子結(jié)構(gòu)—殼層結(jié)構(gòu)能級：原子根據(jù)核外電子處于不同的殼層狀態(tài)所呈現(xiàn)的能量級別電子所處的殼層從內(nèi)到外能級為增加基態(tài)：電子填充殼層時按照能級從低到高順序，使原子處于能量最低的狀態(tài)激發(fā)態(tài)：當(dāng)電子獲得能量后從低能級殼層躍遷到高能級殼層，而出現(xiàn)低能級殼層空位，即原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這種狀態(tài)不會持久，會迅速釋放能量恢復(fù)到基態(tài)原子物理基本概念9PPT課件特征X射線：若原子激發(fā)發(fā)生在內(nèi)殼層，如K，L….使電子離開原子而發(fā)射出去，形成內(nèi)殼層空穴，瞬時被外殼層電子填充，導(dǎo)致輻射發(fā)生，產(chǎn)生特征X射線。束縛能：指原子核對殼層電子的束縛能（或結(jié)合能），軌道電子的結(jié)合能隨n和1的增大而減小。原子物理基本概念10PPT課件原子質(zhì)量

原子質(zhì)量很小，很難用g表示，通常采用相對質(zhì)量表示：即以碳原子（12C）質(zhì)量的十二分之一作為標(biāo)準(zhǔn)，相對原子質(zhì)量=原子質(zhì)量/（12C的質(zhì)量×1/12）。相對原子質(zhì)量數(shù)值上≈中子數(shù)+質(zhì)子數(shù)（電子的質(zhì)量約為質(zhì)子質(zhì)量的萬分之一）原子物理基本概念11PPT課件原子物理基本概念能量單位：國際單位焦?fàn)?1J原子能單位：1eV=1電子伏特（在真空中一個電子通過1V的電位差時所獲得的動能）

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

基本概念和術(shù)語放射性衰變：核素（母核）自發(fā)地釋放輻射線（光子或粒子），導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)的改變而轉(zhuǎn)變成另一種核素（子核）的過程。

13PPT課件放射性活度：單位時間內(nèi)由一特定核能態(tài)發(fā)生核躍遷數(shù)的期望值。用ci或Bq表示

lBq=放射性物質(zhì)在1秒鐘內(nèi)有1個原子核發(fā)生衰變

1ci=3.71010Bq放射性核素14PPT課件放射性比活度：是放射性物質(zhì)純度的指標(biāo)。因放射源中含有大量的相同元素的穩(wěn)定同位素和其它元素的穩(wěn)定同位素即單位質(zhì)量中或單位體積中的放射性活度。單位分別是“貝克/千克”和“貝克/升

放射性核素15PPT課件

原子核發(fā)生衰變時，母核由于不斷生成子核，因此隨著時間t的增加，母核數(shù)目將不斷減少。放射性核素衰變遵從的指數(shù)衰變規(guī)律：

N=N0×e-λt用活度表示：A=A0×e-λtNo（A0）為起始時刻（t=0）放射性原子核的數(shù)目（活度）。N（A）為t時刻放射性原子核的數(shù)目（活度）。放射性核素放射性核素衰變規(guī)律16PPT課件衰變常數(shù)：表示一個原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率，即N/t與放射性核素數(shù)N成正比。其比例常數(shù)為衰變常數(shù)。N/t=-N

放射性核素17PPT課件

半衰期：放射性活度或放射性核素數(shù)目衰減到初始值一半時所需時間。用T1/2表示。不同的放射性核素T1/2的差別可能很大，如：

238U：T1/2=45×108a，222氡，T1/2=3.825d。

=ln2/T1/2=0.693/T1/2，

T1/2與λ成反比關(guān)系，即T1/2愈長，衰變常數(shù)就愈??；T1/2愈短,λ愈大。

18PPT課件衰變類型原子核的衰變類型有αβγ。衰變放出的能量叫衰變能。衰變：

原子核自發(fā)地發(fā)出粒子（氦原子核24H）的蛻變過程放射性核素19PPT課件衰變原子核自發(fā)放出電子e-或正電子e+或捕獲一個軌道電子的過程

衰變：

—衰變：AZXAZ+1Y+e

++Q

+衰變：AZXAZ1Y+e+++Q軌道電子俘獲也是一種衰變：AZX+e

AZ1Y++Q式中：和表式中微子和反中微子。Q為衰變能。放射性核素20PPT課件

躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換

αβ衰變后的原子核可能處于激發(fā)態(tài)，通常會以躍遷方式退激，回到低能態(tài)或基態(tài)。射線的能量在KeVMeVγ射線是光子流，其波長很短，也可以說γ射線是波長很短的電磁波，由于它們不帶電，所以在磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。放出γ射線的原子核其質(zhì)量數(shù)、電荷數(shù)均保持不變，只是能量狀態(tài)發(fā)生了變化，故又稱這種過程為：“同質(zhì)異能躍遷”。例如常用γ放射源137Cs和60Co都是由于母核發(fā)生β-衰變后，子核處于較高激發(fā)態(tài)能級，在向較低能態(tài)或基態(tài)躍遷時便發(fā)出光子

放射性核素基態(tài)γγβ2760Co0.31MeV1.33MeV1.17MeV2860Ni21PPT課件

內(nèi)轉(zhuǎn)換也是一種退激方式，即是指處于激發(fā)態(tài)的原子核把激發(fā)能給予核外電子，結(jié)果使該電子從殼層發(fā)射出來，而原子核則從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)。內(nèi)轉(zhuǎn)換也是γ躍遷的一種，因為這種躍遷不放出光子，所以又稱這種躍遷為“無輻射躍遷”。電子由于內(nèi)轉(zhuǎn)換被發(fā)射出去，外層電子填補(bǔ)空位仍可能發(fā)射特征X射線。放射性核素22PPT課件αβγ三種射線的特性電離能力穿透能力α（原子核）最強(qiáng)最弱β（電子)中中γ（高能光子）最弱最強(qiáng)放射性核素23PPT課件常用放射性同位素的衰變形式、半衰期和射線能量

放射性核素符號射線種類射線平均能量半衰期鐳—226226Ra0.83MeV1590a

鈷—6060Co1.25MeV5.271a

銫—137137Cs0.662MeV33.0a

銥—192192Ir0.36MeV74.2d

碘—125125I28KeV59d

锎—252252Cfn2.35MeV2.65a放射性核素24PPT課件三帶電粒子與物質(zhì)相互作用一般特征非彈性碰撞：帶電粒子與核外電子----碰撞損失帶電粒子與原子核----輻射損失彈性碰撞：帶電粒子與核外電子或原子核----僅改變帶電粒子的速度和方向，不改變原子本身的狀態(tài)25PPT課件彈性碰撞

僅當(dāng)帶電粒子的運動速度不高于2183km/s時才會發(fā)生，與該速度對應(yīng)的粒子的動能分別為：

α粒子：0.1Mev

質(zhì)子：0.025Mev

電子：0.0135Mev

通常遇到的質(zhì)子、α粒子的能量比上述高很多，因此，重帶電粒子在彈性碰撞過程中損失的能量幾可忽略。在常見電子能量范圍內(nèi)，彈性碰撞的能量損失不超過0.15%。且電子能量越高，發(fā)生彈性碰撞幾率越小。帶電粒子與物質(zhì)相互作用26PPT課件非彈性碰撞的三種情況作用原子外層電子作用原子內(nèi)層電子釋放光子-----特征X射線作用原子核釋放光子-----韌致輻射激發(fā)：釋放光和熱電離：釋放δ電子不產(chǎn)生X射線帶電粒子與物質(zhì)相互作用27PPT課件帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞-------電離和激發(fā)電離：入射帶電粒子（如電子）將能量傳遞給原子核外電子，電子獲得的能量大于原子核對它的束縛能量時，電子就可以離開原子，使原來呈中性的原子變成一個帶正電的“離子”，激發(fā)：入射帶電粒子傳遞給原子核外電子較少能量，電子不足擺脫原子核束縛，電子可以向外殼越遷使原子處于激發(fā)狀態(tài)。此過程稱為“激發(fā)”激發(fā)原子退激時發(fā)光ee-+ee帶電粒子與物質(zhì)相互作用28PPT課件散射：帶電粒子受到原子核庫侖場作用發(fā)生運動方向偏轉(zhuǎn)或能量改變，粒子自身質(zhì)量越小，散射作用越明顯。吸收：帶電粒子通過物質(zhì)時，由于與物質(zhì)相互作用，

結(jié)果使它們的強(qiáng)度減弱，最后停留在物質(zhì)中，稱為吸收射程：帶電粒子沿入射方向，從入射位置到完全停止置所經(jīng)過的距離。帶電粒子與物質(zhì)相互作用29PPT課件帶電粒子與原子核的非彈性碰撞輻射損失：入射帶電粒子與原子核之間的庫侖力作用，使入射帶電粒子的方向和速度發(fā)生改變，運動狀態(tài)的改變伴隨發(fā)生電磁輻射，使入射帶電粒子的能量損失。此稱為“輻射損失”。因電子質(zhì)量小，與原子核碰撞時運動狀態(tài)改變顯著韌致輻射：當(dāng)快速帶電粒子穿過物質(zhì)時，受核庫倫場作用而改變速度，這時粒子的動能的一部分會以電磁波的形式輻射出來帶電粒子與物質(zhì)相互作用30PPT課件電離損失和輻射損失的相對重要性臨床應(yīng)用的能量范圍內(nèi)，總能量損失為電離損失和輻射損失之和，其它作用過程的能量損失可忽略重帶電粒子：輻射損失可以忽略

SS

總=()col

如α粒子，主要與核外電子作用，產(chǎn)生電離和激發(fā)損失能量電子：輻射損失和電離損失的相對重要性

SSZE

（）rad/()col800MeVZ:靶原子的原子序數(shù)E：入射電子的動能帶電粒子與物質(zhì)相互作用31PPT課件

帶電電離粒子或不帶電電離粒子與物質(zhì)相互作用而引起物質(zhì)的某種變化，最終都是通過帶電電離粒子與物質(zhì)相互作用完成的，阻止本領(lǐng)是描述帶電電離粒子在物質(zhì)中損失能量的過程。即用能量損失與穿過的路程之比來定量描述帶電電離粒子損失能量的過程就是阻止本領(lǐng)的概念X射線與物質(zhì)的相互作用能量損失用阻止本領(lǐng)予以定量32PPT課件四X（γ）射線與物質(zhì)的相互作用

來源伴隨核衰變的γ射線軔致輻射

當(dāng)快電子與物質(zhì)相互作用時，其部分能量轉(zhuǎn)換成軔致輻射，其轉(zhuǎn)換的份額隨能量的增加而增加；隨吸收物質(zhì)的原子序數(shù)的增加而增加，能量連續(xù)分布另外還有湮沒輻射、伴隨核反應(yīng)的γ射線、特征X射線33PPT課件由于X射線不帶電，在物質(zhì)中的穿透情況不能“射程”來描述。帶電粒子是多次與電子和核碰撞作用（電離和激發(fā)），每一次碰撞能量損失很小，逐漸損失能量；光子可以與物質(zhì)中的原子一次碰撞損失全部或大部分能量。X射線穿過物質(zhì)時，不能直接引起物質(zhì)電離和激發(fā)，而是通過一次碰撞損失大部分或全部能量，將能量傳給次級電子，其能量不變，強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減X射線同物質(zhì)相互作用完全不同于帶電粒子主要區(qū)別在：34PPT課件X射線與物質(zhì)的相互作用方式光子能量小于30MeV，主要相互作用方式：光電效應(yīng)：康普頓散射：電子對效應(yīng)：X射線與物質(zhì)相互作用35PPT課件光電效應(yīng)：X射線全部能量轉(zhuǎn)移給原子中的內(nèi)層

(主要是K層）束縛電子使其從原子中發(fā)射出來，光子本身消逝

e-

光電子特征X線入射光子hnX射線與物質(zhì)相互作用36PPT課件康普頓散射：光子與原子中的外層束縛電子作用，光子的一部分能量轉(zhuǎn)移給電子使它反沖出來，散射光子本身的能量和運動方向發(fā)身發(fā)生變化e-康普頓電子hn散射光子hn入射光子X射線與物質(zhì)相互作用37PPT課件電子對效應(yīng)：光子與靶原子核的庫侖場作用，光子被吸收后轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子對。e-

負(fù)電子e+正電子hn>1.02MeV光子0.511Mev0.511MevX射線與物質(zhì)相互作用38PPT課件X射線與物質(zhì)的相互作用X、γ射線進(jìn)入物質(zhì)后，有可能不經(jīng)過任何相互作用而穿透出去。一旦發(fā)生了相互作用，則會按照三種過程被吸收或散射。光子究竟發(fā)生何種相互作用過程，與：光子能量和物質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。光電效應(yīng)

10KeV~30KeV低能光子與高原子序數(shù)物質(zhì)作用，光電效應(yīng)占優(yōu)勢，發(fā)生幾率大約與原子序數(shù)的4次方成正比康普頓散射

30KeV~25MeV中能光子與物質(zhì)作用，康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢，發(fā)生幾率與原子序數(shù)無關(guān)，但與物質(zhì)的單位體積的電子密度相關(guān)電子對效應(yīng)

光子和原子核之間的作用，有能量閾值，為1.02MeV，發(fā)生幾率隨能量增加而增加，在25MeV~100MeV高能光子與高原子序數(shù)物質(zhì)中電子對效應(yīng)占優(yōu)勢39PPT課件小結(jié)：幾類射線與物質(zhì)相互作用的特點重帶電粒子如α粒子

重帶電粒子能量損失的主要方式是電離損失，通過電離和激發(fā)逐漸損失能量。當(dāng)入射重帶電粒子穿過足夠厚的物質(zhì)時，具有平均射程。如果物質(zhì)的厚度遠(yuǎn)小于平均射程時，在入射方向上粒子的能量隨吸收物質(zhì)厚度的增加而逐漸減小，但強(qiáng)度基本不變。40PPT課件β射線（電子）

能量損失主要是通過電離能量損失、輻射能量損失而逐漸損失能量的。電子由于質(zhì)量小故散射現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，在穿過物質(zhì)時，既有能量的損失，也有強(qiáng)度的減少。電子在物質(zhì)中的穿透本領(lǐng)，采用電子的最大能量對應(yīng)的吸收物質(zhì)的厚度來表示，稱為電子在物質(zhì)中的最大射程。41PPT課件X射線

X射線按照一定的幾率與物質(zhì)發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)。在相互作用的過程中，一次損失全部或大部分能量。

穿過物質(zhì)后，在X射線入射的方向上的強(qiáng)度隨吸收物質(zhì)的厚度按照指數(shù)規(guī)律衰減、能量不變。所以，X射線沒有射程的概念可言。X射線在物質(zhì)中的穿透情況，也常常用半吸收厚度

d1/2

表示42PPT課件放射源的種類放射性同位素射線裝置五放射源和醫(yī)用射線裝置機(jī)X線機(jī)加速器中子發(fā)生器43PPT課件常用于臨床的放射性核素核素射線平均能量半衰期TVL鉛（HVL鉛)照射量率常數(shù)

空氣比釋動能

(MeV)(Rh-1mCi-1cm2)(Gyh-1GBq1m2)鐳-2260.831590aHVL鉛=1.3cm8.25195鈷-601.255.27aHVL鉛=1.27cm13.1309銫-1370.66233.0aTVL鉛=1.85cm3.378銥-1920.3674.2dTVL鉛=0.71cm4.8113碘-1250.02859dTVL鉛=0.025cm1.433金-1980.4122.7dHVL鉛=0.3cm2.3555.5鈀-1030.02217dTVL鉛=0.013cm1.4835.0此處，HVL和TVL分別為半值厚度和十分之一值厚度放射源和醫(yī)用射線裝置44PPT課件鈷-60治療機(jī)利用鈷-60的射線，（平均1.25MVT1/2=5.27年）作為外照射治療源。源位校正：在鈷-60長期使用中，放射源由“儲位”到“源位”的反復(fù)運動，放射源有可能不在準(zhǔn)確的“源位”，這將導(dǎo)致對稱性變差