放射物理与防护全套课件.ppt

1、放射物理与防护 Radiological Physics and Radiation Protection第一章 物质结构一、原子的基本状况 目前已知的地球元素有107种，其中93种是地球上天然存在的，15种是人造元素。任何原子都是由小而致密的原子核和核外高速绕行的电子所组成的。一个原子就如同太阳系一样，它的核如同太阳，核外电子如同行星，沿一定轨道绕原子核旋转。原子核带正电荷，核外电子带负电荷。在正常情况下，原子核所带正电荷量与核外电子所带负电荷量相等。因此整个原子对外呈现中性。原子的质量和体积都极其微小，一 个 氢 原 子 的 质 量 是1.673510-27 kg，较重的铀原子也只有3.9

2、51 10-25 kg。原子的直径为10-10 m数量级，如果把1亿个原子挨个排成一行，它的长度仅有lcm。原子核比原子还要小，核半径仅为原子半径的万分之一到十万分之一，原子核的几何截面积仅为原子的几千亿分之一。假设原子有一座10层楼那么大，原子核只有樱挑那么小。由此可见，原子内有一个相对来说很大的空间，核外电子就像几粒尘埃一样在这个庞大的空间里绕核旋转。由于原子的这种“空虚”性，一个高速电子或X线光子可以很容易地穿过许多原子后，才会与某个原子发生碰撞。二、原子核及核外轨道电子 原子核由质子和中子所组成，通常又把质子和中子统称为核子。每个质子带1个单位的正电荷，中子不带电呈中性。因此，原子核所

3、带电荷数由质子数决定。核电荷数用Z表示。即 核电荷数(Z)=核内质子数=核外电子数 其中X表示原子，A为质量数；Z为质子数(即原子序数)质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N)只要知道上述3个数中任意2个，就可推算出另1个的数值来。如钨原子核内有74个质子，质量数为184，则中子数为：N=A Z=184 74=110 碘的原子质量数为131，核内具有53个质子，则中子数为：N=A Z=131 53=78 核外轨道电子 核外电子按一定轨道高速绕核运行。通常每个轨道上只有一个电子，由于其运行受到多个参数的影响，故参数相近的电子近乎在同样的空间运行，这个容纳多个轨道的空间范围称为电子层。距原子核由近

4、及远依次可分为K、L、M、N、O层。各层轨道电子均有特定的能量。三、原子能级原子能级 (P5)各层轨道电子均有特定的能量。这是因为核外带负电的轨道电子处于带正电的核电场中，具有负电势能；轨道电子绕核运动具有动能，这两部份能量的代数和，就是该壳层电子在原子中的总能量。电子在不连续的轨道上运动,原子所具有的能量也是不连续的,这种不连续的能量状态称为原子的能级原子的能级.电子在不同轨道上的能量大小与其所在的轨道数有关，内层轨道的能级低，外层轨道能级高。正常情况下，电子先填满内层轨道，然后依次向外填充，这时原子处于最低能量状态（能量最低原理）。当内层轨道电子从外界得到能量时会转移到能量较高的外层轨道上

5、去,此时的原子处于不稳定状态(受激态),根据能量最低原理,内层轨道空位立刻有外层电子填充并释放能量.原子核对核外电子有很强的吸引力，离核最近的K层电子所受引力最大。显然，要从原子中移走K电子所需能量也最多，外层电子受核的引力较小，移走外层电子所需能量也较少。通常把移走原子中某壳层轨道电子所需要的最小能量，称为该壳层电子在原子中的结合能。基基态态：原子处于最低能量状态，电子运行时如既 不向外界辐射也不向外界吸收能量，处于基态的原子最稳定。受受 激激 态态：电 子 吸 收 了 一 定 大 小 的 能 量 后（某 两 个 能 级差的能量），电子跳跃到一更高的能级轨道上，此时原子不稳定，称受激态。跃迁

6、跃迁：外层轨道电子或自由电子填充空位，同时放出一个能量为hv的光子。（该光子的能量大小取决于两轨道之间的能级差）电电离离：电子吸收了足够大的能量而摆脱原子核的束缚而成为自由电子。hv 基态基态 受激态受激态 基态基态 跃迁跃迁 激发激发 当原子从基态 到受激态再回到基态时，它将发射（或吸收）具有一定频率的单色光子，其频率为：E2 E1 =-h 四、同位素同位素 凡其有相同的质子数（原子序数）和不同的中子数的同一类元素称为同位素(isotope)。几乎所有元素都有同位素。例如氢元素H，H在元素周期表中处于同一位置，因质量数不同它有三种核素，分别为氕、氘、氚。其中，氕是一个不含中子的氢原子，氘含有

7、一个中子，是重氢，氚则含有两个中子，是超重氢，但它们的原子序数相同，可互称同位素。重氢和超重氢是制造氢弹的原材料。已知107种元素有2000余种同位素。同位素又有稳定性同位素和不稳定性同位素之分，已知稳定性同位素有270余种，而不稳定性同位素有1700余种。不稳定性同位素又称为放射性同位素。放射性同位素又分为天然放射性和人工放射性同位素(简称人造放射性同位素)。人造放射性同位素主要由反应堆和加速器制备。原子序数很高的那些重元素，如铀(u)、钍(Tu)、镭(Ra)等，它们的核很不稳定，自发地放出射线，变为另一种元素的原子核。原子核的衰变原子核的衰变：放射性同位素原子核不稳定，能自发地 放出、射线

8、而变成另一种元素 的现象。射线射线：由粒子组成，粒子是有2个质子和2个中 子组成的带2个正电荷的氦核。射线射线：由粒子组成，粒子就是从原子核内释放 出的带一个负电荷的电子。射线射线：由光子组成，它是在原子核衰变时从核内释 放出的不带电的高能量光子。半衰期半衰期：放射性核素的数目减少到原来的一半所需要的时间称之。放射性活度放射性活度：单 位 时 间 内 原 子 核 衰 变 的 数 目 称 为 放 射 性 活 度(radioactivity)，简称活度。第二章第二章 X线的产生线的产生 一、一、X线的发现线的发现 X线是德国著名物理学家伦琴于1895年11月8日发现的。X线的发现在科学史上是个极其

9、重大的事件，它给人类历史和科技发展带来巨大的影响，并由此开创了物理学和影像医学的崭新时代。X线成像技术与后来发展起来的核医学成像、超声成像、X线CT、磁共振成像、热图像、介入性放射学和内镜等技术共同组成现代医学影像学的崭新领域。二、二、X线的产生条件线的产生条件 电子源 使电子在某个空间高速运动 靶 三、X线产生装置四、X线产生原理（一）电子与物质的相互作用 1、电离 电子通过物质时，与其原子核外的轨道电子发生作用，使电子脱离轨道形成自由电子。失去电子的原子带正电，与前者形成正、负离子对，这一过程称为电离。它是电离辐射的主要机制，也是某些放射性探测器测量射线的物理基础。高速电子与原子的外层电子

10、作用时，可以使原子电离而损失部分能量E。当入射电子的能量损失大，并且大于外层电子的电离能时，则靶原子被电离，其外层电子脱离靶原子并且具有一定的动能，如果电离出的电子动能大于100eV，则称此电离出的电子叫电子。电子是电离电子中能量较高的那一部分，它与入射电子一样可以使原子激发或电离，也可以与原子核和内层电子相互作用而逐渐损失能量。2、激发 高速电子通过物质时，作用于轨道电子，轨道电子获得 能量从低能态轨道跃迁到高能态轨道，这种现象称为激发。此时原子处于受激态，不稳定。当该电子退激时（跃迁），获得的能量将以光能或热能的形式释出。外层轨道电子受激退激时产生热能，内层轨道电子受激退激时产生射线。3、

11、散射 电子受到物质原子核库仑电场的作用而发生方向偏折，称散射。散射对测量及防护都有一定程度的影响。4、韧致辐射 电子在介质中受到阻滞、急剧减速时，将部分能量转化为电磁辐射(即X射线)，称为韧致辐射，又称连续辐射。（二）连续X线 对X线管发出的X线进行光谱分析，发现它由两种成分组成，一种X线谱是连续的，称为连续X线；另一种则是线状的，称为特征X线。可见X线是由这两种成分组成的混合射线。1、连续X线的产生原理 连续X线产生的物理过程是轫致辐射 高速电子进入到原子核附近的强电场区域，然后飞离强电场区域从而完成一次电子与原子核的相互作用时，电子的速度大小和方向必然发生变化。电子损失的能量将以电磁波（包

12、括X线）形式向外辐射。电子的这种能量辐射叫轫致辐射。由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同，且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用对应的辐射损失也不同，因而发出的X线光子频率也互不相同。大量的X线光子组成了具有频率连续的X线光谱。下图是使用钨靶X线管，管电流保持不变，将管电压从20KV逐步增加到50KV，同时测量各波段的相对强度而绘制成的X线谱。下图是使用钨靶X线管，管电流保持不变，将管电压从20KV逐步增加到50KV，同时测量各波段的相对强度而绘制成的X线谱。2、连续X线的最短波长、最强波长、平均波长及最大光子能量。最短波长：最强波长：最强 =1.5 min 平均波

13、长 平均=2.5min 最大光子能量 =hvmaX 3影响连续X线的因素:连续X线的总强度(I连)与管电流(i)、管电压(U)、靶原子序数(Z)的关系可用下面公式近似表示出来:I连=K1 I Z Un (三)标识(特征)X线 1标识X线的产生的原理 X-ray 基态基态 受激态受激态 基态基态 跃迁跃迁 激发激发 2特征X线的激发电压 靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合能，只有当入射高速电子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱造成电子空位，产生特征X线。3影响特征X线的因素：KV MAS4.连续X线和特征X线的比例大小.五、五、X线的量与质线的量与质 习惯上常用X线强度来表示X线的量与质。

14、所谓X线强度是指在垂直于X线传播方向单位面积上，在单位时间内通过光子数量与能量乘积的总和。可见X线强度(I)是由光子数目(N)和光子能量(hv)两个因素决定的。即：I =N hv1、X线线的的量量 在实际放射工作中，作为一种简便方法，一般是用管电流(mA)和照射时间(s)的乘积来反映X线的量，以毫安秒(mAs)为单位。管电压一定时，X线管的管电流的大小反应了阴极灯丝发射电子的情况。管电流大，表明单位时间撞击阳极靶的电子数多，由此激发出的X线光子数也正比地增加；照射时间长，X线量也正比地增大。所以管电流和照射时间的乘积能反映X线的量。2、影响、影响X线量的因素线量的因素 1）靶原子序数的影响：在

15、管电压、管电流、投照时间相同的情况下，阳极靶的原子序数愈高，X线的量愈大。从图56中可见，曲线的两个端点都重合。其高能端重合，说明了X线谱的最大光子能量与管电压有关而与靶物质无关；低能端重合是因为X线管固有滤过的限制，低能成分被管壁吸收的缘故。射线的最大强度都呈现在相同的光子能量处。2）管电流的影响：）管电流的影响：在一定管电压下同种靶物质和相同的照射时间，X线的量与管电流成正比，管电压一定时，X线管的管电流的大小反应了阴极灯丝发射电子的情况，管电流越大表明阴极发射的电子越多，因而电子撞击阳极靶产生的X线的量也越大：发射出的X线的强度也就越大(质不变，量增加)。图47及下图是在管电压和其他条件

16、不变的情况下，管电流对X线量的影响。图中看到100mA和250mA的两条曲线，其X线最短波长和最长波长都完全一样，只是曲线下所包的面积不同。显然管电流大的X线量大，反之就小。图3-9管电流对X线量的影响3）管电压的影响：）管电压的影响：在相同mAs同种靶物质的条件下，X线的量与管电压的n次方成正比。3、X线的质线的质 X线的质又称线质，它表示X线的硬度，即穿透物质本领的大小。X线质完全由光子能量决定，而与光子个数无关。在实际应用中是以管电压和滤过情况来反映X线的质。这是因为管电压高、激发的X线光子能量大，即线质硬；滤过板厚，连续谱中低能成分被吸收的多，透过滤过板的高能成分增加，使X线束的线质变硬。在滤过情况一定时，常用管电压的千伏值来粗略描述X线的质。在工作中描述X线质除千伏值外，还用半价层、半值深度等物理量来表示X线质。4、影响、影响X线质的因素线质的因素 1）管电压（千伏值）的影响 X线的质仅取决于管电压的千伏值。无论何种靶物质，在一定管电压下所产生的连续X线谱的最短波长和最长波长是相同的。光子的最大能量完全由管电压控制。连续X线的质随管电压升高而变硬，但特征X线的质只与靶物质有关