医学放射生物学讲义

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1、 1 医学放射生物学讲义 2 第一章 电离辐射生物学作用的物理和化学基础 第一节 电离辐射生物学作用的物理和化学基础 电离辐射是指能引起被作用物质电离的射线。电离辐射可分为电磁辐射和 粒子辐射两大类。电磁辐射实质上是电磁波仅有能量没有静止质量。粒子辐 射是一些组成物质的基本粒子 或者是由这些基本粒子构成的原子核粒子辐射 既有能量又有静止质量是一些高速运动的粒子 一、电磁辐射 电磁辐射是以相互垂直的电场和磁场、 随时间变化而交变振荡、 形成向前运 动的电磁波。X 射线和 Y 射线都是电磁辐射。此外无线电波、微波、红外线、 可见光和紫外光也都属于电磁辐射。 但只有 X 射线和 Y 射线能引起物质分

2、子的电 离 为电离辐射。 其它为非电离辐射 不能引起物质的电离 只能引起分子振动、 转动或电子能级状态的改变。在这些电离辐射中它们具有相同的波速但频率 和波长彼此不同波长越短频率愈大者其能量愈高穿过物质的能力愈大。 从一个原子中释放出一个价电子需要的能量为 425ev 量级。 当电子和质子 等带电粒子的动能大于该值时 可将其称为电离辐射。 通常 将量子能大于 10ev 的光子视为电离辐射而将量子能小于 10ev 的光子称作非电离辐射。 二、粒子辐射 粒子辐射是一些组成物质的基本粒子或者由这些基本粒子构成的原子核 这些粒子具有运动能量和静止质量通过消耗自己的动能把能量传递给其它物 质主要的粒子辐

3、射有 粒子、 粒子或电子、质子、中子、负 介子和 带电重离子等几种主要粒子辐射的能量水平见下表。 3 第二节 放射与物质的相互作用 一、带电粒子与物质的相互作用 一电离ionization 带电粒子在从吸收物质原子旁掠过时 由于它们与壳层电子之间发生静电库 仑作用壳层电子便获得能量。如果壳层电子获得的能量足够大它便能够克服 原子核的束缚而脱离出来成为自由电子。 这时物质的原子便被分离成一个自由 电子和一个正离子它们合称离子对。这样一个过程就称为电离。脱离出来的自 由电子通常具有较高的功能 它又可以引起其它原子或分子电离 称为次级电离。 二激发excitation 带电粒子给予壳层电子的能量较小

4、 还不足以使它脱离原子的束缚而成为自 由电子但是却由能量较低的轨道跃迁到较高的轨道上去这个现象称为原子的 激发。处于激发态的原子是不稳定的。它要自发地跳回到原来的基态其中多余 的能量将以可见光或紫外光的形式释放出来这就是受激原子的发光现象。 三散射scattering 散射是带电粒子与被通过的介质的原子核发生相互作用的结果。 在这种作用 下带电粒子只改变运动方向不改变能量。方向改变的大小与带电粒子的质量 有关。 四轫致辐射bremsstrahlung 带电粒子与被通过的介质原子核相互作用 带电粒子突然减速 一部分动能 转变为连续能谱的电磁辐射释放出来。 这种作用随粒子的能量增加而增大与粒 子的

5、质量平方成反比与被通过介质的原子序数 Z 的平方成正比。 五吸收absorption 带电粒子在介质中通过由于与介质相互作用耗尽了能量而最终停止下来 这种现象称为被介质吸收。 二、光子与物质的相互作用 光子是电磁辐射可通过以下三种效应与介质发生作用。 一光电效应photoelectric effect 光子与介质的原子相互作用时整个光子被原子吸收其所有能量交给 原子中的一个电子。该电子获得能量后就离开原子而被发射出来称为光电子。 光电子能继续与介质作用。 4 二康普顿效应Compton effect 光子只将部分能量传递给原子中最外层电子使该电子脱离核的束缚从 原子中逸出。光子本身改变运动方向

6、。被发射出的电子称康普顿电子能继续与 介质发生相互作用。 三电子对产生electron pair production 能量大于 1.02M eV 的 光子在物质中通过时可与原子核碰撞转变成一 个电子和一个正电子 从原子中发射出来。被发射出的电子和正电子还能继续与 介质发生相互作用。 光子通过上述三种效应能量逐渐减弱、方向发生不同的改变最终也 可表现为被吸收。 三、中子与物质的相互作用 中子本身不带电 在通过物质时主要是与原子核发生作用 产生次级电离粒 子而使物质电离。 一弹性散射elastic scattering 弹性散射是中子通过物质时损失能量的重要方式。 原子核从中子动能中得到 一部分

7、能量而形成反冲核中子则失去部分动能且偏离原方向。反冲核越轻、反 冲角越大、反冲核得到的能量越多。反冲核动能和入射中子能量成正比。 二非弹性散射inelastic scattering 入射中子与原子核作用形成复合核 复合核放出中子后如处在激发态 则会 立即会放出 射线而回到基态。 入射中子的能量必须大于原子核的最低激发能 非弹性散射才可能发生。 三中子俘获neutron capture 慢中子或热中子与物质作用时 很容易被原子核俘获而产生核反应。 核反应 的产物可能是稳定核素也可能是放射性核素同时还释放出 光子和其它粒 子。某些稳定核素在慢中子作用下生成放射性核素称为感生放射性核素 induc

8、ed radionuclide它具有的放射性称为感生放射性(induced radioactivity)。 四、传能线密度和相对生物效应 一传能线密度linear energy transferLET LET 是反映能量在微观空间分布的物理量以 L表示。 5 L=(dE/dl) 式中 dl 是带电粒子的物质中穿行的路程以微米计是能量截止值、以 eV 为单位。只有能量转移小于的碰撞才有意义dE 是在 dl 路程内能量转移小 于的历次碰撞造成的能量丧失的总和。 所以传能线密度是带电粒子在物质中穿行单位路程时由能量转移小于 的历次碰撞所造成的能量损失。LET 反映的是很小一个空间中单位长度 m 路程

9、上能量转移的多少。 L的 SI 单位是“焦耳每米”Jm-1也可使用 keV m-1。重带电位粒子具有较高的 L值表 1-1。高 LET 辐射如 粒子、中子比低 LET 辐射 如 X、 射线的生物效应大。 表 11 不同类型和不同能量的电离辐射的传能线密度 辐射类型 粒子动能 MeV 传能线密度 keV/m 辐射类型 粒子动能 MeV 传能线密度 keV/m -线 1.171.33 0.3 中子 4 17 8 0.2 14 12 X-线 250kVp 3.33.8 质子 0.95 45 0.2 2.5 2.0 17 -粒子 0.0055 5.5 7.0 12 0.01 4.0 340 0.3 0

10、.1 0.7 -粒子 3.4 130 1.0 0.25 5.0 90 2.0 0.21 27 25 二相对生物效应relative biological effectivenessRBE 由于各种辐射的品质不同 在相同吸收剂量下 不同辐射的生物效应是不同 的反映这种差异的量称为相对生物效应RBE。相对生物效应是引起相同类 型相同水平生物效应时参考辐射的吸收剂量比所研究辐射所需剂量增加的倍 数。通常以 X 线或 线作为参考辐射参考辐射本身的 RBE1。辐射的 RBE 越 大其生物效应越高表 1-2。 表 12 各种电离辐射的相对生物效应 辐射种类 相对生物效应 X 1 1 6 热中子 3 中能中

11、子 58 快中子 10 10 重反冲核 20 第三节 辐射量及其单位 一、放射性活度 放射性活度radioactivity简称活度它的 SI 单位是“S-1”SI 单位专名是贝可勒尔Becquerel符号为 Bq。1Bq1 次衰变/秒。 暂时与 SI 并用的专用单位名称是居里 符号为 Ci。 1Ci3.71010Bq 或 1Bq1s-12.70310-11Ci。 可用克镭当量来表示 放射源的相对放射性活度。1 克镭当量表示一个 放射源的 射线对空气的电离作用和 1 克的标准镭源放在壁厚为 0.5 毫米的 铂铱合金管内且与其子体达到平衡的 1 克镭相当。 单位质量或单位体积的放射性物质的放射性活

12、度称为放射性比度 或比放射 性specific radioactivity。 二、照射量 照射量exposure doseX 是 dQ 除以 dm 所得的商其中 dQ 的值是在质量 为 dm 空气中由光子释放的全部电子负电子和正电子在空气中完全被阻止 时所产生的离子总电荷的绝对量即XdQ/dm。单位库仑千克-1C/kg。 暂时与 SI 并用的照射量的专用单位名称是伦琴Roentgen符号为 R 目前尚无 SI 单位专名与 SI 单位的关系为 1R2.5810-4Ckg-1。 伦琴的定义是 在 1R X 或 射线照射下 在 0.001293g 相当于 0和 760mm 汞柱大气压力下 1cm3干

13、燥空气的质量空气中所产生的次级电子在空气形成总电荷量为 1 静电单位的正离子或负离子。照射量只对空气而言仅适用于 X 或 射线。 三、吸收剂量 7 吸收剂量absorbed dose定义为 d 除以 dm 所得的商其中 d 是致电 离辐射给予质量为 dm 的受照物质的平均能量。即 Dd /dm。 吸收剂量的 SI 单位是焦耳千克-1Jkg-1 SI 单位专名是戈瑞 gray 符号 Gy。 暂时与SI 并用的专用单位名称是拉德 符号为 rad。 1Gy1Jkg-1100rad或 1rad10-2 Jkg-110-2Gy。 照射量 X 与吸收剂量 D 是两个意义完全不同的辐射量。照射量只能作为 X

14、 或 射线辐射场的量度描述电离辐射在空气中的电离本领而吸收剂量则可 以用于任何类型的电离辐射反映被照介质吸收辐射能量的程度。但是在两个 不同量之间在一定条件下相互可以换算。对于同种类、同能量的射线和同一种 被照物质来说吸收剂量是与照射量成正比的。由于 X 或 射线在空气中产生 一对离子的平均能量约为 32.5eV所以 1R 的 X 或 射线在空气中的吸收剂量 约为 0.838rad而在软组织中的吸收剂量约为 0.931rad。 四、当量剂量 相同的吸收剂量未必产生同样程度的生物效应因为生物效应受到辐射类 型、剂量与剂量率大小、照射条件、生物种类和个体生理差异等因素的影响。为 了比较不同类型辐射

15、引起的有害效应 在辐射防护中引进了一些系数当吸收剂 量乘上这些修正系数后 就可以用同一尺度来比较不同类型辐射照射所造成的生 物效应的严重程度或产生机率。 把乘上了适当的修正系数后的吸收剂量称为当量剂量equivalent dose 用符号 H 表示。当量剂量只限于防护中应用。组织中某点处的当量剂量 H 是 D、 Q 和 N 的乘积即 HDQN。式中D 是吸收剂量Q 是品质因子N 是其它 修正系数的乘积。目前指定 N 值为 1。 品质因子依不同类型辐射而异品质因子Q与传能线密度LET关系非 常密切表 1-3。 表 1-3 品质因子Q与传能线密度LET间的关系 水中的平均 LETkeV/ 品质因子 3.5 1 7.0 2 23 5 53 10 175 20 8 当量剂量 H 的 SI 单位是焦耳千克-1Jkg-1SI 单位专名是希沃特Sievert符号为 Sv。 暂时与 SI 并用的专用单位名称是雷姆符号为 rem。 1Sv1J/kg100rem。1