《辐射与物质的相互作用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《辐射与物质的相互作用（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第三章第三章 辐射与物质的相互作用辐射与物质的相互作用 1 1、辐射与物质的作用类型及能量损失、辐射与物质的作用类型及能量损失 2 2、电离辐射的生物学作用、电离辐射的生物学作用 3 3、生物靶的调节作用、生物靶的调节作用 4 4、影响电离辐射作用的主要因素、影响电离辐射作用的主要因素1. 辐射与物质的作辐射与物质的作 用类型及能量损失用类型及能量损失A. .辐射与物质作用的种类辐射与物质作用的种类一一. X（）射线与物质的作用射线与物质的作用二二. 射线与物质的作用射线与物质的作用三三. 射线与物质的作用射线与物质的作用四四. 中子中子与物质的作用与物质的作用五五. 带电重粒子带电重粒子与物
2、质的作用与物质的作用一一. .X ()射射线线与与物物质质的的相相互互作作用用.光电效应光电效应.康普顿效应康普顿效应+eehfhfhf .电子对效应电子对效应+hfZee-e+1、 X 线与物质相互作用的过程线与物质相互作用的过程(1).(1).光电效应特征光电效应特征 放出光电子的原子变成正离子并处放出光电子的原子变成正离子并处于激发态；外层电子向内层填充产生于激发态；外层电子向内层填充产生特征特征X X线线; ;特征线离开原子前又击出外特征线离开原子前又击出外层层( (俄歇俄歇) )电子电子. .光电子、正离子、特征光电子、正离子、特征X光子、俄光子、俄歇电子歇电子光电效应的次级粒子光电
3、效应的次级粒子.光电效应光电效应( (光子与原子内层电子作用光子与原子内层电子作用）(2). 光电效应的发生几率光电效应的发生几率a. 原子序数的影响原子序数的影响 光电效应几率光电效应几率 Z4 内层比外层发生几率大内层比外层发生几率大45倍倍但必须大于结合能但必须大于结合能c. 原子边界限吸收的影响原子边界限吸收的影响b. 入射光子能量入射光子能量的影响的影响 光电效应几率光电效应几率防护材料选取的依据防护材料选取的依据L限限K限限吸收限吸收限 吸收限吸收限光子能量光子能量光光电电质质量量衰衰减减系系数数.光电效应光电效应( (光子与原子内层电子作用光子与原子内层电子作用）(3). 光电子
4、的角分布光电子的角分布 光光电电子子的的角角分分布布与与入入射射X光子能量有关光子能量有关能量低能量低 大角度分散大角度分散能量高能量高 小角度集中小角度集中（电离方向）（电离方向）.光电效应光电效应( (光子与原子内层电子作用光子与原子内层电子作用）(4).(4).放射诊断学中的光电效应放射诊断学中的光电效应a. 优点优点提高成像质量提高成像质量b. 缺点缺点 入射入射X线通过光电效应几乎全部被人线通过光电效应几乎全部被人放疗时增加对肿瘤组织的剂量放疗时增加对肿瘤组织的剂量因光电转换减少散射线，故减少照片灰雾因光电转换减少散射线，故减少照片灰雾利用造影剂可增加对比度利用造影剂可增加对比度.光
5、电效应光电效应( (光子与原子内层电子作用光子与原子内层电子作用）体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有负面作用。负面作用。(1). 康普顿效应的发生几率康普顿效应的发生几率a.原子序数的影响原子序数的影响 康普顿效应几率康普顿效应几率 Z/A 除氢元素外，大多数材料具有相同的除氢元素外，大多数材料具有相同的Z/Ab. 入射光子能量入射光子能量的影响的影响 康普顿效应几率康普顿效应几率.康普顿效应康普顿效应( (与原子外层电子作用与原子外层电子作用）Crystal gratingX-Ray o （ o）康普顿康普顿 散射波长散射波长 spectra o : 入
6、射波长入射波长波长波长(2). (2). 散射光子的波长散射光子的波长 hfoXYhf考虑：考虑：Compton wavelengthelectron(3).(3).散射光子和反冲电子的角分布散射光子和反冲电子的角分布散射光散射光子能量子能量反冲电反冲电子动能子动能散射角散射角与反冲与反冲角关系角关系(3).(3).散射光子和反冲电子的角分布散射光子和反冲电子的角分布 注注: 康普顿效应的散射线，是康普顿效应的散射线，是X线检查中最大线检查中最大的散射线来源的散射线来源,且充满整个检查室空间。必须引且充满整个检查室空间。必须引起工作人员和防护人员的重视起工作人员和防护人员的重视,并采取防护措施
7、并采取防护措施.效应发效应发生几率生几率.电子对效应电子对效应 A. 相干散射相干散射2、X线与物质作用的其他过程线与物质作用的其他过程 射线与物质相互作用而产生干涉射线与物质相互作用而产生干涉(衍射衍射)的散的散射过程叫相干散射。比如射过程叫相干散射。比如X线对年晶体衍射产线对年晶体衍射产生的劳厄斑就是相干散射现象生的劳厄斑就是相干散射现象. 相干散射是唯一不产生电离的过程。相干散射是唯一不产生电离的过程。 光子与原子核作用发生核反应的过程。比如光子与原子核作用发生核反应的过程。比如释放中子、质子、释放中子、质子、粒子和粒子和光子等。光核作光子等。光核作用在用在X线诊断过程中不能发生，在放疗
8、中发生线诊断过程中不能发生，在放疗中发生率也很低率也很低。 B. .光核作用光核作用 A. .X线引发效应总结线引发效应总结3、各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率光核作用光核作用普通散射普通散射 B. .Z和和hf与三种作用的关系与三种作用的关系3、各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率 C.C.放射诊断学中放射诊断学中三种作用发生的相对几率三种作用发生的相对几率表表2 2 放射诊断学中作用几率与放射诊断学中作用几率与Z Z和和h hf f的关系的关系X射射线线能量能量(KeV)水水（Z=7.4)骨骨（Z=13.8)碘化钠碘化钠（Z=49.8)光电光电(%)康普顿康普顿(%)光
9、电光电(%)康普顿康普顿(%)光电光电(%)康普顿康普顿(%)207030891194660793316995510019999188123、各种作用发生的相对几率各种作用发生的相对几率4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减 当当X线通过物质时，由于光电效应、康普线通过物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度衰减。即物质所致的衰减。衰减。即物质所致的衰减。射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减随距离衰减随距离衰减物质所致衰减物质所致衰减(W/m2)A、单能单能X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律(1)、窄束
10、窄束X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减光子数表示则满足光子数表示则满足lnIlnI0x 光子数光子数减少但频减少但频率不变！率不变！（=0.2 cm-1)4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减A、单能单能X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律积累因子积累因子: 某物质元某物质元中中X光子计数率与未光子计数率与未碰撞物质的碰撞物质的X光子计光子计数率之比数率之比 B。(2)、宽束宽束X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律Ns:物质元散射物质元散射X光子计数率光子计数率B是描述散射光子影响反映宽束
11、和窄束区别的物理量是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量宽束宽束X线的衰减规律线的衰减规律B可以通过台劳级数展开近似计算求得可以通过台劳级数展开近似计算求得4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减B、连续连续X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律(1)、连续、连续X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减光光子子数数水模厚度水模厚度单能单能X线线连续连续X线线4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减B、连续连续X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律(1) (1) 连续连续X X线在物质
12、中的衰减规律线在物质中的衰减规律影响因素影响因素(2)、X线的滤过线的滤过 低能低能X线不能透过人体线不能透过人体(吸收吸收)，对形成，对形成X线线影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照射影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照射量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组织的量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口放置一伤害，需采用适当的滤过措施，在管口放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分，使平均能定均匀厚度的金属，吸掉低能部分，使平均能量增高。量增高。4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减B、连续连续X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律(
13、2)、X线的滤过线的滤过 a、固有滤过固有滤过 包括包括X线管的玻璃管壁、绝缘线管的玻璃管壁、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板。用油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板。用铝当量表示。铝当量表示。 铝当量：指一定厚度的滤过材料用相同衰铝当量：指一定厚度的滤过材料用相同衰减效果的铝板厚度表示。一般诊断减效果的铝板厚度表示。一般诊断X光机的光机的固有滤过在固有滤过在0.5 2 mmAl。对软组织摄影则需要低滤过对软组织摄影则需要低滤过X线线,以增加软组织对比度以增加软组织对比度.4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减B、连续连续X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律 b
14、、附加滤过附加滤过 包括附加滤过包括附加滤过板、遮光器的板、遮光器的滤过等。滤过等。根据衰减厚度根据衰减厚度能量分布不同能量分布不同, ,依具体情况选依具体情况选择管电压和材择管电压和材料形状厚度料形状厚度4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减滤过板厚度及对照射剂量的影响滤过板厚度及对照射剂量的影响 使用低滤过高千伏摄影使用低滤过高千伏摄影, ,对受检者十分有害对受检者十分有害. .而厚而厚度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义.铝板厚度铝板厚度(mmAl)皮肤照射量皮肤照射量(C/kg)照射量下降百分数照射量下降百分数(%)00.51.03
15、.06.1410-44.78 10-43.28 10-41.20 10-402247804. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减B、连续连续X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律楔形或楔形或梯形滤梯形滤过板过板4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减B、连续连续X X线在物质中的衰减规律线在物质中的衰减规律C C、诊断放射学中诊断放射学中X X线的衰减线的衰减(1)、人体的构成元素和组织密度人体的构成元素和组织密度 人体内除少量的钙、磷等中等原子序人体内除少量的钙、磷等中等原子序数物质外，其余全由低原子序数物质组数物质外，其余全由低原子序数物质组成。人体
16、吸收成。人体吸收X线最多的是由线最多的是由Ca3(PO4)2组成的门牙，吸收组成的门牙，吸收X线最少的是充满气体线最少的是充满气体的肺。的肺。4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减C C、诊断放射学中诊断放射学中X X线的衰减线的衰减 有效原子序数：在相同照射条件下有效原子序数：在相同照射条件下,1kg复杂物复杂物质与质与1kg单质吸收辐射能相同时单质的原子序数。单质吸收辐射能相同时单质的原子序数。 ai为第为第i种元素在单位体积中电子数的占有比率种元素在单位体积中电子数的占有比率, Zi为第为第i种元素的原子序数。如水中种元素的原子序数。如水中: 氧的电子数比率氧的电子数比
17、率 2.68:3.34，氢的电子数比率，氢的电子数比率0.66:3.34。氧、氢的原。氧、氢的原子序数分别为子序数分别为8和和1，所以，所以4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减C C、诊断放射学中诊断放射学中X X线的衰减线的衰减 有效原子序数的近似公式为有效原子序数的近似公式为ai为第为第i种元素原子在分子中的原子个数，种元素原子在分子中的原子个数，Zi为第为第i种种元素的原子序数。如水中：氧原子个数为元素的原子序数。如水中：氧原子个数为1 1，氢原子，氢原子个数为个数为2 2，所以占有人体大部分成分的水有效原子序，所以占有人体大部分成分的水有效原子序数为数为4. 4.
18、X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减C C、诊断放射学中诊断放射学中X X线的衰减线的衰减(2)、X线通过人体的衰减规律线通过人体的衰减规律 人体各组织器官人体各组织器官X线的衰减各异，一般按骨线的衰减各异，一般按骨骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大到小排列。骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大到小排列。而随管电压而随管电压(hf)增加衰减减小。增加衰减减小。以光电效应吸收为主以光电效应吸收为主4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减C C、诊断放射学中诊断放射学中X X线的衰减线的衰减 以手部拍片为例，说明以手部拍片为例，说明X X线在人体不同组织中线在人体不同组织中的衰减差别
19、及与管电压的关系。用的衰减差别及与管电压的关系。用40kV拍片拍片骨骨肌肉肌肉而用而用150kV拍片拍片骨骨肌肉肌肉 衰减差别大，衰减差别大，形成高对比度形成高对比度4. 4. X ()射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减(2)、X线通过人体的衰减规律线通过人体的衰减规律表表5 5 人体不同组织的线衰减系数人体不同组织的线衰减系数(m(m- -1 1) )管电压管电压(kV)脂肪脂肪(102)肌肉肌肉(102)骨骼骨骼(102)4050607080901001101201301401500.33930.26530.21960.20090.19050.18320.18010.17740.1755
20、0.17420.17320.17240.40120.29330.24550.22130.20760.19940.19420.19060.18820.18640.18520.18422.44341.41790.96770.73420.60470.54080.48650.45300.42980.41320.40100.3918二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 射线即电子流，带有负电，其质量很射线即电子流，带有负电，其质量很小，因此在运行中容易被其他电子所偏转，小，因此在运行中容易被其他电子所偏转，所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其径迹长度。在径
21、迹长度。在 射线径迹的末端射线径迹的末端,电离密度电离密度最大，这是由于此时电子能量已显著降低，最大，这是由于此时电子能量已显著降低，速度减慢速度减慢, 与靶物质原子作用几率加大与靶物质原子作用几率加大, 单位距离内形成的离子对增多。单位距离内形成的离子对增多。1. 射线与物质的作用射线与物质的作用二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用在临床上使用直线加速器发生的高能电子在临床上使用直线加速器发生的高能电子流照射组织时，主要的电离作用产生在深流照射组织时，主要的电离作用产生在深部，而部，而 90Sr 放射源放出的放射源放出的 射线则在浅层射线则在浅层（12mm）引起最大电离作用。射程
22、长短引起最大电离作用。射程长短取决于电子能量的大小。取决于电子能量的大小。1. 射线与物质的作用射线与物质的作用二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 射线即氦核组成的粒子流，由射线即氦核组成的粒子流，由2个质子个质子和和2个中子组成，故带有个中子组成，故带有2个正电荷，质量个正电荷，质量数为数为4，比电子质量大约，比电子质量大约8000倍。倍。 粒子在粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只几百微米。故几百微米。故射线由外照射对机体不会产射线由外照射对机体不会产生严重危害。生严重危害。2. 射线与物质的作用射线与物质的作用二、二、其他其他射射线
23、与物质的作用线与物质的作用但发射但发射粒子的放射性核素进入体内时，由粒子的放射性核素进入体内时，由于其物理特征，其电离密度较大，造成的于其物理特征，其电离密度较大，造成的损伤则更为严重。此外，放射性治疗中用损伤则更为严重。此外，放射性治疗中用快中子或负快中子或负介子介子照射组织时，在组织中将照射组织时，在组织中将产生产生粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。2. 射线与物质的作用射线与物质的作用二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 中子不带电中子不带电,通过组织时不干扰带电物质通过组织时不干扰带电物质,只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用只有在与原子核直接
24、碰撞时发生相互作用.但慢中子或热中子但慢中子或热中子 (能量在能量在0.5eV以下以下) 进进入原子核易被俘获入原子核易被俘获,而快中子而快中子(能量大于能量大于20keV)与原子核主要发生弹性碰撞与原子核主要发生弹性碰撞. 在中在中子与质子子与质子(氢核氢核) 的一次碰撞中的一次碰撞中, 中子的部中子的部分能量传给质子分能量传给质子,产生反冲质子产生反冲质子,这种带正这种带正电重粒子在组织中速度很快下降电重粒子在组织中速度很快下降, 引起高引起高密度电离作用。密度电离作用。3. 中子中子与物质的作用与物质的作用二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹
25、性中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核引起高密度的电离。快中散射，其反冲核引起高密度的电离。快中子与组织中更重的原子核相互作用可引起子与组织中更重的原子核相互作用可引起非弹性散射产生非弹性散射产生射线。此外射线。此外, 中子与物质中子与物质的原子核作用还会产生核反应的原子核作用还会产生核反应, 在反应过在反应过程中释放带电重粒子、程中释放带电重粒子、 光子或产生放射光子或产生放射性核素。性核素。3. 中子中子与物质的作用与物质的作用二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 快中子作用于组织时可产生带电重粒子。快中子作用于组织时可产生带电重粒子。此外，高能加速器还可将重粒子加
26、速，使此外，高能加速器还可将重粒子加速，使其具有穿透深部组织的能力。例如，质子、其具有穿透深部组织的能力。例如，质子、氦核、负氦核、负介子等可在数厘米深处产生高密介子等可在数厘米深处产生高密度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用4. 带电重粒子带电重粒子与物质的作用与物质的作用二、二、其他其他射射线与物质的作用线与物质的作用 关于负关于负介子的研究近年来特别受到放射介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的关注治疗领域的关注. 负负介子属于亚原子粒子介子属于亚原子粒子,其质量为电子的其质量为电子的276倍倍,电荷同于电子电荷同于电子, 由由同步回旋加速器将质子加速到极
27、高能量同步回旋加速器将质子加速到极高能量(500 700MeV)而作用于石墨或铅靶时产而作用于石墨或铅靶时产生生.当其穿入组织被碳、氧、氢等原子核捕当其穿入组织被碳、氧、氢等原子核捕获获,释放释放粒子、中子和质子粒子、中子和质子,产生高密度电产生高密度电离作用。离作用。4. 带电重粒子带电重粒子与物质的作用与物质的作用1. 辐射与物质的作辐射与物质的作 用类型及能量损失用类型及能量损失B. .传能线密度与相对生物效应传能线密度与相对生物效应一一. 传能线密度（传能线密度（LETLET）定义定义 带电粒子在组织带电粒子在组织(或其他或其他物质物质)中经中经过一定距离时由于碰撞而损失过一定距离时由
28、于碰撞而损失的能量的能量.(.(J/m)生物损害与生物损害与LETLET值正相关。高值正相关。高LETLET粒子在给定粒子在给定体积内产生变化的几率高，但并非无限增加。体积内产生变化的几率高，但并非无限增加。1. 辐射与物质的作辐射与物质的作 用类型及能量损失用类型及能量损失B. .传能线密度与相对生物效应传能线密度与相对生物效应一一. 传能线密度（传能线密度（LETLET）线线硬硬X线线软软X线线线线细胞或生物大分子细胞或生物大分子粒子种类粒子种类电荷电荷能量能量(MeV)LETLET(GeV/m)电子电子光子光子质子质子粒子粒子中子中子(间接间接)-1+1+20.010.10.11200k
29、V(电子击出电子击出)X线线60Co 线线小小2510小小3.452.514.112.32.30.420. 250. 4360.22921684260140951580(峰值峰值20)330 (峰值峰值7)各各种种电电离离粒粒子子的的LET值值1. 辐射与物质的作辐射与物质的作 用类型及能量损失用类型及能量损失B. .传能线密度与相对生物效应传能线密度与相对生物效应二二. 相对生物效应（相对生物效应（RBERBE） 辐射生物效应不仅决定于辐射条件辐射生物效应不仅决定于辐射条件,还受能量还受能量分布的制约分布的制约.LET决定了生物效应的程度或频度决定了生物效应的程度或频度.这种差别用这种差别用
30、相对生物效应相对生物效应表示表示.(.(RBE) 标准标准X( () )线常以线常以250kV X线或线或60Co的的线为基础线为基础. .比如引起相同生物损害所需比如引起相同生物损害所需X( () )线剂量是线剂量是射线的射线的10倍倍, ,故故射线的射线的RBE为为10。1. 辐射与物质的作辐射与物质的作 用类型及能量损失用类型及能量损失B. .传能线密度与相对生物效应传能线密度与相对生物效应二二. 相对生物效应（相对生物效应（RBERBE）辐射种类辐射种类相对生物效应相对生物效应X、 射线射线 粒子粒子热中子热中子中能中子中能中子快中子快中子粒子粒子重反冲核重反冲核11358101020
