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1、第二章第二章 辐射与靶材料的相互作用辐射与靶材料的相互作用辐射与靶的物理学作用辐射与靶的物理学作用 一、一、X X、射线与靶材料的作用射线与靶材料的作用 1. .光电效应光电效应 光子与原子或分子作用，光子被完全吸收并逐出一个电子，被称为光电子。 2 2 . .康普顿效应康普顿效应 光子与原子或分子作用，光子的能量只部分传递给被逐出电子，被称为康普顿电子，而入射光子转化为一个能量较低且方向不同的散射光子。 3 3 . .电子对的产生电子对的产生 前两种效应是光子与原子核外电子的相互作用，电子对产生则是光子与原子核互相作用，导致入射光子完全消失和一对正负电子的产生。 二、电子辐射与靶材料的作用二
2、、电子辐射与靶材料的作用 1 1 1 1. . . .电电电电磁磁磁磁辐辐辐辐射射射射损损损损失失失失 电子（10100MeV ）在原子核附近突然被电场减速，一部分动能转变为连续能量的电磁辐射，（韧致辐射），韧致辐射可辐照较大体积和异形辐照件。2.2.非非弹弹性性磁磁撞撞损损失失 电子（10MeV），与介质核外电子发生库仑作用而损失能量，这一过程导致介质分子（原子）电离和激发。3 3 . .弹弹性性散散射射 电子在物质中运动时受原子核库仑场的影响而改变运动的方向称为散射。如果散射前后入射粒子和原子核总动能不变称为弹性散射。靶学说靶学说 ：辐射击中学说辐射击中学说靶学说本质靶学说本质：辐射致靶体
3、积内发生电离辐射致靶体积内发生电离作用或作用或“能量沉积事件能量沉积事件”产生的结果产生的结果 适合适合“靶学说靶学说”的条件的条件：（1 1）多指生物靶组织）多指生物靶组织（2 2）仅指直接击中事件（）仅指直接击中事件（不包括间接作用）不包括间接作用）（3 3）假设靶体积是均匀分布的）假设靶体积是均匀分布的（4 4）不适合损伤修复）不适合损伤修复和继发作用的过程和继发作用的过程靶学说要点：靶学说要点：（1 1）生生物物体体内内存存在在着着对对射射线线敏敏感感区区域域或或结结构构（TargetTarget），靶靶被被射射线线击击中中即即引引起起损损伤伤效效应应，若未被击中则不引起效应。若未被击
4、中则不引起效应。（2 2）射射线线与与非非生生物物靶靶作作用用可可引引起起靶靶材材料料的的分分子子结结构构发发生生聚聚合合、交交联联、降降解解和和材材料料物物理理化化学学性质的改变性质的改变。（3 3）靶靶作作用用是是一一种种随随机机过过程程，“击击中中”是是彼彼此此无无关关的的独独立立事事件件，击击中中概概率率服服从从PoissonPoisson分分布。布。（4 4）不不同同生生物物分分子子或或靶靶材材料料具具有有不不同同的的击击中中数（数（一次击中或多次击中一次击中或多次击中）。单靶单击和单靶多击模型单靶单击和单靶多击模型 多靶单击模型多靶单击模型 “靶学说靶学说” ” 模型模型单靶模型（
5、单击或多击）中单靶模型（单击或多击）中靶受击的概率表达式：靶受击的概率表达式： P Pn n= (VD)= (VD)n n/ n/ n！e e-VD-VD靶体积规定为靶体积规定为V V ； D D为辐射剂量；为辐射剂量；每靶的平均击中数为每靶的平均击中数为VD VD ；n n为击中次数为击中次数 若靶被击中一次就失活，则靶存活的概率（S）就是靶击中数为0的概率（n=0）： S= P0= (VD)o/ 0！e-VD = e-VD （靶学说基本表达式（靶学说基本表达式 ） 若若每每靶靶的的平平均均击击中中数数为为VDVD，则则每每靶靶发发生生一一次击中为：次击中为：VD = 1VD = 1此时此时
6、 S = e-VD = e-1 = 0.37 （有（有63%被击中，被击中，37%的靶未被击中）的靶未被击中） 单靶多击模型单靶多击模型 . 假定每个细胞中存在二个或多个完全相同的靶，而击中N个靶子中任一个靶的概率是：1 1P P（0 0）或）或1 1e e-VD-VD则N个靶子全部被击中的概率为：（1 1e e-VD-VD）N N未被全部击中的概率即存活概率就是：S = 1（1e-VD）N 多靶单击模型：多靶单击模型：电离辐射和靶的间接作用电离辐射和靶的间接作用 辐射化学辐射化学 自由基的基本概念自由基的基本概念 自由基指具有一个或几个末配对电子的分子、离子或原子，常在其分子旁加一个黑点作为
7、特征标记，如羟自由基：OH ，CH3、CCl3、RO等 。 顺磁性的概念：一个放在磁铁附近的无磁性物质，被磁铁吸引去的能力称为顺磁性。 自由基不仅具有顺磁性特性，而且具有活泼的化学活性。决定自由基反应的关键因素是自由基中心单电子的定域程度和反应过程中断裂的共价键和生成的共价键的强度。电子的定域程度电子的定域程度: :指电子的游动并局限在某些原子周围的范畴。共价键的概念： 两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理想情况下达到电子饱和的状态，由此组成比较稳定和坚固的化学结构叫做共价键。 辐射可使靶物质共价键断裂，断裂方式有均裂和不均匀裂。 辐照产生自由基的形式：均裂、异裂和电子俘获等。 均匀的裂
8、解均匀的裂解：两个原子之间的共用：两个原子之间的共用电子对均匀分裂，两个原子各保留一电子对均匀分裂，两个原子各保留一个电子，形成自由基个电子，形成自由基，比如：，比如： 不均匀裂解不均匀裂解（异裂）是键断裂时，两（异裂）是键断裂时，两原子间的共用电子对完全转移到其中的一原子间的共用电子对完全转移到其中的一个原子上，这种断裂方式叫做键的异裂，个原子上，这种断裂方式叫做键的异裂，键异裂的结果就产生了带正电或带负电的键异裂的结果就产生了带正电或带负电的离子。离子。电子俘获电子俘获 自由基亦可通过自由基亦可通过电子俘获电子俘获产生，例如：产生，例如：CCl4+e-CCl3+Cl- 水辐射降解产物水辐射
9、降解产物形成过程见下图形成过程见下图 H2O H2O*H+ OH激发+ H2OH2OH2O+H2O+ + e-H + OH-H+ + OH+ H+e + H2O H电离 H H2 2OO，H H，OHOH，H H2 2，H H2 2O O，H H3 3O O+ +等等 带电粒子及其次级粒带电粒子及其次级粒子在水中被阻止时，每损失子在水中被阻止时，每损失100eV100eV所产生所产生的特定产物数目，不同降解产物的的特定产物数目，不同降解产物的G值值不同，下边是常见的辐射降解产物的不同，下边是常见的辐射降解产物的G值：值：G值的含义值的含义OH2.6； 2.6； H0.6； H2 0.45； H
10、2O2 0.75 水辐解有以下产物：水辐解有以下产物： 自自由由基基反反应应发发生生在在很很小小的的反反应应体体积积内内，这这个个小小体体积积叫叫做做剌剌团团（SpursSpurs），其其平平均均直直径径为为1.5nm1.5nm，反反应应发发生生的的时时间间为为1010-14-141010-10-10s s，平平均均每每个个剌剌团团约约含含6 6个个自自由由基基，在在剌剌团团内内水水自自由由基基可可发发生生复复合合，导导致致分分子的次级产物子的次级产物H H2 2和和H H2 2O O2 2的形成。的形成。剌团概念剌团概念水自由基的性质行为水自由基的性质行为 羟自由基羟自由基 OH是水辐解自由
11、基中致伤能力最强 ，G值高达2.62.7，扩散系数为2.310 -5cm2/s，属氧化性自由基 。 水化电子（水化电子（ ）的放化产额与OH相似，但扩散速度比OH快，在中性水中半衰减期T1/2=2.310 -4s。为还原性自由基，在酸性条件下可与H+或H2O2反应形成H自由基；在有氧条件下则易被氧捕获成超氧化物阴离子（O2-）： + O2O2- 超氧化物阴离子（超氧化物阴离子（O2- -） 是一种离子型自由基，它与生物分子的反应速率通常比OH和慢几个数量级，但扩散距离较长 ，H2O2有可能与O2-反应形成OH，后者的致伤作用比O2-大得多： O2- + H2O2O2 + OH-+ OH 水自由
12、基水自由基能与生物分子发生能与生物分子发生抽氢、加成、抽氢、加成、电子俘获电子俘获、氢传递、聚合、分解等多种反应、氢传递、聚合、分解等多种反应（氢传递、聚合、分解反应将在第三章中介（氢传递、聚合、分解反应将在第三章中介绍）绍） 。1 1. .加成反应加成反应（Radical addition) 有机物分子的不饱和碳原子跟其它原子有机物分子的不饱和碳原子跟其它原子或原子团直接结合的反应叫做加成反应。或原子团直接结合的反应叫做加成反应。如如OH和和H均对均对DNA分子的碱基加合于分子的碱基加合于C5和和C6的双键上，或加在咪唑杂环的的双键上，或加在咪唑杂环的7、8位双键位双键上，造成碱基损伤。上，
13、造成碱基损伤。 R + CH2=CHCl RCH2- CHCl2 2. .抽氢反应抽氢反应 OH的强氧化性，从生物分子中抽取的强氧化性，从生物分子中抽取一个氢原子。一个氢原子。 例如在例如在DNA的脱氧戊糖的脱氧戊糖C4上抽去上抽去H，进而造成进而造成C3或或C5上的磷酸酯键断裂。这是上的磷酸酯键断裂。这是辐射引起辐射引起DNA链断裂的重要原因之一。链断裂的重要原因之一。 OH+ C-H-+ C-H-生物大分子生物大分子 R R（有机自由基）（有机自由基）+ H+ H2 2O O 3 3. .电子俘获反应电子俘获反应 水水化化电电子子具具有有很很强强还还原原性性质质，它它能能攻攻击击蛋蛋白白质质的的二二硫硫键键（SSSS）。水水化化电电子子被被二二硫硫化化合合物物（RSSRRSSR）俘俘获获后后形形成成不不稳稳定定的的阴阴离离子子自自由由基基，最最后后导导致致SSSS断断裂裂，这这是是水水化化电电子子电电离离辐辐射射引引起起蛋蛋白白质质、酶酶失失活的一个重要化学过程：活的一个重要化学过程： RSSR+ RSSRRS+RS- 辐照非生物靶材料将辐照非生物靶材料将在下节讲授在下节讲授谢谢大家！谢谢大家！
