放射基本知识放射防护学.ppt

2019/7/17,1,放射防护学,,2019/7/17,2,为什么要学习《放射防护学》？,放射性来源于天然的放射性和人工放射性。天然放射性即本底照射是不可避免的，而放射线广泛应用于各行各业，因而引起放射性防护问题。 当学生要学习影像学和其他放射学课程，当我们跨出校门，走上核医学和其他放射学工作岗位，当病人要接受放射性诊断检查或放射治疗，首先会想到放射线究竟对人有多大害处，人会受到哪些射线照射，放射线怎样作用于人体组织，核医学诊断、治疗有什么特点、优势，怎样才能认识放射线，怎样防护放射线，怎样才能趋利避害，让射线更好地为人类服务。 在长期的核医学和其他放射性工作实践中，会遇到这样那样的关于放射性工作的管理和防护的问题，也会遇到上述各行各业的人员来咨询有关放射防护的问题。 因此，《放射防护学》是预防医学系、影像系及放射医学系等的主要专业课程之一。,2019/7/17,3,主要学习内容,放射基础知识 辐射源和辐射剂量单位 放射药物 放射性测量 放射生物效应 辐射防护的原理与措施 放射卫生管理 放射线的监测 X 射线、超声的防护,2019/7/17,4,第一章,放射基础知识,2019/7/17,5,原子结构,,,第一节 原子核结构,2019/7/17,原子核结构: X为元素符号 Z为质子数 N为中子数 A为质量数,,,原子核结构,2019/7/17,7,几个概念,元素(element)——具有相同质子数的原子。化学性质相同，但其中子数可以不同，因而物理性能不同，如碘元素中的131I和127I； 核素（Nuclide）——质子数相同，中子数也相同，且具有相同能态的原子，称为一种核素。同一元素可有多种核素，如131I、127I、3H、99mTc、99Tc分别为3种元素的5种核素； 同质异能素（Isomer）——质子数和中子数都相同，但处于不同的核能状态原子，如99mTc、99Tc 。,2019/7/17,8,同位素——凡同一元素的不同核素（质子数同，中子数不同）在周期表上处于相同位置，互称为该元素的同位素。 There are the same protons, but different mass number (or neutrons).,4,2019/7/17,9,一、核力和放射性核素 原子核的核子之间存在着很强的短程引力称为核力，核力使原子核中的核子结合在一起，同时，原子核中又存在带正电荷的质子之间的静电排斥力，原子核的稳定性由核子之间的核力和质子之间的静电排斥力的相对大小决定，与核内质子数和中子数的比例有关。 Z20 N/Z>1 Stability Z>83 Unstability,第二节 放射性衰变,2019/7/17,10,P>83的核素，核力不能与质子间的斥力保持平衡，故全是不稳定的放射性核素。 P<82的核素，天然的放射性核素很少，多由人工生产。,2019/7/17,11,,,,,,Proton rich nuclei,Neutron rich nuclei,Z=N,0,50,100,150,50,100,Proton number,Neutron number,Neutron-proton ratio with line nuclear stability,2019/7/17,12,原子核稳定，不会自发衰变的核素称为稳定核素(stable nuclide); 原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级调整才能趋于稳定的核素称为放射性核素(radionuclide); 放射性核素的原子由于核内结构或能级调整，自发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种原子的过程称为放射性衰变(radioactive decay)。,2019/7/17,13,,从母核中射出的4He原子核,238U4He + 234Th,放射性母核!!,二、基本衰变类型,1. 衰变,238U → 234Th + 4He + Q 粒子得到大部分衰变能， 粒子含2个质子，2个中子,2019/7/17,14,,衰变：241Am 237Np+4He,2019/7/17,15,Characteristic of alpha particle,α粒子实质上是He原子核， α衰变发生在原子序数大于82的重元素核素。 α粒子的速度约为光速的1/10，即２万km/s，2s绕地球１周。 在空气中的射程约为3-8cm，在水中或机体内为0.06～0.16mm。 因其射程短，一张纸即可阻挡 但α粒子的电离能力很强。,2019/7/17,16,β- 衰变 3215P → 3216S + β- + Ue + 1.71MeV β+ 衰变 137N → 136C + β+ + υ + 1.190MeV 电子俘获（electron capture）,发生原因——母核中子或质子过多,2. 衰变,β射线本质：高速运动的电子流,2019/7/17,17,,,-衰变：3H 3He+ -,2019/7/17,18,-衰变,2019/7/17,19,正电子衰变：11C 11B+ +,2019/7/17,20,,,,质子变成中子,,X射线,电子俘获（electron capture）,核外轨道电子,2019/7/17,21,,,电子俘获：7Be 7Li,2019/7/17,22,4. 衰变,γ衰变往往是继发于α衰变或β衰变后发生，这些衰变后，原子核还处于较高能量状态，原子核以放出γ-ray 释放出过剩能量 99Mo → 99mTc + β- → 99Tc + γ (T1/2: ①66.02d; ②6.02h) 131I → 131Xe + β- +γ (T1/2:8.04d),2019/7/17,23,137 Cs 137 Ba* （激发态） 母核 -衰变  衰变 137 Ba +  射线（661.7 keV） 子核（基态） （0.0）,,,光子是什麽？（举例说明光子的来源和分类）  射线就是高能量的光子 ：几百keV-MeV 量级  衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃迁，在这个过程中发射 射线，原子核能态降低。  射线是高能量的电磁辐射——光子,2019/7/17,24,衰变特点： 1、从原子核中发射出光子 2、常常在  或  衰变后核子从激发态退激时发生 3、产生的射线能量离散 4、可以通过测量光子能量来区分母体的核素类别,2019/7/17,25,,衰变——3He 3He,2019/7/17,26,Comparison of three decay,2019/7/17,27,各种放射线的性质比较,最强，穿几cm铅版,最弱,1,0,0,光子,γ射线,较强，穿几mm铝板,较强,0.99,-1,1/1840,电子,β射线,最弱，纸能挡住,最强,0.1,+2,4,氦核,α射线,贯穿性,电离性,速度 （c）,电荷 （e）,质量 （u）,本 质,种 类,,,,2019/7/17,28,,⑴　　　　　　　 ⑵,,,,,,,,,β γ α,,,,,α　γ　 β,三种射线在匀强磁场、匀强电场、正交电场和磁场中的偏转情况比较： 如上图⑴、⑵所示，在匀强磁场和匀强电场中都是β比α的偏转大，γ不偏转；区别是：在磁场中偏转轨迹是圆弧，在电场中偏转轨迹是抛物线。,2019/7/17,29,α 衰变,,β- 衰变,β+ 衰变, 衰变,2019/7/17,30,放射性核素是不稳定的，它要自发地发生衰变。 放射性原子核并不是同时衰变的，对于某一个原子核而言，何时衰变是各自独立没有规律的，但对于某一种原子核的群体而言，它的衰变是有规律的，即原子核数目随时间增长按指数规律减少。,三、放射性衰变基本规律,2019/7/17,31,对于由大量原子组成的放射源，每个原子核都可能发生衰变，但不是所有原子在同一时刻都发生衰变，某一时刻仅有极少数原子发生衰变。放射性核素衰变是随机的、自发的按一定的速率进行，各种放射性核素都有自己特有的衰变速度。放射性核素原子随时间而呈指数规律减少，其表达式为： N=N0e-λt λ：衰变常数(decay constant) t： decay time e： base of natural logarithm,2019/7/17,32,指数衰减规律 N = N0e-t N0: （t = 0）时放射性原子核的数目 N: 经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目 : 放射性原子核衰变常数大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关; 数值越大衰变越快,,,,,,,,N = N0e-t,衰变规律,2019/7/17,33,Decay constant(λ),衰变常数：某种放射性核素的核在单位时间内自发衰变的几率； 它反映该核素衰变的速度和特性；λ值大衰变快，小则衰变慢，不受任何影响。 不同的放射性核素有不同的λ。,2019/7/17,34,放射性活度（radioactivity, A) 定义：单位时间内发生衰变的原子核数 1Bq=1S-1 1Ci=3.7×1010 Bq 1Ci=1000mCi,A=dN/dt,2019/7/17,35,Radioactivity 放射性活度,一定量的放射性核素在一很短的时间间隔内发生核衰变数除以该时间间隔。 即单位时间的核衰变数目； A=dN/dt 单位：s-1，专用名：贝可（Becquerel，Bq）,1Bq=1S-1,旧单位为Ci, 1Ci=3.7X1010Bq 衍生单位：KBq、MBq、GBq(10亿)、TBq，Ci、mCi、Ci。,2019/7/17,36,比放射性活度：,定义：单位质量或体积中放射性核素的放射性活度。 单位： Bq/kg; Bq/m3; Bq/l,2019/7/17,37,Specific activity and radioactivity concentration,比放射性活度 (Specific activity)：指单位质量的放射性制剂中的放射性活度，Bq/mol, Bq/g； 比放射性浓度(Radioactivity concentration ) ：单位容积的放射性制剂中的放射性活度，Bq/L；,2019/7/17,38,仪器常用单位： dps: disintegration per second cps: counts per second,2019/7/17,39,半衰期(half life) 放射性原子核数衰变一半所需的时间,2019/7/17,40,物理半衰期 ( Physical half life，T1/2) 在单一的放射性核素衰变过程中，放射性活度降至原来一半所需的时间； 长者可达1010a，短者仅有10-10s。 半衰期<10h的核素称为短半衰期核素。,T1/2=0.693/λ,2019/7/17,41,生物半衰期 (Biological half life ,Tb) 在某生物体系中，某种指定化学元素的排出速率近似地按指数规律减少时，由于生物过程使其在此系统中减少至一半所需时间。,2019/7/17,42,,Effective half life(有效半衰期,Te)： 当某生物系统中，某种指定的放射性核素的量，由于放射性衰变和生物排出的综合作用，而近似地按指数规律减少时，该核素的量减少一半所需时间。 例：131I在甲状腺的Te计算， 131I物理T1/2为8.1天，设Tb为７天； Te=(8.1x7)/(8.1+7)=3.75天。,2019/7/17,43,。。。。。。 。。。。。。 。。。。。。 。。。原子。。。,,αβ γ n,物质：气体 液体 固体 包括人体 等,,第三节 射线与物质的相互作用Interaction of ray and matter,2019/7/17,44,Interactions of charged particles with matter(α,β) Ionization 电离 Excitation 激发 Scattering 散射 Bremsstrahlung 轫致辐射 Interactions of γ-ray with matter Photoelectric effect 光电效应 Compton scattering 康普顿散射 Pair production 电子对生成,2019/7/17,45,1.带电粒子与物质相互作用,2019/7/17,46,自由电子,正离子,α + 靶原子 → 正离子 + 电子 + α 4He + Ar → Ar+ + e- + 4He,物质中原子被电离，在粒子通过的路径上形成许多离子对： 正离子和自由电子,,+,e-,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,,,,库仑作用,（1）电 离,2019/7/17,47,α、β→matter→electrons→e- leave orbit→free electron；失去e-的核带正电荷，两者形成一对离子。自由电子还可使其它原子发生电离：次级电离。,,,Charged particle,,,,e-,Ion pairs,,Secondary ionization,33.85eV,matter,,2019/7/17,48,α 射线与β射线电离效应比较,α射线 β射线 径迹： 粗 直 细 弯,α：电离作用强 电离作用严重 产生离子对数目多,电离作用  Z1Z2 /v2 Z1 入射粒子原子序数 Z2 靶粒子原子序数 v 入射粒子速度,实验结果,2019/7/17,49,α粒子径迹是一条直线 5.3MeV α粒子在空气中的射程3.83cm,电子径迹是折线,2019/7/17,50,电离密度（Ionization density）,单位路径形成的离子对数目称为: ionization density。 表示带电离子电离能力大小； 电离密度取决于带电粒子能量、速度与物质密度。 带电粒子能量大、速度慢、物质密度低，电离密度则大。,2019/7/17,51,电离辐射 直接或间接使介质发生电离 效应的带电或不带电的射线 或粒子 (能量 ﹥keV ) α、β、γ、 x、 n、p、 裂变碎片  介子等 　　来 源　 1)放射性物质 (人造 天然） 2)加速器 3)反应堆 4)宇宙射线 5)地球环境,,电离辐射和非电离辐射,非电离辐射 紫外线、红外线、微波等 这些粒子虽能够同物质发生作用但都不能使物质发生电离效应 ～ eV 量级 移动电话 800-1800 MHz ﹤0.01 eV (没有电离作用）,2019/7/17,52,,（2）激发： αandβ→matter→orbit e- and got energy→low level→high level→excitation state → deexcitation →Characteristic X-ray and Auger electron,,,,,Charged particle,,,,particle,,γ(deexcitation),2019/7/17,53,（3）轫致辐射，Bremsstrahlung,高速带电粒子通过物质原子核电场时受到突然阻滞，运动方向发生偏转，部分或全部动能转化为具有连续能谱的轫致辐射；产生几率随带电粒子的能量和物质原子序数增大而增大。,,,,,particle,X-ray,2019/7/17,54,电子打在荧光屏上产生X射线,特征: x 射线能量连续 0 – EMax(电子能量) 电视机高压15 kV 电子束能量15 keV x 射线能量 0 -15 keV,应注意玻璃含有40K、U、Th,电视机显像管,2019/7/17,55,Scattering 散射,入射粒子与粒子或粒子系统碰撞而改变运动方向与能量的过程。仅改变运动方向能量不变者为弹性碰撞。 α粒子的质量较大，径迹基本呈直线，发生散射较少。β粒子轻，运动为曲线，散射明显。,,,,,,,,,,,particle,particle,2019/7/17,56,光电效应、康普顿效应、电子对生成,2.γ射线与物质相互作用：,2019/7/17,57,三种作用效应 光电效应 康普顿效应 电子对效应 产生次级电子,电离效应 次级电子使 物质原子电离,,γ射线,,第 1 步 初级作用,第 2 步 次级作用,,2019/7/17,58,,自由电子,作用机制：光子同(整个)原子作用把自己的全部能量传递给原子,壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来,成为自由电子，光子本身消失了。 γ + A  A* + e- （光电子） 原子  A + X 射线,原子,受激原子,（1）光电效应,2019/7/17,59,,,,,,,,,,X ray Auger electron,photoelectron,γ,K,L,,Photoelectric effect,,Electron vacancy filled,,,M,e-,Incident photon,2019/7/17,60,（2）康普顿效应（Compton effect）,Energy range：Several to 0.5MeV Part energy give orbital electrons Residual energy give scattered photon,,,,Incidence γ,,,,Compton e-,,,scatteringγ,Elastic collision,,,K,L,M,2019/7/17,61,（3）电子对生产效应（Electron pair production）,Photon energy greater than 1.02MeV passes near the high electric field of the nucleus,,,,,,incidenceγ,,,,,,γ,γ,511keV,511keV,+e-,free electron,,e-,e+,,2019/7/17,62,电子对效应 能量≥1.02 MeV 的γ射线 与原子核作用可能产生一对正-负电子。,,M ＋ γ → M + e+ + e- → γ1 + γ2 1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV 基本条件： γ射线能量 Eγ 1.02 MeV,能量转化成质量 M = E /C2,2019/7/17,63,电子对的生成和与物质的相互作用,2019/7/17,64,正电子湮灭,正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个 0.511 MeV的 γ光子。,e+ + e- → γ + γ me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 质量转化为能量 转化效率 (100 %）,γ,γ,2019/7/17,65,Interaction of photon and matter,Positron, electron, annihilation photons,>1.022 MeV,Nuclear field,Pair production,Compton electron, scattered photon,Several keV to several MeV,Outer electron shells,Compton,Photoelectrons, characteristic x ray,Several keV to 0.5 MeV,Inner electron shells,Photoelectric,Secondary effects,Energy range,Interaction site,Interaction,,,,,,,,,,,,,,2019/7/17,66,中子不带电不能直接使原子电离 但中子容易进入原子核内 同原子核发生作用引起核反应,1）与 H 原子核的弹性碰撞 传递能量 质子跑出来 中子被慢化 　 n + H → n + p 第一步 打出质子（载能） 第二步 质子引起物质电离 慢化剂:轻水(1H2O) 重水(2D2O),,n,,,,,H,n,n,p,,电离,3.中子与物质的作用：,2019/7/17,67,2） 中子核反应 例如( n,p)反应 n + 14N → 14C + p 第一步 核反应产生质子 第二步 质子对物质产生 电离作用,n,,,,p 电离,,,,14N,14C,人体有大量 H 和 N 原子 中子对人体电离效应严重 伤害也严重,1,2,2019/7/17,68,思考题,核素、同位素、同质异能素的定义 核衰变及其类型 半衰期与放射性活度的定义 射线与物质的相互作用,2019/7/17,69,谢 谢,