医学物理 电离辐射及其医学应用
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(3) 放射免疫分析：是利用标记了放射性核素的抗原与 非标记的抗原对特异性抗体进行竞争免疫反应，从
而进行体外超微量分析。
第一节
电离辐射基础物理学
电离辐射产生过程 ：(1) 非核过程，(2) 核过程。 (1) 非核过程 核外电子碰撞过程(例如X射线)，或电离后加速输出(例 如电子束、质子束、重离子束)。 (2) 核过程 与原子核本身密切相关，产生于核反应或核衰变 (例如 射线、中子束、 射线、 射线)。
8.1.1 基于非核过程的电离辐射 一、X射线 (1) X射线发生装置 普通 X 射线机包括：电子源，球形真空管，加速电场 和阳靶。
碰撞损失 861 MeV 100 ＝ 1 辐射损失 T Z T:高速电子动能(~100keV)
Z:靶原子序数(W74, Mo42) 碰撞损失 热量 辐射损失 X射线
四、基于核过程的几种医用电离辐射的来源 1. 射线 ① 放射治疗中射线来源
60 27
59Co(n,)60Co
Co60 Ni β 28
② 核医学的诊断中，由放射性药物释放射线
SPECT成像常用 99mTc，123I，67Ga，111In，201Tl，
PET成像采集的射线源于电子对湮灭，β β 2γ （11C ， 13N ， 15O ，18F）
频率由低到高分为: 无线电波、微波、红外线、 可见光、紫外线、X射线和 射线等。 粒子辐射既有能量, 又有静止质量 如 : 粒子、 粒子、内转换电子、俄歇电子、中 子、质子、重离子等。
(2) 依据作用的方式：非电离辐射和电离辐射。
非电离辐射不引起物质电离，只引起分子能级改变， 包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线等。 电离辐射则引起物质电离，
8.2.4 中子与物质的相互作用 (1) 中子分类
慢中子 (0~1 keV)、中能中子 (1 keV~500 keV)、快中子 (0.5 MeV~10MeV)以及高能中子(大于10MeV)。
慢中子: 又可分为热中子 (平均能量0.025eV)、超热中子 (能量1~10eV)、 共振中子(1 eV~1 keV)。 散射：弹性散射 & 非弹性散射 (2) 中子与物质的相互作用 核反应 (a) 弹性散射 中子损失的能量与相互作用原子核的质量有关。原子 核质量越小，获得能量越大。通常采用含氢的水、含 氘的重水、石墨或有机化合物作为中子的慢化剂。中 子用于治疗时，其与氢原子的作用不容忽视。
天然稳定核素约280种，天然放射性核素约30种， 人工放射性核素(人造核素/人工核素)超过2000多种， 核衰变类型: 衰变、 衰变、衰变. 核衰变过程遵守的守恒定律: ① 质量能量守恒, ③ 核子数守恒,
② 动量守恒,
④ 电荷守恒.
(1) 衰变 ( decay)
放射性核素放射出射线(即粒子)的衰变过程。射线 就是高速运动的24He原子核 。 衰变方程:
(b) 非弹性散射
非弹性散射一般是快中子、高能中子在重核上发生的。 (c) 中子核反应
慢中子和中能中子主要引起中子俘获效应, (n,)反应。 快中子主要发生散射，其次诱发(n, ) , (n, p) , (n, )。 高能中子则除以上反应外，还可能发生(n, 2n)反应。
中子活化分析: 中子俘获反应产生放射性物质的性质可 用于定性及定量检测微量或痕量元素，应用范围：环境、 地质、法医学、考古学、材料学、生物医学。
二、放射性衰变基础概念 1. 半衰期 N=N0e-t 半衰期: 放射性核数目衰变为原数目的一半所需的时间。 T1/2= ln2/ = 0.693/ 平均寿命: = 1/ = T1/2 / ln2 2. 放射性活度 一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核 衰变数除以该时间间隔。 -dN =N dt
二、康普顿效应
康普顿效应是中能X射线、 射线与物质相互作用主要 机制。
当X射线、 射线与物质相互作用时，将部分能量转移 给电子使其脱离原子飞出这种过程称为康普顿效应。
三、电子对效应
当高能量(大于1.022MeV) 的X射线或 射线通过物质 时，在原子核强库仑场作用下，光子消失，转化为一 个正电子和一百度文库负电子，这一过程称为电子对效应。
A 核素: 具有相同质子数Z、中子数N的同一类原子核， ZX
99m Tc, 同质异能素: Z 同 A 同, 能态不同, 如 99 43 43Tc
2 3 同位素: Z同, 如: 1 H , H , 1 1 1H
2. 电子
电子及 “ 轨道 ”
3. 放射性核素衰变及其类型
放射性核衰变(nuclear decay): 不稳定的放射性核素能够 自发地以各种方式转变成另外的核。 衰变前的核称为母核，衰变生成的新核称为子核。
表8－2 医学上最常用的几种发射射线的放射性核素性质
2. 粒子 粒子用于治疗包括近距离放射治疗和核医学中的体内 药物治疗。常用的 放射性核素有 32 P, 89 Sr, 90 Y, 131 I, 153Sm, 186Re等等。基本上均通过反应堆制备。
3. 粒子
释放粒子的放射性核素在医学中尚未应用到临床。
表8-1 X射线按硬度的分类和用途
名称 极软X射线 管电压/kV 最短波长/nm 5~20 0.25~0.062 主要用途 组织摄影,表皮治疗
软X射线
硬X射线 极硬X射线
20~100
100~250 250以上
0.063~0.012
0.012~0.005 0.005以下
透视和摄影
较深组织治疗 深部组织治疗
直接电离：粒子、 粒子、电子、质子、重离子等。 间接电离： X射线、 射线、中子。
电离辐射的医学应用 ：放射学、核医学、放射免疫分析 (1) 放射学：包括诊断用的放射影像技术、治疗用的放射
治疗技术，以及作为介入手术导引的数字减影技术。
(2) 核医学：利用含放射性核素的放射性药物，通过其在
人体内不同组织器官及肿瘤的分布或放射性强度的变 化来进行诊断 (影像与非影像) 或治疗。
99 43
Tc Tc
m 99 43
｛内转换占11%
射线占89%
(4) 俄歇电子 在发生轨道电子俘获和发射内转换电子的情况下，核
外内层电子轨道出现空穴，当高能级(外壳层) 的电子
跃迁至低能级(内壳层) 时，把多余的能量直接转移给 同一能级的另一个电子，接受这份能量的电子脱离轨 道成为自由电子—俄歇电子。
4. 中子束 ① 快中子束治癌中子的来源：氘和氚(d+T)的聚变反应；
氘和氘离子(d+D)的聚变反应，氘和铍(d+Be)的核反应； 质子和铍(p+Be)的核反应。 ② 超热中子硼中子俘获疗法中子的来源：反应堆引出的 快中子慢化成为超热中子。
第二节
电离辐射与物质的相互作用
8.2.1 X射线、 射线与物质的相互作用 作用形式：光电效应、康普顿效应和电子对效应 一、光电效应 光电效应是低能 X射线、 射线与物质相互 作用的主要机制。 X 射线、 射线撞击一 个原子内层轨道电子时， 其能量全部转移给电子，使其具有动能而脱离原子飞出， 而X射线、射线本身消失，这种过程称为光电效应。 出射光电子能量 =入射光子能量-电子结合能
第八章
电离辐射及其医学应用
第一节 电离辐射基础物理学
第二节 电离辐射与物质的相互作用
第三节 电离辐射的生物效应
8.3.6 相关计量概念
辐射的分类：
(1) 依据辐射的组成：电磁辐射和粒子辐射。 (2) 依据作用的方式：非电离辐射和电离辐射。
(1) 依据辐射的组成：电磁辐射和粒子辐射两大类
电磁辐射实质上是电磁波，仅有能量而无静止质量，
(4) X射线基本特性 ①电离作用 ②荧光作用 ③光化学作用
④生物效应 二、高能电子束
⑤贯穿本领
电子加速器高能电子束
三、质子束和重离子束 质子加速器高能质子束 离子加速器高能离子束
8.1.2 基于核过程的电离辐射 基于核衰变: 射线、 粒子、 粒子、俄歇电子等。 基于核反应: 快中子束、 - 介子束等。 一、原子、原子核与放射性 1. 质子和中子
(3) X射线谱
X射线谱是指X射线光子强度与
光子能量(波长或频率)的关系。
(a) X射线连续谱 管电压<70KV 轫致辐射(bremsstrahlung)
h max
hc
min
eU
min
hc 1 e U 12.42 o 1.242 A nm U (kV) U (kV)
(b) X射线标识谱 X射线标识谱的特征 与阳靶材料有关，与管电压无关。 原子壳层结构模型
E0=2mec2+E++E-
E+ +E- =E0 - 2mec2
四、物质对X射线的吸收规律 当X射线通过物质时，与物质的原子发生以上三种相互 作用， X射线的能量降低，强度随着 X射线深入物质的 程度而减弱，这种现象叫做物质对X射线的吸收。 朗伯—比尔定律 (1) 线性吸收系数 I=I0exp(- L )
(d) 医学应用
(i) 中子活化分析——痕量金属元素检测。
(ii) 中子刀 利用遥控后装技术将中子源送进肿瘤内部，借助中 子射线近距杀死癌细胞．中子射线的生物作用比 X、 射线强2~8倍，适用于敏感性较差的肿瘤或复 发性肿瘤．
(iii) 硼中子俘获疗法
把含硼元素的肿瘤亲和药物注入人体，该种药物能 迅速浓聚于病灶部分，此时用超热中子射线照射， 可以在靶区引起核反应，所释放的高能射线只杀死 肿瘤细胞而不损伤周围组织．该疗法被认为是目前 治疗脑胶质瘤的最好方法．
A Z
X
A-4 Z -2
Y + α + E0
226 88
4 Ra(镭)222 Rn( 氡 ) 86 2 He(氦) 4.78MeV
(2) 衰变( decay)
衰变包括：-衰变、 +衰变和轨道电子俘获。 ① -衰变 ② +衰变 湮灭
A Z A 0 X Z Y + β +0 ν E 0 1 A 0 X Z Y + β +0 ν E0 1
(2) X射线的强度和硬度 X射线的强度(intensity)是指单位时间内通过与X射线传 播方向垂直的单位面积的辐射总能量。
I Ni h i
i 1
n
强度调节：(1)调节管电压， (2) 调节管电流，毫安率。 X射线的硬度(hardness)是指X射线的贯穿本领。 硬度调节：调节管电压，千伏率。
1 N N0 2
t / T1 / 2
1 A= -dN/ dt =N =N0 =A0 A0 2 单位: 1Bq=1s-1, 1Ci=3.71010Bq 常用单位：mCi、Ci
e-t e-t
t / T1 / 2
三、核反应 1. 核反应概念 核反应是原子核与粒子、质子、中子、重离子等粒子 相互作用引起的变化。 核反应方程简写： A1 X(a,b) A2 Y X 表示靶核，a 入射粒子，b 出射粒子，Y 剩余核 2. 核反应类型 (1) 中子核反应 [(n,)、(n,)、(n,p)、(n,2n)、(n,f)] (2) 质子核反应[(p,)、(p,d)、(p,n)、(p,)] (3) 离子核反应[(d,)、(d,p)、(d,n)、(,p)、(,n)、(,)] (4) 光核反应[(,n)、(,d)、(,)]
β β 2γ
A Z A 0 X e Z Y+ 1 0 ν E0
A Z
③ 轨道电子俘获(EC)
(3) 跃迁与内转换电子
① 跃迁：处于激发状态的核，跃迁到较低的激发态 直至基态，发射出 射线。
Am Z A XZ X0 0γ
② 内转换电子：在某些情况下，原子核从激发态向较 低能态跃迁时，产生的能量直接交给内层电子， 使该电子脱离原子束缚成为自由电子。
=KZ43
L1/2=ln2/
(2) 半价层
(3) 质量吸收系数和质量半价层 m= / Lm=L I=I0exp(-m Lm )
8.2.2 粒子、重离子与物质的相互作用 (1) 粒子在空气中的电离
(2) 其他带电粒子，例如质子、 重离子、负介子等与物 质的相互作用和粒 子相似。 8.2.3 粒子(电子束)与物质的相互作用 (1) 电离作用：比粒子几率小很多。 (2) 吸收规律：I=I0exp(-L) (3) 辐射&防护：产生X射线， 射线和X射线的防护。
而进行体外超微量分析。
第一节
电离辐射基础物理学
电离辐射产生过程 ：(1) 非核过程，(2) 核过程。 (1) 非核过程 核外电子碰撞过程(例如X射线)，或电离后加速输出(例 如电子束、质子束、重离子束)。 (2) 核过程 与原子核本身密切相关，产生于核反应或核衰变 (例如 射线、中子束、 射线、 射线)。
8.1.1 基于非核过程的电离辐射 一、X射线 (1) X射线发生装置 普通 X 射线机包括：电子源，球形真空管，加速电场 和阳靶。
碰撞损失 861 MeV 100 ＝ 1 辐射损失 T Z T:高速电子动能(~100keV)
Z:靶原子序数(W74, Mo42) 碰撞损失 热量 辐射损失 X射线
四、基于核过程的几种医用电离辐射的来源 1. 射线 ① 放射治疗中射线来源
60 27
59Co(n,)60Co
Co60 Ni β 28
② 核医学的诊断中，由放射性药物释放射线
SPECT成像常用 99mTc，123I，67Ga，111In，201Tl，
PET成像采集的射线源于电子对湮灭，β β 2γ （11C ， 13N ， 15O ，18F）
频率由低到高分为: 无线电波、微波、红外线、 可见光、紫外线、X射线和 射线等。 粒子辐射既有能量, 又有静止质量 如 : 粒子、 粒子、内转换电子、俄歇电子、中 子、质子、重离子等。
(2) 依据作用的方式：非电离辐射和电离辐射。
非电离辐射不引起物质电离，只引起分子能级改变， 包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线等。 电离辐射则引起物质电离，
8.2.4 中子与物质的相互作用 (1) 中子分类
慢中子 (0~1 keV)、中能中子 (1 keV~500 keV)、快中子 (0.5 MeV~10MeV)以及高能中子(大于10MeV)。
慢中子: 又可分为热中子 (平均能量0.025eV)、超热中子 (能量1~10eV)、 共振中子(1 eV~1 keV)。 散射：弹性散射 & 非弹性散射 (2) 中子与物质的相互作用 核反应 (a) 弹性散射 中子损失的能量与相互作用原子核的质量有关。原子 核质量越小，获得能量越大。通常采用含氢的水、含 氘的重水、石墨或有机化合物作为中子的慢化剂。中 子用于治疗时，其与氢原子的作用不容忽视。
天然稳定核素约280种，天然放射性核素约30种， 人工放射性核素(人造核素/人工核素)超过2000多种， 核衰变类型: 衰变、 衰变、衰变. 核衰变过程遵守的守恒定律: ① 质量能量守恒, ③ 核子数守恒,
② 动量守恒,
④ 电荷守恒.
(1) 衰变 ( decay)
放射性核素放射出射线(即粒子)的衰变过程。射线 就是高速运动的24He原子核 。 衰变方程:
(b) 非弹性散射
非弹性散射一般是快中子、高能中子在重核上发生的。 (c) 中子核反应
慢中子和中能中子主要引起中子俘获效应, (n,)反应。 快中子主要发生散射，其次诱发(n, ) , (n, p) , (n, )。 高能中子则除以上反应外，还可能发生(n, 2n)反应。
中子活化分析: 中子俘获反应产生放射性物质的性质可 用于定性及定量检测微量或痕量元素，应用范围：环境、 地质、法医学、考古学、材料学、生物医学。
二、放射性衰变基础概念 1. 半衰期 N=N0e-t 半衰期: 放射性核数目衰变为原数目的一半所需的时间。 T1/2= ln2/ = 0.693/ 平均寿命: = 1/ = T1/2 / ln2 2. 放射性活度 一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核 衰变数除以该时间间隔。 -dN =N dt
二、康普顿效应
康普顿效应是中能X射线、 射线与物质相互作用主要 机制。
当X射线、 射线与物质相互作用时，将部分能量转移 给电子使其脱离原子飞出这种过程称为康普顿效应。
三、电子对效应
当高能量(大于1.022MeV) 的X射线或 射线通过物质 时，在原子核强库仑场作用下，光子消失，转化为一 个正电子和一百度文库负电子，这一过程称为电子对效应。
A 核素: 具有相同质子数Z、中子数N的同一类原子核， ZX
99m Tc, 同质异能素: Z 同 A 同, 能态不同, 如 99 43 43Tc
2 3 同位素: Z同, 如: 1 H , H , 1 1 1H
2. 电子
电子及 “ 轨道 ”
3. 放射性核素衰变及其类型
放射性核衰变(nuclear decay): 不稳定的放射性核素能够 自发地以各种方式转变成另外的核。 衰变前的核称为母核，衰变生成的新核称为子核。
表8－2 医学上最常用的几种发射射线的放射性核素性质
2. 粒子 粒子用于治疗包括近距离放射治疗和核医学中的体内 药物治疗。常用的 放射性核素有 32 P, 89 Sr, 90 Y, 131 I, 153Sm, 186Re等等。基本上均通过反应堆制备。
3. 粒子
释放粒子的放射性核素在医学中尚未应用到临床。
表8-1 X射线按硬度的分类和用途
名称 极软X射线 管电压/kV 最短波长/nm 5~20 0.25~0.062 主要用途 组织摄影,表皮治疗
软X射线
硬X射线 极硬X射线
20~100
100~250 250以上
0.063~0.012
0.012~0.005 0.005以下
透视和摄影
较深组织治疗 深部组织治疗
直接电离：粒子、 粒子、电子、质子、重离子等。 间接电离： X射线、 射线、中子。
电离辐射的医学应用 ：放射学、核医学、放射免疫分析 (1) 放射学：包括诊断用的放射影像技术、治疗用的放射
治疗技术，以及作为介入手术导引的数字减影技术。
(2) 核医学：利用含放射性核素的放射性药物，通过其在
人体内不同组织器官及肿瘤的分布或放射性强度的变 化来进行诊断 (影像与非影像) 或治疗。
99 43
Tc Tc
m 99 43
｛内转换占11%
射线占89%
(4) 俄歇电子 在发生轨道电子俘获和发射内转换电子的情况下，核
外内层电子轨道出现空穴，当高能级(外壳层) 的电子
跃迁至低能级(内壳层) 时，把多余的能量直接转移给 同一能级的另一个电子，接受这份能量的电子脱离轨 道成为自由电子—俄歇电子。
4. 中子束 ① 快中子束治癌中子的来源：氘和氚(d+T)的聚变反应；
氘和氘离子(d+D)的聚变反应，氘和铍(d+Be)的核反应； 质子和铍(p+Be)的核反应。 ② 超热中子硼中子俘获疗法中子的来源：反应堆引出的 快中子慢化成为超热中子。
第二节
电离辐射与物质的相互作用
8.2.1 X射线、 射线与物质的相互作用 作用形式：光电效应、康普顿效应和电子对效应 一、光电效应 光电效应是低能 X射线、 射线与物质相互 作用的主要机制。 X 射线、 射线撞击一 个原子内层轨道电子时， 其能量全部转移给电子，使其具有动能而脱离原子飞出， 而X射线、射线本身消失，这种过程称为光电效应。 出射光电子能量 =入射光子能量-电子结合能
第八章
电离辐射及其医学应用
第一节 电离辐射基础物理学
第二节 电离辐射与物质的相互作用
第三节 电离辐射的生物效应
8.3.6 相关计量概念
辐射的分类：
(1) 依据辐射的组成：电磁辐射和粒子辐射。 (2) 依据作用的方式：非电离辐射和电离辐射。
(1) 依据辐射的组成：电磁辐射和粒子辐射两大类
电磁辐射实质上是电磁波，仅有能量而无静止质量，
(4) X射线基本特性 ①电离作用 ②荧光作用 ③光化学作用
④生物效应 二、高能电子束
⑤贯穿本领
电子加速器高能电子束
三、质子束和重离子束 质子加速器高能质子束 离子加速器高能离子束
8.1.2 基于核过程的电离辐射 基于核衰变: 射线、 粒子、 粒子、俄歇电子等。 基于核反应: 快中子束、 - 介子束等。 一、原子、原子核与放射性 1. 质子和中子
(3) X射线谱
X射线谱是指X射线光子强度与
光子能量(波长或频率)的关系。
(a) X射线连续谱 管电压<70KV 轫致辐射(bremsstrahlung)
h max
hc
min
eU
min
hc 1 e U 12.42 o 1.242 A nm U (kV) U (kV)
(b) X射线标识谱 X射线标识谱的特征 与阳靶材料有关，与管电压无关。 原子壳层结构模型
E0=2mec2+E++E-
E+ +E- =E0 - 2mec2
四、物质对X射线的吸收规律 当X射线通过物质时，与物质的原子发生以上三种相互 作用， X射线的能量降低，强度随着 X射线深入物质的 程度而减弱，这种现象叫做物质对X射线的吸收。 朗伯—比尔定律 (1) 线性吸收系数 I=I0exp(- L )
(d) 医学应用
(i) 中子活化分析——痕量金属元素检测。
(ii) 中子刀 利用遥控后装技术将中子源送进肿瘤内部，借助中 子射线近距杀死癌细胞．中子射线的生物作用比 X、 射线强2~8倍，适用于敏感性较差的肿瘤或复 发性肿瘤．
(iii) 硼中子俘获疗法
把含硼元素的肿瘤亲和药物注入人体，该种药物能 迅速浓聚于病灶部分，此时用超热中子射线照射， 可以在靶区引起核反应，所释放的高能射线只杀死 肿瘤细胞而不损伤周围组织．该疗法被认为是目前 治疗脑胶质瘤的最好方法．
A Z
X
A-4 Z -2
Y + α + E0
226 88
4 Ra(镭)222 Rn( 氡 ) 86 2 He(氦) 4.78MeV
(2) 衰变( decay)
衰变包括：-衰变、 +衰变和轨道电子俘获。 ① -衰变 ② +衰变 湮灭
A Z A 0 X Z Y + β +0 ν E 0 1 A 0 X Z Y + β +0 ν E0 1
(2) X射线的强度和硬度 X射线的强度(intensity)是指单位时间内通过与X射线传 播方向垂直的单位面积的辐射总能量。
I Ni h i
i 1
n
强度调节：(1)调节管电压， (2) 调节管电流，毫安率。 X射线的硬度(hardness)是指X射线的贯穿本领。 硬度调节：调节管电压，千伏率。
1 N N0 2
t / T1 / 2
1 A= -dN/ dt =N =N0 =A0 A0 2 单位: 1Bq=1s-1, 1Ci=3.71010Bq 常用单位：mCi、Ci
e-t e-t
t / T1 / 2
三、核反应 1. 核反应概念 核反应是原子核与粒子、质子、中子、重离子等粒子 相互作用引起的变化。 核反应方程简写： A1 X(a,b) A2 Y X 表示靶核，a 入射粒子，b 出射粒子，Y 剩余核 2. 核反应类型 (1) 中子核反应 [(n,)、(n,)、(n,p)、(n,2n)、(n,f)] (2) 质子核反应[(p,)、(p,d)、(p,n)、(p,)] (3) 离子核反应[(d,)、(d,p)、(d,n)、(,p)、(,n)、(,)] (4) 光核反应[(,n)、(,d)、(,)]
β β 2γ
A Z A 0 X e Z Y+ 1 0 ν E0
A Z
③ 轨道电子俘获(EC)
(3) 跃迁与内转换电子
① 跃迁：处于激发状态的核，跃迁到较低的激发态 直至基态，发射出 射线。
Am Z A XZ X0 0γ
② 内转换电子：在某些情况下，原子核从激发态向较 低能态跃迁时，产生的能量直接交给内层电子， 使该电子脱离原子束缚成为自由电子。
=KZ43
L1/2=ln2/
(2) 半价层
(3) 质量吸收系数和质量半价层 m= / Lm=L I=I0exp(-m Lm )
8.2.2 粒子、重离子与物质的相互作用 (1) 粒子在空气中的电离
(2) 其他带电粒子，例如质子、 重离子、负介子等与物 质的相互作用和粒 子相似。 8.2.3 粒子(电子束)与物质的相互作用 (1) 电离作用：比粒子几率小很多。 (2) 吸收规律：I=I0exp(-L) (3) 辐射&防护：产生X射线， 射线和X射线的防护。