肿瘤放射物理学-肿瘤放射物理学重点整理

试题题型●选择题：共20小题，每题1.5分，共30分●名词解释：共6小题，每小题5分，共30分（DRR、PDD、PTV、CT模拟、放射性活度）●简答题：共4小题，每小题10分，共40分复习提纲1．原子的结构特点和描述原子结构的参数。

●核外电子运动状态由主量子数n，轨道角动量量子数l，轨道方向量子数m l，和自旋量子数m s决定。

●主量子数n：取值1，2，3….,对应的壳层分别为K，L，M，N，O，P，Q壳层，每个壳层最多可容纳的电子为2n2，例如K层和L层可以容纳的电子数分别为2和8.（主量子数n是用来描述原子中电子出现几率最大区域离核的远近，或者说它是决定电子层数的。

n相同的电子为一个电子层，电子近乎在同样的空间范围内运动，故称主量子数。

）●根据泡利不相容原理，在原子中不能有两个电子处于同一状态，也就是说，不能有两个电子具有完全相同的四个量子数。

●对每一个n，轨道角动量量子数l可取值：0，1，2，3，…，n-1, 在一个壳层内，具有相同l量子数的电子构成一个次壳层，l=0,1,2,3,4,5,6依次对应次s, p, d, f, g, h, I●次壳最多可容纳2(2l+1)个电子●在多电子原子中，轨道角动量量子数也是决定电子能量高低的因素。

所以，在多电子原子中，主量子数相同、轨道角动量量子数不同的电子，其能量是不相等的，即在同一电子层中的电子还可分为若干不同的能级(energy level)或称为亚层(subshell)，当主量子n相同时，轨道角动量量子数l愈大，能量愈高。

●轨道角动量量子数决定原子轨道的形状。

●轨道方向量子数m l：取值范围-l,-l+1,….l-1,l。

●磁量子数m是描述原子轨道或电子云在空间的伸展方向。

m取值受角量子数取值限制，对于给定的l值，m=0,±1,± 2,…,±l，共2l+1个值。

这些取值意味着在角量子数为l的亚层有2l+1个取向，而每一个取向相当于一条“原子轨道”。

●自旋磁量子数m s：对电子可取值为1/2和-1/2●原子中电子除了以极高速度在核外空间运动之外，也还有自旋运动。

电子有两种不同方向的自旋，即顺时针方向和逆时针方向的自旋。

它决定了电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。

ms＝+或-1/2。

ms= 1/2，表示电子顺着磁场方向取向，用↑表示，说成逆时针自旋；ms=-1/2表示逆着磁场方向取向，用↓表示，说成顺时针自旋。

2．放射性核素的概念和三种放射性衰变的特点、过程、产物。

概念：●放射性衰变：不稳定元素的原子核能自发地释放辐射线（光子或粒子），转变为另外一种元素，这一过程称为放射性衰变。

发出的射线种类有，β，γ射线，还有可能有正电子，质子，中子等其他粒子。

●发生衰变前的核称为母核，衰变后的核称为子核。

衰变过程中释放的能量称为衰变能，它等于衰变前后诸粒子静止能量之差对应的能量。

如果衰变后的子核处于激发态，则激发态与基态能量之差也是衰变能的一部分。

三种放射性衰变的特点、过程、产物：● α衰变原子核自发地放出α粒子（也就是氦的原子核）而变为另一种原子核的过程称为α衰变。

衰变后质量数减4，电荷数减2.Q He Y X A Z AZ ++→--4242 （式中，X 代表衰变前的母核，Y 代表衰变后的子核。

Q 表示衰变能。

）由于衰变能等于母核的静止质量减去子核以及α粒子的静止质量之差所对应的能量，因此，只有母子核静止质量之差大于α粒子静止质量时，才能保证衰变能大于0，衰变才能发生。

● β衰变---原子核自发的放射出电子e-或正电子e+或俘获一个轨道电子的转变过程称为β衰变。

为了区别，发射电子的称为β-衰变，发射出的电子称为β-粒子；1AA Z Z X Y e Q ν-+→+++ 发射正电子的称为β+衰变，发射出的正电子称为β+粒子； 1AA Z Z X Y e Qν+-→+++ 俘获轨道电子的称轨道电子俘获。

1A AZZ X e Y Q ν--+→++式中： v 和 表式中微子和反中微子。

Q 为衰变能。

由于衰变产物为三体，因此，β粒子的能量由0到一个最大值呈钟罩型连续分布。

●γ衰变和内转换α，β衰变后的子核很可能处于激发态，原子核有两种方式退激：γ衰变：以γ射线形式释放能量，跃迁到低的能态或者基态，这种跃迁的过程称γ跃迁。

能量在KeV~MeV内转换：原子核的激发能转换给轨道电子，使电子发射出去。

有时原子核发生γ跃迁时不发射γ光子，而是把多余的能量交给核外绕行的电子(主要是K 层电子)，使它脱离原子核的束缚而放射出来，这种现象称为内转换(internal conversion)，电子的能量是固定的，近似于γ光子的能量。

γ射线特点：1、光子是从原子核中发射的；2、常常伴随在α、β衰变之后；3、单能；4、γ射线的能量与原子核相关。

3．带电粒子与物质相互作用形式的分类，各种作用方式的过程、特点、描述碰撞能量损失的术语及含义。

●带电粒子与原子核外电子的非弹性碰撞—碰撞损失（电离，激发）当带电粒子从靶物质原子旁经过的时候，入射粒子和轨道电子之间的库伦力使电子受到吸引或排斥，从而获得一部分能量✓电离：如果轨道电子获得足够的能量，就会引起原子发生电离，原子成为正离子，轨道电子成为自由电子。

当原子内壳电子被击出，外壳电子向内壳跃迁放出特征X射线。

如果电离出来的电子具有足够的动能，能进一步使物质电离，则称它们为次级电子或 电子，由次级电子引起的电离称为次级电离。

✓碰撞损失带电粒子与核外电子的非弹性碰撞，导致的电离损失和激发，称为碰撞损失或电离损失。

●带电粒子与原子核的非弹性碰撞——辐射损失✓辐射损失当带电粒子从原子核附近掠过时，在原子核库仑力作用下,运动方向和速度发生改变，带电粒子的一部分动能就变成具有连续能谱的X线辐射出来，这种辐射称为“轫致辐射”。

因电子质量小，与原子核碰撞时运动状态改变显著。

●带电粒子与原子核的弹性碰撞带电粒子与靶物质原子核发生库仑场相互作用时，尽管带电粒子的运动方向和速度发生了改变，但不辐射光子，也不激发原子核，则这种相互作用满足动能和动量守恒定律，属弹性碰撞，也称弹性散射。

带电粒子与原子核发生核反应当一个带电粒子具有足够高的能量（约100MeV），并且与原子核的碰撞距离小于原子核半径时，如果有一个或数个核子被入射粒子击中，它们将离开原子核。

失去核子的原子核处于高能量的激发态，将通过发射所谓的“蒸发粒子”（主要是一些较低能量的核子）和γ射线退激。

表征能量损失的术语•线性碰撞阻止本领：入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时电离损失的平均能量(单位：J.m -1、MeV.cm-1)• 线性辐射阻止本领：入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时辐射损失的平均能量• 质量碰撞阻止本领：等于线性碰撞阻止本领除以靶物质的密度(单位：J.m 2.kg -1 、MeV.cm 2.g -1)• 质量辐射阻止本领：入射带电粒子在靶物质中穿行单位质量厚度时辐射损失的平均能量✓ 传能线密度（linear energy transfer; LET ）：特定能量的带电粒子在靶物质中穿行单位距离时,由能量转移小于某一特定值的历次碰撞所造成的能量损失。

是描述辐射品质的物理量。

✓ 带电粒子与物质相互做用是通过与原子核外电子的多次非弹性碰撞使靶物质电离和激发而损失能量—电离损失✓ 与靶原子核的非弹性碰撞而损失能量--辐射损失✓ 每一次碰撞能量损失很小，因此可用阻止本领及射程描述带电粒子在物质中的行为4． X 射线与物质相互作用形式的分类，各种作用方式的过程、特点、描述各个过程的术语及含义、各种相互作用的相对重要性。

✓ 光电效应：X 射线全部能量转移给原子中的束缚电子，使其从原子中发射出来，光子本身消逝1、光电子发射：能量为hv 的X(γ)光子与物质原子的轨道电子发生相互作用，把全部能量传递给对方，X(γ)光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子（或称光电子）；原子的电子轨道出现一个空穴而处于激发态，它将通过发射特征X线或俄歇电子的形式回到基态，这个过程称为光电效应h =E e+B i式中， E e：光电子动能 B i：电子在壳层中束缚能电子在原子中束缚越紧，原子核参与此过程的几率越大，即光电效应的几率越大，因此在K壳层击出光电子的几率最大，约占80%2、特征X射线和俄歇电子发生光电效应时从内壳打出电子，该壳留下空穴使原子处于激发态。

有两种退激过程：➢特征X射线：外壳层电子向内壳层跃迁使原子退激，壳层之间束缚能之差以X射线形式发射➢俄歇电子：原子的激发能交给外层电子使电子发射出来✓康普顿散射：光子与核外电子发生非弹性碰撞,光子的一部分能量转移给电子使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向发生变化1、反应机制当入射X(γ)光子与原子内一个轨道电子发生作用时，光子损失一部分能量，并改变运动方向，电子获得能量而脱离原子，这个过程称为“康普顿效应”2、与光电效应的区别I.光电效应中光子本身消失，能量全部转移给电子。

II.康普顿效应光子把部分能量转移给电子III.光电效应发生在束缚最紧的内壳层电子IV.康普顿效应发在束缚最松的外壳层电子✓电子对效应：光子与靶原子核的库仑场作用光子转化为正负电子对。

1、反应机制当光子从原子核旁经过时，在原子核库仑场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子。

2、特点c2=1.02MeVA.入射光子的能量必须Eγ>2meB. 与光电效应类似，必须有第三者原子核参与，才能维持能量和动量守恒。

由于原子核反冲动能小，可以忽略C. 在电子的库仑场作用下也可产生电子对，由于电子质量小、反冲能量大，入射光子能量必须E γ>4m 0c 2=2.04MeV 。

但发生的概率相对于原子核库伦场发生电子对效应的概率要小得多。

D. 正电子在吸收体中慢化使其动能为零，与电子相互作用产生两个γ射线，此称为“电子对湮灭”湮灭光子的能量和角度分布➢ 能量分布： E γ1+ E γ2= 2m 0c 2 且 E γ1=E γ2= m 0c 2 =0.511MeV➢ 角度分布：湮灭前正负电子的动能和动量为零，因此运动方向相反✓ 相干散射：X(γ)光子具有波粒二象性，即粒子也是电磁波。

当入射电磁波从原子附近经过时，引起轨道电子共振，振荡电子将发射波长相同但方向不同的电磁波，不同轨道电子发射的电磁波具有相干性，故此过程称为相干散射在这个过程中，低能光子(h ν<<m e c 2)与束缚电子弹性碰撞（电子位置不变），原子保持初始状态，光子能量不变，主要沿入射方向发射。

光子能量低，靶原子序数较大时，相干散射占优势。

光子能量高(h ν≥m e c 2)，靶原子序数小时，相干散射与康普顿散射相比可以忽略。

✓ 光致核反应：高能光子与原子核作用引起核反应✓ 核共振反应：入射X 射线使原子核处于激发态，退激时放出γ射线在100KeV-30MeV 能量范围。