医学辐射防护基础

cancer
生物效应产生的过程和机理
分子水平 细胞水平
体细胞
细胞死亡 生殖细胞
临床症状
功能障碍
效应
确定性效应 多细胞死亡导致 不孕
DNA损伤
体细胞 细胞变异 生殖细胞
肿瘤 随机性效应 单一细胞变异导致 遗传效应
放射生物效应在时间上的显示
时标
几分之一秒
效应
能量吸收 生物分子变化 (DNA, 膜) 生物修复
1稳定核素 Stable Nuclide
不会自发地发生核内成分或核能级变化,或者发
生的几率非常小。
2. 放射性核素 Radioactive Nuclide 核不稳定，容易自发地发生核内成分或能态的 改变而转变成另外一种核素，同时释放出一种或 一种以上的射线。
为什么一些核素具有放射性?
中子和质子的比例
核力： 原子核核子之间一种特殊的引力。
核力是一种近程力， 在 >10-15 m 时，核力远比
库仑斥力为小， 而在 <10-15 m 时，核力比库仑斥 力的增加更为迅速，以至于只有最邻近的核子之 间核力才占首要地位。
三、核能级 核能级的基态：原子核由于核子的不断运动而具 有一定的能量。一般状况下，原子核都处于最低 状态，此时，核稳定，不会发生核结构的改变。 核能级的激发态：由于质中比不合适，核能级较 高，处于不稳定状态，要经过核结构的改变，释 放出相应的核子与能量，使核处于基态。
阻挡物
吸收效果
完全 产生轫致辐射
一张普通纸 有机玻璃板 铅
不能被完全吸收
第二部分 放射卫生防护基础
核射线在医学上得到了广泛的应用,核射线的应用
已成为医学生物学现代化的重要标志，但核射线所
引起的电离辐射，对人类兼有利弊的双重性。防止 有害的电离辐射的生物效应，一直是医学研究的重 大课题。随着人们对电离辐射生物效应认识的逐步 深化放射卫生防护标准也在不断随之变化和完善。
2. - 衰变
特点: •质量轻,速度快 •连续能谱 能量分布从零到最大
•穿透力强，电离能力弱，可被铝箔和人 体所吸收
3. ＋衰变
只有人工放射性核素才可发生＋衰变。 ＋ 粒子存在时间极短,当被物质阻挡失去动能时,
将和物质中的自由电子结合转化成光子.
＋ 粒子全部动能损失后,与周围物质中的自
为自由电子放出 , 此自由电子称为俄歇电子
(auger electron) ,标识X线和俄歇电子能量较
低，KeV 级，能量是定值，又称次级辐射。
5. 跃迁
半衰期 half-life
物理半衰期 T1/2： 在单一放射性核素衰
变过程中，放射性活度降至原有值一半 所需要的时间。
半衰期
衰变规律:A=A0e-t
特征 X 射线
γ射线相互作用:光电效应
入射光子
射出的光电子
原子 核
2．康普顿效应 当光子能量远大于壳层电子的结合能时， 光子可以和原子中的一个壳层电子发生弹性碰 撞，将部分能量传给电子，使电子以一定角度 逸出，其余能量被散射的光子带走，光子能量 减少，运动方向改变，该电子称康普顿电子， 二次电子，反冲电子。康普顿电子可引起次级 电离。康普顿电子是连续能谱，可用它模拟β能谱。
理化学阶段、化学阶段和生物学阶段。其中前三 个阶段又称电离辐射的原发作用过程,可在极短的 时间内完成。而后一阶段又称电离辐射的继发作 用过程。可延续至数天、数月、数年甚至更长的
时间。
原发生物过程： 物理阶段 物理化学阶段 化学阶段
在此阶段，射线通过直接作用、间接作用两种
方式将能量传递给生物大分子，从而造成生物 大分子的损伤。
富质子的核
质 子 数
富中子的核
中子数
放射性核衰变 放射性核素自发发生核能态及核内成分改变而转 变成另一种核素，同时释放出一种或一种以上的
射线，这种变化过程称为放射性核衰变简称核衰
变。
放射性衰变机制
1. α 衰变
射线特点： 1.单能谱
2.质量大，射程短，穿透力弱
3.质量大，速度慢，荷电量多，电离本领大。
5．湮没辐射Annihilation Radiation β ＋ 粒子通过物质时，其动能完全消失 后，可与物质中的自由电子结合而转化为一 对发射方向相反，能量相同，均为0.511MeV 的光子，这种现象称为湮没辐射。
α 粒子与生物物质的相互作用: 外部沉积
α辐射没有外照射危 害
在组织中的最大射程 <0.1 mm 所有α粒子都在角质 层被吸收
四、核外电子结构
核外电子沿着“一定”的轨道，围绕原子核运
动，这些电子分布在不同的壳层上，若干轨道组
成一个壳层, 由内向外，依次为K，L，M，N…层，
核外电子壳层容纳电子数有限，2 n2 个。
电子具有一定的能量,距核越远,位能越高,在外力的
作用下,内层电子可以跳至外层.能级升高,称为激发
态。若获能较大，则可以脱离原子核的束缚，离开
*
放 射 性 活 度 的 单 位 是 贝 可 勒 尔 （ Bq ， Becquerel），简称贝可 国际单位制 1Bq表示放射性核素在1秒钟内发生1次衰变。 1Bq＝1dps, kBq ,MBq , GBq ,TBq, 1Ci (居里)=3.7×1010dps
1uCi=每秒钟发生3万7千次衰变
核物理中的能量单位是电子伏特 eV，1 电子伏特是指电压为1伏特的两点间移动 一个电子时电场力所做的功。 常用 KeV,MeV
γ 射线相互作用:康普顿散射
低能的散射光子 入射光子 θ ,散射角
射出康普顿反冲电子
3． 电子对生成
当光子的能量>1.02MeV时，通过物质时，在核及
电子库仑电场作用下，可以转化成为具有一定能量的
一个正电子和一个负电子，即电子对。电子对中的正
电子在物质中不能长期存在，当它逐渐失去动能后，
就与一个负电子结合，转化成一对能量相同，
0.511MeV ,方向相反的光子，称为电子对湮没。
电子对产生
X 射线 与γ 射线的区别
辐射穿透本领
几种辐射的穿透力
Alpha
particles are easy to stop, gamma rays are hard to stop.
三种射线的基本能量特征
1兆电子伏在空气中射程
α射线 β射线 γ射线 1.0厘米 10米 千米
一、电离辐射的生物效应
能使其所通过的任何介质的原子产生电离的
一类辐射 , 称为电离辐射。核射线就是一种常见的
电离辐射。 电离辐射的生物效应则是指电离辐射能量传递给 生物机体后所引起的机体的变化和反应。
1、发生机制：
电离辐射生物效应的发生一般认为需经历若干
性质不同而又相互联系的阶段，即物理阶段、物
形成连续能谱的电磁辐射,称为韧致辐射。
轫致辐射
轫致辐射X射线在放射安全实践中的重要性
4. 契伦科夫辐射 Celenkov Radiation 高能电子通过折射率较大的透明介质 时 (n>1) 若其速度大于光在该介质中的
相速度，在粒子经过之处，将沿一定方
向发出接近紫外线波长范围的微弱可见
光，这种辐射为契伦科夫辐射。
粒子与原子核在相互作用前后总动能保持不变
，称为弹性散射或弹性碰撞。
粒子质量大,散射不明显，β粒子轻 ，易
散射，给探测防护带来一定困难。
3．韧致辐射 Bremsstrahlung
高速运动的带电粒子经过原子核附近时 , 受 到原子核库仑电场作用而急剧减速 , 运动方向
改变,其部分或全部动能以光子形式辐射出来,
射线如何与物质相互作用?
电离辐射
能量以电磁波或粒子形式从原子或原子核内发射出来
电离辐射形式
直接电离
粒子辐射
由携带以动能形式能量运动的 原子和亚原子组成 (电子, 质 子等)
间接电离
电磁辐射
能量以电场和磁场的 形式携带 , 以光速穿过 空间
一、带电粒子与物质的相互作用 1．电离与激发 带电粒子与物质的核外电子发生静电作用， 入射粒子可将本身动能分次传递给轨道电子。 如果轨道电子获得的能量足已脱离原子，则成 为自由电子，而失去核外电子的原子带正电荷 ，两者组成一个离子对 。这一过程为电离。 Ionization
如果核外电子所获射线动能不足以使之 成为自由电子，只是由内层跃迁到外层，从
低能层跃迁到高能层，使整个原子处于能量
较高的激发态，则称为激发。Excitation
Ionization
Excitation
特殊电离和线能量传递 (LET)
2．弹性散射 带电粒子通过物质时，因为受到原子核库 仑电场作用，而改变本身运动方向，但是带电
mm
二、 射线与物质的相互作用
1.光电效应 光子与物质相互作用时，可将能量全部交给 核外电子（主要为K层电子），光子本身消失。 核外电子获得光子能量后脱离原子，形成高能 电子（光电子）。这一过程称为光电效应。 发射出的光电子的原子因电子层出现电子空 位而处于激发态，转为基态时可以发出特征性X 射线（标识X线）。
α粒子与生物物质的相互作用: 内沉积
主要的危险是食入和吸入α 辐射体
β粒子与活性物质的相互作用
细胞核 细胞直径 1来自百度文库0 个细胞直径
alpha
1.7 MeV beta
0.15 MeV beta
5.3 MeV alpha 俄歇电子 I 0.001 I 0.01 I 0.1 I 1 I 10
beta
ı 100
原子成为自由电子，而原子本身成为带正电荷的离
子，称为电离，外层电子若返回内层，则称为退激， 多余能量以射线方式释放。
几个概念
核素: Nuclide 凡原子核内质子数、中子数和能量状态
均相同的一类原子。
元素：凡核内质子数相同的一类原子称为
一种元素。每种元素可以包括若干种核素。
同位素： Isotope 具有相同的质子数的核
由负电子结合,转变成两个方向相反,而能量相
等 , 均为 0.511MeV 的 光子，此称为正电子湮
没辐射。
4．电子俘获衰变 EC Decay
如果核内中子数相对过少,而又没有足够能量 (<1.02MeV)，则从核外靠近内层的（K层）的 电子轨道上俘获一个电子
较高能级的壳层电子可以跃迁到该位臵上 , 多余的能量以光子形式放出,称为标识X线,也 可以将多余的能量传给更外层的电子使其成
10-24g 质子数和中子数之和为原子核的质量数。
原子结构
X –元素的化学符号,
A - 原子核的质量数, = 质子数＋中子数
Z - 质子数 = 原子序数
由于元素符号本身已经表示出原子序数，
因此左下方标记常常省去。
二、原子核的稳定性
原子核中的质子之间存在着库仑斥力，究竟是
什麽力使这些核子能组成完整的原子核呢？
医学辐射防护基础
侯桂华 山东大学医学院实验核医学研究所 ghhou@sdu.edu.cn 88382096
第一部分 核物理基础
什么是放射?
原子的结构
一、原子核结构 质子 protons (p+) 其电量与电子的电量
相等，质量 1.6725 10-24g
中子 neutrons (n) 不带电, 质量 1.6747
增殖死亡
细胞凋亡(apoptosis) 变异细胞的程序性死亡（programmed death） 镜下表现：胞核浓缩、断裂 机理：P53基因 凋亡小体
激活自我致死程序
是变异细胞免于患癌的重要机制
细胞水平损伤 细胞变异（modification)
变异
细胞转化
癌症
异常细胞克隆
transformation
素，由于属于同一种元素，在元素周期表上
处于同一位臵，故称为该元素的同位素或彼
此是同位素。
例如：11C, 12C, 13C, 14C均是碳的同位素
同质异能素：有相同的质子数、中子数、
但是能量状态不同的一类元素。是一种特殊
的同位素。例如：99mTc是 99Tc的激发态
Metastable 亚稳态
放射性核素和核衰变
几秒
几分 几小时 几天 几星期 几个月 几年 几十年 几代 细胞死亡 器官死亡
细胞变化信息
突变发生在 生殖细胞 体细胞
临床变化
白血病和癌
遗传效应
2.电离辐射接触机会
1. 核工业系统 放射物质的开采、 冶炼和加工，以及核反应堆的 建立和运转 2. 射线发生器的生产和使用 加
速器、 X 射线和γ射线的医用 和工农业生产用辐射源
3. 天然放射性核素伴生或共生矿
生产 磷肥、稀土矿、钨矿
等开采和加工
DNA损伤（分子水平）

单链断裂：
C
可以实现无差错
修复
双链断裂：
错误修复
继发作用过程：生物学阶段 在生物大分子损失的基础上，细胞代谢 发生改变，功能、结构发生破坏，从而导致
组织和器官的一系列病理改变。
细胞死亡
间期死亡 增殖死亡 间期死亡 间期死亡 增殖死亡 间期死亡 增殖死亡
功能障碍 结构改变