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1、v肿瘤放射物理学v核物理基础v带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用第一讲第一讲 放射物理基础放射物理基础v肿瘤放射物理学v核物理基础v电离辐射与物质的相互作用v肿瘤放射物理学(Radiation Oncology Physics)是将放射物理学的基本概念和原理应用于肿瘤放射治疗的一门交叉学科v是放射肿瘤学的一个重要基础v是医学物理学的一个重要的分支v肿瘤放射治疗学(Radiation Therapy)是 描述从体位确定到肿瘤定位到计划设计到 计划执行及随访过程的一门科学。v肿瘤放射物理学v核物理基础v电离辐射与物质的相互作用物理量与基本单位物理量与基本单位v物理量用它们的数值大小和

2、相应的单位描述v国际单位制定义的基本单位长度(l)米(m)质量(m)千克(kg)时间(t)秒(s)电流(I)安培(A)温度 开尔文(K)物质的量 摩尔(mol)发光强度 坎德拉(cd)原子结构原子结构v原子是构成物质的微小单位，其中心是带正电的原子核，核周围是带负电的电子在绕核运动。原子核由不同数目的质子和中子组成v任何原子的核外电子数称为该原子的原子序数；具有相同原子序数的原子总体称为元素；具有一定数的质子和中子的原子总体称为核素；原子序数相同而质量数不同的核素互称同位素。原子的基本表述原子的基本表述v一个原子的基本表述可以用符号 表示，其中 是元素符号，是原子序数，是原子的质量数XAZXZ

3、A6027Co22888Ra核外电子的运动状态核外电子的运动状态v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ml 和自旋量子数ms决定。n取值依次为1,2,7;对每一个n，l可以取0,1,(n-1);对每一个l，ml可以取-l，-l+1,l-1,l;对每一个ml，ms可以取-1/2和+1/2。v泡利不相容原理 在原子中不能有两个电子处在同一运动状态，也就是说不能有两个电子具有完全相同的四个量子数。核外电子的壳层分布规律核外电子的壳层分布规律在原子中具有相同主量子数的电子构成一个壳层，具有相同轨道角动量量子数的电子构成一个次壳层。根据泡里不相容原理，可确定每个壳层和次壳层可容纳的电

4、子数,分别是2n2和2(2l+1)。原子能级原子能级电子在原子核库仑场中所具有的势能主要有主量子数n和轨道角动量量子数l决定。n和l的变化就构成了分立的原子能级,依次是1s2s子体半衰期，人工放射性核素人工放射性核素人工放射性核素在医学中有着广泛的运用，制备途径有两种：1.利用核反应堆生产，利用反应堆中的强中子束照射，靶核俘获中子而生成放射性核素，或者利用中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取放射性核素。2.高能加速器用来生产短寿命放射性核素。v肿瘤放射物理学v核物理基础v带电粒子与物质的相互作用电离辐射概念电离辐射概念v 凡是与物质直接或间接作用时能使物质电离的一切辐射称为电离辐射v 具有足够动

5、能的带电粒子，与原子中的电子发生碰撞，使后者脱离原子的束缚而成为自由电子，直接使原子电离，因此被称为直接致电离粒子(辐射)v 不带电粒子，本身不能使物质电离，但能借助与原子的壳层电子或原子核发生相互作用产生的次级粒子，使物质电离，因此被称为间接致电离粒子(辐射)带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用 v与核外电子发生非弹性碰撞 v与原子核发生非弹性碰撞 v与原子核发生弹性碰撞 v与原子核发生核反应 与核外电子发生非弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞:碰撞过程碰撞过程当带电粒子从靶物质原子近旁经过时，入射粒子和轨道电子之间的库仑力使电子受到吸引或排斥，从而获得一部分能量。如果能量足够，就

6、能引起原子电离；如果能量不够，则引起原子激发。当原子退激时，会释放特征X射线或俄歇电子。如果电离出来的电子可进一步引起电离，则称次级电子或电子.与核外电子发生非弹性碰撞与核外电子发生非弹性碰撞:碰撞的能量损失碰撞的能量损失v线性碰撞阻止本领(Scol)是指入射带电粒子在靶物质中穿行单位路径长度时电离损失的能量v质量碰撞阻止本领等于线性碰撞本领除以靶物质的密度，v对于重带电粒子，v对于电子，碰撞损失仍是与物质的每克电子数成正比，但是与能量的关系发生了变化。低能时近似与电子的能量成反比；高能时随能量缓慢增加。22zNSecol22zNSecol与原子核发生非弹性碰撞与原子核发生非弹性碰撞:碰撞过程

7、碰撞过程当带电粒子从原子核附近掠过时，在原子核库仑场的作用下，运动方向和速度发生变化，带电粒子的一部分能量就变成具有连续谱的X射线辐射出来，这种辐射称为轫致辐射。与原子核发生非弹性碰撞与原子核发生非弹性碰撞:碰撞的能量损失碰撞的能量损失v用线性辐射阻止本领和质量辐射阻止本领描述带电粒子在单位路径长度和单位质量厚度的辐射能量损失v质量辐射阻止本领 辐射损失与入射带电粒子的质量平方成反比 与带电粒子的电荷数和靶物质原子序数的平方成正比 与粒子能量成正比NEmZzSrad222与原子核发生弹性碰撞与原子核发生弹性碰撞:碰撞过程碰撞过程当带电粒子与靶物质原子核库仑场发生相互作用时，尽管带电粒子的运动方

8、向和速度发生了变化，但不辐射光子，也不激发原子核，则此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。碰撞发生后，原子核由于质量大，散射现象不明显；而电子质量轻，散射角可以大于90o。与原子核发生核反应与原子核发生核反应:当一个重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的半径，如果有一个或数个核子被入射粒子击中，它们将在一个内部级联过程中离开原子核，其飞行方向主要倾向于粒子入射方向。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”和射线而退激。四种相互作用的相对重要性四种相互作用的相对重要性:对于电子对于电子v在放疗用到的能量范围

9、内，与核外电子发生非弹性碰撞和与原子核发生非弹性碰撞是主要的作用形式，两者的相对重要性可表示为 v电离损失与辐射损失相等时的电子能量称临界能量MeVZESScolrad800 物质 水 空气 铝 铅 临界能量(MeV)150 150 60 10 四种相互作用的相对重要性四种相互作用的相对重要性:对于重带电粒子对于重带电粒子 在放疗用到的能量范围内，辐射损失可以忽略，与核外电子发生非弹性碰撞是唯一主要的作用方式。其它相互作用系数其它相互作用系数v总质量阻止本领v质量角散射本领v路径长度v射程v比电离v传能线密度总质量阻止本领总质量阻止本领v定义为带电粒子在密度为的介质中穿过路径dl时，一切形式的

10、能量损失dE除以dl而得的商v对于电子v对于重带电粒子SdEdlcolradSSScolSS质量角散射本领质量角散射本领v描述带电粒子束与吸收体发生相互作用后，散射粒子的角分布情况，定义为均方散射角 除从吸收体密度 和厚度 之积所得的商，2l222AeZlM p路径长度、射程路径长度、射程v路径长度:带电粒子从入射位置至完全停止位置沿运动轨迹所经过的距离.连续慢化近似射程v射程:沿入射方向从入射位置至完全停止位置所经过的距离.平均射程、外推射程比电离比电离v比电离:带电粒子穿过靶物质时使物质原子产生电子-离子对，单位路径上产生的电子-离子对数v比电离与碰撞阻止本领成正比，在带电粒子射程末端达到最大。对重带电粒子，形成布喇格峰；对电子束，由于射程歧离，没有布喇格峰传能线密度传能线密度v定义为dE除以dl而得的商，即vL与(dE/dl)dE/dl)colcol的关系dldEL其中dE是带电粒子穿行dl距离时，由能量转移小于的历次碰撞所造成的能量损失，是截止能量值v肿瘤放射物理学v核物理基础v带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用第一讲第一讲 放射物理基础放射物理基础作作 业业v轨道电子结合能的概念和计算方法v核子结合能的概念和计算方法v计算Co-60源比活度的极限值