1、放射性基础知识安东尼亨利贝克勒尔n安东尼亨利贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel,18521908),法国物理学家。经过研究表明,它是由三种成份组成的:p一种是高速运动的氦原子核的粒子束,称为射线;p另一种是高速运动的粒子(电子)束,称为射线;p第三种是波长特别短的电磁波,称为射线;以上三种射线,由于它们的电离作用贯穿本领,在工业、农业、医学与科学研究重要的应用。n1896年他发现了自发放射性。1903年获一半诺贝尔物理学奖。n他发现铀盐能放射出穿透力特别强的,并能使照相底片感光的一种不可见的射线。放射性强度单位:Bq、玛丽居里n玛丽居里(Marie Sklodowska
2、Curie,1867-1934年)出生波兰华沙,法国物理学家、化学家。医学-肿瘤治疗n1898年7月,他们在沥青铀矿中发现两种元素,先把其中一种元素命名为钋,以纪念居里夫人的祖国波兰。1898年12月,他们又把另一种元素命名为镭。原放射强度单位:Ci。n1903年因发现天然放射性做出的杰出贡献而获诺贝尔物理学奖。n1911年,诺贝尔化学奖。p辐射指的是能量以电磁波或粒子的形式向外扩散。p非电离辐射:非电离辐射包括低能量的电磁辐射。有紫外线、光线、红内线、微波及无线电波等。它们的能量不高,只会令物质内的粒子震动,温度上升。p电离辐射:能量高、使物质发生电离作用的辐射p电离辐射形式:粒子辐射,如、
3、中子等;波的辐射,如x、射线等。放射性p某些元素的原子通过核衰变自发地放出射线的性质,称为放射性。p一种元素的原子核自发地放出某种射线而转变成别种元素的原子核的现象,称作放射性衰变。p能发生放射性衰变的核素,称为放射性核素(或称放射性同位素)。电离辐射的标记p1946年由美国加利福尼亚大学 伯克利分校的辐射实验室设计 出来,最开始的图案底部颜色 为蓝色,辐射标记为洋红色。p采纳蓝色做背景是因为在使用放射性物质的房间墙壁或工作台特别少是蓝色的,在这种场合下蓝色比较容易识别;采纳洋红色是它不同于常见颜色,同时当时这种颜色的颜料价格昂贵,其他标志特别少会采纳这种颜色,不易混淆p1948年美国橡树岭国
4、家实验室的Bill Ray与George Warlick与伯克利大学的学者们共同设计出新的黄黑两种颜色的标准电离辐射标志。p这个标志中有两层含义(个人理解)同位素是不稳定的同位素是双刃剑p 由于核工业的发展,普通人接触到核辐射的估计性逐渐增多,其中大多数人对上述电离辐射标志不熟悉,为此,国际标准组织(ISO)与国际原子能机构(IAEA)于2007年推出新标志:p该标志采纳了表示危险的红色背景,在传统的三扇叶电离图案下方画出五条标识电离辐射的含箭头波纹线,并在波纹线下方标出骷髅与交叉腿骨图案,逃离图案,该方案通俗易明白,正在逐步取代传统标志。放射性的种类p 射线,也称 粒子:氦原子核 ,带正电荷
5、,能量一般为4-6MeV,速度接近光速的1/10。穿透能力特别小,然而其电离能力特别强,在穿过空气时就能够把空气电离。p 射线:射线是高速运动的电子流,是负电子组成的;后来又发现另一种射线,带正电,不管是正电子依然负电子的质量都是电子的质量。约为 粒子1/7300。能量是连续分布的,从最低能到最高能都有。电离比 粒子弱,但也能使空气电离。42Hep 射线:是一种波长短、能量大的电磁波。它从原子核里面发出来,不带电,以光速运动。射线能量一般在几十KeV至几MeV,穿透力特别强。p 温度、压力及电磁场不影响 核素的放射性。p 常用射线除了上述的三种射线外,还有X射线,中子等:X射线:主要来源于原子
6、核外电子从高能级到低能级的跃迁(称为特征X射线)以及电子的轫致辐射。中子:主要来源于核裂变以及一些特别的核反应。NS磁铁镭 源（放在铅屏蔽罐中）同位素同位素210210PoPo234234ThTh235235U U238238U U239239PuPu238238PuPu241241AmAm243243CmCm同位素同位素6060CoCo7575SeSe137137CsCs182182Ta（钽）Ta（钽）192192Ir（铱）Ir（铱）109109Cd（镉）Cd（镉）226226Ra和子体Ra和子体169169Yb（镱）Yb（镱）153153GdGd同位素同位素3 3H H1414C C147
7、147PmPm9090SrSr9090Y Y3232P P6565NiNi204204C C2222NaNa2424NaNa106106RhRh同位素中子源同位素中子源210210Po-BePo-Be238238Pu-BePu-Be239239Pu-BePu-Be241241Am-BeAm-Be242242Cm（锔）Cm（锔）244244Cm（锔）Cm（锔）放射源放射源放射源中子放射源衰变:原子核自发地放射出粒子而转变成另外一种原子核的过程,叫做衰变。经过衰变以后,子核的质量数比母核减少4,原子序数减少2,其衰变式如下:p射线实际上就是带两个正电荷的氦-4原子核p质量数A小于140的原子核不具
8、有放射性,能够发生衰变的与原子核都为重核。QHYXAZAZ4242衰变:原子核自发地放射出电子或正电子或俘获一个轨道电子而发生的转变统称为衰变。原子核的衰变有三种形式。它们是-衰变、+衰变与电子俘获,其表达式分别为:-衰变:衰变后原子核的一个质子变成中子+衰变:EC:衰变后原子核的一个中子变成质子QeYXAZAZ11AAZZXYeQ1AAZZECXeYQ 跃迁:处于较高激发态的原子核要向较低能级跃迁,跃迁过程中释放出 射线,因此这种跃迁称为跃迁。p 跃迁可不能导致核素的变化,而只改变原子核的内部状态,因此跃迁的子核与母核,其电荷数与质量数均相同,只是内部能量状态不同而已。p 射线:是一种波长短
9、、能量大的电磁波。它从原子核里面发出来,不带电,以光速运动。射线能量一般在几十KeV至几MeV,穿透力特别强。p 温度、压力及电磁场不影响 核素的放射性。p 常用射线除了上述的三种射线外,还有X射线,中子等:X射线:主要来源于原子核外电子从高能级到低能级的跃迁(称为特征X射线)以及电子的轫致辐射。中子:主要来源于核裂变以及一些特别的核反应。原子核发生衰变时,母核由于不断生成子核,因此随着时间t的增加,母核数目将不断减少。通过大量的测量得出,任何一种放射性核素衰变都遵从下面的指数衰变规律:No为起始时刻(t=0)放射性原子核的数目。N为t时刻放射性原子核的数目,为衰变常数。0tNN e 以222
10、n(常称氡射气)的衰变为例,把一定量的氡射气单独存放,在大约4天之后氡射气的数量减少一半,经过8天减少到原来的1/4,经过12天减到1/8,一个月后就不到原来的1/100了。p衰变常数p半衰期p平均寿命 上式中常数称之为衰变常数,是表征原子核发生衰变或发生同质异能跃迁几率的一个常数,量纲是时间的倒数(s-1,min-1,d-1,a-1)。显然,的大小决定了放射性核素衰变的快慢,越大,衰变越快;越小,衰变越慢。0tNN e半衰期 放射性原子核数衰减到一半所需的时间。用T1/2表示,量纲:年(a)、天(d)、小时(h)、分(min)与秒(s)。不同的放射性核素T1/2的差别估计特别大,如:238U
11、:T1/2=45108a,镭衰变产生的氡-222(室内监测项目),T1/2=3、825d。1/20.693T平均寿命 平均寿命是指放射性原子核平均生存的时间。T1/2与的关系:T1/2=ln2/=0、693/,可见T1/2与成反比关系,即T1/2愈长,衰变常数就愈小;T1/2愈短,愈大。如 23892U的=4、88310-18s-1,22286Rn(氡)的=2、09610-6S-1。平均寿命与、T1/2的关系1/21/21/ln20.693TT 从放射性衰变的指数规律,可知某一放射性核素,当经过n个T1/2以后,则尚未衰变掉的核数仅为原来核数的(1/2)n,从而能够明白该放射性核素的现存量。如
12、出厂活度为100mci钴-60放射源,其半衰期为5、27年,经过若干年后的现存活度为:3、2年后:65、65mci;5、27年后:50mci;10、6年后:25mci;15、27年后:13、43mci。射线与物质的相互作用过程,本质上是能量的转移与吸收的过程。一方面射线能量不断损耗,另一方面,物质吸收射线的能量,产生电离与激发。电离辐射是由直截了当或间接电离粒子或由两者混合组成的任何辐射。直截了当电离粒子是那些具有足够大的动能,以致通过碰撞就能引起物质电离的带电粒子,如电子、射线、质子与粒子等。间接电离粒子是能够使物质释放出直截了当电离粒子或引起核变化的非带电粒子,如光子、中子等。四、电离辐射
13、与物质的相互作用p带电粒子在物质中的射程(Range):带电粒子在某种物质中沿着入射方向从进入到最后被物质吸收所经过的最大直线距离,称为带电粒子在该物质中的射程。射程的大小:与粒子的种类、初始能量以及吸收物质的性质有关。电离辐射与物质的相互作用粒子与物质的相互作用 粒子一般由质量较重的放射性原子核发射,能量不连续,通常为4-9MeV。粒子通过物质时,能量转移的主要方式是电离与激发。p5Mev的粒子空气中射程约3、5cm,铝金属中23m,粒子外照射可不能对人体造成伤害;p在体内,由于其能量会全部被组织与器官吸收,内照射的危害要重视。粒子与物质的相互作用p粒子,在同一物质中的射程要比粒子长的多。p
14、粒子穿过物质时,有明显的散射现象,其特点是粒子的运动方向发生了改变。当运动方向发生大的改变时,粒子的一部分能量会以X射线的形势辐射出来,这种辐射叫作轫致辐射。p轫致辐射的强度与阻止物质的原子序数Z的平方成正比,还与射线的能量成正比。粒子径迹是一条直线 5 5、3 MeV3 MeV粒子在空气中 的射程3 3、83 cm83 cm电子径迹是折线粒子与物质的相互作用p对射线屏蔽要用原子序数比较低的物质,如有机玻璃与铝材料,以减少轫致辐射份额。p放射活度及能量较高的辐射源,屏蔽轻材料在前重元素材料在后,以屏蔽轫致辐射。n光电效应 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
15、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。+A A*+e-(光电子)原子 A +X 射线原子受激原子n康普顿效应:与一个轨道电子碰撞,光子部分能量给电子,产生反冲电子,光子带走其余的能量。电子对效应能量1、02 MeV 的射线与原子核作用估计产生一对正-负电子。M M M +e M +e+e+e-1 1 +2 2 1 1、02 MeV m02 MeV me e m me e 0 0、511MeV 0511MeV 0、511MeV511MeV基本条件:射线能量 E E 1 1、02 MeV02 MeV能量转化成质量M=E/C2正电子湮灭正电子与负电子相遇发生湮灭,产生两个
16、 0、511 MeV的 光子。e+e-+me+me-=0、511 +0、511 MeV 质量转化为能量 转化效率 (100%)光电效应截面:康普顿效应截面:电子对效应截面:射线对物质的相互作用p较低能量时,在物质中主要产生光电效应;p中等能量时,康普顿效应为主;p较高能量时,主要发生电子对效应;p对射线屏蔽时,一般不考虑次级电子;p由于三种效应均正比于原子序数Z,屏蔽时应选用高原子序数材料如铅金属中子与物质的相互作用 依照中子能量的高低,能够把中子分为慢中子(能量小于5keV,其中能量小于1eV,平均能量为0、025eV的称为热中子),中能中子(其能量范围为5-100KeV)与快中子(0、1-
17、500MeV)。p中子与物质的原子核相互作用过程基本上分为两类:散射与吸收;p慢中子与原子核相互作用的主要形式是吸收;p中能中子与快中子与物质作用的主要形式是弹性散射;p能量10MeV快中子,以非弹性散射为主中子与物质的相互作用 中子防护:由于中子与轻物质发生弹性散射时,能量损失远远多于比与重物质作用时的能量损失,屏蔽时多用含氢多的材料,如水与石蜡等。不同辐射源的防护材料辐射源 材 料源 铅眼镜、铅玻璃、塑料板、铝板等源 铅、生铁、混凝土、钢板、钨合金等高密度材料快中子 混凝土、水、金属氢化物、石蜡、沙、砖等含氢物质慢中子 具有最大俘获慢中子截面的元素例如镉、硼等构成不同射线的穿透能力n 粒子
18、:氦原子核(2颗质子及2颗中子),带正电荷,由於 粒子质量较大,穿透能力特别弱。n 粒子:高速电子,穿透能力比 粒子强。nX射线 及 射线:能穿透人体。n中子:不带电荷的粒子,穿透能力最强 不同射线的能力比较t=0 秒t=1 秒1000个500个A=(1000-500)/1秒=500Bq5kg236.02 10XA照射量定义:X、射线在单位质量空气中释放出的所有正负电子被阻留在空气中时,形成的总电荷。照射量SI单位:C/kg 库伦/千克;曾用名:伦琴R 1R=2、58 10-4CKg-1 或 1CKg-1=3、876102RdQXdm(Kerma,kinetic energy in mater
19、ial)不带电间接电离粒子与物质的相互作用的过程能够分为两个时期:p把能量转移给释放出的次级带电粒子;比释动能p次级带电粒子通过电力与激发把能量转移给吸收物质,吸收剂量(Kerma,kinetic energy in material)定义:不带电粒子在特定单位质量物质的体积元内产生的所有带电的致带电粒子的初始动能的总与。SI单位:戈瑞,Gy;JKg-1 对不带电粒子适用;适用于所有介质;针对“点”的概念 比释动能率定义:某一时间间隔内比释动能的增量除以该时间间隔的商。SI单位:戈瑞/秒,Gy/s辐射体受照体 射线 射线 射线辐 射 能 量吸收剂量单位质量的物质吸收的辐射能量定义:dmdDSI
20、单位:戈瑞,Gy 1Gy1J/kg;曾用名:拉德,rad 1Gy 100rad在定义剂量时,没有考虑时间的因素,即相同的剂量能够是1小时的照射,也能够是1天(24小时)的照射。为描述受照体接受辐照能量的快慢,则需引入剂量率。定义:单位时间内单位质量的受照体所接受(吸收)的辐射能量。D/t=E/m/t、单位:(J/kg/h)=戈瑞/小时(Gy/h)。或者:n Gy/h=10-9Gy/h剂量或者剂量率,都是与具体的受照物质相对应,如人体的吸收剂量率、空气的吸收剂量率等。对所有射线适用;适用于所有介质;针对“点”的概念 5、吸收剂量、比释动能与照射量的区别辐 射 量吸收剂量D比释动能K照射量X适用范
21、围适用于任何带电粒子及不带电粒子与任何物质适用于不带电粒子如X、光子、中子等与任何物质仅适用于X或射线,并仅限于空气介质剂量学含义表征辐射在所关怀的体积V内沉积的能量,这些能量可来自V内或V外表征不带电粒子在所关怀的体积V内交给带电粒子的能量,不必注意这些能量在何处,以何种方式损失的表征X或射线在所关怀的空气体积V内交给次级电子用于电离、激发的那部分能量n关于不同的射线,即使剂量相同,对受照物体所产生的效果估计不同,为描述不同射线对受照体的不同作用效果引入剂量当量。n剂量当量=剂量 射线的品质因子。n单位:希沃特(Sv)、p这是一个与个体相关的辐射量;p描述人体受辐射照射时的危害程度;p与辐射
22、类型、能量以及照射条件有关式中:WR辐射权重因子;DT,R器官、组织的平均剂量RTRRTDwH,器官或组织T中的平均吸收剂量DT,R与辐射权重因子WR的乘积(equivalent dose)当量剂量H HT,RT,RI单位:希沃特,Sv 1Sv1J/kg 曾用名:雷姆,rem 1Sv 100 remRRTRTDwH,假如辐射场由具有不同WR值的不同类型的辐射所组成时,则当量剂量HT为DT,R是辐射R在器官或组织T内产生的平均吸收剂量;WR为辐射R的辐射权重因子。辐射权重因子(WR)(ICRP60)辐射类型能量范围WR光子电子与介子中子质子(反冲质子除外)粒子,裂变碎片,重核所有能量所有能量10
23、keV 10-100keV100keV-2MeV2-20MeV20MeV能量2MeV1151020105520有效剂量ETTTHwE式中:WT组织T的权重因子;HT 器官或组织的当量剂量当所考虑的效应是随机效应时,在全身受到不均匀照射的情况下,人体所有组织或器官的加权后的当量剂量之与。(effective dose)这也是一个与个体相关的辐射量组织权重因子(tissue weighting factor,WT)定义:WT代表组织T接受的照射所导致的随机效应的危险系数与全身受到均匀照射时的总危险系数的比值。表征组织或器官的辐射敏感性,反应了在全身均匀受照下各该组织或器官对总危害的相对贡献。全身接
24、受1Sv均匀照射时总危险度 WTT器官或组织接受1Sv照射时危险度 组织权重因子(ICRP 60)组织或器官组织权重因子WT睾丸红骨髓结肠肺胃膀胱乳腺肝食道甲状腺皮肤骨表面其余组织或器官0、200、120、120、120、120、050、050、050、050、050、010、010、05SI单位:希沃特,Sv 1Sv1J/kg曾用名:雷姆,rem 1Sv 100rem 意义:对不同照射情景进行定量比较,但不能对辐射照射所导致的生物效应或辐射危险度进行直截了当评价RTRRTTTTTDwwHwE,有效剂量表示了在非均匀照射下随机性效应发生率与均匀照射下发生率相同时所对应的全身均匀照射的当量剂量。
25、有效剂量也表示了为身体各器官或组织的双叠加权的吸收剂量之与:六、电离辐射对人体的作用 电离辐射对人体的作用:p对细胞杀伤作用p对细胞诱变作用l 物理过程与能量传递(10-16 s)电离(初级电离,次级电离)l 物理、化学作用(10-12 s)自由基的生成:H2O2,H02,H-,OH-l 分子组成及性质的改变 作用靶物质:染色体上的DNA生物大分子 细胞膜,核膜渗透性改变等辐射损伤过程与机理分子水平细胞死亡细胞变异体细胞生殖细胞体细胞生殖细胞功能障碍不孕肿瘤遗传效应确定性效应多细胞死亡导致随机性效应单一细胞变异导致DNA损伤细胞水平临床症状效应DNA水平损伤细胞水平损伤细胞死亡细胞水平损伤细胞
26、变异(modification)辐射生物效应类型p躯体效应与遗传效应发生在受照者本人身上称之躯体效应,主要作用于体细胞;生殖细胞受到照射,有估计在后代身上发生某种辐射生物效应,称之遗传效应p早期效应与晚期效应受照后数周之内发生的效应称之早期效应;受照在数月后发生的效应称为晚期效应;p随机效应与确定性效应随机效应:发生几率与受照剂量成正比而严重程度与剂量无关的辐射效应叫随机效应。确定性效应:通常情况下存在剂量阈值的一种辐射效应叫确定性效应。接受的剂量超过阈值越多,产生的效应越严重。因此只有当受照剂量达到或超过阈值时,确定性效应才会发生。人们日常所遇到的照射大多与随机效应有关,但在放射性事故与医疗
27、照射中,发生确定性效应的估计性应该引起足够的重视。确定性效应阈值的估计值组 织 与 效 应单次照射阈值(Sv)多次照射的累积剂量的阈值(Sv)睾丸精子减少永久不育0、153、5无意义无意义卵巢永久性绝育2、56、06、0眼睛体浑浊视力障碍0、52、05、05、08、0骨髓血细胞暂时减少致死性再生不育0、51、5无意义无意义急性损伤的分类临 床 症 状估计剂量大体上无症状,有时有轻度前驱性症状0、51、5Gy轻度急性放射病,暂时性呃逆与呕吐,轻度的造血机能损伤。1、54Gy症状严重,造血机能严重损伤。在高剂量时,有胃肠道损伤。46Gy急性放射病症状明显,胃肠道损伤起主要作用,造血器官损伤比造血型
28、放射病时严重。临床症状主要有高烧、频繁的呕吐、反复的腹痛、血水便等。620Gy除骨髓、胃肠道的严重损伤外,主要是中枢神经系统的损伤。临床症状为共济失调、肌肉张力增加与震颤、强直性或阵痉性抽搐、昏睡、眼震等伴有剧烈的发展过程。数千Gy以上辐射损伤效应类别阈值剂量伴随剂量变化的效应辐射防护目标确定性效应存在发生几率,严重程度防止随机性效应假设不存在发生几率减少确定性效应与随机性效应的特性比较小 结同位素同位素210210PoPo234234ThTh235235U U238238U U239239PuPu238238PuPu241241AmAm243243CmCm同位素同位素6060CoCo7575
29、SeSe137137CsCs182182Ta（钽）Ta（钽）192192Ir（铱）Ir（铱）109109Cd（镉）Cd（镉）226226Ra和子体Ra和子体169169Yb（镱）Yb（镱）153153GdGd同位素同位素3 3H H1414C C147147PmPm9090SrSr9090Y Y3232P P6565NiNi204204C C2222NaNa2424NaNa106106RhRh同位素中子源同位素中子源210210Po-BePo-Be238238Pu-BePu-Be239239Pu-BePu-Be241241Am-BeAm-Be242242Cm（锔）Cm（锔）244244Cm（锔
30、）Cm（锔）放射源放射源放射源中子放射源p 射线:是一种波长短、能量大的电磁波。它从原子核里面发出来,不带电,以光速运动。射线能量一般在几十KeV至几MeV,穿透力特别强。p 温度、压力及电磁场不影响 核素的放射性。p 常用射线除了上述的三种射线外,还有X射线,中子等:X射线:主要来源于原子核外电子从高能级到低能级的跃迁(称为特征X射线)以及电子的轫致辐射。中子:主要来源于核裂变以及一些特别的核反应。粒子与物质的相互作用p对射线屏蔽要用原子序数比较低的物质,如有机玻璃与铝材料,以减少轫致辐射份额。p放射活度及能量较高的辐射源,屏蔽轻材料在前重元素材料在后,以屏蔽轫致辐射。射线对物质的相互作用p较低能量时,在物质中主要产生光电效应;p中等能量时,康普顿效应为主;p较高能量时,主要发生电子对效应;p对射线屏蔽时,一般不考虑次级电子;p由于三种效应均正比于原子序数Z,屏蔽时应选用高原子序数材料如铅金属感谢您的聆听！
