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放射物理与防护RadiologicalPhysicsandRadiationProtection第一章物质结构一、原子的基本状况目前已知的地球元素有107种，其中93种是地球上天然存在的，15种是人造元素。任何原子都是由小而致密的原子核和核外高速绕行的电子所组成的。一个原子就如同太阳系一样，它的核如同太阳，核外电子如同行星，沿一定轨道绕原子核旋转。原子核带正电荷，核外电子带负电荷。在正常情况下，原子核所带正电荷量与核外电子所带负电荷量相等。因此整个原子对外呈现中性。原子的质量和体积都极其微小，一个氢原子的质量是1.6735×10-27kg，较重的铀原子也只有3.951×10-25kg。原子的直径为10-10m数量级，如果把1亿个原子挨个排成一行，它的长度仅有lcm。原子核比原子还要小，核半径仅为原子半径的万分之一到十万分之一，原子核的几何截面积仅为原子的几千亿分之一。假设原子有一座10层楼那么大，原子核只有樱挑那么小。由此可见，原子内有一个相对来说很大的空间，核外电子就像几粒尘埃一样在这个庞大的空间里绕核旋转。由于原子的这种“空虚”性，一个高速电子或X线光子可以很容易地穿过许多原子后，才会与某个原子发生碰撞。二、原子核及核外轨道电子原子核由质子和中子所组成，通常又把质子和中子统称为核子。每个质子带1个单位的正电荷，中子不带电呈中性。因此，原子核所带电荷数由质子数决定。核电荷数用Z表示。即核电荷数(Z)=核内质子数=核外电子数其中X表示原子，A为质量数；Z为质子数(即原子序数)质量数(A)=质子数(Z)+中子数(N)只要知道上述3个数中任意2个，就可推算出另1个的数值来。如钨原子核内有74个质子，质量数为184，则中子数为：N=A–Z=184–74=110碘的原子质量数为131，核内具有53个质子，则中子数为：N=A–Z=131–53=78核外轨道电子核外电子按一定轨道高速绕核运行。通常每个轨道上只有一个电子，由于其运行受到多个参数的影响，故参数相近的电子近乎在同样的空间运行，这个容纳多个轨道的空间范围称为电子层。距原子核由近及远依次可分为K、L、M、N、O……层。各层轨道电子均有特定的能量。三、原子能级(P5)各层轨道电子均有特定的能量。这是因为核外带负电的轨道电子处于带正电的核电场中，具有负电势能；轨道电子绕核运动具有动能，这两部份能量的代数和，就是该壳层电子在原子中的总能量。电子在不连续的轨道上运动,原子所具有的能量也是不连续的,这种不连续的能量状态称为原子的能级.电子在不同轨道上的能量大小与其所在的轨道数有关，内层轨道的能级低，外层轨道能级高。正常情况下，电子先填满内层轨道，然后依次向外填充，这时原子处于最低能量状态（能量最低原理）。当内层轨道电子从外界得到能量时会转移到能量较高的外层轨道上去,此时的原子处于不稳定状态(受激态),根据能量最低原理,内层轨道空位立刻有外层电子填充并释放能量.原子核对核外电子有很强的吸引力，离核最近的K层电子所受引力最大。显然，要从原子中移走K电子所需能量也最多，外层电子受核的引力较小，移走外层电子所需能量也较少。通常把移走原子中某壳层轨道电子所需要的最小能量，称为该壳层电子在原子中的结合能。基态：原子处于最低能量状态，电子运行时如既不向外界辐射也不向外界吸收能量，处于基态的原子最稳定。受激态：电子吸收了一定大小的能量后（某两个能级差的能量），电子跳跃到一更高的能级轨道上，此时原子不稳定，称受激态。跃迁：外层轨道电子或自由电子填充空位，同时放出一个能量为hv的光子。（该光子的能量大小取决于两轨道之间的能级差）电离：电子吸收了足够大的能量而摆脱原子核的束缚而成为自由电子。hv↗基态→受激态→基态↑↑跃迁激发当原子从基态到受激态再回到基态时，它将发射（或吸收）具有一定频率的单色光子，其频率为：E2–E1υ=---------h四、同位素凡其有相同的质子数（原子序数）和不同的中子数的同一类元素称为同位素(isotope)。几乎所有元素都有同位素。例如氢元素H，H在元素周期表中处于同一位置，因质量数不同．它有三种核素，分别为氕、氘、氚。其中，氕是一个不含中子的氢原子，氘含有一个中子，是重氢，氚则含有两个中子，是超重氢，但它们的原子序数相同，可互称同位素。重氢和超重氢是制造氢弹的原材料。已知107种元素有2000余种同位素。同位素又有稳定性同位素和不稳定性同位素之分，已知稳定性同位素有270余种，而不稳定性同位素有1700余种。不稳定性同位素又称为放射性同位素。放射性同位素又分为天然放射性和人工放射性同位素(简称人造放射性同位素)。人造放射性同位素主要由反应堆和加速器制备。原子序数很高的那些重元素，如铀(u)、钍(Tu)、镭(Ra)等，它们的核很不稳定，自发地放出射线，变为另一种元素的原子核。原子核的衰变：放射性同位素原子核不稳定，能自发地放出α、β、γ射线而变成另一种元素的现象。α射线：由α粒子组成，α粒子是有2个质子和2个中子组成的带2个正电荷的氦核。β射线：由β粒子组成，β粒子就是从原子核内释放出的带一个负电荷的电子。γ射线：由γ光子组成，它是在原子核衰变时从核内释放出的不带电的高能量光子。半衰期：放射性核素的数目减少到原来的一半所需要的时间称之。放射性活度：单位时间内原子核衰变的数目称为放射性活度(radioactivity)，简称活度。第二章X线的产生一、X线的发现X线是德国著名物理学家伦琴于1895年11月8日发现的。X线的发现在科学史上是个极其重大的事件，它给人类历史和科技发展带来巨大的影响，并由此开创了物理学和影像医学的崭新时代。X线成像技术与后来发展起来的核医学成像、超声成像、X线CT、磁共振成像、热图像、介入性放射学和内镜等技术共同组成现代医学影像学的崭新领域。二、X线的产生条件电子源使电子在某个空间高速运动靶三、X线产生装置四、X线产生原理（一）电子与物质的相互作用1、电离电子通过物质时，与其原子核外的轨道电子发生作用，使电子脱离轨道形成自由电子。失去电子的原子带正电，与前者形成正、负离子对，这一过程称为电离。它是电离辐射的主要机制，也是某些放射性探测器测量射线的物理基础。高速电子与原子的外层电子作用时，可以使原子电离而损失部分能量△E。当入射电子的能量损失大，并且大于外层电子的电离能时，则靶原子被电离，其外层电子脱离靶原子并且具有一定的动能，如果电离出的电子动能大于100eV，则称此电离出的电子叫δ电子。δ电子是电离电子中能量较高的那一部分，它与入射电子一样可以使原子激发或电离，也可以与原子核和内层电子相互作用而逐渐损失能量。2、激发高速电子通过物质时，作用于轨道电子，轨道电子获得能量从低能态轨道跃迁到高能态轨道，这种现象称为激发。此时原子处于受激态，不稳定。当该电子退激时（跃迁），获得的能量将以光能或热能的形式释出。外层轨道电子受激退激时产生热能，内层轨道电子受激退激时产生射线。3、散射电子受到物质原子核库仑电场的作用而发生方向偏折，称散射。散射对测量及防护都有一定程度的影响。4、韧致辐射电子在介质中受到阻滞、急剧减速时，将部分能量转化为电磁辐射(即X射线)，称为韧致辐射，又称连续辐射。（二）连续X线对X线管发出的X线进行光谱分析，发现它由两种成分组成，一种X线谱是连续的，称为连续X线；另一种则是线状的，称为特征X线。可见X线是由这两种成分组成的混合射线。1、连续X线的产生原理连续X线产生的物理过程是轫致辐射高速电子进入到原子核附近的强电场区域，然后飞离强电场区域从而完成一次电子与原子核的相互作用时，电子的速度大小和方向必然发生变化。电子损失的能量将以电磁波（包括X线）形式向外辐射。电子的这种能量辐射叫轫致辐射。由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同，且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用对应的辐射损失也不同，因而发出的X线光子频率也互不相同。大量的X线光子组成了具有频率连续的X线光谱。下图是使用钨靶X线管，管电流保持不变，将管电压从20KV逐步增加到50KV，同时测量各波段的相对强度而绘制成的X线谱。下图是使用钨靶X线管，管电流保持不变，将管电压从20KV逐步增加到50KV，同时测量各波段的相对强度而绘制成的X线谱。2、连续X线的最短波长、最强波长、平均波长及最大光子能量。最短波长：最强波长：λ最强=1.5λmin平均波长λ平均=2.5λmin最大光子能量=hvmaX3．影响连续X线的因素:连续X线的总强度(I连)与管电流(i)、管电压(U)、靶原子序数(Z)的关系可用下面公式近似表示出来:I连=K1IZUn(三)标识(特征)X线1．标识X线的产生的原理X-ray↗基态→受激态→基态↑↑跃迁激发2．特征X线的激发电压靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合能，只有当入射高速电子的动能大于其结合能时，才有可能被击脱造成电子空位，产生特征X线。3．影响特征X线的因素：KVMAS4.连续X线和特征X线的比例大小.五、X线的量与质习惯上常用X线强度来表示X线的量与质。所谓X线强度是指在垂直于X线传播方向单位面积上，在单位时间内通过光子数量与能量乘积的总和。可见X线强度(I)是由光子数目(N)和光子能量(hv)两个因素决定的。即：I=Nhv1、X线的量在实际放射工作中，作为一种简便方法，一般是用管电流(mA)和照射时间(s)的乘积来反映X线的量，以毫安秒(mAs)为单位。管电压一定时，X线管的管电流的大小反应了阴极灯丝发射电子的情况。管电流大，表明单位时间撞击阳极靶的电子数多，由此激发出的X线光子数也正比地增加；照射时间长，X线量也正比地增大。所以管电流和照射时间的乘积能反映X线的量。2、影响X线量的因素1）靶原子序数的影响：在管电压、管电流、投照时间相同的情况下，阳极靶的原子序数愈高，X线的量愈大。从图56中可见，曲线的两个端点都重合。其高能端重合，说明了X线谱的最大光子能量与管电压有关而与靶物质无关；低能端重合是因为X线管固有滤过的限制，低能成分被管壁吸收的缘故。射线的最大强度都呈现在相同的光子能量处。2）管电流的影响：在一定管电压下同种靶物质和相同的照射时间，X线的量与管电流成正比，管电压一定时，X线管的管电流的大小反应了阴极灯丝发射电子的情况，管电流越大表明阴极发射的电子越多，因而电子撞击阳极靶产生的X线的量也越大：发射出的X线的强度也就越大(质不变，量增加)。图47及下图是在管电压和其他条件不变的情况下，管电流对X线量的影响。图中看到100mA和250mA的两条曲线，其X线最短波长和最长波长都完全一样，只是曲线下所包的面积不同。显然管电流大的X线量大，反之就小。图3-9管电流对X线量的影响3）管电压的影响：在相同mAs同种靶物质的条件下，X线的量与管电压的n次方成正比。3、X线的质X线的质又称线质，它表示X线的硬度，即穿透物质本领的大小。X线质完全由光子能量决定，而与光子个数无关。在实际应用中是以管电压和滤过情况来反映X线的质。这是因为管电压高、激发的X线光子能量大，即线质硬；滤过板厚，连续谱中低能成分被吸收的多，透过滤过板的高能成分增加，使X线束的线质变硬。在滤过情况一定时，常用管电压的千伏值来粗略描述X线的质。在工作中描述X线质除千伏值外，还用半价层、半值深度等物理量来表示X线质。4、影响X线质的因素1）管电压（千伏值）的影响X线的质仅取决于管电压的千伏值。无论何种靶物质，在一定管电压下所产生的连续X线谱的最短波长和最长波长是相同的。光子的最大能量完全由管电压控制。连续X线的质随管电压升高而变硬，但特征X线的质只与靶物质有关。2）整流方式的影响脉动电压产生的X线质比恒定电压下的软。所以管电压波形对X线的质也有影响。三相电源的6脉冲和12脉冲供电，其管电压更接近恒压，由此产生的X线脉动变化减小，其量与质均优于单相电源供电的情况。一般说来，三相全波整流与单相全波整流相比，在相同管电压和滤过的情况下，X线质约提高10％。15％。例如，拍头颅侧位片，单相全波整流X线机使用72kV，而改用三相全波整流X线机只需要64kV就可获得相同的摄影