第二讲_辐射科学-lesson_2-rao.ppt
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1、Review,(一)Radiation (二)Radioactivity and radiation radiation type ( n) radioactive decay principle radioactivity unit Becquerel 1Bq=2.710-11Ci,Characteristics of alpha, beta and gamma radiation,(三) interaction of radiation and materials 射线与物质的相互作用,1 带电粒子( )与物质的相互作用,粒子:电离(ionization)、激发(excited); 粒子:
2、电离、激发、轫致辐射 (bremsstrahlung) Ionization is the physical process of converting an atom or molecule into an ion by adding or removing charged particles such as electrons or other ions Excitation is an elevation in energy level above an arbitrary baseline energy state,P4,激发 电离,Electron,Proton,Neutron,Nu
3、cleon,电离(ionization): 电离就是原子的轨道电子离开原子,产生离子对而把能量传递给介质. 电离作用能够造成水分子的化学键断裂,生成对生物有害的作用的化合物。辐射对人体的有害作用主要是由于这种化学反应引起的.,P6,带电粒子通过物质,自由电子,正离子, + 靶原子 正离子 + 电子 + 4He + Ar Ar+ + e- + 4He,物质中原子被电离,在粒子通过的路径上形成许多离子对: 正离子和自由电子,+,e-,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -
4、,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,+ -,库仑作用,P7,OH. (hydroxyl radical) 羟自由基,H.,Radiation Damage,water molecule,g-ray,2 OH. H2O2,What happens when the water molecule is struck by the gamma ray?,All forms of nuclear radiation are considered ionizing radiation. There energy is large enough to ionize electrons
5、 from a molecule. H2O H2O+ + e- H2O+ is very reactive! It combines with a protein molecule in the cell, destroying the protein In some cases even bonds are broken. The products formed can be extremely reactive, such as the OH. radical! Exposure of cells to ionizing radiation induces high-energy radi
6、olysis of H20 water molecules into H+ and OH- radicals, which are themselves chemically reactive. These in turn recombine to produce a series of highly reactive combinations such as superoxide (H02) and peroxide过氧化氢(H202), which produce oxidative damage within the cell.,EFFECTS OF RADIATION ON LIVIN
7、G TISSUE,直接作用是指射线将能量直接交付给处在射线径迹上的生命物质分子(主要是DNA分子),并使之电离或者被激发而产生损伤。此过程中,接受射线能量的分子本身受到损伤。 间接作用是指射线的能量被生命物质分子周围的水分子或其他的分子所吸收从而被电离或者是活化,生成了自由基(即一种活性极高的原子团),然后经过一定距离的迁移,到达生命物质分子并与之发生化学反应,最终造成生命物质损伤。 Direct radiation damage Damage by physical impact of radiation on molecules in cells. Indirect radiation d
8、amage Ionising radiation passes H2O in a cell & removes an e- 现以水分子为例,说明自由基的形成过程 H2O-ionized-H+OH+H2O2+ 氢自由基+羟自由基+过氧化氢 高反应活性 导致生物大分子结构变化,功能障碍和病变,激发(excitation) 带电粒子通过物质时,壳层电子获得的能量不足以使壳层电子脱离轨道,则从能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道,即原子由基态转入高能态,这种过程称为激发 原子退激激发态的原子不稳定,处在高能态的电子要跳回低能态轨道来,以发射光子的形式放出相应的能量 (早期荧光材料),P11,快速运动电子
9、通过原子核附近时,受到原子核库仑电场的作用,速度大小和运动方向都发生变化,一部分能量以电磁波的形式辐射出来,这种辐射称为轫致辐射 (or braking radiation),粒子的轫致辐射(bremsstrahlung ),X射线:高速电子流打在金属钨靶上产生的轫致辐射,P12,高速电子轰击金属靶因突然减速而产生的辐射,电子打在荧光屏上产生X射线 电视机显像管,特征: x 射线能量连续 0 EMax(电子能量) 电视机 高压15 kV 电子束能量15 keV x 射线能量 0 -15 keV,产生机制,原子核,轫致辐射,轫致辐射是产生高能光子束(X 射线、射线)基本方法,用这种光子束可研究基
10、本粒子和原子核的磁结构,以及辐射与物质相互作用过程等,P14,2 射线与物质的相互作用,光电效应(photoelectric effect): 康普顿效应(Compton scattering): 电子对效应(electron pair formation):,不带电,不能直接电离物质,有高能量动量,产生次级电子而电离物质-间接电离辐射,P15,自由电子,光电效应(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,1)光电效应,2) 康
11、普顿效应 Compton effect 康普顿-吴有训效应Compton-Wu effect,入射的光子直接同物质原子中壳层上的电子发生碰撞。入射光子仅有部分能量转移给电子,使它脱离原子成为反冲电子,而原来光子的运动方向和能量发生变化,生成新的光子散射光子,P16,物质能量完全转变为质量的过程 射线与原子核作用,在库伦场作用下,一个光子可能转化成一对正-负电子。,M M + e+ + e- me+ = 0.511 MeV me- = 0.511 MeV 基本条件: 射线能量 E ?,能量转化成质量 M = E /C2,3)电子对效应 Electron pair effect,P18,三种效应与
12、原子序数和光子能量的关系,P19,射线与物质作用小结,作用过程 对象 产物 光电效应 原子和内层电子 光电子 X射线 康普顿效应 原子中外层电子 反冲电子 散射光子 电子对效应 原子核库仑场 正、负电子 光子,3 中子与物质的相互作用,中子n,不带电荷,几乎不能与原子的电子发生作用,只能和原子核发生相互作用(与射线不同),主要有弹性、非弹性散射,吸收: (1)弹性散射(elastic scattering) 原子核发生碰撞时,体系的动能和动量都守恒,也称为(n,n)反应。中能中子弹性散射占优势,快中子主要在轻介质中通过弹性散射来损失能量,P21,(2)非弹性散射(inelastic scatt
13、ering):当中子和原子核发生碰撞时,原子核获得反冲动能和激发能,体系的动量守恒,动能不守恒,也称为(n,n)反应,中子有阈能。,快中子在重介质中主要通过非弹性散射损失能量 注意:在非弹性散射中,中子使原子核处于激发态(excited state),受激发的原子核通过发射射线的方式释放出多余的能量而回到基态(ground state),P23,(3)中子俘获 neutron capture 中子与靶核作用形成复合核,随后通过发射一个或几个光子回到基态,不再发射其它粒子。也称(n,)反应,这一过程可以在相当宽的中子能量范围内发生,无论对轻核还是重核都有一定的发生概率。但相对而言,低能中子(E1
14、00eV)与重核作用概率最大-核裂变 作用后 ,中子消失,原子核发生质的变化,P22,中子或热中子与物质作用时,很容易被原子核俘获而产生核反应。核反应的产物可能是稳定核素,也可能是放射性核素,同时还释放出光子和其它粒子。某些稳定核素,在慢中子作用下,生成放射性核素,称为感生放射性核素(induced radionuclide),它具有的放射性,称为感生放射性(induced radioactivity)。 小结:中子与核的作用与能量和核的性质有关 热中子- (n,)反应为主,辐射俘获 慢中子 对轻核- (n,n)反应为主 对重核- (n,)反应为主 中能和快中子- 对重核(n,n)反应 裂变反
15、应主要是与重核作用,轻核裂变可能性小。,P24,(四)辐射常用的物理单位,电离辐射通过与物质的作用,把能量传递给受照物,并在其内部引起各种变化。辐射量和单位是为描述辐射场、辐射作用于物质时的能量传递即受照物内部变化的程度和规律而建立起来的物理量及其度量。 应用:放射医学 放射生物学,辐射化学。,P25,1 照射量及其单位伦琴 (exposure quantity and its unit: Roentgen):,照射量X定义exposure dose 指x或射线的光子在单位质量空气中释放出的所有次级电子,当它们完全被阻止在空气中时,在空气中产生一种符号的离子的总电荷量。 定义为dQ除以dm而的
16、得商,即 dQ为在质量为dm的体积元中的空气中,当光子产生的全部电子(正、负电子)均被阻留于空气中时,在空气中所形成一种符号的离子总电荷的绝对值,照射量是表示x射线或射线在空气中引起电离数量的量,常用单位 库仑/千克 C/Kg,无专用国际单位, 其专用单位是伦琴(符号:R) 1R的照射量=2.58*10-4库仑/千克空气,照射量只适用于x射线或射线在空气而不是用于其它介质 只定义一单位质量体积元内空气中产生电离电荷的多少,不能度量暴露在该辐射场中的物质所吸收的能量。,P27,2. 吸收剂量(absorbed dose, D),定义: 授予单位物质(dm)(或被单位物质吸收) 的任何致电离辐射的
17、平均能量(dE),单位: J/kg 1 J/kg =1Gy(戈瑞) 1 Gy = 100 rad(拉德)(已废除),吸收剂量1 戈瑞(1焦耳/千克)时的能量效应,1)水温升高 (比热 4.2103J/千克度) 1 kg水物质吸收剂量 1 Gy 水温度上升 1/(4.2103)= 2.410-4 C,2)转化为物体的动能 m D= (1/2)m v2 运动速度 v = 1.4 m/s,3) 转化为物体的势能 m D = m g h 上升高度 h = 0.1 m,剂量实际上是单位物质吸收电离辐射能 大小的一种量度,照射量X与吸收剂量D,照射量X与吸收剂量D是两个意义完全不同的辐射量。照射量只能作为
18、X或gamma射线辐射场的量度,描述电离辐射在空气中的电离本领; 吸收剂量则可以用于任何类型的电离辐射,反映被照介质吸收辐射能量的程度。 在一定条件下两个不同量之间相互可以换算。对于同种类、同能量的射线和同一种被照物质来说,吸收剂量是与照射量成正比的。,P30,吸收剂量率(absorbed dose rate) 指单位时间内的吸收剂量, SI单位:戈瑞 秒-(Gy/s J/Kg s) 吸收剂量适用于任何类型、任何能量的电离辐射,且适用于任何受照物质 (与照射量不同,未考虑生物效应),P31,3 剂量当量及其单位,定义在组织内某点上的吸收剂量D、品质因数Q和其他修正因数N的乘积 D:吸收剂量(戈
19、) Q:品质因数,不同辐射类型影响危害的参数 N:所有其他修正因素的乘积。它反映了吸收剂量不均匀的空间和时间分布等因素。ICRP(国际辐射防护委员会)指定:N=1(不论是内照射还是外照射) H:剂量当量,Equivalent Dose makes different sources of radiation equivalent,不同类型的辐射所相对的品质因数quality factor (QF),P33,3 剂量当量及其单位,SI单位:焦耳/千克,单位的专门名称为西弗(Sv)。 Sv是为纪念辐射防护的先驱者之一的瑞典物理学家R.M.Sievert而命名 1西弗=1焦耳/千克(JKg-1) 1
20、西弗=102雷姆(rem)(已废除的专用单位) 剂量当量是用适当的修正系数对吸收剂量进行加权,使得修正后的吸收剂量能更好的和辐射引起的有害效应联系起来,P34,Example:,E1: An individual who has absorbed a slow neutron dose of 1 milligray ( 1mGy ) has absorbed an equivalent dose of: H= DQ=1mGy*5=5mSv The total biological dose from mixed radiation is found by expressing it as eq
21、uivalent dose and summing. E2: if a person received 0.3mGy of slow neutron , 6mGy of gamma, and 0.1mGy of fast neutron radiation the total dose would be calculated as follows: H=0.3mGy*5+6.0mGy*1+0.1mGy*20 =9.5mSv,P35,3 剂量当量及其单位,剂量当量概念的适用范围:只限于辐射防护中使用,而且专用于人体(高级动物),即必须是有生命的物质、动物。 目的是统一表示各种射线对机体的危害程度
22、 在计算剂量当量时,必须指明射线种类、能量和照射条件。因为剂量当量可以表达不同种类射线,在不同能量及不同照射条件下,所引起的各种电离辐射的危害程度的差异; 直接测量?,使用剂量当量概念时需注意,P36,4. 有效剂量当量(effective dose),Effective Dose The probability of a harmful effect from radiation exposure depends on what part or parts of the body are exposed. Some organs are more sensitive to radiation
23、 than others. A tissue weighting factor is used to take this into account. When an equivalent dose to an organ is multiplied by the tissue weighting factor for that organ the result is the effective dose to that organ. The unit of effective dose is the sievert (Sv). If more than one organ is exposed
24、 then the effective dose, E, is the sum of the effective doses to all exposed organs. H有效为有效剂量当量; HT为人体内器官或组织T所接受的平均剂量当量;,4. 有效剂量当量,WT为相应器官或组织的权重因子,它表示器官或组织T受电离辐射照射时产生随机效应的几率与全身受到均匀照射时产生的随机效应的几率之比值,无量纲因子。,性腺 红骨髓 结肠,P38,4. 有效剂量当量,有效剂量当量引入的意义: 度量体内或体外照射源(无论是均匀照射还是非均匀照射)造成的健康效应发生率的指标,用来评价电离辐射对人体的总的损伤程度
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