放射物理讲义

放射物理学讲义第一章原子物理基本概念原子名称的表示AZX•原子量A：用原子质量单位（amu）表示原子质量时为原子量1mu=126C原子核质量的1/12•原子序数：原子核中质子数目•原子的大小：10-10m量级•原子核的大小：10-14m量级•电子电荷量：e=1.6021910-19库仑•同位素：质子数相同中子数不同的原子总称•阿佛加德罗常数：每一克原子量所含原子数相同，为6.0231023克原子第一章原子物理基本概念原子结构—壳层结构•量子数：决定电子的运动状态主量子数n：取值1，2，3….,壳层分别为K，L，M，N，O，P，Q壳层，每个壳层最多可容纳的电子为2n2。轨道角动量量子数l：可取值0，1，2，3，…依次对应次s,p,d,f,g,轨道方向量子数ml：取值范围-l,-l+1,….l-1,l。次壳最多可容纳2(2l+1)个电子自旋量子数s：电子的自旋为1/2自旋磁量子数ms：对电子可取值为1/2和-1/2第一章原子物理基本概念原子结构—壳层结构•能级：最外价层电子接受能量到高能轨道，该原子处于激发状态，从而形成有一定寿命的能级•特征X射线：若原子激发发生在内壳层，如K，L….使电子离开原子而发射出去，形成内壳层空穴，瞬时被外壳层电子填充，导致辐射发生，产生特征X射线。•束缚能：壳层电子束缚能（或结合能）由于壳层电子能级能量随主量子数n和轨道量子数l的增大而增大，并且是负值，轨道电子的结合能随n和1的增大而减小。对于同一能级，束缚能随原子序数增大而增加。第一章原子物理基本概念原子和原子核质量•原子质量单位u1u=126C原子质量/12=1.660565510-27kg•摩尔质量摩尔质量为相对原子质量，1摩尔物质的质量在数值上与相对对原子质量相等。126C的摩尔质量=12•阿伏加德罗常数NA1摩尔的任何原素物质包含有6.0220451023个原子第一章原子物理基本概念质量和能量的关系一定质量m的静止物体，具有的能量为mc2运动物体的总能量为动能与静止能量之和E=Ek+mc2第一章原子物理基本概念单位体积（单位质量）物质中的原子数和电子数：单质物理密度，Z：原子序数，MA：摩尔质量，NA：阿伏加德罗常数。•单位体积原子数=NAMAZ•单位体积电子数=NAMANA•每克物质原子数=MAZ•每克物质电子数=NAMA第二章放射性核素基本概念和术语•定义及性质：原素的原子核能自发地释放辐射线（光子或粒子），这一过程称为放射性衰变•放射性活度：单位时间内由一特定核能态发生核跃迁数的期望值。用ci或Bq表示1ci=3.71010dps,1Bq=1dps第二章放射性核素基本概念和术语•半衰期：放射性活度或放射性核素数目衰减到初始值一半时所需时间。用T1/2表示。•放射性比活度：单位质量放射源的放射性活度。是放射性物质纯度的指标。因放射源中含有大量的相同元素的稳定同位素和其它元素的稳定同位素第二章放射性核素基本概念和术语•衰变常数：单位时间内放射性核素衰变数N/t与放射性核素数N成正比。其比例常数为衰变常数。N/t=-N积分形式：N=N0exp(-t)用活度表示：A=A0exp(-t)根据半衰期定义：1/2=A/A0=exp(-t)=ln2/T1/2=0.693/T1/2A=A0exp[(-0.693/T1/2)t]第二章放射性核素衰变中的粒子数和能量守衡衰变方式可用下式表示：以衰变为例粒子数守衡：AZXA-4Z-2Y+42He能量守衡：MXc2=MYc2+EY+mc2+E用粒子数守衡和能量守衡定律作为判断一种衰变是否可以发生的先决条件第二章放射性核素衰变类型•衰变原子序数大于82的原素都不稳定,会自发放出粒子或自发地裂变，最后成为铅（Z=82）镭是最典型的衰变。衰变钢图如下：第二章放射性核素衰变类型•衰变三种类型衰变：—衰变：AZXAZ+1Y+e++Q+衰变：AZXAZ1Y+e+++Q轨道电子俘获：AZX+eAZ1Y++Q式中：和表式中微子和反中微子。Q为衰变能。由于衰变产物为三体，因此，粒子的能量由0到一个最大值呈钟罩型连续分布。第二章放射性核素衰变类型•跃迁和内转换处于激发态的原子核有两种方式退激。跃迁：能量在KeVMeV内转换：原子核的激发能转换给轨道电子，使电子发射出去。内转换不是内光电效应。即不是原子核先放出射线，由射线再击出轨道电子。第二章放射性核素•常用放射性同位素的衰变形式，半衰期和射线能量放射性核素符号射线种类射线平均能量半衰期镭—226226Ra0.83MeV1590a钴—6060Co1.25MeV5.271a铯—137137Cs0.662MeV33.0a金—198198Au0.412MeV2.7d铱—192192Ir0.36MeV74.2d碘—125125I28KeV59d锎—252252Cfn2.35MeV2.65a第三章带电粒子与物质相互作用一般特征•带电粒子与原子核外电子的非弹性碰撞—电离和激发电离：入射带电粒子（如电子）与原子核外电子之间库仑相互作用，传递给原子核外电子一部分能量，使之克服原子核束缚成为自由电子，使原子发生电离。自由电子亦称“电子”。当原子内壳电子被击出，外壳电子向内壳跃迁放出特征X射线。被击出的电子称为“俄歇电子”激发：入射带电粒子传递给原子核外电子较少能量，电子不足摆脱原子核束缚，电子可以向外壳越迁使原子处于激发状态。此过程称为“激发”。激发原子退激时发光电离损失：电离损失和激发引起的入射带电粒子能量损失称为“碰撞损失”第三章带电粒子与物质相互作用一般特征•带电粒子与原子核的非弹性碰撞辐射损失：入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的方向和速度发生改变，运动状态的改变伴随发生电磁辐射，使入射带电粒子的能量损失。此称为“辐射损失”。因电子质量小，与原子核碰撞时运动状态改变显著韧致辐射：入射带电粒子接近原子核时速度迅速降低所发生的电磁辐射第三章带电粒子与物质相互作用一般特征•带电粒子与原子核外电子的弹性碰撞入射带电粒子与原子核外电子的库仑场相互作用，使入射粒子损失一部分动能，这不足以产生激发和电离。这可以看作与原子核整体的相互作用。在E100ev的电子考虑此种效应第三章带电粒子与物质相互作用一般特征•带电粒子与原子核的弹性碰撞入射带电粒子与原子核库仑力相互作用，使入射粒子损失的一部分动能转变为原子核的反冲动能，使原子发生位移造成物质的辐射损伤第三章带电粒子与物质相互作用定量关系•电离损失dE4e2m0v(-)ion=NZ[ln-1.2329]dXm0vI此处，v：入射电子速度N：靶原子量Z：靶原子序数I：平均激发能第三章带电粒子与物质相互作用定量关系•辐射损失dEz2Z2(-)NEdXm2m:入射粒子质量E：入射粒子能量z：入射粒子电荷Z：靶物质原子序数N：单位体积中物质原子数上述能量损失（电离损失+辐射损失）用“阻止本领”描述第三章带电粒子与物质相互作用表征能量损失的术语•线碰撞阻止本领：入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时电离损失的平均量•质量碰撞阻止本领：入射带电粒子在靶物质中穿行单位质量路程时电离损失的平均量•线辐射阻止本领：入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时辐射损失的平均量•质量辐射阻止本领：入射带电粒子在靶物质中穿行单位质量路程时辐射损失的平均量•传能线密度：特定能量的带电粒子在靶物质中穿行单位距离时，由能量转移小于某一特定值的历次碰撞所造成的能量损失第三章带电粒子与物质相互作用电离损失和辐射损失的相对重要性临床应用的能量范围内，总能量损失为电离损失和辐射损失之和而忽略其它作用过程的能量损失•重带电粒子：辐射损失可以忽略SS=()col•电子：辐射损失和电离损失的相对重要性SSZE（）rad/()col800MeVZ:靶原子的原子序数E：入射电子的动能第四章X射线与物质的相互作用相互作用特点X射线是电磁辐射，不带电，无静止质量。与物质的相互作用机制与带电粒子完全不同。带电粒子与物质相互做用是通过与原子核外电子的多次非弹性碰撞使靶物质电离和激发而损失能量—电离损失。或与靶原子核的非弹性碰撞而损失能量辐射损失。每一次碰撞能量损失很小，因此可用dE/dX阻止本领及社趁射程描述带电粒子在物质中的行为。X射线与物质相互作用是通过一次碰撞损失大部分或全部能量，穿过物质时其强度遵循指数衰减规律第四章X射线与物质的相互作用相互作用方式及截面相互作用方式—能量小于30MeV•光电效应：X射线全部能量转移给原子中束电子使其从原子中发射出来，光子身消逝•康普顿散射：光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向发身发生变化•电子对效应：光子与靶原子核的库仑场作用光子转化为正负电子对。第四章X射线与物质的相互作用相互作用方式及截面•相干效应：低能光子（hmoc2）与束缚电子弹性碰撞，原子保持初始状态，光子能量不变，主要沿入射方向发射。光子能量低，靶原子序数大相干散射占优势。光子能量高（hmoc2），靶原子序数小，相干散射与康普顿散射相比可以忽略•光致核反应：高能光子引起核反应，如（，n)•核共振反应：入射X射线使原子核处于激发态，退激时放出射线在100KeV~30MeV能量范围，后三种效应1%第四章X射线与物质的相互作用相互作用方式及截面•相互作用截面：一个入射光子与单位面上一个靶原子发生某一相互作用的几率I-Nt-t=积分：I=I0e=I0eINt其中，I：发生某一相互作用的光子数（1/scm2)I：入射光子数（1/scm2)N：单位体积靶原子数t：靶物质厚度截面的量纲是cm2，以巴恩表示，1b=10-24cm2第四章X射线与物质的相互作用相互作用系数•线性衰减系数线性衰减系数表示X（）光子与每单位厚度物质发生相互作用的概率。即光子穿过靶物质时在单位厚度上入射光子数减少的百分数。衰减系数与光子能量和靶物质材料有关。对于连续能谱的窄束光子，衰减系数随靶物质厚度而变化，这就是“射线变硬”现象。线性衰减系数随温度和气压而变化第四章X射线与物质的相互作用相互作用系数•质量衰减系数/质量衰减系数/表示X（）光子与每单位质量厚度物质发生相互作用的概率。质量衰减系数与物质密度无关,即与温度和气压无关/=(n/)第四章X射线与物质的相互作用相互作用系数•线性能量转移系数tr线性能量转移系数tr表示X（）光子在物质中穿行单位距离时，其总能量由于各种相互作用转移给带电粒子动能的份额。tr=(Etr/h)此处，Etr：转移给带电粒子动能h：入射光子能量：线性衰减系数第四章X射线与物质的相互作用相互作用系数•质能转移系数tr/质量能量转移系数tr/表示X（）光子穿过“质量厚度”为dl的物质层时，因相互作用而转移给带电粒子动能的份额。用dE/EN除以“质量厚度”dltr/=1/ENdE/dl此处，：物质密度E：入射光子能量N：入射X（）光子数第四章X射线与物质的相互作用相互作用系数•质能吸收系数en/质能吸收系数表示X（）光子在物质中穿行单位质量厚度时，真正被物质吸收的那部分能量占转移给次级电子的动能的份额。转移给次级电子的动能有一部分通过韧致辐射和湮灭辐射而损失。质能转移系数和质能吸收系数之间的关系为：en/=tr/(1-g)此处，g：转移给次级电子的动能因辐射而损失的份额第四章X射线与物质的相互作用光电效应反应机制•光电子发射：入射光子把全部能量交给束缚电子，电子在原子中的束缚能一部分转化为电子动能，一部分用于原子核反冲（可忽略）h=E0+Bi此处，E0：电子动能Bi：电子在壳层中束缚能入射光子不能把全部能量交给物质中自由电子而发射光电子，因不满足能量守