第一节　核物理基础和基本剂量学概念

一、原 子 结 构

要了解射线与物质作用的基本原理，首先从原子的结构说起，原子是构成物体的微小单位，其大小是10-10m 数量级，原子中心是带正电的原子核，体积是原子的万分之一；核周围是带负电的电子做绕核运动，每个电子带一个负电荷。 原子核由不同数目的质子和中子组成。 中子和质子统称为核子，它们的质量近似相等，但每个质子带一个正电荷，中子不带电。 一个电荷量e=1.602×10-19C。

原子各种模型中，玻尔（Niels Bobr）1931 年建立的行星模型公认为经典模型之一。 与太阳系的行星绕太阳运行类似，该理论认为氢原子模型是由一个轨道电子围绕带等量正电荷的原子核运行而成。 随后，他把该理论进一步拓展到多电子原子模型，这些电子分布在离散的同心壳层或能级的轨道上（图1-1）。 由于质子和电子带相反电荷而产生库仑引力，电子越靠近原子核，其束缚力会越强。 所以电子从低能级（内层）轨道跃迁到高能级（外层）轨道或从原子中脱离需要吸收足够能量才能完成，反之从外层轨道向内层跃迁时则会释放能量。 从最内层向外，不同壳层（轨道）分别命名为K、L、M、N...基于泡利不相容原理，每个壳层可容纳的最大电子数量都是有限的：第一壳层（K）最多可容纳2 个，第二壳层（L）为8 个，第三壳层（M）为18 个......。

由于单个微观粒子能量很小，通常不是以能量的国际单位制（SI）单位焦耳（J）表示，而是采用电子伏特（eV）、千电子伏特（keV）或兆电子伏特（MeV）表示。 1eV 定义为电子在真空中通过1V 的电压加速后获取的动能，1eV=1.6×10-19J 的能量，与其他两个单位的转换关系是：1keV=103eV，1MeV=106eV。

在临床工作中，一般会使用“MeV”来描述加速器所产生的电子束能量，例如9MeV 电子束。而对于X 线，由于是由电子经电压加速后撞击钨靶产生的，所以通常以加速电压“MV”来描述加速器所产生的X 线能量，例如6MV X 线（图1-1）。

二、放 射 性

（一）放射性衰变

1896 年贝克勒尔做了一个试验，他将含有不同元素的物质样本放置于密封的胶片上方，发现沥青中的铀自发产生γ 射线而造成胶片感光。 进一步的实验发现放射性核素可以发出三种类型的射线：α 射线（本质为氦原子核）、β 射线（本质为电子）和γ 射线（本质为光子）。

上述射线是在核素的放射性衰变的过程中产生的，衰变的基本过程可以理解为：由于原子核内紧邻的带正电的质子之间存在巨大的静电（库仑）斥力，与此同时质子和中子之间则存在核引力。 当这两种力量达到平衡时，原子核才会稳定的存在。所以对于稳定的核素，如图1-2 所示，其中子数与质子数保持合理的比例关系。 如果不是这种比例的核素，平衡就会被打破，它们会自发地蜕变，同时放出各种射线，最终变为稳定核素，这就叫做放射性衰变。 如下是三种衰变类型：

1.α 衰变

α 衰变通常发生原子序数大于82的核素中，这些核素的中子数与质子数的比例过小，质子之间的静电斥力超过了中子和质子之间的强引力，从而发射出α 粒子。

2.β 衰变

原子核内的中子转变为质子，发射出电子或中微子；或者原子核内的质子转变为中子，发射出正电子和中微子。

3.γ 衰变

原子核由于一些原因（比如发生α、β 衰变）而处于激发态，此时原子核需要从高能级向低能级跃迁来退激，此时会发出高能光子γ 射线（图1-2）。

（二）常见放射性核素

放射性核素在衰变过程中，会发出几种射线。 在肿瘤治疗时，通常会选择其中的部分射线类型用于放疗（表1-1）。

（三）放射性度量

1.活度

放射性活度指的是一定质量的放射源单位时间内发生的衰变数。 活度的国际单位制是贝克勒尔（Bq）。 在此之前，放射性活度单位的曾用名：居里（Ci）。 两者关系可表示为1Ci=3.7×1010Bq。

2.比活度

比活度指的是单位质量放射源的放射性活度。

3.半衰期

放射性核素半衰期是指其原子数目减少到原来一半所需要的时间。

三、射线与物质的相互作用

原子的核外电子因与外界相互作用而获得足够能量，挣脱原子核对它的束缚，脱离原子，这一过程称为原子的电离。 由带电粒子，如电子、质子、重离子等，与原子的核外电子的直接碰撞造成的电离称为直接电离。 而不带电粒子，如光子、中子等，本身不能使物质电离，但能借助它们与原子的壳层电子或原子核作用产生的次级粒子，如电子、反冲核等，随后再与物质中的原子作用，引起原子的电离称为间接电离。

（一）带电粒子与物质相互作用

1.具有一定能量的带电粒子入射到靶物质中，与物质原子发生作用，作用的主要方式包括以下四种情况：

（1）与核外电子发生非弹性碰撞：当带电粒子从靶物质原子近旁经过时，轨道上的电子会受到库仑力的作用而跃迁到更高能级的轨道或直接脱离原子，形成电离。 处于激发态的原子很不稳定，跃迁到高能级的电子会自发跃迁到低能级而使原子回到基态，同时释放出特征X 射线（标识辐射）或俄歇电子。

（2）与原子核发生非弹性碰撞：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，此时带电粒子的一部分动能就变成具有连续能谱的X 射线辐射出来，这种辐射称为轫致辐射。 由于临床所使用的加速器及X 线机发出的X 射线，均是基于上述两种作用原理（轫致辐射占主要）产生的，所以需要着重理解。

（3）与核外电子/原子核发生弹性碰撞：带电粒子可以与轨道电子发生弹性碰撞，也可与原子核发生弹性碰撞，尽管带电粒子的运动方向和速度发生变化，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能量守恒定律，属弹性碰撞。

（4）带电粒子与原子核发生核反应：当一个重带电粒子具有足够的能量（约100MeV），并且与原子核的碰撞距离小于原子核的半径时，如果有一个或数个核子被入射粒子击中，它们将会离开原子核。 失去核子的原子核处于激发态，将通过发射所谓的“蒸发粒子”（主要是一些较低能量的核子）和γ 射线退激。

2.射程带电粒子在与物质的相互作用过程中，不断地损失其动能，最终将损失所有的动能而停止运动。 沿入射方向从入射位置至完全停止位置所经过的距离称为射程。

（1）电子束的射程：对于电子来说，因其质量很小，每次碰撞的电离损失和辐射损失比重带电粒子大得多，同时发生大角度偏转，导致其运动路径曲折，粒子的射程分布在一个很宽范围，也就是说电子的射程发生较为严重的歧离，因此粒子数随厚度变化曲线呈逐渐下降趋势，如图1-3 所示。 电子束的百分深度剂量曲线特点如图1-4 所示：表面吸收剂量较高，随着深度增加很快到达剂量最大点，最大剂量点附近会有一个高剂量“坪区”，由于射程岐离，后部还会有一个剂量跌落区。

（2）质子和重离子射程：对于质子和重离子来说，质子穿过物质的路径相对较直，当它与原子中的电子和原子核发生相互作用后逐渐慢化，因此粒子数随吸收块厚度变化曲线表现为开始时的平坦部分和尾部的快速下降部分，如图1-5 所示。 质子的深度剂量曲线的特点，如图1-6 所示。 在射线的大部分射程范围内，质子的吸收剂量近似是常数，直到接近质子射程末端时，剂量曲线出现一个尖峰（称为布拉格峰）。 峰值处的剂量大约是表面剂量的4 倍，之后剂量迅速跌落为零。 对于肿瘤治疗来说，可将尖峰位置调整到肿瘤深度（通过选择不同能量实现），这样既可以保护入射时穿过的正常组织，同时还可以保护肿瘤后方的正常组织。

（二）X（γ）光子与物质的主要相互作用

1.X（γ）射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线一样，都是电磁波，特点是波长很短（大约在0.01～10nm 的范围），具备波粒二象性。 在干涉、衍射、偏振这些现象上表现出波动性；同时，在与物质相互作用过程中则表现出其粒子性。 与物质原子发生作用时，主要方式包括以下四种情况。

（1）光电效应：光子与物质原子的轨道电子发生相互作用，一次就把全部能量传递给对方，光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子（光电子）；原子的电子轨道出现一个空位而处于激发态，它将通过发射特征X 射线或俄歇电子的形式回到基态，这个过程称为光电效应，如图1-7 所示。

（2）康普顿效应：当入射X（γ）光子和原子内一个轨道电子发生相互作用时，光子损失一部分能量，并改变运动方向，电子获得能量而脱离原子，此种作用过程称为康普顿效应，如图1-8 所示。 损失能量后的X（γ）光子称散射光子，获得能量的电子称反冲电子。

（3）电子对效应：当入射光子的能量大于1.02MeV，X（γ）光子从原子核旁经过时，在原子核库仑场的作用下形成一对正负电子，此过程称电子对效应，如图1-9 所示。

2.与带电粒子相比，X（γ）光子与物质的相互作用表现出不同的特点：

（1）X（γ）光子不能直接引起物质原子电离或激发，而是首先把能量传递给带电粒子，通过这些带电粒子与物质进行作用（间接电离）。

（2）X（γ）光子与物质的一次相互作用可以损失其能量的全部或很大一部分，而带电粒子则通过许多次相互作用逐渐损失其能量。

（3）X（γ）光子束没有射程的概念，入射到物体时，其强度随穿透物质厚度近似呈指数衰减，而带电粒子有确定的射程，在射程之外观察不到带电粒子。

3.相互作用过程的相对重要性 光子与物质的主要相互作用包括：光电效应、康普顿效应、电子对效应。 但是哪种作用发生的截面（概率）更高取决于两个参数：作用物质的原子序数、光子的能量。

以原子序数近似等于组织（Z=7）的物质为例（图1-10），当光子能量低于30keV 时，光电效应为主要作用方式；当能量介于30keV 到24MeV 时，康普顿效应为主要作用方式；当能量高于24MeV 时，电子对效应成为主要的作用方式。 目前常规直线加速器的X 射线能量大约为4 ～18MeV，所以主要以康普顿效应为主。

4.中子与物质的相互作用 与光子一样，中子也不带电，因此也不能直接引起物质原子电离或激发，属于间接电离辐射，在物质中强度呈指数衰减。 主要与原子核发生相互作用，包括弹性碰撞和与原子核内的中子相互作用产生反冲质子及带电的低能原子核碎片。

5.相对生物学效应 不同种类的电离辐射即便是相同的吸收剂量引起的生物学效应也是不同的。 为比较不同种类的电离辐射引起的生物学效应，引入相对生物学效应（relative biological effectiveness，RBE）概念。 生物学效应是比较不同种类射线产生的生物学效应的一个直观指标，以钴-60 的γ 射线作为标准。 钴-60 的γ 射线引起某种生物学效应需要的吸收剂量与研究的电离辐射引起相同的生物学效应所需吸收剂量的比值（倍数），即为该种电离辐射的相对生物学效应。

本节讲述了不同类型射线与物质的主要相互作用，对于放射肿瘤治疗来说，理想的射线应具有布拉格峰用于保护周围正常组织，同时具有较高的RBE 来提高对肿瘤的杀伤力。表1-2 是这几种射线的布拉格峰及RBE 指标。

四、基本剂量学概念

X（γ）射线或高能电子束等电离辐射进入人体组织后，通过和人体组织中的原子相互作用，而传递电离辐射的部分或全部能量。 人体组织吸收电离辐射能量后，会发生一系列的物理、化学、生物学变化，最后导致组织的生物学损伤，即生物效应。 生物效应的大小正比于组织中吸收的电离辐射的能量。 因此，确切地了解组织中所吸收的电离辐射的能量，对评估放射治疗的疗效和它的副作用是极其重要的。 单位质量物质吸收电离辐射的平均能量称为吸收剂量，它的精确确定，是进行放射治疗最基本的物理学要素。

（一）照射量X（exposure）

当X（γ）射线穿过质量为dm 的空气时会产生次级电子，这些次级电子作用于空气中的其他原子形成电离，产生离子对。 当全部次级电子（正负电子）完全被空气阻止时，在空气形成的同一种符号的离子总电荷的绝对值dQ 与dm 的比值称为照射量。

在空气中，这些离子具有一定的移动性，所以可以通过施加电场对这些离子进行收集，通过离子对的数目推算吸收剂量是使用电离室进行剂量测量的基本原理，参考图1-11。

X 的单位为C·kg-1；曾用名伦琴，1R =2.58×10-4C·kg-1。

（二）吸收剂量D（absorbed dose）

在介绍它的定义前，先了解一下X（γ）射线是怎样传递给介质电离辐射的能量的。 当辐射线穿过吸收介质时，通过两个阶段过程与物质发生相互作用。 第一步，通过光子与物质的相互作用将光子所带的能量转化成带电粒子的动能。 第二步，通过带电粒子与物质的相互作用，这些带电粒子逐渐慢化，实现介质中能量（剂量）的沉积。

吸收剂量定义为：dε除以dm 所得的商。 即第二步中，电离辐射转移给质量为dm 的介质的平均能量。

D 的单位为J·kg-1；专用名为戈瑞（Gray，符号表示为Gy），1Gy =1J · kg-1

曾用单位为拉德（rad），1Gy=100rad。

（三）比释动能k（kinetic energy released in material，kerma）

比释动能等于dEtr 除以dm 所得的商。 即上述过程的第一步中，不带电电离粒子在质量为dm 的介质中释放的全部带电粒子的初始动能之和dEtr。

K 的单位为J·kg-1；专用名为戈瑞（Gy）。

（四）当量剂量HT（equivalent dose）

等于某一组织或器官T 所接受的平均的吸收剂量DT，R 经辐射质为R 的辐射权重因子WR（radiation weighting factor）加权处理的吸收剂量；

HT 的单位为J·kg-1；专用名为希沃特（Sievert），符号为Sv，1Sv=1J·kg-1。