1、核科學概論核科學概論東華理工大學東華理工大學核工系核工系本堂課主要內容本堂課主要內容n輻射劑量學基本知識輻射劑量學基本知識n輻射對人體的危害輻射對人體的危害第一節第一節 輻射劑量學基本知識輻射劑量學基本知識 輻射防護已成為核科學領域中一個重要分支，是輻射防護已成為核科學領域中一個重要分支，是專門研究防止電離輻射對人體危害的綜合性邊緣專門研究防止電離輻射對人體危害的綜合性邊緣學科。學科。它與許多學科存在交叉領域。輻射防護和它與許多學科存在交叉領域。輻射防護和核安全有許多交叉的地方。其主要內容要求涉及核安全有許多交叉的地方。其主要內容要求涉及到的學科有：到的學科有：原子核物理學、核化學、輻射劑量原

2、子核物理學、核化學、輻射劑量學、核輻射探測技術、核電子學、放射生物學、學、核輻射探測技術、核電子學、放射生物學、放射衛生學、放射生態學和輻射評價學放射衛生學、放射生態學和輻射評價學等。內容等。內容極為豐富，至今在理論上或在應用上仍處在發展極為豐富，至今在理論上或在應用上仍處在發展和深化階段，有許多新課題尚待研究和介決。和深化階段，有許多新課題尚待研究和介決。輻射防護的目的與任務輻射防護的目的與任務 輻射防護和核安全的目的輻射防護和核安全的目的是防止有害的確定性是防止有害的確定性效應，并限制隨機性效應的發生概率，使它們效應，并限制隨機性效應的發生概率，使它們達到被認為可以接受的水平。達到被認為可

3、以接受的水平。 輻射防護和核安全的基本任務輻射防護和核安全的基本任務：既要保護從事：既要保護從事放射工作者本人和后代以及廣大公眾乃至全人放射工作者本人和后代以及廣大公眾乃至全人類的安全；保護好環境；又要允許進行那些可類的安全；保護好環境；又要允許進行那些可能會產生輻射的必要實踐以造福于人類。能會產生輻射的必要實踐以造福于人類。 日常生活中所遇到的日常生活中所遇到的射線射線來源來源天然輻射是人類的主要輻射來源天然輻射是人類的主要輻射來源生活中的輻射來源生活中的輻射來源天天然輻射然輻射人工輻射人工輻射天然輻射天然輻射 宇宙射線宇宙射線 宇生放射性核素宇生放射性核素 原生放射性核素原生放射性核素 一

4、般場所：一般場所： 天然本底為天然本底為 2. 4mSv/a, 多為內照射多為內照射 (222Rn, 60%) 天然本底照射天然本底照射天然輻射源對人類和環境的影響天然輻射源對人類和環境的影響 天然輻射源照射世界平均輻射劑量值天然輻射源照射世界平均輻射劑量值 輻輻 射射 源源 年年 有有 效效 劑劑 量量 mSv 平平 均均 值值 典型范圍值典型范圍值 外照射外照射 宇宙輻射宇宙輻射 直接電離輻射和光子直接電離輻射和光子 0.28（0.30）a 中子成分中子成分 0.10（0.08） 宇生核素宇生核素 0.01（0.01） 宇宙射線與宇生核素小計宇宙射線與宇生核素小計 0.39 0.31.0

5、陸地外照射陸地外照射 室外室外 0.07（0.07） 室內室內 0.41（0.39） 陸地外照射小計陸地外照射小計 0.48 0.30.6c 外照射外照射 合合 計計 0.87 0.61.6 天然輻射源照射世界平均輻射劑量值（續）天然輻射源照射世界平均輻射劑量值（續） 輻輻 射射 源源 年年 有有 效效 劑劑 量量 mSv 平平 均均 值值 典型范圍值典型范圍值 內照射內照射 吸入內照射吸入內照射 鈾、釷系列鈾、釷系列 0.006（0.01） 氡（氡（222Rn） 1.15（1.2） 釷（釷（220Rn） 0.10（0.07） 吸入內照射小計吸入內照射小計 1.26 0.210 食入內照射食入

6、內照射 40K 0.17（0.17） 鈾和釷系鈾和釷系 0.12（0.06） 食入內照射小計食入內照射小計 0.29 0.20.8 內照射內照射 合計合計 1.55 總總 計計 2.4 110 正常本底地區天然輻射源正常本底地區天然輻射源 致人體的年有效劑量致人體的年有效劑量輻射來源輻射來源年有效劑量年有效劑量, mSv, mSv 宇宙射線宇宙射線0.38宇生核素宇生核素0.01陸地陸地g g外照射外照射0.48陸地放射性核素內照射陸地放射性核素內照射 (不包括氡不包括氡)0.29氡及其子體氡及其子體1.25總總 計計2.4醫療輻射是最大的人工輻射來源；各種人醫療輻射是最大的人工輻射來源；各種

7、人工放射性核素，大約工放射性核素，大約80用于醫學目的。用于醫學目的。 人工輻射人工輻射醫療輻射醫療輻射1.放射診斷放射診斷 2.放射治療放射治療 3.核醫學核醫學人工輻射源對人類和環境的影響人工輻射源對人類和環境的影響 全世界醫用全世界醫用X射線檢查的頻率、有效劑量和集射線檢查的頻率、有效劑量和集體劑量（體劑量（1991-1996） 檢檢 查查 每每10001000人口檢人口檢查次數查次數 每次檢查的有效劑每次檢查的有效劑量，量，mSvmSv年集體劑量，年集體劑量，人人Sv Sv 胸部胸部X X射線攝影射線攝影 87 87 0.14 0.14 71200 71200 胸部胸部X X射線透視射

8、線透視 37 37 1.1 1.1 234700 234700 腰椎腰椎 15 15 1.8 1.8 159000 159000 胸椎胸椎 4.1 4.1 1.4 1.4 33400 33400 骨盆和腹部骨盆和腹部 11 11 0.83 0.83 53300 53300 上胃腸道上胃腸道 13 13 3.7 3.7 274000 274000 全世界醫用全世界醫用X射線檢查的頻率、有效劑量和集射線檢查的頻率、有效劑量和集體劑量（體劑量（1991-1996）（續）（續） 檢檢 查查 每每1000人口檢查人口檢查次數次數 每次檢查的有效劑量，每次檢查的有效劑量，mSv 年集體劑量，年集體劑量，人

9、人Sv 下胃腸道下胃腸道 3.4 6.4 127000 尿路造影尿路造影 3.8 3.7 81300 CT 16 8.6 785000 血管造影血管造影 2.1 12 143000 介入程序介入程序 0.84 20 98000 總總 計計 330 2330000 反應堆運行反應堆運行：大氣，大氣，Kr、Xe、I、3H、14C、16N、35S、41Ar；水中，；水中，3H和裂變產物。和裂變產物。長壽命核素，長壽命核素，3H、14C、85Kr、90Sr等，等，以及超鈾元素的同位素。以及超鈾元素的同位素。后處理后處理：核能生產所致居民人均核能生產所致居民人均年劑量當量，美國、加年劑量當量，美國、加拿

10、大為拿大為 3 10-8Sv，英國，英國為為 2.5 10-6Sv人工輻射人工輻射核電站核電站項目項目年份年份1980200021002500年核發電預計值年核發電預計值 GW(e) 8010001000010000年集體有效劑量年集體有效劑量 (人人Sv) 5001000200000250000世界人口世界人口 (109) 4101010年人均當量劑量年人均當量劑量 (m mSv) 0.112025占天然輻射源平均暴露量的百分數占天然輻射源平均暴露量的百分數 ()0.0050.0511核電力生產持續到核電力生產持續到2500年時的年時的年人均當量劑量預計值年人均當量劑量預計值燃煤的放射性污染

11、問題燃煤的放射性污染問題燃煤對環境的影響燃煤對環境的影響化學物質污染化學物質污染放射性物質污染放射性物質污染煤散逸飛灰中放射性核素的平均含量：煤散逸飛灰中放射性核素的平均含量： 40K為為265Bq/kg， 238U為為200Bq/kg， 210Pb為為930Bq/kg，210Po為為1700Bq/kg， 232Th為為70Bq/kg，228Th為為為為110Bq/kg， 228Ra為為130Bq/kg燃煤電站導致的居民輻射劑量燃煤電站導致的居民輻射劑量是核電站的是核電站的3倍！倍！放射性落下灰放射性落下灰局部沉降局部沉降帶狀沉降帶狀沉降全球性沉降全球性沉降（含（含200多種放射性物質）多種放

12、射性物質）外照射外照射：137Cs、95Zr、106Ru、140Ba等；等；內照射：內照射：14C、137Cs、3H、131I、239Pu、240Pu、241Pu等。等。食物鏈轉移問題食物鏈轉移問題人工輻射人工輻射核爆炸核爆炸 大氣層核試驗產生的放射性核素的大氣層核試驗產生的放射性核素的平均年有效劑量平均年有效劑量 Sv （UNSCEAR2000） 年年 度度 北北 半半 球球 南南 半半 球球 外照射外照射 食入食入吸入吸入 總和總和 外照射外照射 食入食入吸入吸入 總和總和 1945- 19993825311641076115178353282000- 209912414126431126

13、1572100- 21991251633.150532000- 1.4218021810.3218021801945- 520290016435801492530352720包括在全球擴散的包括在全球擴散的3H和和14C的貢獻。的貢獻。人工輻射的組成人工輻射的組成類型類型劑量水平劑量水平(mSv)看電視每天看電視每天2小時小時0.01 mSv/a夜光表夜光表0.02 mSv/a乘飛機乘飛機2000km0.005mSv/h眼鏡（局部）眼鏡（局部）0.010.04mSv/a家用天然氣（局部）家用天然氣（局部）0.060.09mSv/a假牙（局部）假牙（局部）1Sv/a吸煙每天吸煙每天20支（支（“

14、釙彈釙彈”）0.51 mSv/a診斷診斷X射線人均年有效劑量射線人均年有效劑量0.3CT人均單次有效劑量人均單次有效劑量8.6使用火力發電廠帶來的照射使用火力發電廠帶來的照射0.005核電站附近人均年有效劑量核電站附近人均年有效劑量0.001-0.02核設施附近人均年有效劑量核設施附近人均年有效劑量0.001-0.2人類生活方式對輻射水平的影響人類生活方式對輻射水平的影響輻射照射的類別輻射照射的類別照射是指受照的行為或狀態照射是指受照的行為或狀態。根據不同的行為。根據不同的行為或狀態，照射的分類方法就有好幾種。照射可或狀態，照射的分類方法就有好幾種。照射可以是以是外照射外照射（體外源的照射），

15、也可以是（體外源的照射），也可以是內照內照射射（體內源的照射）。照射可以分為（體內源的照射）。照射可以分為正常照射正常照射或潛在照射或潛在照射；也可以分為；也可以分為職業照射、醫療照射職業照射、醫療照射或公眾照射或公眾照射；在干預情況下，還可以分為；在干預情況下，還可以分為應急應急照射或持續照射照射或持續照射。n 照射量照射量定義：定義：X、射線，在空氣中，單位體積元內產生射線，在空氣中，單位體積元內產生的全部電子均被阻留在空氣中時，形成的總的全部電子均被阻留在空氣中時，形成的總電荷除以該體積元空氣質量。電荷除以該體積元空氣質量。式中：式中：dQ在一個體積元的空氣中，產生的一種符號的離在一個體

16、積元的空氣中，產生的一種符號的離子總電荷的絕對值；子總電荷的絕對值；dm體積元內空氣的質量。體積元內空氣的質量。照射量照射量SI單位：單位：C / kg 庫倫庫倫 / 千克千克dQXdm 照射量照射量X應用條件應用條件 有些文獻提到介質的照射量時，是指在介有些文獻提到介質的照射量時，是指在介質中放置少量空氣后測得的照射量值。質中放置少量空氣后測得的照射量值。X X、射線；射線；介質為空氣。介質為空氣。定義：定義：不帶電粒子在體積元內產生的所不帶電粒子在體積元內產生的所有帶電粒子的初始動能總和的平有帶電粒子的初始動能總和的平均值除以物質質量的商。均值除以物質質量的商。SI單位：戈瑞，單位：戈瑞，

17、Gy歷史上曾使用過的單位：拉德，符號歷史上曾使用過的單位：拉德，符號rad 1Gy100rad（Kerma，kinetic energy in material）trdEKdm 對不帶電粒子適用對不帶電粒子適用 ； 適用于所有介質適用于所有介質 ； 針對針對“點點”的概念的概念 。間接電離粒間接電離粒子的能量沉子的能量沉積過程：積過程：間接帶電粒子間接帶電粒子帶電粒子帶電粒子帶電粒子帶電粒子物質物質（比釋動能）（比釋動能）（吸收劑量）（吸收劑量）n吸收劑量吸收劑量電離輻射授予某一體積元中物質的平均電離輻射授予某一體積元中物質的平均能量除以該體積元中物質的質量的商能量除以該體積元中物質的質量的商

18、定義：定義：dmdDSI單位：戈瑞，單位：戈瑞，Gy 1Gy1J/kg；歷史上曾使用過的單位：拉德，歷史上曾使用過的單位：拉德，rad 1Gy 100rad吸收劑量吸收劑量D在劑量學的實際應用中是一個非常重要在劑量學的實際應用中是一個非常重要的基本的劑量學量。的基本的劑量學量。 對所有射線適用對所有射線適用 ； 適用于所有介質適用于所有介質 ； 針對針對“點點”的概念的概念 。吸收劑量率吸收劑量率SI單位：戈瑞單位：戈瑞/秒，秒，Gy/s某一時間間隔內吸收劑量的某一時間間隔內吸收劑量的增量除以該時間間隔的商。增量除以該時間間隔的商。定義：定義：dDDdt 這是一個這是一個與個體相關的輻射量與個

19、體相關的輻射量式中：式中：WR輻射權重因子；輻射權重因子；DT,R器官、組織的平均劑量器官、組織的平均劑量,T RRT RHWD 器官或組織器官或組織T中的平均吸收劑量中的平均吸收劑量DT,R與輻射權重因子與輻射權重因子WR的乘積的乘積(equivalent dose)n當量劑量當量劑量HT,RSI單位：希沃特，單位：希沃特，Sv 1Sv1J/kg 歷史上曾使用過的單位：雷姆，歷史上曾使用過的單位：雷姆，rem 1Sv 100 rem,TRT RRHWD 如果輻射場由具有不同如果輻射場由具有不同WR值的不同值的不同類型和（或）不同能量的輻射所構成類型和（或）不同能量的輻射所構成時，則當量劑量時

20、，則當量劑量HT為為輻射權重因子輻射權重因子WR數值上數值上：依據輻射在低劑量率時誘發隨機效依據輻射在低劑量率時誘發隨機效 應的相對生物效應值選取的。應的相對生物效應值選取的。性質性質：表征射線種類，能量與生物效應關系表征射線種類，能量與生物效應關系為輻射防護目的，對吸收劑量乘以的因數，為輻射防護目的，對吸收劑量乘以的因數，用以考慮不同類型的輻射對健康的相對危害用以考慮不同類型的輻射對健康的相對危害效應。效應。 輻射權重因子輻射權重因子（WR）（ICRP60）輻射類型輻射類型能量范圍能量范圍WR光子光子電子和介子電子和介子中子中子質子（反沖質子除外）質子（反沖質子除外）粒子，裂變碎片，重核粒子

21、，裂變碎片，重核所有能量所有能量所有能量所有能量10keV 10-100keV100keV-2MeV2-20MeV20MeV能量能量2MeV1151020105520n有效劑量有效劑量ETTTEWH 式中：式中：WT組織組織T的權重因子；的權重因子；HT 器官或組織的當量劑量器官或組織的當量劑量當所考慮的效應是隨機效應時，在全身當所考慮的效應是隨機效應時，在全身受到不均勻照射的情況下，人體所有組受到不均勻照射的情況下，人體所有組織或器官的加權后的當量劑量之和。織或器官的加權后的當量劑量之和。(effective dose)這也是一個這也是一個與個體相關的輻射量與個體相關的輻射量SI單位：希沃特

22、，單位：希沃特，Sv 1Sv1J/kg歷史上曾使用過的單位：雷姆，歷史上曾使用過的單位：雷姆，rem 1Sv 100rem 意義：評價隨機效應的危險度，使輻射防護走意義：評價隨機效應的危險度，使輻射防護走向定量化。向定量化。,TTTRT RTTREWHWWD 有效劑量表示了在非均勻照射下隨機性有效劑量表示了在非均勻照射下隨機性效應發生率與均勻照射下發生率相同時所效應發生率與均勻照射下發生率相同時所對應的全身均勻照射的當量劑量。對應的全身均勻照射的當量劑量。 有效劑量也表示了為身體各器官或組有效劑量也表示了為身體各器官或組織的雙疊加權的吸收劑量之和：織的雙疊加權的吸收劑量之和：組織權重因子組織權

23、重因子（tissue weighting factor, WT)定義：定義： WT代表組織代表組織T接受的照射所導致的隨接受的照射所導致的隨機效應的危險系數與全身受到均勻照射時的機效應的危險系數與全身受到均勻照射時的總危險系數的比值。總危險系數的比值。表征組織或器官的輻射敏感性表征組織或器官的輻射敏感性反應了在全身均勻受照下各該組織或器官對總危反應了在全身均勻受照下各該組織或器官對總危害的相對貢獻。害的相對貢獻。為輻射防護的目的，器官和組織的當量劑量所乘為輻射防護的目的，器官和組織的當量劑量所乘的因數，乘以該因數是為了考慮不同器官和組織的因數，乘以該因數是為了考慮不同器官和組織對發生輻射隨機性

24、效應的不同敏感性。對發生輻射隨機性效應的不同敏感性。組織權重因子組織權重因子（ICRP 60）組織或器官組織或器官組織權重因子組織權重因子WT睪睪 丸丸紅紅 骨骨 髓髓結結 腸腸肺肺胃胃膀膀 胱胱乳乳 腺腺旰旰食食 道道甲甲 狀狀 腺腺皮皮 膚膚骨骨 表表 面面其余組織或器官其余組織或器官0.200.120.120.120.120.050.050.050.050.050.010.010.05待積當量劑量待積當量劑量（committed equivalent dose）ottTTdttHH0)()(人體單次攝入放射性物質后，某一器官或人體單次攝入放射性物質后，某一器官或組織在組織在50年內將要受

25、到的累積的劑量當量。年內將要受到的累積的劑量當量。式中：式中：t0是攝入放射性物質的起始時刻；是攝入放射性物質的起始時刻； 是在是在t時刻器官或組織受到的當量劑量率；時刻器官或組織受到的當量劑量率； 是攝入放射性物質之后經過的時間。當沒是攝入放射性物質之后經過的時間。當沒 有給出積分的時間期限時，成年人有給出積分的時間期限時，成年人50年；年； 兒童兒童70年年)(tHt待積有效劑量待積有效劑量（committed effective dose） 式中：式中：HT（）是積分到時間器官或組織）是積分到時間器官或組織T的待積的待積 當量劑量；當量劑量； WT 是器官或組織是器官或組織T的組織權重因

26、子。的組織權重因子。TTTHwE)()(受到輻射危害的各器官或組織的待積當量劑量受到輻射危害的各器官或組織的待積當量劑量HT（）經）經WT加權處理后的總和稱為待積有效加權處理后的總和稱為待積有效劑量劑量E（），即），即 待積有效劑量可用來預計個人因攝入放射性待積有效劑量可用來預計個人因攝入放射性核素后將發生隨機性效應的平均幾率。核素后將發生隨機性效應的平均幾率。 HT（）與）與E（）的單位、名稱與符號都）的單位、名稱與符號都和和H、E相同。相同。n集體當量劑量集體當量劑量與與集體有效劑量集體有效劑量iiiTTNHS,單位：人單位：人 希希集體當量劑量集體當量劑量ST表示一組人某指定的器官或組織

27、的當量劑量的總和。表示一組人某指定的器官或組織的當量劑量的總和。(collective equivalent dose) 一一次大的放射性實踐或放射性事故，會涉大的放射性實踐或放射性事故，會涉及許多人。因此，采用集體劑量來定量地表示及許多人。因此，采用集體劑量來定量地表示這一次放射性實踐或事故對該群總的危害。這一次放射性實踐或事故對該群總的危害。式中：式中： 是所考慮的群體中，第是所考慮的群體中，第i組的人群中每個人組的人群中每個人 的的T器官或組織平均所受到的當量劑量；器官或組織平均所受到的當量劑量； Ni是第是第i人群組的人數。人群組的人數。 jTH.集體有效劑量集體有效劑量 SE(col

28、lective effective dose)受照群體每個成員的有效劑量的總和。受照群體每個成員的有效劑量的總和。注意：時間、人群注意：時間、人群單位：人單位：人 希希 式中：式中： 是第是第I組人群接受的平均有效劑量。組人群接受的平均有效劑量。iEiiiENES第二節第二節 輻射對人體的危害輻射對人體的危害 輻射與人體相互作用會導致某些特輻射與人體相互作用會導致某些特有生物效應。有生物效應。效應的性質和程度主要決效應的性質和程度主要決定于人體組織吸收的輻射能量。定于人體組織吸收的輻射能量。從生物從生物體吸收輻射能量到生物效應的發生，乃體吸收輻射能量到生物效應的發生，乃至機體損傷或死亡，要經歷

29、許多性質不至機體損傷或死亡，要經歷許多性質不同的變化，以及機體組織、器官、系統同的變化，以及機體組織、器官、系統及其相互關系的變化，過程十分復雜。及其相互關系的變化，過程十分復雜。 目的：目的：在分子水平上，了解輻射損傷的機理。在分子水平上，了解輻射損傷的機理。基礎：基礎：電離和激發，改變原子或分子的狀態，從電離和激發，改變原子或分子的狀態，從 而導致細胞功能或遺傳結構的變化。而導致細胞功能或遺傳結構的變化。輻射的生物效應的特點輻射的生物效應的特點 ：（1）很低的吸收能量就能引起高的生物效應；）很低的吸收能量就能引起高的生物效應；（2）短暫作用引起長期效應。）短暫作用引起長期效應。輻射的初始作

30、用輻射的初始作用n輻射的作用過程輻射的作用過程分子水平分子水平細胞死亡細胞死亡細胞變異細胞變異體細胞體細胞生殖細胞生殖細胞體細胞體細胞生殖細胞生殖細胞功能障礙功能障礙不孕不孕腫瘤腫瘤遺傳效應遺傳效應確定性效應確定性效應多細胞死亡導致多細胞死亡導致隨機性效應隨機性效應單一細胞變異導致單一細胞變異導致DNA損傷損傷細胞水平細胞水平臨床癥狀臨床癥狀效應效應物理因素總結物理因素總結（1）輻射類型輻射類型 外照射外照射: g gb ba a ( (危害程度危害程度) ) 內照射內照射 : a ab bg g ( (危害程度危害程度) )（2）劑量率、受照時間間隔劑量率、受照時間間隔 劑量率劑量率 生物效

31、應生物效應 時間間隔時間間隔 生物效應生物效應 n影響輻射生物學作用的因素（3）照射部位與面積照射部位與面積 不同部位不同部位 不同的敏感度不同的敏感度 面積面積 生物效應生物效應 （4）幾何條件幾何條件 不同的幾何條件不同的幾何條件 不同的生物效應不同的生物效應生物種系生物種系 人人 猴猴 大鼠大鼠 雞雞 龜龜 大腸桿菌大腸桿菌 病毒病毒 LD50（Gy） 4.06.07.07.1515.056.02 104生物因素生物因素（1）不同生物種系對輻射的敏感性不同）不同生物種系對輻射的敏感性不同 胚胎不同發育階段，胚胎不同發育階段，2Gy X射射線照射下死胎或畸形的發生率線照射下死胎或畸形的發生

32、率（2）不同年齡對輻射的敏感性不同）不同年齡對輻射的敏感性不同（3）不同組織或器官對輻射的敏感性不同）不同組織或器官對輻射的敏感性不同 高度敏感高度敏感: 淋巴組織、淋巴組織、 胸腺、骨髓、性腺、胚胎胸腺、骨髓、性腺、胚胎 腸胃上皮腸胃上皮 中度敏感中度敏感: 感覺器官、內皮細胞、皮膚上皮、感覺器官、內皮細胞、皮膚上皮、 唾液腺、腎、肝等唾液腺、腎、肝等 輕度敏感輕度敏感: 中樞神經系統、內分泌腺、心臟中樞神經系統、內分泌腺、心臟 不敏感不敏感: 肌肉組織、軟骨組織、結締組織肌肉組織、軟骨組織、結締組織 軀體效應軀體效應（somatic effects）定義：發生在受照者本人身上的效應。定義：發生在