1895 年，德国物理学家威尔姆·康拉德· 伦琴（Wilhelm ConradRöntgen） 发现了一种气体放线管中发出的新射线，该射线能够使置于避光容器中的感光胶片变黑。在1895 年12 月的报告中他首次将这些射线称为“X 射线（X-ray）”，其中X 代表“未知的”。在一次公开演讲时，为了展示X射线的特性，伦琴请瑞士著名解剖学家鲁道夫·艾伯特·克里克（Rudolf Albert von Kölliker）将他的手放在射线束下，第一次得到了公开拍下的X 射线照片。

1896年1月，在发现X射线仅几个月后，第一张活体射线成像照片问世（由德国Würzburg 伦琴博物馆提供）

1896 年1 月23 日出版的《柳叶刀》杂志报道了X 射线的首次医学应用。在此报道中， X 射线被用来定位酗酒水手脊椎上的刀片，在X 射线定位下移除刀片后该水手的瘫痪得以改善。这种新技术很快传遍欧洲和美国，放射诊断学随之诞生。对于谁最先将X 射线用于治疗还有争议。1896 年，奥地利外科医生利奥波德·弗罗德（Leopold Freund），比维也纳医学会更早证明了X 射线照射使毛痣消失的情况。1896 年安东尼·亨利·贝克勒尔（Antonine Henri Becquerel）发现了铀化合物具有放射活性，2 年后皮埃尔·居里和玛丽·居里夫妇分离出放射活性元素钋和镭。在随后几年内，镭被用于肿瘤的治疗。

最早记录放射生物效应的是贝克勒尔，他无意中将装镭的容器遗留在自己的马甲口袋里。2 周后他的皮肤出现红斑，然后产生溃疡并且用了几周才治愈。据说皮埃尔·居里在1901 年重复了这个实验，故意用镭在自己的前臂上引起“烧伤”。

20 世纪初，从这些早期发现开始，放射生物学研究被开启。

据贝克勒尔的早期观察，皮埃尔·居里用镭在自己的前臂上引起辐射溃疡。他记录了溃疡的出现和随后的治愈过程

放射生物学是研究电离辐射对生物体作用的学科。因此，放射生物学不可避免地包含一些辐射物理学过程。

电离辐射的类型

辐射在生物材料中的能量吸收可以引起激发或电离。原子或分子的电子跃迁到高能态而不射出电子称之为激发。如果辐射具有足够的能量使原子或分子射出一个或多个轨道电子，此过程被称为电离，该辐射称之为电离辐射（ionizing radiation）。电离辐射的重要特征是大量能量的局部释放，每次电离释放的能量大约是33 eV，足够破坏一个强化学键。例如，C＝C键含有的能量是4.9 eV。为了方便起见，通常将电离辐射分为电磁辐射和粒子辐射。

电磁辐射

生物系统的大多数实验都涉及两种类型的电磁辐射（electromagnetic radiation）：X 射线或γ射线。X 射线和γ射线在本质或特性上是相同的，两者名称的差别是因为产生途径不同：X射线产生于原子核外部；γ射线产生于原子核内部，实际上这意味着通过电子装置可以产生X射线。这样的电子装置能够加速电子使其到达高能态，然后通常用钨靶或金靶突然中止高能电子，电子的部分能量（动能）便转化为X射线。反过来，γ射线产生于放射性核素。当不稳定的原子核裂变直至稳定状态时释放多余的能量转化为γ射线。地球上来自岩石的天然本底辐射也包括γ射线。本文中关于X射线的所有阐述同样适用于γ射线。

电磁辐射波谱示意图

X射线和γ射线与可见光、辐射热与无线电波具有同样的本质；然而它们的波长较短，所以具有较高的光子能。因此X射线和γ射线能够破坏化学键并产生生物学效应

可以从两种不同的观点来理解X射线。第一种观点，可以认为X射线是电磁波。磁场和电场在互成直角的平面上，随时间变化，以像波浪一样的方式移动。第二种观点，认为X射线是光子流或能量束。X射线由光子构成这个概念在放射生物学领域中非常重要。如果生物材料吸收了X射线，则能量会沉积在组织和细胞里，且不同束之间的沉积并不均一。X射线束的能量被量子化成巨大的单个能量包，每个都大到足够破坏化学键并引起生物变化的系列事件。非电离辐射和电离辐射的关键区别就是单个能量包的大小，而不是涉及的总能量。一个简单的计算阐明了这一点。大约4 Gy的全身剂量可致一半受照人员死亡。假设受照人员具有标准体重70 kg，该剂量代表吸收的能量仅仅是大约67 cal。该能量的渺小程度可以用很多方式来解释。若转化为热量，其表现为温度上升0.002℃，根本不会产生危害；该能量以热量形式被吸收，就像喝一口热咖啡。或者，把X射线致死剂量的能量与机械能或做功相比，相当于把人从地面抬升16英寸所做的功以热量或机械能形式吸收的能量是均一地吸收，这种形式要在生物体内产生危害需要大量的能量。所以X射线的效能并非只是总能量的函数，单个能量包的大小也是关键。就生物效应来说，若光子能超过124 eV，对应波长小于10-6cm，这样的电磁辐射就是电离辐射。

辐射的生物学效应不是由吸收能量的数量来决定，而是由光子和能量包的大小来决定

A：暴露在致死剂量4 Gy下的70 kg的人吸收的总能量仅仅只有67 cal。B：等于喝一口热咖啡吸收的能量。C：也相当于把人抬高16英寸产生的势能

粒子辐射

自然界存在的、应用于实验的其他类型辐射有电子（electrons）、质子（protons）、α粒子（α-particles）、中子（neutrons）、负π介子（negative π-mesons）及重离子（heavy charged ions）。其中一些也应用于放射治疗，但有些在放射诊断方面的潜力还没有被开发。

重放射性核素释放α粒子的衰变示意图

α粒子是由2个质子及2个中子组成的氦核。释放一个α粒子使原子数减少2，质量数减少4。衰变的结果使镭元素转变成了另一种元素氡

X射线的吸收

辐射可分为直接电离或间接电离。之前讨论的所有带电粒子都属于直接电离。这种电离能提供具有足够动能的单个粒子，直接穿过吸收者，破坏分子结构并产生生化变化。电磁辐射（X射线和γ射线）是间接电离。它们本身并不产生生化危害，但是当它们穿过物质并被吸收时，其能量会产生快速移动的带电粒子，从而造成危害。X射线的光子被吸收过程依赖于光子的能量及吸收物质的化学组成。

　康普顿效应过程中一个X光子的吸收

光子与原子中松散结合的轨道电子相互作用，部分能量传递给电子成为其动能。光子偏离原有的运动方向，波长变长继续行进（能量降低）

光电效应过程中一个X射线或γ射线的光子吸收

涉及光子与原子中结合紧密的轨道电子相互作用。光子释放其所有的能量，弹射电子的动能等于入射光子的能量减去之前电子在轨道的结合能（A）。空位由外层轨道电子填补，或者由原子外的自由电子填补（B）。如果电子的能量水平发生变化，能量差就会以特征X射线形式释放。对于软组织，特征X射线的能量非常低

辐射的直接作用和间接作用

辐射生物学效应主要是由脱氧核糖核酸（DNA）损伤所致。DNA是电离辐射的关键靶。

无论是X射线还是γ射线，带电粒子还是不带电粒子，任何一种辐射被生物体吸收，都可能会与细胞中的关键靶相互作用。靶本身的原子被电离或者激发，引发可导致生物变化的一系列反应，这就是辐射的直接作用（directaction of radiation）；在高传能线密度（linear energy transfer, LET）的辐射类型中，如中子或α粒子，辐射的直接作用是主要过程。除此以外，辐射也会作用细胞中的其他原子或分子（特别是水），产生自由基。自由基可以扩散得足够远，从而损伤关键靶，这就是辐射的间接作用（indirectaction of radiation）。

辐射的直接作用和间接作用

直接作用时，吸收的X光子产生次级电子，与DNA相互作用产生效应。间接作用时，次级电子与水分子作用产生羟自由基，进而对DNA造成损伤。DNA双螺旋的直径大约是20 Å（2 nm）。据估计，直径是DNA双螺旋两倍的圆柱体自由基可作用于DNA。间接作用主要发生在稀疏电离辐射中，如X射线。S，五碳糖；P，磷酸基团；A，腺嘌呤；T，胸腺嘧啶；G，鸟嘌呤；C，胞嘧啶

中子、质子和重离子的吸收

和X射线不同，中子并不与轨道电子相互作用，而是与构成组织的原子核相互作用（图1-9），产生反冲质子（recoilproton），或是高能态的中子散裂产物（如高能量中子撞击碳原子然后分裂成3个α粒子），或是撞击氧原子产生4个α粒子。

质子既与轨道电子作用使原子电离并产生快速反冲电子，也与组织的原子核作用产生次级重粒子。随着质子能量的增加，原子核发生裂变的可能性越来越大。

对于重离子，如同X 射线，其生物学效应可能是直接作用或间接作用的结果，但是这两种作用模式之间会发生平衡转换。对于X 射线，间接作用占主导地位；对于中子或重离子，直接作用更重要，随电离密度的增加而增加； 随着电离密度的增加，粒子径迹与靶分子的直接相互作用也会增加。

化学手段可以轻易改变涉及自由基的间接作用，目前认识到这一点十分重要。清除自由基的辐射防护剂已被研制出来，这些化合物对X 射线及γ 射线十分有效，但是对中子、α粒子或重离子无效。

快中子与吸收物质中氢原子核之间的相互作用

中子的部分能量转化为质子的动能，中子偏离原有的运动方向，能量降低

本文由安静摘编自美国哥伦比亚大学Eric J. Hall教授和斯坦福大学Amato J. Giaccia教授合著的Radiobiology for the Radiologist第7 版的中译本《放射生物学：放射与放疗学者读本》中的第1章，内容有删减。

978-7-03-046041-7

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