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核物理基础,陈英茂 中国人民解放军总医院核医学科 2008-11-24,2008年核医学大型设备上岗证技师培训,分子是能保持物质化学性质的最小单位 原子是用化学方法不能再分割的物质存在的最小单位,核物理基础,原子核 原子核的放射衰变 放射性活度和活度单位 放射性核素的衰变规律 射线与物质的相互作用 电离辐射量及其单位,第一节 原子核,原子结构 原子核结构 放射性与放射性核素,物质、分子和原子,物质由分子组成，分子由原子组成 分子是能保持物质化学性质的最小单位 原子是用化学方法不能再分割的物质存在的最小单位 原子质量单位(amu或u) 碳-12为标准：12.000 1个原子质量单位为碳-12 的1/12 如：1H原子量：1.008 1u=1.66056510-27g 原子的大小：半径的数量级为10-10米(m)。 元素：原子序数相同的一类原子总称 原子具有元素的一切性质。如：氢元素的三种原子1H、 2H、 3H 目前元素有110多种,原子结构,原 子=原子核+电子 结 构太阳系相似 原子核太阳 电 子行星 轨 道 运 行,带电情况,原子序数=Z，核外有Z个电子 电子 一个电子单位的负电荷（e） e=1.602210-19库仑（C） 负电总量 = Z e 原子核 Z个正电荷。 整个原子为电中性。,受力情况,静电吸引力: 核外电子 原子核 离心力: 电子 绕核 高速旋转 原子稳定：二力大小相等，方向相反,质量分配情况,原子质量的绝大部分集中在原子核内 电子的质量=9.1 x 1028 g 氢原子：核的质量=电子的1836倍 铀原子（Z=92）： 核的质量=核外电子总质量的4714倍。,空间分配情况,原子核占据原子空间的极小部分。 原子直径 1010 m，原子核直径 1015 1014 m 原子核直径只有整个原子直径的万分之一到十万分之一 原子核的体积只占整个原子体积的万亿分之一 原子核与绕行电子之间的绝大部分空间是空虚无物的,原子与太阳系结构的相似,太阳系有 9个行星(9个电子) 太阳直径: 1.392x106公里, 缩小1023倍后为: 1.392x10-14 m（原子核直径10-14 m） 太阳系(冥王星轨道)直径: 1.182x1010公里,缩小1023倍后为: 1.182x10-10m（原子直径 1010 m） 太阳直径/太阳系直径=1.18 x10-4 (近万分之一) 原子核直径/原子直径=10-4 地球轨道直径缩小1023倍后为: 3x10-12m, 光子还会与原子碰撞吗,光子以光速(30万公里/秒)穿过太阳系需11个小时(39600秒) 光子穿过一个原子仅需10-18秒(万亿亿分之一秒) 光子在10纳秒(10-8秒)内可穿过3米(10亿个原子厚度) BGO晶体30mm(1千万个原子厚度;10-10秒)即可吸收92%的511keV的 光子 NaI晶体16mm即可吸收94%的140keV的 光子,电子轨道壳层,电子的轨道： 分布在不同的壳层上。 用拉丁字母K，L，M，N，O，P，Q.分别代表第1,2,3,4n壳层。 每个壳层上能容纳的轨道数是一定的，从里向外依次为1，4，9，16n2。 每个轨道上的电子不能超过2个。 最外层 轨道数不能超过4个；电子数不能超过8个。,电子轨道能级,电子总能量 = 势能 + 动能 轨道确定了，电子的能量也就确定了 第1壳层轨道上的电子受的束缚最大，能量最低，称为基态；越往外层，轨道电子能量越高。 轨道能量量子化：轨道不连续电子 的能量不连续。,氢 原子结构,电子轨道跃迁,跃迁：电子可瞬间从所在轨道跳到另一轨道，放出或吸收能量E=E末E初。 激发：电子吸收 恰好E能量时，从低能级轨道跃进到高能级轨道上。 若给电子提供的能量不恰好为E，电子则不予理睬，跃进也就不会发生。 退激：低能级轨道有空位时，高能级轨道上的电子自发跳到该轨道，发出能量为E的光子。,电子轨道跃迁,E激发态,E基态,E激发态,E基态,E,h,激发 吸收能量E=E激发-E基态,退级 发射能量h=E的光子,电子轨道跃迁,电子在外层轨道间跃迁 可见光，紫外光 电子跃迁到内层轨道 X线 射线（核能级间跃迁）， X线，紫外光，可见光，红外光（分子能级间跃迁） 本质电磁波，E=h X线与射线能量已没有界限,电磁波的波长和能量的分布,原子核的结构,人类对原子核的结构的认识是从放射性的发现开始的,原子核的组成,原子核=质子(p) +中子(n) 。 p和n的质量基本相等 质子mp=1.67261410-27kg 中子mn=1.67492010-27kg 质子和中子统称为核子。 质量数：核子的总数A=Z+N,原子核表示法,X为元素符号 简化为 131I 18F 99mTc，m表示核能态处在激发态,放射性及放射性核素,放射性：原子核能自发放射出看不见的具有一定穿透力的射线，核发生转变衰变。 1896年贝可勒尔（H. Becquerel）发现铀的放射现象 纪念贝可勒尔，活度国际单位：Bq 射线：、射线,放射线的本质,射线 射线的本质为带正电的粒子流，该粒子粒子 粒子由两个质子和两个中子组成（氦原子核） 穿透能力 和、射线比较，射线的穿透能力最弱一张薄纸就能将射线挡住，空气中只能穿透几个厘米 电离本领 和、射线比较，射线的电离本领最强,放射线的本质,射线 射线本质为高速运动的电子流 负电子、正电子：-和+射线 穿透能力 射线的穿透能力比射线强，但比射线弱。它很容易穿透黑纸，甚至可以穿透几个毫米的铝板。 电离本领 射线的电离本领比射线弱，但比射线强。,放射线的本质,射线 射线的本质为光子流，属于电磁辐射。它的性质和X射线很相似。 穿透能力 和射线、射线比较，射线的穿透能力最强， 2MeV的射线空气中可穿透上百米 电离本领 射线的电离本领很小，和射线、射线比较最弱。,三种射线的性质,都能引起生物和化学变化 都能产生荧光 都能使周围的介质升温 都能使胶片感光 ,元素、同位素,元素： 质子数相同的一类原子。111种，例如：H 同位素： 质子数相同，而中子数不同的原子互称为同位素。 例如： 1H、2H 、3H,同质异能素、核素,同质异能素 相同的质子数和中子数，而核能量状态不同的核素。 例如：99Tc 、99mTc 同中异荷素（也称同中素） 中子数相同，质子数不同的一类原子。比如：21H和32He。 同量异位素（也称异质素） 质量数A相同，质子数不同的一类原子。比如：3215P和3216S。 核素 质子数Z、中子数N、原子核能量状态都相同。例如：99Tc 、99mTc 两种核素 2000多种,放射性核素,稳定核素：天然存在，有300多种 放射性核素：有2000多种 天然放射性核素，60余种，半衰期较长 原生放射性核素：地球形成时存在于地壳内的放射性核素 钍232、铀238、铀235、钾 40及其子核 食物中的钾 40； 空气中的氡222和它的子核等等 宇生放射性核素：宇宙射线与大气作用产生放射性核素3H、14C 存在于大气、土壤、岩石、动植物体内 人工放射性核素，2000余种，因需而制造 加速器、反应堆、核素发生器,第二节 核的放射性衰变,衰变: 发射射线 衰变：发射电子 衰变：发射正电子 电子俘获(electron capture, EC) 衰变：发射射线 内转换(internal conversion, IC),原子核衰变,放射性衰变： 原子核自发的放射出各种射线而变为另一种核素的现象。 与原子的化学状态、化学性质无关 不受外界因素影响 放射性核素本身的物理特性,衰变,射线（ 粒子）：本质为氦核42He ，由两个质子和两个中子组成 子核质量数减少4，原子序数减少2 AZXA-4Z-2Y+Q AZX：母核，A-4Z-2Y：子核，Q：衰变能 重核（Z82）,-衰变 （ 衰变 ）,发射出一个-粒子和一个反中微子- -射线（ 射线）的本质为电子 一个中子转变成一个质子， 子核的原子序数增加1 AZXAZ+1Y+-+-+Q 富中子核素（贫质子） 治疗用核素 （治疗用89Sr、153Sm、90Y，敷贴32P),+衰变,发射出一个正电子(+粒子)和一个中微子 一个质子转变成一个中子 子核的原子序数减1 AZXAZ-1Y+Q PET用核素 富质子核素 189F188O +,衰变,粒子的能量谱是宽带的连续谱,电子俘获(electron capture EC),从核外K壳层上俘获一个电子，质子中子 子核的原子序数向前移一位 AZX+eAZ-1Y+(X、俄歇电子(Auger electron)） K壳层留电子空位 外层电子跃迁X射线 外层电子跃迁 能量转给另一个外层电子 射出俄歇电子 富质子核素,+衰变与电子俘获(EC),共同点： 质子中子 子核的原子序数向前移一位 原子序数Z较小+衰变 18F、11C、13N、15O 原子序数Z较大电子俘获 （粒子治疗用 125I，利用X线治疗） 原子序数Z中等+衰变、电子俘获同时存在,衰变,核由激发态回到基态发射光子 核的质量数A和原子序数Z都不发生改变 同质异能跃迁 AmZXAZX+Q 99mTc99Tc + 光子的能量谱为线谱 光子本质：电磁波，射线,内转换（IC）,核由激发态回到基态 能量转给核外内层电子 发射电子（内转换电子Internal conversion electron) 核外内层有空位 外层电子跃迁X射线 外层电子跃迁 能量转给另一个外层电子 射出俄歇电子 激发态的寿命长， 能量低（小于100keV）， 发生内转换的几率大 同质异能跃迁,第三节 放射性活度和活度单位,放射性核素的活度(radioactivity, A): 单位时间内核发生衰变的次数 贝可勒尔（Becquerel），简称贝可（Bq）(S.I制), 1Bq = 每秒一次核衰变 居里（Ci） 1居里=1秒内发生3.71010 次核衰变 1Ci= 3.71010 Bq 1mCi=37MBq 放射性浓度 放射性浓度: 单位体积溶液中所含的放射性活度，Bq/ml,第四节 衰变规律,衰变规律 衰变常数 半衰期 递次衰变,衰变规律（指数衰变）,放射性核素的数量N及放射性活度A的变化服从指数衰变规律 N=N0e-t A=A0e-t N为t时的放射性核素数量 A为t时的放射性核素活度 N0为t=0时的放射性核素数量 A0为t=0时的放射性核素活度 为衰变常数,lnA=lnA0-t,A=A0e-t,衰变常数,A=-dN/dt A=N 衰变常数 : 单位时间内核衰变的数目(活度）占当时放射性核数目的比率：=A / N 核素物理特征常数，与外界环境无关 不同核素衰变常数不同 越大，衰变越快 例如 =0.02/s=2%/s, 表示1秒钟内有2%的核衰变 N=10000，则A=0.02/s10000=200/s, 表明放射性核数目每秒减少200个，即每秒有200个核发生衰变。,半衰期,半衰期T1/2 : 放射性核素的数量或活度减少到原来的一半所需要的时间 半衰期与衰变常数的关系为: T1/2= ln2/= 0.693/ 半衰期越大，衰变越慢 99mTc的T1/2=6.02小时，=0.693/6.02=0.115/小时。 指数衰变规律:A=A0e-0.693t/T1/2 n个半衰期后的活度: A=A0/2n,半衰期,A=Ao /2n A/ Ao =1/2n 1个半衰期：A/ Ao =1/21 =1/2 2个半衰期：A/ Ao =1/22 =1/4 3个半衰期：A/ Ao =1/23 =1/8 4个半衰期：A/ Ao =1/24 =1/16 5个半衰期：A/ Ao =1/25 =1/32 6个半衰期：A/ Ao =1/26 =1/64 8个半衰期：A/ Ao =1/28 =1/256 10个半衰期：A/ Ao =1/25=1/10241/1000,递次衰变,放射性核素衰变后生成的子核也是放射性核素, 经过两次以上的衰变，变成稳定核素，称之为递次衰变。 母核第二代子核第三代子核 第n代子核 99Mo99mTc发生器中：99Mo99mTc99Tc 99Ru 母核的衰变：指数规律 子核衰变：受制于母核，规律复杂,第五节 射线与物质的相互作用,电离和激发 射线与物质的相互作用 射线与物质的相互作用 射线与物质的相互作用,电离,电离：射线使原子变成离子对的现象 电离辐射：，等带电粒子和、X等高能光子，能够直接地或间接地引起物质的电离，称这些射线为电离辐射。 电离辐射与物质作用时，几乎都是通过直接的或间接的电离作用，把能量传递给介质，引起某些物理的或化学的变化，或者引起生物机体的某些效应,电离,带电粒子(、射线 ） 直接电离（初级电离）：入射的带电粒子直接与物质原子的核外电子作用产生的电离 电离打出的电子次级电子，可引起电离 次级电离（二次电离）：次级电子引起的电离 初级电离和次级电离之和构成了入射带电粒子的总电离 不带电荷的射线引起的电离 不带电荷的光子、X射线和中子流，不能使原子直接电离 通过各种效应（光电效应、康普顿效应、电子对）而产生一些高能电子，即次级电子，这些次级电子引起电离 次级电离的几率比直接电离的几率要小,电离密度,电离密度（比电离）：在单位路程上产生的电子-离子对的数目 代表射线电离能力的大小 射线对生物机体的损伤主要取决于电离密度 影响电离密度的各因素： 带电粒子速度越大，电离密度越小 带电粒子所带电量越大，电离密度越大。电离密度与粒子所带电量成正比。 介质的密度越大，电离密度越大，与物质的密度成正比。 不同射线的电离密度,激发,激发：核外轨道电子获得的能量使之跃迁到高能的轨道壳层 退激：电子从高能轨道回到低能轨道 发生在外层轨道：可见光、紫外光 闪烁晶体工作原理：激发,吸收,入射带电粒子经电离、激发和韧致辐射等失去能量后，留在物质内 - 吸收 粒子俘获周围原子的两个电子成为氦原子 -粒子成为自由电子 +粒子与电子产生湮灭反应后消失 射程：带电粒子在物质中运动从起点到终点的直线距离 射程是穿透本领的度量。,粒子与物质的作用,粒子：2个质子+2个中子，2个正电荷 径迹：直线，几乎一样长 电离作用：电离本领很大,粒子的吸收,射程 当粒子的能量全部损失后，变成了一个自由漂浮的正粒子，直到俘获两个自由电子变成氦原子，粒子消失，即被物质吸收。粒子消失前，在物质中走的距离称为粒子的射程 在不同的物质中，粒子的射程是不同的。空气中射程在26cm；有机物中射程在3070m，用一张纸就可以把它全部挡住。,穿透本领 用射程来表示粒子在物质中的穿透本领，射程越大，穿透本领越强 确定能量的粒子，吸收物质的密度越大，射程越短，穿透本领越弱 粒子在气体中的穿透本领最强，在液体中次之，在固体中最弱,射线与物质的作用,-粒子实质是电子。速度近光速l05 kms。 +粒子即正电子。质量、带电量与电子相等，但带正电，寿命很短。 电子对湮没：正电子在能量很小时，与负电子结合，转化成两个能量各为0.511 MeV、沿相反方向发射的光子。 正负粒子除了电荷符号相反和寿命不同外，其他性质完全相同。,射线与物质的作用,射线径迹：曲线，因质量很小，碰撞时易改向 由于多次散射，最终散射角可能大于90o，甚至180o。这种现象称为粒子的反散射,射线与物质的作用,能谱曲线：任何衰变的射线，其粒子的能量都是从零开始连续分布的。,不同核素的射线能谱曲线形状相似，但最大能量Eo不同 具有较小和较大能量的粒子数都不多，具有1/3 Eo能量的粒子数最多。 Eo 是衰变核素的特征常数。,韧致辐射,当快速运动的电子经过原子核附近时，受到库仑场的作用，辐射电磁波，称之为轫致辐射。 轫致辐射发出的电磁波的能量在X射线范围内，因此可将之视为连续X射线光谱。 粒子能量韧致辐射 介质的原子序数韧致辐射 辐射防护材料：原子序数较低的物质作为第一层,湮灭辐射,湮没辐射（湮灭辐射、光化辐射）：+粒子（正电子）从衰变核发出与物质作用耗尽动能与物质中的电子结合正负电子消失两个电子的质量转换为两个方向相反、能量各为0.511MeV的光子 2个电子两个光子 光子能量 = mec2 = 511keV,射线与物质的作用,射程：粒子全部被吸收需要的介质厚度 射程是由具有最大能量的粒子所决定的，也叫最大射程。 径迹不是直线，实际路程比射程大得多。 穿透本领：比射线弱，比射线强 电离和激发：比射线弱，比射线强,射线与物质的相互作用,光电效应 康普顿效应 电子对生成,射线的本质,射线本质是电磁波。频率高，波长短，速度为光速。 能量很大，穿透本领极强，在空气中达几十米。 比射线大10000多倍，比大50100倍,光电效应,光电效应（光电吸收）：光子与原子中束缚电子作用时，把全部能量传给电子，使之发射出去光电子，而光子本身消失，原子被电离。 特点是吸收光子的全部能量。一部分克服电子的束缚能，另一部分为光电子的动能。 光电子：通过电离、激发等引起次级电离，失去能量 发射光电子的原子：产生特征X射线或俄歇电子 电子被束缚越紧，光电效应几率越大。K层几率最大 光电效应的几率 正比于 原子序数 Z5 光电效应的几率 随 光子能量增加而减小,康普顿效应,康普顿效应： 光子在与原子发生弹性碰撞时，只把一部分能量转移给被击出的电子，称为康普顿电子（反冲电子）；失去一部分能量的光子，改变传播方向，成为散射光子,散射光子继续运动，直至产生光电效应将全部能量转移给电子。 反冲电子能引起次级电离。 与光电效应不同，它是发生在束缚得最松的外层轨道电子上。 康普顿效应的几率 正比于 原子序数Z；反比于 光子能量,电子对生成效应,光子能量 1.02MeV，从原子核旁经过时，在核库仑场作用下，光子可转化为一个正电子和一个负电子。而光子本身消失 只有光子能量1.022MeV，并有核参加才能产生电子对效应。 光子能量除转变为电子对的静止能量（1.022 MeV）外，其余成为正负电子的动能。 正负电子的动能可不同，分配是随机的。 产生的正负电子，能使介质电离。正电子损失能量后，发生电子对湮灭辐射。 光子能量、物质的原子序数电子对生成的几率,三种效应与光子能量、介质原子序数的关系,铅中的衰减系数,与和粒子不同，射线没有最大射程，任意厚的物质只能使它的强度逐渐减弱而不可能完全吸收它。 射线在物质中的衰减系数随着介质原子序数的增加而变大。 常用高原子序数的铅作 射线的防护屏。,射线的衰减,射线的衰减,衰减规律：强度为Io的射线，经厚度为d的介质，强度变为I: I=Ioe-x 吸收系数,介质的性质 Z 与射线能量有关。 半值层d1/2:射线强度减为入射强度的一半时， 射线穿透物质的厚度 D1/2=ln2/=0.693/ 射线通过n个半值层后的强度：I=Io/2n,射线的衰减,例：某一束射线的强度为I0，约需要多少个半值层，其强度可减为原强度的千分之一? I=Io/2n I/Io=1/2n=1/1000 n10,对宽束射线，部分散射光子仍然在透射光束中，因此宽束射线的衰减系数小于窄束射线。 在核医学的防护中，大部分情况将射线考虑为宽束射线,第五节 电离辐射量,照射量 吸收剂量 当量剂量 有效剂量,照射量,第一个描述辐射量的物理量 照射量的定义 :在单位质量的空气中，由光子（X射线或射线）产生的一种符号离子总电荷的绝对值。 国际单位：库仑千克(Ckg) 非国际单位制专用单位: 伦琴 (R)、毫伦（mR) 换算: 1R=2.5810-4 Ckg,照射量率,照射量率的定义：单位时间的照射量 。,照射量率的单位： 国际制单位：Ckg-1s-1 非国际制单位：毫伦/小时（mR/h) 伦琴每秒(R/s)、伦琴每小时(R/h) 换算: 1 R/s=2.5810-4 Ckg-1s-1 1 R/min=1.54810-2 Ckg-1s-1 1 R/h =0.9288 Ckg-1s-1,照射量率与放射性活度的关系,空气中点状放射源，活度为A，在距源为R处的照射量率：,为该源的照射量率常数，也称电离常数。是描述射线在空气中的电离能力的量，它取决于核素的衰变性质,照射量使用的特点,局限性 只是对X射线或射线的电离本领的量度，不适用于其他射线（如、射线等）。 只适宜在空气介质中使用，在其他介质（如机体组织等）中不适用。 只适用于描述能量在10keV3MeV之间的X射线或射线的辐射场，因为没有考虑次级电子的韧致辐射引起的电离。 优势 可测物理量 可