核医学-第1章 核物理2016

潍坊医学院附属医院 刘志翔,第一章 核物理,放射性衰变基本知识,目的要求了解核物理的有关基本知识。掌握核衰变类型及射线与物质的相互作用。掌握放射性活度及单位。,原子结构,原子核,中子,质子,电子,第一节 原子结构,原子核结构:X为元素符号Z为质子数N为中子数A为质量数,原子核结构,原子的能量状态：核外电子和原子核的能级,原子核的核子之间存在着很强的短程引力称为核力，核力使原子核中的核子结合在一起，同时，原子核中又存在带正电荷的质子之间的静电排斥力，原子核的稳定性由核子之间的核力和质子之间的静电排斥力的相对大小决定，与核内质子数和中子数的比例有关。 Z20 N/Z1 Stability Z82 Unstability,核力和放射性核素,原子核稳定，不会自发衰变的核素称为稳定核素(stable nuclide);原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级调整才能趋于稳定的核素称为放射性核素(radionuclide);目前发现的2000多种核素中，仅有274种为稳定性核素。放射性核素的原子由于核内结构或能级调整，自发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种原子的过程称为放射性衰变(radiation decay)。,元素、核素、同位素、同质异能素,元素具有相同质子数的原子，化学性质相同，但其中子数可以不同，如131I和127I；核素质子数相同，中子数也相同，且具有相同能量状态的原子，称为一种核素。同一元素可有多种核素，如131I、127I、3H、99mTc、99Tc分别为3种元素的5种核素；同质异能素质子数和中子数都相同，但处于不同的核能状态原子，如99mTc、99Tc 。同位素凡同一元素的不同核素（质子数同，中子数不同）在周期表上处于相同位置，互称为该元素的同位素。,同位素 凡核内质子数相同(原子序数相同),而中子数(N)不同的一类原子，彼此互称同位素, 125I、131I;1H、2 H 、 3H。,4,一、核衰变类型1、衰变2、-衰变3、正电子衰变4、电子俘获 5、 衰变,第二节 原子核的衰变和活度单位,衰变(alpha decay),核衰变时放射出粒子的衰变。 变化通式： AZXA-4Z-2Y+42He（氦）+Q 22688Ra(镭)衰变式： 22688Ra22286Rn(氡）+42He+4.86 Mev衰变发生于原子序数大于82的核素, 4He,-衰变(beta decay),-衰变： 衰变时放射出粒子。核内中子过多造成的不平衡。中子转化为质子的过程。 变化通式及3315P(磷)衰变式如下 AZXAZ+1Y+-+Q 是反中微子 3215P3216S+0-1e+1.711 Mev,N p+e-,粒子特性,粒子实质是负电子；衰变后质量数不变，原子序数加。粒子的能量分布从0最大具有连续能谱，穿透力比a粒子大；电离能量比a粒子弱，能被铝和有机玻璃吸收,正电子衰变,正电子衰变： 变化通式及137N(氮)衰变式如下： AZXAZ-1Y+Q 是中微子 137N136C+1.190 Mev,p n+e+,正电子衰变的特性,粒子实质是正电子； 正电子衰变子核质量数不变，但质子数减； 也为连续能谱； 天然核素不发生正电子衰变，只有人工核素才发生。,电子俘获(electron capture decay,EC),核衰变时俘获一个轨道电子。它是核内中子数相对不足所致。从内层轨道（K）俘获一个电子，使核内一个质子转化为一个中子。 变化通式 ： AZX+-eAZ-1Y+Q 12553I(碘)衰变式： 12553I+-e12552Te(碲)+0.0355 Mev。,电子俘获：它是核内中子数相对不足所致。核衰变时原子核从内层轨道俘获一个电子，使核内一个质子转化为一个中子。在核外，当内层电子被俘入核内，外层轨道电子补入，两轨道电子之间的能量差转换成子核的特征X射线释放，或传给更外层轨道电子（俄歇电子），使之脱离轨道。在核内，当质子转化为中子后，原子核还有较高能量，处于激发态，放射出Y射线而回复到基态，或将能量传给核外轨道电子（内转换电子），使之发射出。故电子俘获衰变可用于核医学显像、体外分析（ X、Y射线）和放射性核素治疗（俄歇电子、内转换电子）,衰变,概念：原子核从激发态回复到基态，以发射光子方式释放过剩的能量的过程。衰变往往是继发于衰变或衰变后发生，这些衰变后，原子核还处于较高能量状态，原子核以放出-ray 释放出过剩能量同质异能跃迁(isomeric transition)：变化通式及99m43Tc(锝)衰变式如下：99MO99m43Tc9943Tc+,射线特性,射线为光子流，不带电，穿透力强，电离能力弱；射线在真空中速度为30万km/s。,二、核衰变规律,放射性原子核并不是同时衰变的，对于某一个原子核而言，何时衰变是各自独立没有规律的，但对于某一种原子核的群体而言，它的衰变是有规律的，即原子核数目随时间增长按指数规律减少。N=N0e-t,指数衰减规律：N = N0e-t N0：（t = 0）时放射性原子核的数目N：经过t时间后未发生衰变的放射性原子核数目:放射性原子核衰变常数；大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关；数值越大衰变越快半衰期(half-live)：放射性原子核数从N0衰变到N0的1/2所需的时间,N = N0e-t,衰变规律,Decay constant(),衰变常数：某种放射性核素的核在单位时间内自发衰变的比率；它反映该核素衰变的速度和特性；值大衰变快，小则衰变慢，不受任何影响。,二、半衰期,(一) 物理半衰期(T1/2)：放射性核素减少一半所需要的时间。 （放射性核素由于衰变,其原子核数目或活度减少到原来一半所需的时间。） 用T1/2表示 （二）生物半衰期(Tb)：指生物体内的放射性核素由于机体代谢从体内排出一半所需要的时间。 （三）有效半衰期(Te)：指生物体内的放射性核素由于机体代谢从体内排出和物理衰变两个因素作用，减少至原有放射性活度的一半所需要的时间。平均寿命：处在特定能态的一定数量的放射性核素的平均生存时间。,三、放射性活度及其单位,放射性活度（radiativity）:单位时间内原子核的衰变数量。放射性活度单位：国际制单位是贝可，符号是Bq。1Bq表示放射性核素在1秒钟内发生一次衰变。放射性比活度：单位质量的物质内存在的放射性活度。单位： Bq/kg; Bq/m3; 放射性浓度：单位体积溶液内含有的放射性活度。 单位： Bq/l,第三节 射线与物质的相互作用,一、带电粒子与物质的相互作用 （一）电离与激发 （二）散射 （三）韧致辐射 （四）湮灭辐射 （五）吸收,1.电离(ionization) ：指带电粒子(、）通过物质时和物质原子的核外电子发生静电作用，使电子脱离原子轨道而发生电离。 2.激发 (excitation )：如果核外电子所获动能不足以使之成为自由电子，只是从低能级跃迁到能量较高的轨道，使整个原子处于激发态。 是射线探测器测量的物质基础，也是引起生物效应的主要机制。,电离与激发,带电粒子通过物质时，由于受到物质原子核库伦场的作用，而改变运动方向，这种现象称之为散射。其中运动方向改变而能量不变者称为弹性散射。 对射线的防护和探测有意义， 粒子质量大散射不明显， -质量远小于粒子，散射较明显。,散射,韧致辐射（Bremsstrahlung）,带电粒子受到物质原子核电场作用（发生非弹性碰撞），运动方向和速度发生变化，能量减低，多余能量以X射线的形式辐射出来，称为韧致辐射。,韧致辐射释放的能量，与介质的原子序数的平方呈正比，与带电粒子质量成反比，并且随带电粒子的能量增大而增大。a粒子的韧致辐射小，高能射线的韧致辐射效应显著，韧致辐射的防护宜采用原子序数低（与物质原子序数的平方呈正比）的屏蔽材料（如有机玻璃、铝）。,韧致辐射,带电粒子与物质相互作用 （激发、电离、轫致辐射 ）,激发 电离 轫致辐射,正电子衰变产生的正电子具有一定的动能，能在介质中运行一定的距离（在组织中的射程仅几毫米），当其能量耗尽时可与物质中的自由电子结合，而转为两个方向相反、能量各为0.511Mev的r光子而自身消失。,湮灭辐射,吸收,射线使物质的原子发生电离和激发的过程中，射线的能量全部消耗，射线不复存在，称为射线的吸收。射线吸收前所经过路程称为射程。,二、光子（X、射线）与物质的相互作用,(一)光电效应(photoelectric effect) (二)康普顿效应(Compton effect) (三)电子对生成(pair production),多发生在低能量：1.022MeV（两个电子的静止质量）；光子在物质原子核电场作用下转化为一对正负电子；电子对生成几率与原子序数的平方成正比。,入射,511keV,511keV,e+e-,自由e,射线与物质的相互作用一、带电粒子与物质的