第二章核衰变

1、第二章第二章 核核 转转 变变核衰变核衰变 定义：定义：原子序数很高的重核，他们的核不稳定，会自发的原子序数很高的重核，他们的核不稳定，会自发的放出放出射线射线，变成另一种元素的原子核，变成另一种元素的原子核 哪些核不稳定呢？哪些核不稳定呢？根据核内质子数和中子数的奇偶性，偶偶核最稳定，稳定根据核内质子数和中子数的奇偶性，偶偶核最稳定，稳定核素最多，其次是偶奇核和奇偶核，而奇奇核最不稳定核素最多，其次是偶奇核和奇偶核，而奇奇核最不稳定（仅有四种稳定核：仅有四种稳定核：2H、6Li、10B、14N），稳定核素最少。），稳定核素最少。核衰变过程遵守核衰变过程遵守电荷、质量、能量、动量和核子电荷、质

2、量、能量、动量和核子数数守恒定律守恒定律第一节第一节 放射性核素衰变类型放射性核素衰变类型 衰变衰变 衰变衰变1.衰变和内转换衰变和内转换 一、 衰变衰变定义定义质量数质量数A209的重核发射的重核发射粒子后，变为质量数粒子后，变为质量数A值较低的原子核值较低的原子核粒子是氦核粒子是氦核 He42衰变衰变过程可写成：过程可写成： QHeYXAZAZ4242QRnRa2228622688子核比母核质量数少子核比母核质量数少4，质子数少质子数少2Pu的衰变图的衰变图二、二、衰变衰变定义：定义： 一种核自发的变成另外一种核，其一种核自发的变成另外一种核，其质量数质量数A保持不保持不变变，而原子序数，

3、而原子序数Z在元素周期表中向前或后移在元素周期表中向前或后移1个个位置。位置。分类：分类： - -衰变衰变 +衰变衰变 电子俘获电子俘获 （一）（一）- -衰变衰变 定义定义 由母核放出由母核放出- -射线射线（负电子）的一种衰（负电子）的一种衰变变 子核比母核质量数相等，质子数多子核比母核质量数相等，质子数多1 1QYXAZAZ1 QSP32163215实例实例实质实质-母核的一个中子释放负电子转变为质子母核的一个中子释放负电子转变为质子 衰变衰变定义定义放射元素放射放射元素放射 粒子（粒子（正电子正电子）后，转）后，转变为原子序数减去变为原子序数减去1 1的另一个原子核。的另一个原子核。

4、QvYXAZAZ1子核比母核质量数相等，质子数少子核比母核质量数相等，质子数少1 1QvCN136137enHnp011011实例实例实质实质-母核的质子释放一个正电子转变为中子母核的质子释放一个正电子转变为中子电子俘获电子俘获 定义定义原子核俘获原子核俘获核外电子核外电子，使核内的一个质子变为，使核内的一个质子变为一个中子，电荷数变为一个中子，电荷数变为Z-lZ-l多为多为K K电子俘获电子俘获QvYXAZAZ1子核比母核质量数相等，质子数少子核比母核质量数相等，质子数少1 1QvMnFe55255526neHnep100111或实例实质-母核的质子得到一个壳层电子转化为中子母核的质子得到一

5、个壳层电子转化为中子三、衰变和内转换衰变和内转换衰变衰变定义定义 和和衰变后的子核大部分处于衰变后的子核大部分处于激发态激发态，并以，并以射射线的形式释放能量线的形式释放能量，跃迁到较低的能态或基态，跃迁到较低的能态或基态，这种跃迁叫这种跃迁叫衰变衰变在核医学中使用的在核医学中使用的60Co(钴钴)、99mTc (锝锝)等放射源等放射源均有均有和和射线发射射线发射内转换内转换 定义定义 处于激发态的原子核由激发态回到基态时，把全部处于激发态的原子核由激发态回到基态时，把全部能能量交给核外电子量交给核外电子，使其脱离原子的束缚而成为自由，使其脱离原子的束缚而成为自由电子，这一过程叫电子，这一过程

6、叫内转换内转换发射的电子叫发射的电子叫内转换电子内转换电子 总结总结 激发态原子核的能量激发态原子核的能量以形式释放形式释放-衰变衰变传递给核外电子传递给核外电子- -内转换内转换习题见习题见P37思考题的思考题的1 2第二节第二节 原子核的衰变规律原子核的衰变规律一、衰变规律一、衰变规律衰变常数衰变常数半衰期半衰期平均寿命平均寿命1. 放射性活度放射性活度如果在短时间如果在短时间dtdt内，有内，有dNdN个核改变，从统计的观点个核改变，从统计的观点, ,改改变率变率dN/dtdN/dt 必定与当时存在的总原子核数必定与当时存在的总原子核数N成正比，即成正比，即 - -dN=NdtdN=Nd

7、t 负号负号表示放射性核数表示放射性核数N随时间随时间t的增加而减少。的增加而减少。 为为衰变常数衰变常数，反映放射性核素随时间衰变的快慢。，反映放射性核素随时间衰变的快慢。对上式进行积分，便可得到对上式进行积分，便可得到teNN0( (一一) )衰变常数衰变常数 由上式可知衰变常数为由上式可知衰变常数为dtNdN/值反映值反映单位时间内衰变的原子核数比例单位时间内衰变的原子核数比例，因而它因而它是描写放射物放射衰变快慢的一个物理量，单位用是描写放射物放射衰变快慢的一个物理量，单位用秒秒-1-1( (s s-1-1) )(二二)半衰期半衰期T对于某种特定能态的放射核，核的数量因发生自发核对于某

8、种特定能态的放射核，核的数量因发生自发核衰变而减少到原来核数衰变而减少到原来核数一半一半所需的时间称为所需的时间称为半衰期半衰期，用用T1/2表示。表示。它是表征放射性核自发它是表征放射性核自发衰变快慢衰变快慢的另一参数。的另一参数。单位用年单位用年(a)、天、天(d)、小时、小时(h)、分、分(min)、秒、秒(s)表示。表示。不同的放射性核素半衰期的差别可能很大，例如天然不同的放射性核素半衰期的差别可能很大，例如天然铀中的铀中的238U核素，其半衰期为核素，其半衰期为4.47 109a；而核素；而核素132I的半衰期为的半衰期为2.28h。当当t=Tt=T，N=NN=N0 02 2代人后，

9、得代人后，得T T和和的关系为的关系为 经过一个经过一个T T后，其放射性核素衰减到原来的后，其放射性核素衰减到原来的1 12 2，两个两个T T后衰减到原来的后衰减到原来的1 14 4，依此类推，经过，依此类推，经过n n个个T T后，将衰减到原来的（后，将衰减到原来的（1/21/2）n n ，这样就得到这样就得到TtNN/0)21(693. 02lnTteNN0（三）平均寿命（三）平均寿命 也是一个反映放射性核素衰变快慢的，不过也是一个反映放射性核素衰变快慢的，不过它具体反映的是某种放射性核它具体反映的是某种放射性核平均存在的时平均存在的时间间，单位是秒，单位是秒(s)。 693.011)

10、(000000TdtteNdttNNdNttN( (四四) )放射性活度放射性活度 常用单位时间内衰变的原子核数来表示放射性强常用单位时间内衰变的原子核数来表示放射性强度，或叫放射性活度，用度，或叫放射性活度，用A A表示表示tteAeNNdtdNA00 A0=N0，为为t=0时刻的放射性活度。时刻的放射性活度。 若某时刻母核数为若某时刻母核数为N，则该时刻的放射性活则该时刻的放射性活度为度为A=N。-dN=Ndt ( (四四) )放射性活度放射性活度放射性活度的单位是放射性活度的单位是贝可勒尔贝可勒尔，简称贝可，简称贝可，符号符号Bq。1Bq=1衰变衰变秒秒-1放射性活度放射性活度专用单位专

11、用单位用居里用居里(Ci)表示。表示。1Ci3.71010Bq1Bq2.70310-11Ci 例例 一台一台60Co治疗机源初装时活度为治疗机源初装时活度为111TBq，使用，使用5年后源的活度还剩多少？已知年后源的活度还剩多少？已知60Co的的T1/2为为5.27a 已知已知A0=111TBq，T1/2=5.27a，t=5aTBqeeAeAAtTt5 .571115527. 5693. 0693. 00021年后源的活度习题见习题见P27的思考题的思考题3 4 5 放射系：放射系：由某一个最初的放射性核素递次衰变而产由某一个最初的放射性核素递次衰变而产生一系列放射性核素，构成放射族生一系列放

12、射性核素，构成放射族 由三个天然放射性衰变系组成，即由三个天然放射性衰变系组成，即钍系，铀系，锕钍系，铀系，锕系系共同特点共同特点 起始都是长寿命元素，寿命大于或接近地球起始都是长寿命元素，寿命大于或接近地球 中间产物都有放射性气体氡。并有放射性淀质生成中间产物都有放射性气体氡。并有放射性淀质生成 最后都生成稳定的核数最后都生成稳定的核数二、二、放射平衡放射平衡 钍系钍系4n系系 铀系铀系4n+2系系 4n4n表示系中各核素的质量数为表示系中各核素的质量数为4的倍数的倍数 其起始元素是其起始元素是 通过一系列通过一系列衰变最后生成衰变最后生成208Pb( (稳定稳定) )Th23290 表示系

13、中各核素的质量数为表示系中各核素的质量数为4的倍数的倍数+2+2 其起始元素是其起始元素是 通过一系列通过一系列衰变最后生成衰变最后生成206Pb(稳定稳定) )U23892 锕系锕系4n+3系系表示衰变系中各核素的质量数为表示衰变系中各核素的质量数为4 4的倍数的倍数+3+3其起始元素是其起始元素是235U通过一系列通过一系列衰变最后生成衰变最后生成207Pb( (稳定稳定) ) 镎系镎系4n+1系系表示衰变系中各核素的质量数为表示衰变系中各核素的质量数为4 4的倍数的倍数+1+1其起始元素是其起始元素是237Np通过一系列通过一系列衰变最后生成衰变最后生成209Bi( (稳定稳定) )此系

14、非天然放射性，在此系非天然放射性，在4040年代，已通过各种核反应方法合年代，已通过各种核反应方法合成了这一放射系的所有成员。其衰变子体中无放射性气体成了这一放射系的所有成员。其衰变子体中无放射性气体氡（氡（Rn）放射系（族）放射系（族） 假设假设: :ABCdtdNdtdNCBBA 0 BBAABNNdtdN BBAANN 0二、二、放射平衡放射平衡BBAANN 即即: :(1)母体母体 Tm子体子体 Tz达平衡所需达平衡所需t约为约为Tz的几倍的几倍稳态平衡稳态平衡(2)母体母体 T m 子体子体 Tz几倍几倍暂态平衡暂态平衡dtdNdtdNCBBA (3)母体母体 T m子体子体 Tz第

15、三节第三节 医用放射性核素的生产与制备医用放射性核素的生产与制备一、放射治疗常用放射性核素及其生产一、放射治疗常用放射性核素及其生产核反应堆上制备放射性核素的方法主要有两种：核反应堆上制备放射性核素的方法主要有两种： （1 1）通过反应堆产生的中子流照射靶子物，直接生产）通过反应堆产生的中子流照射靶子物，直接生产或通过简单处理生产放射性核素，即或通过简单处理生产放射性核素，即（n，）法法；（2 2）从辐照后的）从辐照后的235U等易裂变材料产生的裂变产物中等易裂变材料产生的裂变产物中分离，即分离，即（n，f）法法。1.1.核反应堆中子照射生产核反应堆中子照射生产-用反应堆的中子轰击稳定用反应堆

16、的中子轰击稳定性核素是获取人工放射性核素的主要方法性核素是获取人工放射性核素的主要方法主要的核反应类型有主要的核反应类型有（n，）反应）反应 （n，p）反应）反应 （n，）反应）反应 （n，f）反应）反应 （n，2n）反应）反应 多次中子俘获多次中子俘获 （n, ）反应反应- （n, ）是生产放射性核素最重要、最常用的核反应是生产放射性核素最重要、最常用的核反应 通过通过（n, ）反应，再经反应，再经核衰变核衰变生成所需要的放射性核素生成所需要的放射性核素 Te13052(n,)Te13152-15minI13153（n, f）反应反应235U等易裂变核素俘获中子发生等易裂变核素俘获中子发生（

17、n, f）反应，生成数反应，生成数百种裂变元素，因此裂变产物的组成相当复杂百种裂变元素，因此裂变产物的组成相当复杂（n, p）反应反应要求中子有较高能量，一般由快中子诱发。要求中子有较高能量，一般由快中子诱发。 适于制备适于制备原子序数较低的放射性核素，如原子序数较低的放射性核素，如14C、32P、58Co等。等。 （n, ）反应反应利用利用（n, ）反应也可以生产无载体放射性核素。用富集的反应也可以生产无载体放射性核素。用富集的6Li生产氚就是采用了该核反应方式，即生产氚就是采用了该核反应方式，即6Li（n, ）3H。放射性核素生产要求反应堆提供的条件放射性核素生产要求反应堆提供的条件 A.

18、 高中子注量率高中子注量率B. 足够的辐照时间足够的辐照时间C. 反应堆运行方式反应堆运行方式D. 反应堆安全保障反应堆安全保障一般一般51013cm-2s-1以上，特殊要求在以上，特殊要求在11015cm-2s-1以上以上 多达数十个的辐照孔道多达数十个的辐照孔道 依据生产放射性核素半衰期的长短设置不同的运行方式依据生产放射性核素半衰期的长短设置不同的运行方式 干孔道采用空气冷却靶件，湿孔道采用纯净水冷却靶件干孔道采用空气冷却靶件，湿孔道采用纯净水冷却靶件 反应堆生产的一些重要放射性核素反应堆生产的一些重要放射性核素9999mTcTc98Mo（n，）99Mo-，113mIn113mIn112

19、Sn（n，）113 SnEcIT 125I124Xe（n，）125Xe131I130Te（n，）131Te2. 从裂变产物中分离和提取放射性核素从裂变产物中分离和提取放射性核素裂变核反应裂变核反应图图2-7 2-7 中子引发的铀核裂变示意图中子引发的铀核裂变示意图 nSrXenU1094381405410235922nKrBa108936144563nKrSb109941133514裂变产物分离裂变产物分离离子交换分离离子交换分离 溶剂萃取分离溶剂萃取分离 萃取色层分离萃取色层分离 沉淀分离法沉淀分离法 其它方法其它方法 A 裂片元素的分离方法裂片元素的分离方法 选择性好，回收率高、易于实现自

20、动化选择性好，回收率高、易于实现自动化操作、易于放射性屏蔽操作、易于放射性屏蔽 简便、快速、选择性高、易于连续操作和简便、快速、选择性高、易于连续操作和远距离控制远距离控制 对于性质相似的元素的分离更能显示其优对于性质相似的元素的分离更能显示其优越性越性 操作繁杂、程序冗长、回收率和去污率较低操作繁杂、程序冗长、回收率和去污率较低 超临界流体萃取法和采用离子液体为超临界流体萃取法和采用离子液体为萃取介质的方法萃取介质的方法 裂变裂变99Mo提取流程提取流程 IRE裂变同位素裂变同位素99Mo、131I、133Xe分离流程图分离流程图 纯化流程图纯化流程图二、核医学常用放射性核素及其生产二、核医

21、学常用放射性核素及其生产1.放射性核素发生器放射性核素发生器从长半衰期母体核素中分离出短半衰期子体核素的从长半衰期母体核素中分离出短半衰期子体核素的分离装置分离装置99Mo-99mTc发生器发生器 母体核素母体核素99Mo以以99MoO42-的形式吸附在的形式吸附在Al2O3柱上，然后用柱上，然后用0.9NaCl等等洗脱液洗脱液将高价将高价（7）的）的99mTc以以99mTcO4-的形式洗脱下的形式洗脱下来，而母体仍留在发生来，而母体仍留在发生器内。器内。2.回旋回旋加速器生产加速器生产加速器主要由三个部分组成：加速器主要由三个部分组成：离子源离子源用于提供所需加速的用于提供所需加速的电子电子

22、、正电子正电子、质子质子、反质子反质子以及以及重离重离子子等粒子；等粒子；真空加速系统真空加速系统该系统中有一定形态的加速该系统中有一定形态的加速电场电场，为了使粒子在不受，为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加速，整个系统放在空气分子散射的条件下加速，整个系统放在真空度真空度极高的真空室内；极高的真空室内；导引、聚焦系统导引、聚焦系统用一定形态的用一定形态的电磁场电磁场来引导并约束被来引导并约束被加速加速的的粒子束粒子束，使之沿预定使之沿预定轨道轨道接受电场的加速。接受电场的加速。衡量一个衡量一个加速器的性能的指标加速器的性能的指标有两个有两个 粒子所能达到的能量粒子所能达到的能量 粒子流的

23、强度（流强）粒子流的强度（流强） 加速器按其加速器按其作用原理作用原理不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、不同可分为静电加速器、直线加速器、回旋加速器、电子感应加速器、同步回旋加速器、对撞机等。电子感应加速器、同步回旋加速器、对撞机等。回旋加速器回旋加速器 回旋加速器示意图回旋加速器示意图 回旋加速器是利用磁场回旋加速器是利用磁场使带电粒子作回旋运动，使带电粒子作回旋运动，在运动中经高频电场反在运动中经高频电场反复加速的装置。复加速的装置。 2021-7-16核技术应用48 直线加速器直线加速器 直线加速器是利用沿直线轨道分布的高频电场加速电子、直线加速器是利用沿直线轨道分布的高频电

24、场加速电子、质子和重粒子的装置。质子和重粒子的装置。 Linac Coherent Light Source2021-7-16核技术应用50加速器生产放射性核素的特点加速器生产放射性核素的特点适于适于制备轻元素的放射性核素制备轻元素的放射性核素如如11C、13N、15O和和18F等。等。所生成的放射性核素都是所生成的放射性核素都是贫中子的核素贫中子的核素。加速器生产的放射性核素，一般与靶核不是同一元素，故加速器生产的放射性核素，一般与靶核不是同一元素，故易于用化易于用化学分离学分离，制得，制得高比活度或无载体的放射性核素高比活度或无载体的放射性核素。加速器生产放射性核素也有一些加速器生产放射性

25、核素也有一些缺点缺点 大部分核素的生产能力要比反应堆生产小得多，生产成本高大部分核素的生产能力要比反应堆生产小得多，生产成本高 制备靶及靶子冷却技术难度大制备靶及靶子冷却技术难度大 较短的半衰期使它的使用范围（时间、空间）受到限制。较短的半衰期使它的使用范围（时间、空间）受到限制。第四节第四节 放射性核素的临床应用放射性核素的临床应用一、放射性核素在肿瘤放射治疗中的应用一、放射性核素在肿瘤放射治疗中的应用1.131131I I治疗手术：复发率低，并发症多。费用贵。很少采用内科：疗效肯定、安全、很少引起持久性甲低；疗程长、易复发、过敏反应 131I： 疗效好、简便安全、并发症少、费用低；永久性甲低美国甲状