医用物理学CHAP14-原子核和放射性课件

1、第十四章 原子核和放射性14-1 原子核的结构和性质一、原子核的组成: 质子(proton), 中子(neutron)，统称核子。原子核质量单位：1u =1.660 538 921(73) 10-27kgmp=1.672 621 777(74)10-27kgmn=1.674 927 351(74)10-27kgme=9.109 382 91(40)10-31kg1.007 276 466 812(90)u1.008 664 916 00(43)u0.000 548 579 909 46(22)u原子核的质量数：AZN(1) 核的组成(2) 核的质量（2010年，CODATA）二、原子核的性质(

2、1) 大小实验测得：RH/r0 104,月球公转轨道半径地球半径 60地球公转轨道半径太阳半径 200水星公转轨道半径太阳半径 80R =r0 A1/3, r0=1.210-15m , =2.31017kg/m3(2) 密度(3) 核子之间存在核力(i) 强相互作用力(ii) 短程力(5) 原子核具有电矩和磁矩 (6) 核能级, RH =0.53A= 5.310-11m质子 r01.2010-15m原子核的符号：(4) 原子核带电量 qZe三、放射性核素和同位素 (1) 核素: Z同 A同的同一类原子核(2) 同位素: Z同, (3) 同量异位素: A同Z不同, (4) 同质异能素: Z 同

3、A 同, 能态不同, 放射性同位素：结构不稳的、能自发放出射线的同位素。如如如天然放射性核素：Z83, 有58种， 等。人工放射性核素：有1300多种。如11C，13N，15O，18F等。四、结合能原子核的稳定性1结合能和质量亏损(1) 结合能: 核子与核子结合成原子核时, 释放出来的能量mp+ mn= 2.015 941 uM=0.002 388 u根据相对论, E=M c2(2) 质量亏损: 原子核的质量与组成它的所有核子的质量差。1u=931.5MeV结合能 E = 931.5 M (MeV/u) 2. 原子核的稳定性(1) 平均结合能E/A中等质量核最稳定(2) 奇偶搭配(3) 中质比

4、不稳定重核 (A209)：衰变或裂变，不稳定轻核：聚变，偶偶 ( 166 )奇偶 ( 110 )奇奇 ( 9 )Z20: N:Z114-2 原子核的放射性衰变核衰变(nuclear decay): 不稳定的放射性核素能够自发地以各种方式转变成另外的核。 衰变前的核称为母核，衰变生成的新核称为子核。放射性核素：包括天然放射性核素，人工放射性核素（人造核素、人工核素）都会发生核衰变。核衰变类型: 衰变、 衰变、衰变.核衰变遵守:(1) 质量能量守恒, (2) 动量守恒,(3) 核子数守恒, (4) 电荷守恒.一、 衰变 ( decay)放射性核素放射出射线而转变成另一种核素的现象叫做衰变， 射线就

5、是高速运动的4He原子核 。衰变方程: X母核，Y子核 衰变的位移定则：子核在元素周期表中向前移动两位二、衰变 ( decay)和电子俘获(electron capture)衰变包括：-衰变、 +衰变和电子俘获1. - 衰变放射性核素的原子核放射出-射线变为另一种核素的现象衰变方程: -衰变本质：-衰变的位移定则： 后移1位 。2. +衰变放射性核素的原子核放射出+射线而变成原子序数减少1的核素的过程。衰变方程: +衰变本质：衰变能谱+衰变的位移定则：前移1位3. 电子俘获 (electron capture,EC)原子核俘获一个核外电子，使核内一个质子转变为一个中子，同时放出一个中微子而变为

6、原子序数减1的核素。衰变方程: 电子俘获过程中产生:(1) X射线或 (2) 俄歇电子当高能级(外壳层) 的电子跃迁至低能级(内壳层) 时，把多余的能量直接转移给同一能级的另一个电子，接受这份能量的电子脱离轨道成为自由电子俄歇电子。三、 衰变( decay) 和内转换 (internal conversion)(1) 衰变：处于激发状态的核，跃迁到较低的激发态直至基态，发射出 射线 衰变又叫 跃迁衰变方程: (2) 内转换：在某些情况下，原子核从激发态向较低能态跃迁时不辐射出了光子，而是把这部分能量直接交给内层电子，使该电子脱离原子束缚，成为自由电子. 射线占89% 内转换占11%内转换过程中

7、产生:(1) X射线或 (2) 俄歇电子14 3 核衰变的规律一、指数衰变规律理论和实验证明，单位时间内衰变掉的母核数量dN /dt (即衰变率)与现有的母核数 N 在数量上成正比tt+dt, dN / dt= -N ,或 dN / N = - dtN=N0e-t衰变常数( decay constant ) ：单位时间内衰变掉的母核数dN /dt与该时刻存在的母核总数 N 之比，单位是 s-1如果一种核素能够同时进行 n 种类型的核衰变，= 1+ 2+ + nt=0, N=N0二、半衰期和平均寿命1. 半衰期 ( half life )放射性核素在数量上衰变掉一半所经历的时间，T (或T1/2

8、)N=N0exp(-t)N=N0/2=N0exp(-T)T= ln2/ = 0.693/N=N0 (1/2)t/T2. 有效半衰期 ( effective half life )dN = - (+b)Ndt = - e Ndt e=+be = ln2/Te = ln2/Tb = ln2/TbN=N0 (1/2)t/Te3. 平均寿命 ( mean life )tt+dt, dN= - N dt, dN总寿命: dT=(-d N ) t = N t dt 平均寿命:总寿命:T= ln2/=1.44T 三、放射性强度 ( radioactivity )单位时间内衰变的原子核数,也叫放射性活度。 t

9、t+dt, dN= - N dt,A= -dN/ dt =NN=N0exp(-t) , A= N0exp(-t) = A0exp(-t) N=N0 (1/2)t/T, A= N0 (1/2)t/T = A0(1/2)t/T 单位: 1Bq=1s-1, 1Ci=3.71010Bq 放射性核素中每个原子核的平均存活时间。常用单位：mCi、Ci四、放射平衡 ( radioactive equilibrium )1. 放射系放射性核素的子核也是放射性核素，这一现象可延续几代，形成一个放射性核素家族。三大天然放射系：钍系：锕系：铀系：2. 放射平衡ABC衰变率dNA / dt = - ANAdNB /

10、dt = - BNB+ ANA经过一段时间后，子体每秒衰变的核数将等于它从母体衰变而得到补充的核数，子体的核数就不再增加，达到放射平衡此时，子核和母核放射性活度相等。同位素发生器 ( isotope generator ), “母牛”(cow)意义：短半衰期核素的保存及医学应用14-6 放射性核素的医学应用一、放射治疗 光刀1. 碘131 ( 131I ) 治疗利用 131I 发出的 射线， 治疗甲亢和甲状腺癌2. 钴60 ( 60Co ) 治疗利用 60Co 发出的 射线，杀死癌细胞或抑制其生长(2) 硼中子俘获疗法：把含硼元素的肿瘤亲和药物注入人体，该种药物能迅速浓聚于病灶部分，此时用超热

11、中子射线照射，可以在靶区引起核反应，所释放的高能射线只杀死肿瘤细胞而不损伤周围组织该疗法被认为是目前治疗脑胶质瘤的最好方法3. 中子治疗以往主要是用快中子治疗唾液腺癌、前列腺癌等恶性肿瘤，适用范围有限(1) 中子刀: 利用遥控后装技术将中子源送进肿瘤内部，借助中子射线近距杀死癌细胞中子射线的生物作用比X、射线强28倍(? 520倍)，适用于敏感性较差的肿瘤或复发性肿瘤4. 光刀 光刀 是一种立体定向放射外科技术，它将高能量的 射线聚焦于某一局部靶组织，使之发生放射性坏死，其治疗效果与X光刀类似。(1) 优点：无手术创伤，不需要麻醉， 手术精确, 治疗简便、省时；(2) 缺点：设备庞大，治疗费用

12、较高.二、示踪技术当放射性同位素与它的稳定同位素混在一起时，可以借此测出稳定同位素在各种过程中的动态变化，这种方法称为示踪原子法，被引入的放射性同位素叫做示踪原子1. 照相机2. 单光子发射型断层成像 (SPECT)3. 正电子发射型断层成像 (PET)三、放射性核素成像三、放射性核素成像1. 照相机2. 单光子发射型断层成像 (SPECT) 使用核素： 99m43Tc 201Tl 131I 67Ga3. 正电子发射型断层成像 (PET)使用核素：11C， 13N， 15O，18F 等。习题十四 P364 3, 8, 10, 14, 15 第十四章 原子核和放射性种类与能量范围辐射权重因子WR X射线, 射线1 电子1 中子, 能量100 keV2 MeV 2 MeV 20 MeV 20 MeV51020105质子, 能量2MeV5粒子, 重离子20表 1 辐射权重因子99m