放射防护课件2核转变

1、核 转 变Nuclear transformation1在已知的自然界的原子核中，只有少数原子核是稳定的，而大多数原子核不稳定。 原子核的稳定性与核内质子数和中子数之比有着密切的关系。对于较轻的核，中子与质子之比是1:1，结果最稳定。2根据在核内中子数和质子数不同的比例，把原子分成以下类型：同位素（isotope）：有相同的质子数而中子数不同的原子同中子异核素（isotone）：有相同的中子数而质子数不同的原子同量异位素（isobar）：有相同的核子数而质子数不同的原子同质异能素（isomer）：有相同的质子数和中子数，只是能量状态不同，例如， （m代表高激态）是 的同质异能素 3随着原子序数

2、的增加，该比值也增加，最高原子序数的核内质子数和中子数之比逐渐增加到近似为1.3:10。如果中子与质子之比略高于或低于稳定的比值，核一般是放射性的。4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（仅有四种稳定核：2H、6Li、10B、14N），稳定核素最少。5放射性核素衰变类型 核素有两大类，即放射性核素和稳定性 核素。目前已知的元素有107种，而核素有2000多种，近90是放射性核素。不稳定核自发的放出射线称为放射性。6人们对放射性核素的认识，是从研究天然放射性现象开始的。早在1896年，贝可勒尔在研究各种物质的磷光时发现铀盐能够发出人眼

3、所看不见的穿透能力相当强的射线。1898年，居里夫妇又发现了钋-210和镭-226。 7放射性核素衰变类型 放射性核素又分为天然放射性和人工放射性核素(简称人造核素)。已发现的放射性核素中绝大部分是人工放射性核素。人造核素主要由反应堆和加速器制备。8放射性核素衰变类型 原子序数很高的那些重元素，它们的核很不稳定，自发地放出射线，变为另一种元素的原子核，这现象称为放射性核素衰变，简称核衰变。9放射性核素衰变类型 放射性衰变是放射性核素本身的特性，外界作用无法改变其衰变性质及衰变速度。核衰变过程遵守电荷、质量、能量、动量和核子数守恒定律。10The main contents放射性核素衰变类型原子

4、核的衰变规律核素的生产与制备放射性核素的临床应用11The main contents放射性核素衰变类型衰变衰变衰变和内转换1213The main contents原子核的衰变规律衰变常数半衰期（half life）平均寿命（mean life）放射性活度（activity）核素的生产与制备放射性核素的临床应用14End of this class!Thank you!15 衰变放射性元素中有些放射 射线，有些放射 射线，有些在放射 射线或 射线时，伴随着有 射线放出。 粒子是氦核 ，它是由2个质子和2个中子构成的，带正电荷为2e，质量为氦核的质量。 16 衰变 衰变过程可写成： 式中，X叫

5、母核，Y叫子核,Q为衰变能，是由母核衰变为子核时放出的能量，其值用两侧的原子质量差值计算，不同核素Q值不同，单位用MeV。 17 18 19产生条件： 20的衰变图 21 衰 变实验发现，在发生衰变的核素中，只有很少几种核素放出单能的粒子，大多数核素放出好几组不同能量的粒子，也有伴随产生射线的。但不管怎样， 粒子的能谱是不连续的，它们构成一组分立的线状能谱。原子能量是量子化，原子核内部能量也是量子化的，这就是说原子核也具有间隔的能级。22 衰变有-，+衰变和电子俘获三种类型。 -射线是电子，由母核放出电子的一种衰变。衰变 为反中微子，它是在衰变中与-粒子同时放射出的一种粒子，不带电，静止质量为

6、零。23 衰变24产生条件： 25衰变衰变过程中所放出的衰变能被子核、 - 、 这三个粒子分配。因为这三个粒子的发射方向所成的角是任意的，所以每个粒子带走的能量是不固定的。26衰变由于 - 粒子的质量比子核的质量小得多，因此子核的反冲动能可以忽略。- 粒子的能量可以从最小的零值（=0）到最大的Q值，形成一个连续能谱。272829 衰变：有些人工产生的放射元素是放射正射线的，这些原子核放射后，转变为原子序数减去1的另一个原子核。 粒子就是正电子，只有人工的放射性核素才会发生此衰变， 粒子的静止质量和电子的相等。 30衰变其特点有:粒子数按能量连续分布；每一种放射性物质的能谱有固定的上限能量和峰值

7、；不同的放射性物质有不同形状的能量分布，且其上限能量和峰值也不相同。 产生条件： 31衰变正电子只能在极短时间内存在，当它被物质阻止而失去动能时，将和物质中的电子相结合而转化成电磁辐射，这一过程称为正负电子对的湮没。正负电子对湮没时转化为二个或三个光子，但以转化为二个光子的几率最大，二个光子的能量均相当于电子静止质量所对应的能量0.511MeV。探测这个能量的光子的存在与否，通常可以判断是否有衰变发生。32电子俘获 （electron capture）原子核俘获核外电子，使核内的一个质子变为一个中子，电荷数变为Z-l，这种衰变称为电子俘获。多为K电子俘获。 33产生条件： 所以，能产生+衰变的

8、条件同样满足电子俘获的条件，反之则不一定能实现。 3435电子俘获 （electron capture）在电子俘获过程中，可能出现核外层电子填补内层电子空位，而产生特征辐射或俄歇电子。所以观察到特征X射线或俄歇电子，就知道有K电子俘获发生。俄歇电子是当高能级的电子跃迁至低能级，其多余的能量直接转移给同一能级的另一电子，而不辐射X线，接受这份能量的电子脱离原子，成为自由电子，这种电子叫俄歇电子。36电子俘获 （electron capture）K空位由一个L电子来填充，因L电子跃迁放出的能量又把另一个L电子电离了；这样，一个K空位转变成两个L空位和一个具有动能的电子。 如果EK和 EL分别表示K

9、电子和L电子的结合能，Ee为被放出的俄歇电子的动能，那么37衰变和内转换（internal conversion） 和衰变后的子核大部分处于激发态，并以射线的形式释放能量，跃迁到较低的能态或基态，这种跃迁叫衰变。射线是光子，不带电，无静止质量。它的放出不改变原子核的电荷，对质量的影响亦极微小。38衰变和内转换（internal conversion） 在核医学中使用的60Co(钴)、99mTc (锝)等放射源均有和射线发射。原子核能级的间隔一般在10-3MeV以上，所以射线能量的低限是10-3 MeV，即1keV，能量可以高到MeV的数量级。 39衰变和内转换 处于激发态的原子核还有另一种释放

10、能量的方式，即原子核由激发态回到基态时，并不发射射线而是把全部能量交给核外电子，使其脱离原子的束缚而成为自由电子，这一过程叫内转换，发射的电子叫内转换电子。 40衰变和内转换 无论是电子俘获还是内转换过程，由于原子的内壳层缺少电子而出现空位，外层电子将会填充这个空位。因此这两个过程都将伴随着特征X线和俄歇电子的发射。41衰变和内转换 原子核在能级跃迁时，放出光子或内转化电子的过程是相互竞争的，各自的几率与核的种类和能级有关。42原子核的衰变规律原子核发生衰变时，母体核不断地变成子体核，因而随着时间t的增长，母核数目不断减少。对于任何一种具有放射性的核素，虽然每一个核素都能衰变，但衰变的时间却有

11、先有后，我们不能预言哪个核先衰变，在什么时候衰变，这完全是随机的，但对大量的原子核来说，其衰变还是遵循统计规律的。实验测量和理论推导都可以证明，放射性核素衰变服从指数衰减规律。43如果在短时间dt内，有dN个核改变，从统计的观点,改变率dN/dt 必定与当时存在的总原子核数N成正比，即 -dN=Ndt 负号表示放射性核数N随时间t的增加而减少。 为衰变常数，反映放射性核素随时间衰变的快慢。44对上式进行积分，便可得到45(一)衰变常数 由上式可知衰变常数为值反映一个放射性核素在单位时间内衰变的规律，或者说是单位时间内衰变的核数与当时存在的核数之比，因而它是描写放射物放射衰变快慢的一个物理量，单

12、位用秒-1(s-1)。46Mo-99 has=0.252 day-1, i.e.25.2% decay per day.47(二)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衰变而减少到原来核数一半所需的时间称为半衰期，用T1/2表示。它是表征放射性核自发衰变的另一参数。单位用年(a)、天(d)、小时(h)、分(min)、秒(s)表示。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238U核素，其半衰期为4.47109a；而核素132I的半衰期为2.28h。48(二)半衰期T当t=T，N=N02代人后，得T和的关系为 经过一个T后，其放射性核素衰减到原来的12，两个T后衰减到原

13、来的14，依此类推，经过n个T后，将衰减到原来的（1/2）n ，这样就得到4950当放射性核素引入动物体内时，其原子核的数量除按前述的规律衰变而减少外，还应考虑通过生物代谢而排出体外的部分，使体内的放射性数量减少比单纯的衰变要快。若用上述的代表物理衰变常数，b代表单位时间内由于各种排泄作用从体内排出的原子核数与当时存在的原子核数之比，即生物体对放射性核素的排出率，称为生物衰变常数（biological decay constant），因此， e =+b ，e称为有效衰变常数（effective decay constant）。51三种衰变常数对应的半衰期分别为有效半衰期 Te（effectiv

14、e half life）、物理半衰期T和生物半衰期Tb （biological half life），三者的关系为显然， Te比T和Tb都短。采用放射性物质做生物机体示踪剂时，有效半衰期是一个很重要的参数。52（三）平均寿命 在一种放射物中，有些原子核早变，有些晚变，有的放射性核素寿命为零，有的是无穷大。因此，引入了平均寿命这个物理量，它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平均存在的时间，单位是秒(s)。 53N0个母核的总寿命为N0个母核的平均寿命为54(四)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度，或叫放射性活度，用A表示A0=N0为t=0时刻的

15、放射性活度。若某时刻母核数为N，则该时刻的放射性活度为A=N。55(四)放射性活度放射性活度的SI单位是贝可勒尔，简称贝可，符号Bq。1Bq=1衰变秒-1放射性活度专用单位用居里(Ci)表示。1Ci3.71010Bq1Bq2.70310-11Ci 56决定放射性强弱的量是A，而不是或，A=N是和N的乘积。 例如，在天然钾中有0.012%40K，它是放射性核素，几乎普遍存在于我们周围的玻璃窗，玻璃杯，甚至我们戴的眼镜中，就是说，40K的原子核数N不少，但是它的半衰期 T1/2= 1.3109年，则 它的放射性活度就很小，对健康并无不利影响。 1g天然钾的放射性活度? = 0.693/ T1/25

16、7例132P的半衰期是14.3d，试计算它的衰变常数和平均寿命，1g纯32P的放射性活度是多少毫居里（mCi）？ 58例2Calculate the decay constant for Cobalt-60 in units of month-1.What will be the activity of 5000Ci 60Co source after 4 years?59例3一台60Co治疗机源初装时活度为111TBq，使用5年后源的活度还剩多少？已知A0=111TBq，T1/2=5.27a，t=5a60例4假设例1中的源初装时不含任何杂质，请问它的质量是多少?61例5When will 5

17、 mCi of 131I (T=8.05d) and 2mCi of 32P (T=14.3d) have equal activities?62例6131I的半衰期是8.04d，问在8日上午9时测量时 为15mCi的131I，到同月26日下午3时，放射性活度还有多少？（1.15108Bq）经过的时间为18.25天，63思考题在、+、-、电子俘获衰变中，所产生的子核的原子序数和质量数是怎样变化的？在元素周期表中的位置有何变化？分别计算要经过多少个半衰期某种放射性核素可以减少到原来的1%，0.1%？64衰变平衡不稳定原子核衰变后生成的子核，如果仍具有放射性，则子核在产生以后，立即按自己的衰变方式

18、和衰变规律进行衰变。如果子核衰变后产生的又一代子核也具有放射性，则这一代子核也要进行衰变，这样就一代一代的衰变下去直到最后生成稳定的核素为止，这就是递次衰变。65衰变平衡在递次衰变中，当满足一定条件时，各代核的数量比，会出现与时间无关的现象，称之为放射平衡。 下面以两代衰变AB为例分三种情况讨论。66钍族：母体是232Th，半衰期T=1.41010y，经6次衰变和4次衰变，最后达到稳定的208Pb。系中各放射性核素的质量数A都是4的整数倍，所以也叫做4n系。锕族：母体是235U，半衰期T=704108y，又叫锕铀(AcU)：经7次衰变和4次衰变，最终生成207Pb。系中各放射性核素的质量数A都

19、是4的整数倍加3，所以也叫做(4n+3)系。铀族：母体是238U，半衰期T=4.51109y，经过8次衰变和6次衰变，最后生成稳定的206Pb(铅)。系中各放射性核素的质量数A都是4的整数倍加2，所以也叫(4n+2)系。67衰变平衡（一）母体半衰期远大于子体半衰期的情况（二）母体的半衰期只比子体的半衰期大几倍（三）母体半衰期小于子体半衰期长期平衡暂时平衡达不到平衡6869衰变平衡放射性平衡在放射性核素的具体应用中具有一定的意义。半衰期短的核素在医学应用中有很多优越性。因为寿命很短，无法单独存在较长的时间，在供应上有很大困难。但有些短寿命核素是由长寿命核素衰变而成。由递次衰变现象可知，当母体、子

20、体达到放射平衡后，子体与母体共存并保持一定的含量比例。70衰变平衡医院中的放射性核素发生器就是暂时平衡的具体应用。放射性核素发生器是一种从较长半衰期的母体核素中分离出由它衰变而来的短半衰期子体核素的装置。71衰变平衡根据它的工作原理，每隔一定时间就可以从该装置中分离出可供使用的子体核素，就好像从母牛身上挤奶一样，所以这种装置俗称“母牛”。放射性核素发生器的工作原理遵守放射性核素的递次衰变规律及放射平衡规律。72人工放射性核素利用核反应堆生产是人工放射性核素的主要来源，制备的途径有两种：利用反应堆中的强中子束照射靶核，靶核俘获中子而生成放射性核；利用中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取放射性核素。

21、反应堆制备出来的核素是富中子核素，通常具有-衰变 ，放出射线。73用核反应堆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，其主要反应是（n，）反应，发生这类反应的中子能量较低，靶原子核俘获中子伴发光子；还有少量（n，p）和（n，）反应等，产生这类反应的中子能量较高，释放出带电粒子。74（n，）反应：（n，p）反应：（n，）反应：75反应堆生产的医用放射性核素放射性核素半衰期核反应51Cr27.7 d50Cr（n,）51Cr99Mo66.02 h98Mo（n,）99Mo125I60.2 d124Xe（n,）125Xe125I131I8.04 d130Te（n,）131Tem131Te131

22、I133Xe（氙）5.25 d132Xe（n,）133Xe153Sm（钐）46.8 h152Sm（n,）153Sm3H12.33 a6Li（n,）3H14C5730 a14N（n,p）14C32P14.3 d32S（n,p）32P76核医学常用的放射性核素及产生放射性核素发生器：从长半衰期母体核素中分离出短半衰期子体核素的分离装置。回旋加速器：生产短寿命和超短寿命的贫中子放射性核素，多以电子俘获和+的形式衰变。77加速器生产的医用放射性核素 放射性核素半衰期核反应11C20.4 min10B（d,n）11C，11B（d,2n）11C，14N （p, ）11C13N9.96 min12C（d,n

23、）13N，10B（,n）13N15O2.03 min14N（d,n）15O18F109.8 min18O（p,n）18F，16O（3He,p）18F67Ga（肿瘤显像）78.3 h66Zn（d,n）67Ga，67Zn（p,n）67Ga，68Zn（p,2n）67Ga111In2.83 d109Ag（,2n）111In，111Cd（p,n）111In123I13.0 h124Te（p,2n）123I，121Sb（,2n）123I201Tl（心肌显像）74 hHg（d,xn）201Pb201Tl，203Tl（p,3n） 201Pb201Tl78常用的放射性核素发生器母体核素母体核素半衰期子体核素子体核素半衰期子体核素主要光子能量(keV)99Mo（钼）66.02h99Tcm6.02h1401