药学物理原子物理市公开课获奖课件

1、第十四章 原子核第1页第1页核历史点滴玛丽居里以自己勤奋和天赋，在物理学和化学领域，都作出了杰出奉献，是唯一一位在两个不同学科领域、两次取得诺贝尔奖著名科学家。发觉放射性元素钋(Po)和镭(Ra)。第十四章 原 子 核最早发觉是一个名叫贝克勒尔人。贝克勒尔发觉天然放射性，标志着原子核物理学开端。因此他和居里夫妇共同取得19诺贝尔物理学奖。 1952年10月31日，世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆炸，核当量高达1000万吨，相称于700枚广岛原子弹，把一个直径1.6公里小岛活生生地炸没了，燃起火球直径就超出了5公里。1967年6月17日，我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。1964年

2、10月16日，中国第一次将原子核裂变巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。 第2页第2页 原子核结构和基本性质 放射性、衰变规律、核反应 放射性核素 核磁共振 本 章 要 点第十四章 原 子 核第3页第3页第一节 原子核结构和基本性质一、原子核构成与质量1. 原子核电荷数(nuclear charge)Z: 原子序数(nuclear number) Z：2. 核子(nucleon): 构成原子核质子和中子.原子质量单位(atomic mass unit) u3. 原子核质量和质量数A: 质子(proton)：中子(neutron)：原子核质量近似：第4页第4页4. 核素(nuclide)：一类含有拟

3、定质子数、核子数和能量状态中性原子称为核素。用符号 或 。同位素(isotope)：同一个元素核内能够含有各种核子数，即它们含有相同质子数而中子数不同, 它们在元素周期表占据同一位置, 含有相同化学性质。如氢同位素 。同量异位素(isobar)：质量数相同，质子数不同一类核数。如 。同核异能素(isomer)：质量数和质子数都相同而处于不同能量状态一类核数。如 。同中子异位素(isotone)：中子数相同，质子数不同一类核数。如 。第一节 原子核结构和基本性质第5页第5页1. 质量亏损(mass defect):2. 结 合 能(binding energy):二、原子核质量亏损与结合能第一节

4、 原子核结构和基本性质第6页第6页3. 比结合能(specific binding energy):物理意义：若把一个核子放入原子核里，则平均释放能量。反之若从核内取出一个核子，则需要克服原子核对核子引力平均做功 。因此， 越大，表示核子间结合得越紧密， 大小能够作为核稳定性量度。自然界中各种核结合能相差甚大，但比结合能却相差不大, 下列页图。重核裂变：原子弹、原子能反应堆等轻核聚变：氢弹等第一节 原子核结构和基本性质第7页第7页第一节 原子核结构和基本性质第8页第8页1. 原子核大小: 原子核密度: 核半径比原子半径小106倍。豌豆粒大小核( mm)，其原子半径约为 km 。普通物质密度:

5、三、原子核基本性质第一节 原子核结构和基本性质第9页第9页核力：核子之间存在一个短程强吸引力。（1）核力是一个短程力；（2）核力与电荷无关；（3）核力是含有饱和性互换力。2. 核力(nuclear force)第一节 原子核结构和基本性质第10页第10页第二节 放射性、衰变规律、核反应 有些核素原子核是不稳定，能自发地放出由一些离子构成射线后变为另一个核素，这类核素称为放射性核素。 如铀，钚等元素周期表中序数较大元素。放射性，核衰变。衰变类型粒子： 核粒子：电子； +粒子：正电子光子：能量高于X射线守恒规律：电荷数、质量数、能量、动量和核子数。第11页第11页第二节 放射性、衰变规律、核反应第

6、12页第12页1. 衰变:(1) 衰变：质量数A209放射性核素自发地放射 射线而变成 另一个核素现象。(2) 衰变过程式:(3) 衰变位移法则：子核Y比母核X 电荷数减少2，核子数减少4，在 元素周期表要前移2位。(4) 衰变纲图：一、 放射性衰变第二节 放射性、衰变规律、核反应第13页第13页2. 衰变(2) 衰变：(3) +衰变：(4) 电子俘获：(1) 衰变：放射性核素自发地放射射线（高速电子） 或俘获轨道电子而变成另一个核素现象。(5) 俄歇电子(Auger electron)：一个内层电子被俘获后，外层电子会马上填补这一空位，同时释放能量。这个能量能够发射标识X射线形式放出，也能够

7、使另一外层电子电离成为自由电子。这种被电离电子称为俄歇电子。第二节 放射性、衰变规律、核反应第14页第14页(6) 能谱图：由于衰变过程中有中微子参与，衰变所放出能量将在电子、中微子和子核之间任意分派，因此射线能谱是连续。N粒子动能 Emax E峰值粒子数第二节 放射性、衰变规律、核反应第15页第15页(1) 衰变: 同核异能跃迁.(2) 内转换: 在一些情况下, 原子核从激发态向低能级激发态或基态跃迁时, 不是通过放出光子, 而是通过核外电子发生能量互换把能量交给电子, 使其脱离原子束缚成为自由电子内转换电子。(3) 内转换过程中, 由于释放电子而在原子内壳层出现空位，外层电子将会填充这个空

8、位而发射标识X射线或俄歇电子。3. 衰变与内转换第二节 放射性、衰变规律、核反应第16页第16页(4) 衰变纲图：第二节 放射性、衰变规律、核反应第17页第17页1. 核衰变规律: 2. 半衰期(half life): 积分得：为衰变常数(decay constant)：表示一个原子核单位时间内发生衰变概率。OtN123二、衰变规律第二节 放射性、衰变规律、核反应第18页第18页3有效半衰期(effective half life period)4平均寿命(mean life time)半衰期、平均寿命与衰变常数关系：第二节 放射性、衰变规律、核反应第19页第19页5. 放射性活度(radio

9、activity)单位：1Bq=1核衰变/秒 1Ci(居里)=3.71010 Bq 放射源单位时间内发生衰变母核数，称为放射性活度。第二节 放射性、衰变规律、核反应第20页第20页入射粒子靶 核反 冲 核反应能：Q = EY+EbEa反应后质量亏损：m =(mX+ma)(mY+mb)反应能：E=mc2，m0，放出能量；m0，吸取能量。三、人工核反应(artificial nuclear reaction )第二节 放射性、衰变规律、核反应第21页第21页1. 中子核反应 (n,), (n,p), (n,), (n,2n)2. 质子核反应 (p,), (p,n), (p,)3. 氘核核反应 (d

10、, p), (d,n), (d,), (d, 3H), (d,2n)4. 粒子核反应(, p), (, n)5. 光致核反应 (, n)第二节 放射性、衰变规律、核反应第22页第22页照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸取能量；测量照射剂量主要依据在原则状态下干燥空气中测量辐射产生电离效应，即测量X射线和射线在单位质量空气中产生正（或负）离子电量来表征X射线和射线照射量。单位：C/kg或伦琴(R)；1R=2.58104 C/kg第三节 放射性核素一、放射线剂量(irradiation dose)1. 照射剂量 (exposure dose)第23页第23页吸取剂量是被照射物质单位质量所

11、吸取电离能量；它是衡量单位质量受照射物质吸取辐射能量多少一个物理量。单位：J/kg或戈瑞(Gy)；1 Gy = 1 J/kg; 拉德(rad) ； 1 Gy = 100 rad2. 吸取剂量 (absorbed dose)第三节 放射性核素第24页第24页生物体内单位质量组织，从各种射线中吸取同样多能量，所产生生物学效应有很大差别，这是由于射线对细胞损伤，不但与它吸取能量和产生离子相关，还与电离密集程度相关。书中表14-4 是射线RBE。单位：希沃特(Sv)3. 生物相对有效倍数和生物等效剂量第三节 放射性核素第25页第25页 由表14-4可知, 粒子RBE=20, 粒子RBE=1, 因此甲肺

12、组织受到等效剂量为：210 320=4.010 2 Sv 同理,乙肺组织受到等效剂量为： 110 320+110 31=2.110 2 Sv 相比之下，甲受到辐射影响比乙大。 例 有甲、乙两人, 甲肺组织受粒子照射, 吸取剂量为2mGy. 乙肺组织受粒子照射, 吸取剂量为1mGy，同时还受到粒子照射, 吸取剂量也为1mGy。试比较这两人所受射线影响大小。例解第三节 放射性核素第26页第26页（1） 最大允许剂量(maximum permissible dose) 放射线虽可用来诊断和治疗疾病，但人体正常组织假如受到过剂量照射，人体将会受到损害。因此，在应用放射线同时，要注意对它防护。 国际上要

13、求了一个最大允许剂量,即通过一次照射成长期积累，对人体没有损害又不发生遗传危害最大剂量限值。 从业人员: 50 mSv/a; 居 民: 5 mSv/a .4. 辐射防护第三节 放射性核素第27页第27页(2) 外照射防护因为不同放射线性质不同，采取防护办法也不同。 射线电离能力很强, 但射程短，穿透能力小。 由 射线不可能由体表深入体内，故对外照射只要戴上手套即可; 射线和 射线穿透能力强，外照射不容忽略，对 射线惯用含有中等原子序效物质作屏蔽材料，如各种塑料和有机玻璃。 射线对重原子序数物质易引发起韧致辐射(高速带电粒子急剧减速时发出电磁辐射)，后者对人体健康亦不利，故不宜采取。射线不存在这

14、一问题，故多用重原子序数物质如铅、混凝土等来屏蔽。第三节 放射性核素第28页第28页除采用屏蔽办法外，还应注意保护环境。对于含有放射性物质废物，要妥善处理，不要随便弃置。(3) 内照射防护用放射性核素注入体内进行照射叫内照射。 射线源进入体内，由于其电离比值高，产生电离作用将对人体造成极大危害。故工作时要待别预防 射线源由呼吸道、食管或外伤伤口进入体内。第三节 放射性核素第29页第29页放射性核素在诊断和治疗方面都有主要应用。表达了当代医学发展水平核医学，在医学诊断中起着越来越主要作用。用放射性核素作为示踪原子，以研究其在体内分布、转移和代谢。并借助它们放出射线，在体外探查该元素行踪，这种办法

15、叫示踪原子法。另外尚有体外标本测量法和放射自显影。二、放射性核素在医药方面应用1. 示踪原理第三节 放射性核素第30页第30页治疗肿瘤一个有效物理疗法，从射线照射方式可分为外照射、近距离照射和内照射，临床惯用外照射有60Co治疗机、医用直线加速器和-刀等。放射诊断主要是指核素成像，是一个利用放射性核素示踪办法显示人体内部形态结构医学影像技术，常见有照射机、SPECT和PET等。3. 放射治疗2. 放射诊断第三节 放射性核素第31页第31页正电子发射型计算机断层(PET)原理(1) 概念： PET是将发射正电子同位素药物注入人体之后，探测正电子在体内被电子俘获产生湮灭反应时沿相反方向发出两个能量

16、为0.511 MeV光子，从而取得正电子标识药物在体内三维密度分布，以及这种分布随时间改变信息. 即一个探测注入体内放射性核素放射出 +产生湮没光子对而实现断层成像。 例: 13N-13C+ + + +Q + -2 (能量为 0.511MeV, 方向相反传播光子 )第三节 放射性核素第32页第32页(2) 采用自准直符合探测原理 (1) 只有 a有信号输出；(2) b、c因不符合对称电路,无信号输出；(3) 湮没光子位置与产生 +位置靠近(12mm) 探头符 合 电 路湮 没 区输 出探头断 层 面acb第三节 放射性核素第33页第33页PET正电子同位素由回旋加速器产生，如采用加速至9MeV

17、氘离子束轰击氖气靶产生18F，再经化学合成得到所需药物。常见PET标识药物及主要用途为：同位素半衰期示踪剂及用途11C20.3 m11C 标识各种氨基酸, 肿瘤定界、分级13N9.96 mNH3 测量血流，用于局部心肌灌注显像15O123 sCO2 测量局部脑血流量；CO 测量局部脑血容量；O2 测量心肌氧消耗和氧摄取比；H2O用于心肌及脑血流灌注18F110 mFDG 研究葡萄糖代谢, 用于神经学、心脏病学和肿瘤学; 氟多巴FDOPA 诊断帕金森症PET 示踪药物第三节 放射性核素第34页第34页63岁左侧下喉癌患者CT 与PET图像融合第三节 放射性核素第35页第35页CT 与PET图像融

18、合，拟定胸骨上损伤位置，同时可见右侧腋窝处有一肿大淋巴结。第三节 放射性核素第36页第36页PET扫描揭示悲哀时女性脑部(左)比男性脑部(右)更具代谢活性第三节 放射性核素第37页第37页（1） 核子（质子和中子）与电子同样含有自旋， 与之相联系有自旋角动量 和 自旋磁矩。第四节 核磁共振（2） 自旋角动量LI和轨道角动量同样，均服从角动量普 遍法则，LI大小是量子化I 称为自旋量子数。I 仅有一个值，并且是半整数：故mI称为 自旋磁量子数。只能取两个值：（3） LI在 Z 轴（外磁场）方向上投影：故一、 核子自旋与磁矩第38页第38页质子和中子自旋角动量zL23h0h21h21自旋量子数：I

19、=1/2自旋磁量子数：mI=1/2自旋角动量大小： LI在 Z 轴（外磁场）方向上投影(简称 自旋)第四节 核磁共振第39页第39页原子核内核子固有角动量和轨道角动量矢量和。 式中 I 为自旋量子数(spin quantum number) 偶-偶核, 12C, 16O等, I =0； 奇-偶核, 1H, 31P等, I =n/2, (n=1,3,5, )； 奇-奇核, 6Li, 14N等, I =n, (n=1,2, 3, )。二、原子核自旋与磁矩1. 原子核角动量即核自旋(nuclear spin)第四节 核磁共振第40页第40页2. 原子核自旋角动量在空间某一选定方向(如z方向)上投影也

20、是量子化式中 m为磁量子数: m =I， I1， I+1，I。共2I+1个也许取值，相应当自旋核在外磁场中有2I+1个也许取向。第四节 核磁共振第41页第41页 式中 N = 5.05081027 J/T为核磁子。 质子g = 5.585694772。式中 为核自旋磁旋比。3. 原子核磁矩与原子核自旋4. 原子核总磁矩及其在外磁场分量也都是量子化第四节 核磁共振第42页第42页自旋不为零原子核与外磁场互相作用，一方面产生核绕B旋进，另一方面产生了核附加能量，造成原子核能级劈裂。当频率为10100MHz射频(radio frequency，RF)电磁波对样品照射， 若RF电磁波能量刚好等于原子核

21、能级劈裂能级差，就会出现样品中原子核强烈地吸取电磁波能量，从劈裂后低能级向相邻高能级跃迁现象，这就是核磁共振现象中共振吸取。三、 核磁共振1. 自旋核在磁场中能级劈裂第四节 核磁共振第43页第43页2. 劈裂能级间跃迁（1）磁矩在外磁场作用下产生附加能量 m 只能取2I+1, 对I=1/2氢核 m =1/2、1/2自旋进动B自旋进动B（2） 能级劈裂间距，即裂距：第四节 核磁共振第44页第44页3. 核磁（自旋核在磁场中与射频电磁波）共振条件 即双方最大互换能量条件 ：第四节 核磁共振第45页第45页RF角频率原子核磁旋比,不同核不同外磁场强度（T）只有当RF角频率与外磁场B符合拉莫公式，才干

22、发生能级跃迁，即共振吸取。4. 拉莫（Larmor）公式第四节 核磁共振第46页第46页1. 核磁共振谱以发生共振吸取强度为纵坐标，发生共振频率（或磁感应强度）为横坐标，绘出一条共振吸取强度与发生共振频率（或磁感应强度）标化曲线，称为核磁共振波谱，建立在此原理基础上一类分析办法称为核磁共振谱法。应用最普遍、最主要是核磁共振谱，它能够提供质子类型及其化学环境、氢分布和核间关系等信息。 四、核磁共振谱(NMRS)第四节 核磁共振第47页第47页2. 化学位移（the chemical shift）（1）从公式 =B0知，同一个核在固定B0中，其共振谱线位置是唯一； 实际上，同一个类原子核处于不同化合物分子中，谱线位置不同。原因：在B0中样品，其自旋核不是孤立，而是被核外带磁性电子云所包围，即每一个自旋核含有不同电子环境。使自旋核处于一个磁屏蔽之中，因此lamour公式变成： =(1)B0 ，式中 称屏蔽常数(screening constant)与化合物结构及性质相关。同类自旋核处于不同分子之中