第二章核物理基础

第二章核物理基础第1页，课件共50页，创作于2023年2月一、原子结构原子核由

质子（Proton；P)

中子（Neutron；N）组成，

质子和中子统称为

核子（Nucleon）。

第2页，课件共50页，创作于2023年2月第3页，课件共50页，创作于2023年2月Z&A质子带一个单位的正电荷，中子不带电荷。核内的质子数称为原子序数，用符号Z表示；核内质子和中子数之和即原子质量数，用A表示。

第4页，课件共50页，创作于2023年2月原子核的表示符号目前通常用AX表示各种核素，如131I。

第5页，课件共50页，创作于2023年2月2、原子核的能级

原子核具有一定的能量。最低能量状态，即“基态”；较高的能量状态，为激发态，这时用符号m,即AmX表示。例如99mTC第6页，课件共50页，创作于2023年2月二、元素、同位素、同质异能素、核素1、元素质子数相同的原子称为一种元素，它们的原子序数相同，但原子核中的中子数可以不同，例如碘元素中有几种不同的核。

第7页，课件共50页，创作于2023年2月2、同位素

同一元素中，有些原子质子数相同而中子数不同，则称为该元素的同位素，如上例各种碘互为碘的同位素。第8页，课件共50页，创作于2023年2月3、同质异能素如果原子的质子数相同，中子数也相同，但是核的能级状态不同，那么它们互为同质异能素。例如：99Tc和99mTc

第9页，课件共50页，创作于2023年2月4、核素

把质子数相同，中子数也相同，核能级处于同一状态的一类原子，称为一种核素。下面是六种不同的核素

123I,125I,127I,131I,99mTc,99Tc

第10页，课件共50页，创作于2023年2月三、稳定性核素和放射性核素

稳定性核素不稳定核素

(放射性核素）第11页，课件共50页，创作于2023年2月四、放射性衰变放射性核素发生核内结构或能级的变化，同时自发地放出而变为出一种或一种以上的射线而转变成另一种核素的过程为“核衰变”。第12页，课件共50页，创作于2023年2月核衰变方式核处于不稳定状态的原因不同，其衰变有不同的方式。以下介绍5种衰变方式及4种射线

5种衰变方式:α、β─、β╋、k、γ4种射线:α、β─、β╋、γ第13页，课件共50页，创作于2023年2月核衰变类型（nucleardecay)α衰变

核衰变时放射出α粒子的衰变。

AZX--A-4Z-2Y+42He+Q

4Heγ第14页，课件共50页，创作于2023年2月α粒子特性α粒子实质上是He原子核，α衰变发生在原子序数大于８２的重元素核素α粒子的速度约为光速的1/10，即２万km/s，2s绕地球１周。在空气中的射程约为３－８cm，在水中或机体内为0.06-0.16mm。因其质量大，射程短，穿透力弱，一张纸即可阻挡但α粒子的电离能力很强。第15页，课件共50页，创作于2023年2月2、β衰变原子核发射出电子的衰变为β衰变。β衰变发射的射线分为β━射线或β+射线β━衰变

β衰变β+衰变第16页，课件共50页，创作于2023年2月β衰变核衰变时放射出β粒子或俘获轨道电子的衰变。β衰变后核素的原子序数可增加或减少但质量数不变。分β－衰变、β＋衰变和电子俘获三种类型。β粒子的速度为20万km/s。

第17页，课件共50页，创作于2023年2月β－衰变衰变时放射出β－粒子。核内中子过多造成的不平衡。中子转化为质子的过程。

np+e-β－γ第18页，课件共50页，创作于2023年2月β－粒子的特性β－粒子实质是负电子；衰变后质量数不变，原子序数加１。的能量分布具有连续能谱，穿透力比a粒子大；电离能量比a粒子弱，能被铝和机体吸收，β－粒子在软组织中的射程为厘米水平。第19页，课件共50页，创作于2023年2月β＋衰变（正电子衰变）衰变时放射出β＋粒子。核内中子过少致不平衡。质子转化为中子过程β＋γpn+e+第20页，课件共50页，创作于2023年2月β＋粒子的特性β＋粒子实质是正电子；衰变后子核质量数不变，但质子数减１.

β＋也为连续能谱；天然核素不发生β＋衰变，只有人工核素才发生。第21页，课件共50页，创作于2023年2月电子俘获(electroncapture,EC)核衰变时原子核从内层轨道（K）俘获一个电子，使核内一个质子转化为一个中子。。它是核内中子数相对不足所致。P+e-n特征X线Auger电子γ第22页，课件共50页，创作于2023年2月第23页，课件共50页，创作于2023年2月γ衰变γ衰变是伴随其它衰变而产生；上述四种衰变形成的子核可能处于激发态

核素由激发态向基态或高能态向低能态跃迁时放出γ射线的过程也称为γ跃迁(γtransition)；γ衰变后子核质量数和原子序数均不变，只是能量改变。内转换电子γ第24页，课件共50页，创作于2023年2月第25页，课件共50页，创作于2023年2月γ射线特性γ射线为光子流，不带电，穿透力强，电离能力弱；γ射线在真空中速度为30万km/s。

第26页，课件共50页，创作于2023年2月三种衰变的比较α衰变质量、质子数都变；β衰变质子数变，质量数不变；γ衰变质子、质量数都不变，而能量改变。第27页，课件共50页，创作于2023年2月五、核衰变规律放射性核素是不稳定的，它要自发地发生衰变而变成新元素的核。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。第28页，课件共50页，创作于2023年2月N=N0e-λt第29页，课件共50页，创作于2023年2月Decayconstant(λ)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；λ值大衰变快，小则衰变慢，不受任何影响不同的核素其λ值不同。第30页，课件共50页，创作于2023年2月放射性活度单位时间内原子核衰变的数量称为"放射性活度"即入N放射性活度的单位

国际单位专门名称是“贝可”(Becqurel,Bq)

定义是每秒一次衰变。1Bq=1S-1派生单位：千贝可，KBq；百万贝可，MBq

以前的专用单位是“居里”（Ci）1居里是每秒3.7×1010次衰变，即3.7×1010Bq派生单位有毫居里，mCi,即1/1000Ci微居里，μci,即1/1000mCi第31页，课件共50页，创作于2023年2月半衰期因为衰变的原因，样品的放射性活度总是随时间而减少，半衰期是描述放射性核素衰变速率的指标。放射性活度因核衰变而减少到原有的一半所需要的时间称作“物理半衰期”各种核素的T1/2是不同的。131I__8.04d;

125I__59d;

99mTc__6.02h长者可达1010a，短者仅有10-10s。半衰期<10h的核素称为短半衰期核素。第32页，课件共50页，创作于2023年2月生物半衰期（Tb）

有效半衰期（Teff）核医学中还用到另外两种半衰期：“生物半衰期”----生物体内的放射性核素从体内排出一半需要的时间，Tb。“有效半衰期”--指生物体内的放射性核素由于从体内排出和物理衰变两个因素作用，放射性活度减少一半所需要的时间，Teff。例如：用131I治疗甲状腺疾病时，要了解该患者的131ITeff。第33页，课件共50页，创作于2023年2月六、核射线对物质的作用核射线可分为带电粒子与不带电的γ光子,它们对物质作用的情况有一定差别。

第34页，课件共50页，创作于2023年2月1、带电粒子对物质的作用

带电粒子：α、β━、β╋对物质的作用：电离、激发、散射、韧致辐射、湮灭辐射第35页，课件共50页，创作于2023年2月带电粒子电离与激发：（ionizationandexcitation）电离：α、β→物质→核外电子→e-脱离轨道→自由电子；失去e-的核带正电荷，两者形成一对离子。自由电子还可使其它原子发生电离：次级电离带电粒子e-正负离子对次级电离33.85eV第36页，课件共50页，创作于2023年2月

激发：α、β→物质→轨道电子获能→由低能级→高能级，使整个原子处于激发态；退激时可发射标识X射线和Auger电子。

带电粒子粒子γ(退激)第37页，课件共50页，创作于2023年2月轫致辐射

bremsstrahlung高速带电粒子通过物质原子核电场时受到突然阻滞，运动方向发生偏转，部分或全部动能以X射线的形式辐射出来称为轫致辐射；产生几率随带电粒子的能量和物质原子序数增大而增大。

粒子X第38页，课件共50页，创作于2023年2月散射

scattering入射粒子与粒子或粒子系统碰撞而改变运动方向与能量的过程。仅改变运动方向而能量不变者为弹性碰撞。α粒子的质量较大，径迹基本呈直线，发生散射较少。β粒子轻，运动为曲线，散射明显。粒子粒子第39页，课件共50页，创作于2023年2月湮灭辐射β╋粒子穿过物质,丧失动能后与自由电子e结合,转化为两个方向相反,能量各为0.511MeV的γ光子，这种现象称为湮灭辐射。探测湮灭辐射产生的γ光子是正电子发射断层成像即PET的基础PET,positronemissiontomography

第40页，课件共50页，创作于2023年2月2、γ光子对物质的作用γ光子不带电，它对物质的作用有以下几种表现形式（γ光子能量不同，表现形式发生机率不同）（1）光电子效应（photoelectriceffect）

（2）康普顿效应（Comptoneffect)（3）电子对生成(electronpairproduction)

第41页，课件共50页，创作于2023年2月光子与物质的相互作用

光电子效应(photoelectriceffect)：多发生在低能量：<0.5MeV；光子被物质原子完全吸收后发射轨道电子；脱离轨道的电子称光电子，还可产生次级电离；原子因电子空位处于激发态,退激时发射标识X线或俄歇电子。X,俄歇e光电子γKL第42页，课件共50页，创作于2023年2月康普顿效应Comptoneffect多发生在中等能量：0.5-1.0MeV入射光子将部分能量转移给物质核外电子,其余部分能量被散射光子带走；入射光子多为与外层轨道电子弹性碰撞，光子与电子的相互作用。入射γ康普顿e散射γ第43页，课件共50页，创作于2023年2月电子对生产效应

electronpairproduction发生在能量足够大的光子：>1.02MeV（两个电子的静止质量）；光子在电场作用下被完全吸收，产生一对正负电子；光子能量被正、负电子任意分配带走(超过1.02MeVEr转化为正负电子动能)；

入射γe+511keV511keVe-第44页，课件共50页，创作于2023年2月七、几种射线的基本性质及用途第45页，课件共50页，创作于2023年2月α、β、γ穿透能力比较第46页，课件共50页，创作于2023年2月八、记录方式根据临床需要来选择对核衰变的记录方式，主要有三类：1、计数(放射免疫分析)2、时间/空间一放射性活度曲线（