12-19-原子核与NMR资料

第十三章原子核和放射线AtomicNucleusandRadioactiveRay原子核的根本性质

原子核的衰变规律

射线与物质的相互作用

射线的探测与防护

磁共振成像

核医学成像与放射治疗主要内容与要求1896：贝克勒尔(H.Becquerel)发现了铀(U)放射现象1897：居里夫妇发现钋(Po)和镭(Ra)1899：卢瑟福发现α,β射线1900：维拉德发现γ射线1903：卢瑟福证实α射线为2He,β射线为电子1911：卢瑟福提出原子的核式模型1919：卢瑟福首次实现人工核反响，发现了质子1932：查德维克〔J.Chadwick)发现了中子1934：伊伦·约里奥〔F.&I.Joliot-Curie〕发现人工放射性1939：奥托·哈恩〔O.Hahn〕等人发现重核裂变1939：N.Bohr等提出液滴模型1942：E.Fermi创造热中子链式反响堆1945：在奥本海默(美)领导下,原子弹试爆成功〔广岛〕1952：在泰勒(美籍匈牙利人)领导下，氢弹试爆成功1952：前苏联建成第一个核电站历史回忆1958：我国建成第一座重水型原子反响堆1964：我国第一颗原子弹试爆成功1967：我国第一颗氢弹试爆成功1969：我国首次成功地下核实验1984：我国受控热核聚变实验装置顺利启动1988：北京正负电子对撞机首次对撞成功1991：秦山核电站发电成功最早发现原子核一分为三的钱三强“两弹元勋〞邓稼先第一节原子核的根本性质BasicPropertiesofAtomicNucleus一、原子核的组成1.组成质子〔p〕：中子〔n〕：核子原子核质量单位：2.原子核的符号表示X表示元素符号Z表示原子序数〔质子数〕A表示质量数〔核子数〕质子数核外电荷数原子序数质量数核子数中子+质子4.尺度与密度3.同位素(Isotope)具有相同质子数、中子数不同的原子核。原子核的密度6.核力核子紧密结合形成高密度核的力。原子核的密度：1011kg/cm3核力是强相互作用：核力约比库仑力大100倍核力的短程性：核力的力程为fm量级核力的饱和性：只能与有限个相邻核子相作用核力的电荷无关性：Fpp=Fnn=Fnp核力的斥力性：距离＜0.6fm时与核的自旋有关：自旋方向等二、平均结合能

原子核的质量总是小于组成该原子核的核子的质量之和，其之间的差额称为原子核的质量亏损。原子核的质量1.质量亏损结合能---由质子和中子形成原子核时所放出的能量。2.平均结合能平均结〔比〕合能---原子核的结合能与原子核内所包含的总核子数的比值。平均结合能越大，原子核越稳定。0.002389u减少的质量平均结合能图A＜30，Z=N=偶数核，特别稳定

忘我1)重核裂变2)轻核聚变例：原子能〔核能〕获得核能的途径第二节原子核的衰变规律DecayLawofAtomicNucleus

放射性核素自发地放出某种射线而转变为其它核素的现象称为衰变。

放射性衰变类型α衰变〔高速氦核流〕β衰变〔高速电子流〕γ衰变〔高能光子流〕一、衰变类型现有核素：约2600种、稳定核素：＜

300种名称构成电量（e）质量(u)射出速度电离能力贯穿本领α氦核+240.1c最强最弱0.01mm厚铅片能阻止β电子-11/18400.9c较强较强可穿透0.1mm厚铅板γ光子00c最弱最强可穿透100mm厚铅板放射线性质及比较能量守恒、动量守恒、角动量守恒、电荷数守恒、核子数守恒1.

--衰变放射性核素放出射线(氦核)的过程2.

衰变--放出

射线(高速电子)或俘获电子的过程

衰变包括衰变、衰变和电子俘获人工放射性核素中子数过多原子核主要俘获K壳层电子

-衰变：母核自发放出一个电子和一个反中微子的过程

衰变：母核自发放出一个正电子和一个中微子的过程。电子俘获：母核俘获一个电子，变为中子，放出中微子的过程3.

衰变原子核从高能级向低能级跃迁，发出射线〔光子〕的过程。衰变成

需经过几次α和几次β衰变？例1.α衰变次数：β衰变次数：二、衰变规律1.衰变常数〔单位时间原子核衰变的几率〕为衰变常数。表示

时原子核的数目，

假设同一核素同时进行多种衰变2.半衰期原子核数量衰减到原数量一半所对应的时间。

人体代谢使原子核数目减少一半所需要的时间。生物半衰期Tb原子核实际数目减少一半所需要的时间。有效半衰期Te3.平均寿命

原子核在衰变前存在时间的平均值。

例1：临床上常用59Fe作血液病理异常检查。59Fe的物理半衰期T=46.3d,9d后测得人体内放射性原子核数量的相对残留量为79%，求59Fe的生物半衰期。解：三、放射线强度〔放射性活度--A〕放射源在单位时间内衰变的原子核个数。贝克勒耳〔Bq〕〔每秒产生一次核衰变〕居里〔Ci〕单位：〔1克镭每秒的核衰变数目)

放射性强度只是指放射源单位时间内衰变的原子核数，而不是指发出射线的数量或能量。

用于癌症治疗的放射性活度约为：4×1013Bq

第三节射线与物质的相互作用InteractionofRadiationwithMatters射线分类作用：产生荧光；底片感光；电子电离；贯穿本领。重的带电粒子：α粒子；轻的带电粒子：电子和正电子；光子组成的射线：Ｘ射线和γ射线；中性粒子：如中子。〔1〕电离〔Ionization〕〔2〕激发(Excitation)〔3〕散射〔Seatteriong〕〔4〕吸收〔Alsorption〕〔5〕切伦科夫辐射〔Cerenkovradiation〕〔6〕韧致辐射〔Bremsstrahluny〕一、带电粒子与物质的相互作用1.电离比值---每厘米路径上电离的离子对数。电量↑速度↓密度↑电离比值↑2.射程和吸收规律射程----带电粒子在物质中所通过的最大厚度。α粒子电离比值大，射程短；生物体，几百个微米β粒子电离比值小，射程长；比α粒子大

100多倍；二、

或

X射线与物质的相互作用1.光电效应3.电子对生成2.康普顿效应三种作用的发生几率低能：原子序数Z大，光电效应为主；中能：康普顿散射为主；高能：电子对生成为主。放射诊断学中作用几率与Z和hv的关系X射线能量(KeV)水（Z=7.4)骨（Z=13.8)碘化钠（Z=49.8)光电效应(%)康普顿(%)光电效应(%)康普顿(%)光电效应(%)康普顿(%)20703089119466079331699551001999918812三、中子1.俘获：中子被原子核俘获后引起核反响，常伴有射线的产生。中子核子中子反冲核2.散射：中子碰到原子核使原子核形成反冲核，而中子那么被散射。中子容易被含氢原子的物质吸收中子核子中子四、辐射剂量照射剂量E----描述〔X〕射线强度的物理量单位质量的枯燥空气被电离所产生的电荷量吸收剂量D-----描述人体吸收辐射能的能力单位质量被照射物体吸收的电离辐射的能量当量剂量HT----描述各种射线对生物体的危害程度(平均吸收剂量)

(辐射权重因子)

第四节射线的探测与防护RadiationDetectionandRadiationProtection一、探测方法及探测器1.方法：电离、荧光和感光等。2.探测器：二、防护α射线纸能将其线吸收；β射线铝片能将它挡住；γ射线铅板防护；中子含氢物质防护。(1)室内良好通风；(2)保持放射源与工作人员间最大距离；减少受照射

时间。(3)用铅或致密物质来屏蔽

射线和X射线；中子先用

铁铝慢化，再用水或石蜡来屏蔽中子射线；(4)β采用中等原子序数的物质作为屏蔽材料，铝，

玻璃；(5)α戴上手套即可； 临床中的防护措施：第五节磁共振成像MagneticResonanceImaging，MRI发现在强磁场作用下光谱的分裂现象，获1902年诺贝尔物理学奖。用共振方法测量原子核的磁性，获1944年诺贝尔物理学奖。开展分子束方法以及发现质子磁矩，获1943年诺贝尔物理学奖。塞曼〔P，Zeeman)拉比〔II.Rabi〕斯特恩〔OttoStem〕布洛赫&珀赛尔1945年〔PhysicalReview〕因开展核磁精密测量新方法及发现核磁共振现象，获1952年诺贝尔物理学奖。布洛赫(FelixBloch)珀赛尔(EdwardPurcell)1991年恩斯特提出优化高分辨核磁共振方法脉冲傅利叶变换核磁共振谱二维核磁共振谱核磁共振成像获1991年诺贝尔化学奖恩斯特〔R.R.Ernst〕获2003年诺贝尔生理学奖保罗·劳特布尔(PaulLauterbur〕彼得·曼斯菲尔德(PeterMansfieldMRIisusedforimagingofallorgansinthebody.

用核磁共振层析“拍摄〞的脑截面图象1.原子核的自旋(nuclearspin)

原子核是带电的粒子，自旋运动将产生磁矩。原子核的总磁矩为：

核的自旋2.核磁共振研究说明：当外加一恒定磁场B时，原子核的能级将产生分裂。在外磁场B中的塞曼分裂图

当外加一垂直B方向的射频场频率满足上述关系时，原子核从射频磁场中吸收能量，产生能级跃迁，即产生核磁共振。扫频法：扫场法：3.核磁共振波谱仪固定外磁场连续改变射频的频率固定射频频率连续改变外磁场观察核磁共振的方法二、核磁共振成像方法及其成像系统1.成像方法怎样标记受检体共振核的空间位置

共振频率与磁场强度成正比频率分布决定共振核的空间分布强度分布决定共振核的密度分布（2）在此层面内施加旋转梯度场；（1）定义出欲观察的层面；〔3〕扫频法获得一维投影值，进而重建图像。2.成像系统梯度、射频场的控制和信号的接收数据处理与显示图像磁体系统谱仪系统图像重建系统（常规、超导、永磁）主磁体梯度线圈射频线圈（频率范围由磁场决定）磁共振成像的医学应用第六节核医学成像与放射治疗NuclearMedicineImagingandRadiationTherapy一、核医学成像

利用放射性核素作标记，使用探测器记录在脏器和组织中的放射性核素浓度分布及其随时间的变化。

1.

照相机2.单光子发射型CT

SinglePhotonEmissionComputedTomography(SPECT)

3.正电子发射型CTPositronEmissionTomography(PET)单光子发射CT二、放射治疗装置

利用放射性核素在衰变过程中所产生的射线或通过被加速器加速的某些射线束，对肿瘤等疾病进行治疗的装置。

1.治疗机既可做深部肿瘤治疗，也可做表浅部位肿瘤治疗。

该机具有经济、可靠、结构简单、维护方便等优点，是目前放射治疗的主