第9章 核医学物理

第九章核放射物理医学成像技术原理2第一节原子核的稳定性第二节

原子核的衰变第三节

原子核的衰变规律第四节

医用放射性核素及其生产方法本章内容3第一节原子核的稳定性第二节

原子核的衰变第三节

原子核的衰变规律第四节

医用放射性核素及其生产方法本章内容4原子壳层结构模型1911年，卢瑟福用一束α粒子轰击金属薄膜，发现α粒子产生了较大角度的散射，从而推断原子核的存在，并建立了原子的壳层结构模型。5原子核的组成和质量1．原子核组成2．原子质量原子的质量等于原子核质量加上核外电子质量，再减去相当电子全部结合能的数值，一般电子组成原子的结合能很小，原子核质量等于原子质量与核外电子质量之差。由质子(proton)和中子(neutron)组成，统称为核子(nucleon)

用Z表示质子数，用N表示中子数，用A表示质量数A=N+Z；原子核X表示为6原子核的表示质子数Z相同，中子数N不同的一类原子称为同位素

中子数N相同，质子数Z不同的核素称为同中异位素

质量数A相同，质子数Z不同的核素称为同量异位素

质子数Z和质量数A都相同，但原子核能级不同的核素称为同质异能素

具有相同质子数Z和中子数N，同时原子核能级也相同的一类原子核被称为同一种核素，三者有一个不同，就不是同一种核素7比结合能随质量数变化曲线比结合能反映了原子核结合的紧密程度，比结合能越大的原子核结合的越紧密，比结合能较小的原子核结合的相对较松8原子核的稳定性在天然及人工合成的2000多种核素中，只有约300种是稳定的不稳定的原子核可以通过衰变发射出α、β、γ射线或通过自发裂变等方式转化成稳定的原子核核素稳定性分布图9稳定的原子核集中在一条狭长的区域内，通过这个稳定区域的曲线，称作β稳定线β稳定线

可知：原子核的稳定性与核的中子数N

和质子数Z的比有关；对于A<40的核，N和Z大致相等时，原子核稳定；对于A>40的核，N/Z>1时，原子核才稳定；10第一节原子核的稳定性第二节

原子核的衰变第三节

原子核的衰变规律第四节

医用放射性核素及其生产方法本章内容11原子核的衰变原子核衰变是不稳定的原子核自发放出粒子或射线变为稳定核素的过程，因此原子核衰变过程中会产生放射性。衰变过程将遵守质量、能量、动量、电荷和核子数守恒定律。衰变类型α衰变β衰变γ

衰变原子核衰变的主要衰变类型：12衰变纲图通过图形化方式直观地表征放射性核素的衰变过程及相关信息α、β-和β+衰变过程通过斜的直线箭头表示原子核由激发态到基态发射γ射线通过竖直的波浪箭头表示14C在核素表中的衰变过程及衰变纲图13衰变纲图通过图形化方式直观地表征放射性核素的衰变过程及相关信息α、β-和β+衰变过程通过斜的直线箭头表示原子核由激发态到基态发射γ射线通过竖直的波浪箭头表示14C在核素表中的衰变过程及衰变纲图14通过图形化方式直观地表征放射性核素的衰变过程及相关信息α、β-和β+衰变过程通过斜的直线箭头表示原子核由激发态到基态发射γ射线通过竖直的波浪箭头表示衰变纲图15α衰变放射性核素放出α粒子而衰变为另一种核素的衰变过程，称为α衰变。用代表母核，代表子核，则α衰变反应式为式中Q是衰变时所放出的能量，称为衰变能。实验表明，发生α衰变的核素中，少数几种核素能够放射出单能的α粒子，大多数核素将放射出几种不同能量的α粒子，使子核处于激发态或基态。α射线的能谱是不连续的线状谱，常伴有γ射线。16

核衰变过程可以用衰变纲图表示，镭放出α粒子变成氡，其过程为镭的α衰变α衰变17α衰变由于α粒子具有较大的质量，衰变发射出α粒子时对子核产生的反冲作用不再可以忽略18α衰变α衰变发射的粒子能量是非连续分布，且能量较高19前苏联间谍利特维年科（2006）巴勒斯坦前主席阿拉法特（2004）20β衰变原子核内释放出电子或正电子的衰变过程统称为β衰变过程。β衰变的子核与母核是相邻的同量异位素。β﹣衰变β+衰变电子俘获β衰变的三种形式21β-衰变

核内放出β﹣粒子（负电子）的衰变过程。反中微子与其他粒子的相互作用极其微弱，它沿地球直径穿过能量几乎没有损失。

式中，是反中微子，它不带电，其静止质量基本为零。子核与母核是相邻的同量异位素。22由于衰变释放出的能量分给了电子和中微子，因此衰变产生的电子能谱为连续谱β-衰变14C发生β-衰变发射的电子连续能谱23β+衰变核内放出β+粒子（正电子）的衰变过程。其一般过程为

式中是中微子，它不带电，其静止质量基本为零。子核和母核也是相邻的同量异位素，电子能谱也为连续谱。QAZAZ+++®+e011-νeYX24

β+粒子是不稳定的，只能存在短暂时间，当它被物质阻碍失去动能后，可与物质中的电子相结合而转化成一对沿相反方向飞行的γ光子，每个γ光子的能量为0.511MeV，正好与电子的静止质量相对应。核医学诊断所用的正电子ECT(简称PET)影像设备就是利用该原理而成像。β+衰变25电子俘获发生β衰变的原子核俘获一个核外电子，同时放出一个中微子，使核内一个质子转变为中子的衰变过程称为电子俘获。其过程为

如铁-55衰变为锰-55的过程就是电子俘获，为26一个内层电子被原子俘获后，原子核的外层电子会立即将这一空位填充这个能量以标识X射线的形式放出，使另一外层电子电离，成为自由电子，这种被电离出的电子称为俄歇电子。电子俘获27

衰变原子核从激发态回复到基态，以发射

光子释放过剩的能量，这一过程称为

衰变。

如果用表示的同质异能素，

衰变可用下式表示QAZAZ++®γXXm28第一节原子核的稳定性第二节

原子核的衰变第三节

原子核的衰变规律第四节

医用放射性核素及其生产方法本章内容29放射性指数衰变规律实验研究表明，在时间t到t+dt内有dN个原子核发生衰变，则dN与处于t时刻尚未衰变的原子数目N及时间间隔dt成正比它表明放射性核素衰变是按照指数衰减的规律减少的。时，tNNddl-=teNNl-=030单位时间内衰变的核数与当时存在的核数之比描述放射性核素衰变快慢物理量是由原子核本身性质决定单位s-1tNNd/d-=l核衰变有关的物理量——衰变常数如果一种核素同时发生n种类型的核衰变，它们的衰变常数分别为1，2，…，n，总的衰变常数等于nllll+++=L2131放射核素的数量自发核衰变减少到原来核数一半所需的时间不同的放射性核素半衰期的差别可能很大例如，天然铀中的核素,其半衰期为T1/2=4.47×109a核素的半衰期为T1/2=2.28h核衰变有关的物理量——半衰期λλT0.693ln221==32假定由于人体的排泄作用使核素数量的减少也按指数规律变化，这样它也对应一个衰变常数，称为生物衰变常数

b

人体内放射性核素总的减少量dN=-(

p

+

b)Ndt=-

e

Ndt

p

为物理衰变常数，

e=

p

+

b为有效衰变常数核衰变有关的物理量——生物衰变常数33物理半衰期生物半衰期有效半衰期有效半衰期比物理半衰期和生物半衰期都短。几种常见的放射性核素的半衰期如下表所示。p2/p2lnl=Tb2/b2lnl=Te2/e2lnl=T2/b2/p2/e111TTT+=核衰变有关的物理量——有效半衰期34几种放射性核素半衰期放射性核素符号半衰期镓-6868.3min锝-996.02h金-1982.7d碘-1318.04d磷-3214.3d汞-20346.9d钴-605.27d锶-9028a铯-13730a碘-12560d核衰变有关的物理量35单位时间内衰变的原子核数单位贝可(勒尔)Bq1Bq=1s-1居里（1Ci=3.7

1010Bq）毫居里(mCi)微居里(

Ci)ttANNtNAllll--===-=eedd00核衰变有关的物理量——放射性活度36(1)当核素一定，

一定A

N(2)两种核素N相同

不同短半衰期核素的活度大(3)A一定满足体外测量一定活度放射性核素半衰期越短，所需数量越少临床上用短半衰期核素1Altµ=1Ntlµ=核衰变有关的物理量37第一节原子核的稳定性第二节

原子核的衰变第三节

原子核的衰变规律第四节

医用放射性核素及其生产方法本章内容38具有合适的衰变类型和辐射能量以易于体外探测，当核素为纯γ发射体并用于γ照相机探测时，发射的γ射线能量以100～250KeV为宜；具有合适的半衰期，原则上在测定完毕时能使体内仍存有给入量的70%的半衰期核素更为合适；核放射的纯度高，以减少附加射线给患者带来额外照射和给测量带来干扰；化学状态合适、放化纯度和毒性低。放射性核素应具有的特点39放射性核素化合物及剂型主要用途氟182-氟脱氧葡萄糖溶液脑的葡萄糖代谢显像(口服)磷32磷酸钠注射液胶体磷酸铬注射液真性红细胞增多症治疗注入腹腔作辐射治疗铬51铬酸钠注射液红细胞寿命及血容量测定钴57氰钴氨素胶丸恶性贫血诊断(口服)镓67柠檬酸镓注射液肿瘤显像定位铟111铟标记血小板注射液栓塞检查、副脾诊断碘123碘化钠溶液甲状腺疾病的诊断碘131碘化钠溶液邻碘马尿酸钠注射液玫瑰红钠盐注射液甲状腺病症的诊断与治疗(针剂或口服)肾功能检查肝、胆显像氙133氙气注射液

脑血流量测定肺显像(吸入)金198胶体金注射液肝扫描铊201氯化铊注射液心肌显像临床上使用的放射性核素及其用途临床放射性核素通过核反应堆、核素发生装置及回旋加速器产生40原子核反应具有一定能量的粒子轰击原子核(靶核)，使之转变为另一原子核中子轰击235U反应Q+++®+n2SrXenU109538139541023592A+a

B+b可以简写为A（a,b）B或者（a,b）41反应堆的核反应：链式反应42反应堆的核反应：链式反应43利用多用途研究型核反应堆生产的主要放射性核素有三十多种，其中医学上用得最多的是最99Mo，99mTc，131I，125I等。反应堆生产的核素多为富中子核素，以β-和γ衰变为主。反应堆生产放射性核素化学处理后生产出医用放射性核素裂变产生的中子(n)轰击靶物以235U和239Pu为核燃料的反应堆(n,f)裂变反应(n,

)、(n,p)、(n,

)、(n,2n)等核反应44回旋加速器生产放射性核素PET显像所用的发射正电子核素主要通过回旋加速器制备被加速的带电粒子p、d、3