放射药理学概论：第二讲

核物理和同位素基本知识

廖建民

1.原子核（nucleus）结构原子（atom）中子（neutron）质子（proton）电子（electron）AZＸNAＸ13153I78131IA是质量数。A=Z+N

基态（groundstate）

激发态（excitedstate）核反应、核裂变、放射性衰变AＸAmＸ99Tc99mTc很快放出过剩能量2、质能转换定律、质量亏损和结合能：质量和能量都是物质必具的属性，任何物体都同时具有质量和能量，并且它们之间存在着一定关系:E=mC2这就是著名的爱因斯坦质能相互联系定律，它指出：任何m克质量的物质，一定具有mc2erg的能量。E为物质的能量，m为物质的质量，C为光在真空中的速度。1g静止质量的能量为：E=mC2=1g×(2．99792×lOlOcm／s)2=8.9875×l020erg根据狭义相对论，m与物质的运动有关，对速度为V的物质：式中m0为物质静止(V=O)时的质量，C为光在真空中的速度(2.997924×1010cm·s-1)Erg（尔格）：质能当量单位。1erg=670amu=6.24×105MeV=2.39×10-8cal在核物理中常采用的电子伏(ElectronVolt；eV)作为能量单位。leV是电压为1伏特的两点间移动一个电子时，电场力所作的功。1eV=l.602189×10-12erg

精确实验测得的各种原子的质量总是小于组成它的全部中子、质子和电子的质量总和。这个差值称为质量亏损(MassDefect)。质量亏损与核子(Nucleon)(即中子和质子的总和)的结合能有密切关系。在原子核中，核子间互相吸引的力很强，而任何两个相互吸引的物体在相互靠近时都放出能量(因为势能变小)。所以核子结合成原子核时便释出大量的能量，这能量称为结合能，其量△E与质量亏损△m相当，变即△E＝△m·C2。3.核素（nuclide）：具有特定质量数、原子序数与核能态的一类原子。4.同位素（isotope）：具有相同原子序数，而质量数不同的核素。5.同质异能素(isomer)：有相同质量数和原子序数，处于不同核能态的一类核素。6.稳定核素（stablenuclide)原子核能够稳定存在，不会自发地发生核内成份或能级的变化，或者发生的几率非常小，半衰期超过十亿年。这类原子核称为稳定性原子核。相应的核素称为稳定核素(StableNuclide)。当原子核内引力与排斥力平衡时，原子核稳定，不会自发衰变的核素

引力

静电排斥力核子（质子和中子统称为核子）之间质子之间7.放射性核素(radionuclide)原子核不稳定，会自发地转变为别的原子核，或自发地发生核能态变化，变化时伴有射线的发射。这类原子核称为放射性原子核，相应的核素称为放射性核素(RadioactiveNuclide)。如99Tcm、131I、32P、90Sr、153Sm、188Re、125I、60Co等。

引力

静电排斥力核子（质子和中子统称为核子）之间质子之间8、放射性：某些核素自发地放出粒子或γ射线，或在发生轨道电子俘获后放出X射线，或发生自发裂变的性质。9.放射性衰变（radiationdecay）放射性核素的原子由于核内结构或能级调整，自发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种原子的过程称为放射性衰变。

10、人工放射性核素：用人工方法改变稳定核素中子与质子的组成比例也会造成核的不稳定。这种核素称为人工放射性核素。核衰变类型（nucleardecay)

衰变（alphadecay）

-衰变（betadecay）正电子衰变电子俘获（electroncapture）衰变（gammadecay）1）α衰变

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

42Heγ不稳定核自发地从核内放射出α粒子(AlphaPharticle)而变成另一种核的过程称为α衰变(AlphaDecay)。α粒子实际上是两个质子两个中子组成的氦原子核。式中X为母核(ParentNucleus)，Y为子核(DaughterNucleus)，Q是衰变时原子核释放出的能量。可以看出，子核与母核相比，原子质量少4，原子序数少2。

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；在空气中的射程约为３－８cm，在水中或机体内为0.06-0.16mm；因其射程短，一张纸即可阻挡；但α粒子的电离能力很强。对开展体内恶性组织的放射性核素治疗具有潜在的优势。对α衰变来说，衰变时的质量亏损△mz是：△mz=mz-(mz-2+2me+mα)

其中mz是母体原子质量．mz-2是子体原子质量，me是电子质量，mα是α粒子质量。任何衰变都伴有能量释放，这部分能量Q称为衰变能(DecayEnergy)，来自质量亏损。若质量以amu为单位，Q以MeV为单位，并取1amu=931MeV，则Q＝931×△mzMeV(1—2)衰变能分配给子体核素和发射的粒子(射线)。有些核素衰变时还有一部分留在核内使子核暂时处于激发态。由于mα和mz-2是既定的，每种放射性核素的衰变能也是固定的，因此可以通过测定射线的能量来判断是何种核素。226Ra(镭)的衰变226Ra衰变为222Rn（氡）。释放的α粒子有两组：一组能量为4．777MeV，占94．3％；另一组能量为4．598MeV，伴有0．1888MeV的γ线，占5．7％。Q值的计算如下：△mz=mRa-(mRn+2me+mHe-2me)=mRa-mRn-mHe=226.025438-222.017610-4.002603=0.005225amuQ=0.005225×931=4.86MeV该能量按质量分配：

QRn=4．86×=0．086MeVQα=4．86×=4．774MeV

此值与实测结果基本相符。226Ra衰变中有5．7％的222Rn先处于激发态，退激时以γ光子形式释出多余能量，故这部分衰变释出的α粒子能量稍低。

(二)β-衰变原子核内中子相对过多造成不平衡，导致核内一个中子转变为质子，同时释出一个负电子的过程称为β-衰变(β-Decay，NegatronDecay)。核内释出的负电子通常称为β-粒子或β-射线(β-Particleorβ-Ray)。β-衰变时还同时形成一个反中微子

(Anti－neutrino，υ)。υ是一种质量极小的中性基本粒子，穿透性极强，一般探测器不能探测。

由于核内的基本变化是一个中子转变为一个质子，故β-衰变的子体与母体相比，其A不变而Z增加1，可用下式表示：β-衰变的变能Q可计算如下：

Q＝931△mz＝mz-(mz+1-me+mβ+mυ)MeV反中微子的质量极小，仅为电子的5/10，000，可忽略不计，故：

Q＝931△mz

＝931（mz-mz+1）MeVβ-衰变有三个生成物(Z+1Y、β-和υ)，Q就由这三个粒子带走。子核的质量远大于β-和υ，故带走的能量相对很小，实际上Q主要分配给β-和υ，形成它们的动能。这种分配是随机的，因此β-粒子的动能可从零(Eβ-≈0，Eυ≈Emax)到一最大值Emax(Eβ-≈Emax，Eυ≈0)，形成一个连续的能量分布，称为β-能谱(β-EnergySpectrum).通过计算质量亏损或检阅各种手册得到的β-线能量常是各核素β-粒子的最大能量Emax。实际计算β-线辐射剂量时往往需用平均能量E，它约等于Emax的l／3。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；β－粒子的能量分布从0～最大具有连续能谱，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；在软组织中的射程仅为几厘米，可用于治疗，如碘治疗甲亢。(三)β+衰变：核内中子相对缺少时，一个质子转变为一个中子，同时从核内释出一个正电子的过程，称为β+衰变(PositronDecay，β+Decay)．正电子亦称β+粒子或β+线(Positronorβ+Ray)，它的质量与负电子完全相等，但所带电荷相反。β+衰变时也同时发射一个穿透性极强、质量极小的中性基本粒子，称为中微子(Neutrino，υ)。

β+衰变的核素都是人工放射性核素。β+衰变的子核与母核相比，A不变而Z减少1，可用下式表示:质量亏损△mz：△mz＝mz-(mz-1+me+me++mυ)=mz-mz-1-2meβ+衰变时质量亏损较大。这是因为质子转变为中子时需一个负电子，核内有如下过程：部分质量亏损转化为1.022MeV能量，该能量转化为一对正负电子，负电子与质子中和形成中子，正电子释出，剩余的质量亏损则转变为发射粒子的动能。β＋衰变的条件是mz>mz-1+2me

。2me的质量亏损正好是核内形成一对正负电子所必须的1．022MeV能量的来源。β＋粒子的能谱与β－粒子相似，也是连续的，也有一个近似等于Q的Emax。β＋粒子全部动能损失后，便和周围物质中的自由负电子结合，转变为两个方向相反而能量均为0.5llMeV的γ光子，电子本身的质量则消失。这一现象称为电子湮没（Annihilation）,其γ辐射则称湮没辐射。

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；应用：PET成像。(四)电子俘获衰变：电子俘获衰变(ElectronCaptureDecay)是指缺中子核从核外俘获一个轨道电子，使核内一个质子转变为中子的衰变过程。电子俘获衰变常简称EC衰变，它和β＋衰变一样，子核的原子序数比母核减少1，原子质量数不变，由于K层电子被俘获的几率最高，这种衰变有时也叫K电子俘获。该过程也伴有中微子发射，可用下式表示：EC衰变时的衰变能Q除提供υ的动能外，主要用于使核处于激发态，并随即发射γ线。提供衰变能的质量亏损△mz是：△mz=mz-mz-1-εi／C2

某一壳层(例如K层)的一个电子被俘获后，该壳层就出现一个空位。于是处于较高能级的壳层电子就可跃迁到该空位，同时将多余的能量(相当于跃迁前后两壳层能级的差)以X线形式辐射出来。应当注意，此时由于核的变化，壳层电子已相当地“改造”成子体核素的壳层电子，所以释出的子体核素的特征X线。

有时，电子跃迁多余的能量也可不以特征X线的形式释出，而是传递给另一壳层电子，一部分用以克服该电子的结合能使之成为自由电子，其余部分则成为该电子的动能。这样释出的电子称为俄歇电子(AugerElectron)。

Ec衰变时释出的X线和俄歇电子都不是直接来自核内，而是次级辐射。它们在能量方面的特点是:1)能量都较低，通常是KeV级；2)能量都是定值而不是连续谱，3)能量因被俘获的电子和跃迁电子所处壳层不同而不同，所以每种核素EC衰变都可发射几种不同能量的X线和俄歇电子，各有一定的机率；4)俄歇电子的能量一般都略低于相应的X线．β＋衰变和EC衰变都发生在缺中子的核素，所以同一种核素有时可同时进行这两种衰变。(五)γ跃迁和同质异能跃迁；有些核素在进行α、β＋、β－或EC等衰变时，产生的子核可能暂时处于激发态核能级，再很快过渡到能量较低的激发态或基态．在这个过渡过程中，多余的能量以光子(Photon)的形式即γ线的形式发射出来。这种伴有γ光子发射的核能级跃迁称为γ跃迁(GammaTransition)。激发态子体Y·―――Y基态+hν每一激发态的原子核退激时，可以不只释出一个γ光子。大多数有γ跃迁的核素，子体处于激发态的时间约为10-13秒，因此，γ跃迁常被看作与母体核衰变同时发生。

有些核素激发态存在时间较长，常被看作一种单独的核素，称为同质异能素。它本身又作为母体，经γ跃迁后变成Z和A都相同，但是能级不同的子体核。这种特殊的γ跃迁称为同质异能跃迁(IsomericTransition)，其过程如下：

有时原子核发生γ跃迁时不发射γ光子，而是把多余的能量交给核外绕行的电子(主要为K层，也有其它壳层电子)，使它脱离原子而放射出来。这种电子称为内转换电子，能量是固定的，近似于γ光子的能量。γ光子和内转换电子都是核从激发态跃迁至较低激发态或基态时可能产生的。由于内转换电子的发射，核外壳层电子出现空位，较高能级壳层的电子就进行填补。因此发射内转换电子后，还会放射特征X线或俄歇电子，所以γ衰变时释出的射线是较复杂的。

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。应用：体外成像。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。

射线

-射线正电子电子俘获

射线氦核（42He）发生于原子序数>82的核素粒子质量大，带电核射程短、穿透力弱，不适合显像射程短、能量单一，对局部的电离作用强，引入体内后，对其局部的生物组织产生严重损伤，而不影响远处组织。因此对开展体内恶性组织的放射性核素治疗具有潜在优势应用特征组成高速运动的电子流穿透力弱治疗，如32P-真性红细胞增多症，131I－甲状腺疾病

+粒子发生于贫中子核素射程仅1~2mmPET显像

光子发生于衰变、衰变或核反应之后

不带电荷，运动速度快（等于光速），穿透力强，对组织的局部作用较

-射线和射线弱体外显像Ｘ射线俄歇电子内转换电子发生于贫中子核素核医学显像、体外分析、放射性核素治疗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。11.半衰期，T1/2(half-life)物理半衰期（physicalhalflife）:放射性核素减少至一半，所需的时间。越短说明核素衰变越快。生物半衰期（biologicalhalflife）:生物体内的放射性核素由于机体代谢从体内排出一半所需的时间。有效半衰期（effectivehalflife）:生物体内的放射性核素由于机体代谢从体内和物理衰变两个因素作用，减少至原有放射性活度的一半所需的时间。T1/2为每一放射性核素所特有。测定T1/2可确定核素种类，甚至可推断放射性核素混合物中核素种类。例如：99mTc6Hr153Sm47Hr

131I8Day186Re90Hr32P14Day125I60day12.放射性活