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1、第二章核物理基础本讲稿第一页，共五十页一、原子结构一、原子结构 原子核由原子核由 质子（质子（Proton；P)中子（中子（Neutron；N）组组成，成，质子和中子统称为质子和中子统称为 核子（核子（Nucleon）。本讲稿第二页，共五十页本讲稿第三页，共五十页 Z&A质质子子带带一一个个单单位位的的正正电电荷，中子不带电荷。荷，中子不带电荷。核核内内的的质质子子数数称称为为原原子子序数序数，用符号，用符号Z表示；表示；核内核内质子和中子数之和质子和中子数之和即即原子质量数原子质量数，用，用A表表示。示。本讲稿第四页，共五十页原子核的表示符号目前通常用目前通常用AX表示表示 各种各种核素核素
2、，如，如131I。本讲稿第五页，共五十页2、原子核的能级、原子核的能级 原原子子核核具具有有一一定定的的能量。能量。最最低低能能量量状状态态，即即“基态基态”；较较高高的的能能量量状状态态，为为激激发发态态，这这时时用用符号符号m,即即AmX表示。表示。例如例如99mTC本讲稿第六页，共五十页二、元素、同位素、同质异能素、核素二、元素、同位素、同质异能素、核素1、元素、元素 质质子子数数相相同同的的原原子子称称为为一一种种元元素素，它它们们的的原原子子序序数数相相同同，但但原原子子核核中中的的中中子子数数可可以以不不同同，例例如如碘元素中有几种不同的核。碘元素中有几种不同的核。本讲稿第七页，共
3、五十页2、同位素、同位素 同一元素中，有些原子质子数相同而中子数不同，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，则称为该元素的同位素，如上例各种碘互为碘的同位素。如上例各种碘互为碘的同位素。本讲稿第八页，共五十页3、同质异能素、同质异能素 如果原子的质子数相同，中子数也相同，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。但是核的能级状态不同，那么它们互为同质异能素。例如：例如：99Tc和和99mTc 本讲稿第九页，共五十页4、核素、核素 把质子数相同，中子数也相同，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，核能级处于同
4、一状态的一类原子，称为一种核素。称为一种核素。下面是六种不同的核素下面是六种不同的核素 123I,125I,127I,131I,99mTc,99Tc 本讲稿第十页，共五十页三、稳定性核素和放射性核素三、稳定性核素和放射性核素 稳定性核素稳定性核素不稳定核素不稳定核素(放射性核素）放射性核素）本讲稿第十一页，共五十页四、放射性衰变四、放射性衰变放放射射性性核核素素发发生生核核内内结结构构或或能能级级的的变变化化，同同时时自自发发地地放放出出而而变变为为出出一一种种或或一一种种以以上上的的射射线线而而转转变变成成另另一种核素的过程为一种核素的过程为“核衰变核衰变”。本讲稿第十二页，共五十页核衰变方
5、式核衰变方式核处于不稳定状态的原因不同，其衰变核处于不稳定状态的原因不同，其衰变有不同的方式。有不同的方式。以下介绍以下介绍5种衰变方式及种衰变方式及4种射线种射线 5种衰变方式种衰变方式:、k、4种射线种射线:、本讲稿第十三页，共五十页核衰变类型核衰变类型（nuclear decay)衰变衰变 核衰变时放射出粒子的衰变。AZX-A-4Z-2Y+42He+Q 4He本讲稿第十四页，共五十页粒子特性粒子实质上是He原子核，衰变发生在原子序数大于的重元素核素粒子的速度约为光速的1/10，即万km/s，2s绕地球周。在空气中的射程约为cm，在水中或机体内为0.06-0.16mm。因其质量大，射程短，
6、穿透力弱，一张纸即可阻挡但粒子的电离能力很强。本讲稿第十五页，共五十页2、衰变衰变原子核发射出电子的衰变为原子核发射出电子的衰变为衰变。衰变。衰变发射的射线分为衰变发射的射线分为射线或射线或+射线射线 衰变衰变 衰变衰变 +衰变衰变本讲稿第十六页，共五十页衰变衰变核衰变时放射出粒子或俘获轨道电子的衰变。衰变后核素的原子序数可增加或减少但质量数不变。分衰变、衰变和电子俘获三种类型。粒子的速度为20万km/s。本讲稿第十七页，共五十页衰变衰变衰变时放射出粒子。核内中子过多造成的不平衡。中子转化为质子的过程。np+e-本讲稿第十八页，共五十页粒子的特性粒子实质是负电子；衰变后质量数不变，原子序数加。
7、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，粒子在软组织中的射程为厘米水平。本讲稿第十九页，共五十页衰变（正电子衰变）衰变（正电子衰变）衰变时放射出粒子。核内中子过少致不平衡。质子转化为中子过程p n+e+本讲稿第二十页，共五十页粒子的特性粒子实质是正电子；衰变后子核质量数不变，但质子数减.也为连续能谱；天然核素不发生衰变，只有人工核素才发生。本讲稿第二十一页，共五十页电子俘获电子俘获(electron capture,EC)(electron capture,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
8、不足所致。P+e-n特征X线Auger 电子本讲稿第二十二页，共五十页本讲稿第二十三页，共五十页衰变衰变衰变是伴随其它衰变而产生；上上述述四四种衰变形成的子核可能处于激发态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射线的过程也称为跃迁(transition)；衰变后子核质量数和原子序数均不变，只是能量改变。内转换电子本讲稿第二十四页，共五十页本讲稿第二十五页，共五十页 射线特性射线为光子流，不带电，穿透力强，电离能力弱；射线在真空中速度为30万km/s。本讲稿第二十六页，共五十页三种衰变的比较三种衰变的比较衰变质量、质子数都变；衰变质子数变，质量数不变；衰变质
9、子、质量数都不变，而能量改变。本讲稿第二十七页，共五十页五、核衰变规律五、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。本讲稿第二十八页，共五十页N=N0e-t本讲稿第二十九页，共五十页Decay constant()Decay constant()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；值值大衰变快，小则衰变慢，不受任何影响大衰变快，小则衰变慢，不受任何影响
10、不同的核素其不同的核素其值不同值不同。本讲稿第三十页，共五十页放射性活度放射性活度单位时间内原子核衰变的数量单位时间内原子核衰变的数量称为称为 放射性活度放射性活度即入即入N放射性活度的单位放射性活度的单位 国际单位专门名称是国际单位专门名称是“贝可贝可”(Becqurel,Bq)定义是每秒一次衰变定义是每秒一次衰变。1Bq=1S-1 派生单位：千贝可，派生单位：千贝可，KBq；百万贝可，；百万贝可，MBq 以前的专用单位是以前的专用单位是“居里居里”（Ci）1居里是每秒居里是每秒3.71010次衰变，即次衰变，即3.71010 Bq 派生单位有毫居里，派生单位有毫居里，mCi,即即1/100
11、0 Ci 微居里，微居里，ci,即即1/1000 mCi本讲稿第三十一页，共五十页半衰期半衰期因因为为衰衰变变的的原原因因，样样品品的的放放射射性性活活度度总总是是随随时时间间而而减减少少，半半衰期是描述放射性核素衰变速率的指标。衰期是描述放射性核素衰变速率的指标。放放射射性性活活度度因因核核衰衰变变而而减减少少到到原原有有的的一一半半所所需需要要的的时时间间称称作作“物理半衰期物理半衰期”各种核素的各种核素的T1/2是不同的。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。本讲稿第三十二页，
12、共五十页生物半衰期（生物半衰期（Tb）有效半衰期（有效半衰期（Teff）核医学中还用到另外两种半衰期：核医学中还用到另外两种半衰期：“生生物物半半衰衰期期”-生生物物体体内内的的放放射射性性核核素素从从体体内内排排出出一一半半需要的时间，需要的时间，Tb。“有有效效半半衰衰期期”-指指生生物物体体内内的的放放射射性性核核素素由由于于从从体体内内排排出出和和物物理理衰变两个因素作用，放射性活度减少一半所需要的时间，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：用例如：用131I治疗甲状腺疾病时，要了解该患者的治疗甲状腺疾病时，要了解该患者的131I Teff。本讲稿第三十三页
13、，共五十页六、核射线对物质的作用六、核射线对物质的作用核核射射线线可可分分为为带带电电粒粒子子与与不不带带电电的的光光子子,它它们们对对物质作用的情况有一定差别。物质作用的情况有一定差别。本讲稿第三十四页，共五十页 1、带电粒子对物质的作用、带电粒子对物质的作用 带电粒子：带电粒子：、对物质的作用：对物质的作用：电离、激发、散射、韧致辐射、湮灭辐射电离、激发、散射、韧致辐射、湮灭辐射本讲稿第三十五页，共五十页带电粒子带电粒子电离与激发电离与激发：（ionization and excitation）电离：、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
14、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本讲稿第三十六页，共五十页 激发：、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(退激)本讲稿第三十七页，共五十页轫致辐射轫致辐射 bremsstrahlungbremsstrahlung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。粒子粒子X本讲稿第三十八页，共五十页散射散射 scatteringscattering入入射射粒粒子子与与粒粒子子或
15、或粒粒子子系系统统碰碰撞撞而而改改变变运运动动方方向向与与能能量量的的过过程程。仅仅改改变变运运动动方方向向而而能能量量不不变变者者为为弹弹性性碰撞。碰撞。粒粒子子的的质质量量较较大大，径径迹迹基基本本呈呈直直线线，发发生生散散射射较少。较少。粒子轻，运动为曲线，散射明显。粒子轻，运动为曲线，散射明显。粒子粒子本讲稿第三十九页，共五十页湮灭辐射湮灭辐射粒粒子子穿穿过过物物质质,丧丧失失动动能能后后与与自自由由电电子子e结结合合,转转化化为为两两个个方方向向相相反反,能能量量各各为为0.511MeV的的光光子子，这这种种现现象象称称为为湮湮灭灭辐射。辐射。探探测测湮湮灭灭辐辐射射产产生生的的光光
16、子子是是正正电电子子发发射射断断层层成成像像即即PET的的基础基础 PET,positron emission tomography 本讲稿第四十页，共五十页2、光子对物质的作用光子对物质的作用 光光子子不不带带电电，它它对对物物质质的的作作用用有有以以下下几几种种表表现现形形式式（光光子子能量不同，表现形式发生机率不同）能量不同，表现形式发生机率不同）（1）光电子效应（）光电子效应（photo electric effect）（2）康普顿效应（）康普顿效应（Compton effect)（3）电子对生成）电子对生成(electron pair production)本讲稿第四十一页，共五十页
17、光子与物质的相互作用光子与物质的相互作用 光电子效应光电子效应(photoelectric effect)：多发生在低能量：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e+511keV511keVe-本讲稿第四十四页，共五十页七、几种射线的基本性质及用途七、几种射线的基本性质及用途本讲稿第四十五页，共五十页、穿透能力穿透能力 比较比较本讲稿第四十六页，共五十页八、记录方式八、记录方式根根据据临临床床需需要要来来选选择择对对核核衰衰变变的的记记录录方方式式，主主要有三类
18、：要有三类：1、计数、计数(放射免疫分析放射免疫分析)2、时时间间/空空间间一一放放射射性性活活度度曲曲线线（甲甲状状腺腺吸吸碘碘率率、放放射射性性肾肾图图、单单光光子子骨骨密密度度等）等）3、放射性分布图像、放射性分布图像（核素显像）（核素显像）本讲稿第四十七页，共五十页1、计数，、计数，计数器计数器记录单位时间（通常是记录单位时间（通常是60秒）的射线计数。秒）的射线计数。放射免疫分析仪，甲状腺吸碘率仪放射免疫分析仪，甲状腺吸碘率仪 本讲稿第四十八页，共五十页2 2、时间、时间/空间一放射性活度曲线，空间一放射性活度曲线，脏器功能测定仪脏器功能测定仪 时间时间/空间一放射性活度曲线方式，空间一放射性活度曲线方式，记录放射性活度变化的曲线。记录放射性活度变化的曲线。放射性肾图仪，单光子骨密度仪放射性肾图仪，单光子骨密度仪 本讲稿第四十九页，共五十页核素显像仪器，核素显像仪器，放射性分布图像放射性分布图像本讲稿第五十页，共五十页