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1、山东大学课程 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第一节第一节 原子核的结构与基本性质原子核的结构与基本性质一、核的组成一、核的组成质子质子 p +e Z中子中子 n 0 N核核核核子子质量数质量数A=Z+N 核内核子的个数；核内核子的个数；近似计算用近似计算用 Au代替核的质量代替核的质量mn=1.008665u；mp=1.007276u单单位位量量度度为为原原子子质质量量单单位位：1u=1.6605655 10-27 kg 任何一个原子核都任何一个原
2、子核都可以用符号来表示可以用符号来表示 医学物理学1.同位素：同位素：Z相同、相同、N不同；不同；2.化学性质相同；化学性质相同；3.周期表中占同一位置周期表中占同一位置如如2.同量异位素：同量异位素：A 相同，相同，Z 不同的核素不同的核素如如3.同核异能素：同核异能素：A、Z 相同，能量不同的核素相同，能量不同的核素如如4.放射性核素：不稳定的、能自发放出某种射线的核素放射性核素：不稳定的、能自发放出某种射线的核素如如 处于激发态的核处于激发态的核医学物理学二、核的大小和密度二、核的大小和密度原子半径原子半径1010 m核半径核半径试验常数试验常数医学物理学1）核力具有饱和性）核力具有饱和
3、性只能与核内相邻近核子发生核力作用，而邻近核子只能与核内相邻近核子发生核力作用，而邻近核子数是相当有限的，核力具有明显的数是相当有限的，核力具有明显的饱和性饱和性。1、核力的性质、核力的性质(nuclear force)三、原子核的性质三、原子核的性质医学物理学 2）核力是强相互作用核力是强相互作用 每一核子的平均结合能是每一核子的平均结合能是8Mev，而核子间的万，而核子间的万 有引力势能只有有引力势能只有10-36Mev。4）核力是核力是短程力短程力两核子间距大于两核子间距大于10 fm时完全无核力作用；时完全无核力作用；0.82.0 fm时表现为引力；小于时表现为引力；小于0.8 fm时
4、为强烈的斥力作用。时为强烈的斥力作用。3）核力与核子的带电状况无关核力与核子的带电状况无关 质子和质子之间，中子和中子之间，中子和质子质子和质子之间，中子和中子之间，中子和质子之间的核力是相同的。之间的核力是相同的。医学物理学2、原子核是个带电系统原子核是个带电系统具有动量矩和磁矩具有动量矩和磁矩自旋自旋在磁场的作用下，原来的一个能在磁场的作用下，原来的一个能级分裂成几个子能级。级分裂成几个子能级。原子核是一个带正电荷的旋转系统原子核是一个带正电荷的旋转系统3、原子核的能级是分立的。原子核可以处在不同的、原子核的能级是分立的。原子核可以处在不同的能量状态上，即能级上，在外界作用下可以发生核能能
5、量状态上，即能级上，在外界作用下可以发生核能 级的跃迁。级的跃迁。医学物理学 原子核质量原子核质量mX总小于它所包含的质子质量和中总小于它所包含的质子质量和中子质量之和，子质量之和，核子结合成原子核，质量减少了，核子结合成原子核，质量减少了，所减少的质量称为质量亏损。所减少的质量称为质量亏损。孤立核子组成原子核时所放出的能量，称为孤立核子组成原子核时所放出的能量，称为原子核的结合能。原子核的结合能。原原子子核核 质质量量为为mX，包包含含Z个个质质子子和和(A-Z)个个中子，实验表明中子，实验表明 所谓所谓“1+1 2”四、质量亏损和结合能四、质量亏损和结合能医学物理学1.质量亏损质量亏损质量
6、亏损质量亏损M 对应对应核放出的能量（核放出的能量（结结合能）合能）为为2.结合能结合能1u 相应的结合能：相应的结合能：E=1uC2=931.441MeV医学物理学五、原子核的稳定性五、原子核的稳定性结合能表示：结合能表示：核子结合成核时放出的能量；核子结合成核时放出的能量；核的稳定程度。核的稳定程度。平均（比）结合能：平均（比）结合能：例：例：把一个核子放入原子核里，把一个核子放入原子核里，平均释放能量平均释放能量医学物理学原子核的平均结合能曲线原子核的平均结合能曲线医学物理学 为了研究原子核的不稳定性，寻找不稳定性与为了研究原子核的不稳定性，寻找不稳定性与核所包含的质子数和中子数的关系，
7、将核素都标核所包含的质子数和中子数的关系，将核素都标在在核素图核素图(chart of nuclides)上。上。208Pb:N/Z=1.54医学物理学第二节第二节 原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变一、衰变规律一、衰变规律核衰变是一随机过程核衰变是一随机过程 (random process)，所所有核衰变服从同样的统计规律。有核衰变服从同样的统计规律。l衰衰变常量常量表示一个原子核在表示一个原子核在单位位时间内内发生衰生衰变的概率；的概率；1、微分关系、微分关系l若一种核能若一种核能进行几种行几种类型的衰型的衰变：医学物理学2、积分关系、积分关系放射性核素随时间按指数规律衰减放射性核素随时
8、间按指数规律衰减医学物理学二、半衰期和平均寿命二、半衰期和平均寿命1、半衰期、半衰期 T：放射性核数衰减为原有数量的一半所：放射性核数衰减为原有数量的一半所 需的时间需的时间单位：单位：s；min；h；d；a医学物理学例题：例题：131I 用于治疗甲状腺疾病。用于治疗甲状腺疾病。T=8.1d。服用。服用 8.1d、16.2d、60d后，现有核占原有核的百分之几？后，现有核占原有核的百分之几？实际上，还应以实际上，还应以180 天的生物半衰期天的生物半衰期 Tb 逐步排泄。逐步排泄。医学物理学2、平均寿命、平均寿命u放射性核素平均生存的时间；放射性核素平均生存的时间；u一个核衰一个核衰变前存在的
9、前存在的时间（寿命）：（寿命）：0无无 法确定；法确定；u大量核用平均寿命：大量核用平均寿命：dN中的每个核，衰变前存在的时间都是中的每个核，衰变前存在的时间都是 t;dN个核的寿命之和为个核的寿命之和为 t(dN)=tNdt ；N0 个核的寿命个核的寿命总和和为医学物理学为的倒数，的倒数，约比比 T 大大 50%医学物理学生物半衰期生物半衰期 Tb:由于生物代谢核素的排除生物衰变常数为由于生物代谢核素的排除生物衰变常数为b有效衰变常数有效衰变常数有效半衰期有效半衰期例：例：临床上常用临床上常用 59Fe 作血液异常检查。已知作血液异常检查。已知 59Fe T=46.3d,Tb=65d,问服用
10、问服用 13.5d 后，残留于体内的放后，残留于体内的放射性核素的相对量射性核素的相对量 N/N0 为多少？为多少？三、有效半衰期三、有效半衰期医学物理学四、放射性活度四、放射性活度(A)单位时间内衰变的原子核数（放射性强度）单位时间内衰变的原子核数（放射性强度）单位：单位：比活度：单位质量放射源的放射性活度比活度：单位质量放射源的放射性活度医学物理学例题：例题：求求 5q 铀盐铀盐(U3O8)的放射性活度的放射性活度 (TU=4.47109 a)求求 U 在在 U3O8 中所占的百分比中所占的百分比 U分子量分子量=238 U3O 8分子量分子量=2383+168=842求求 5q 铀盐中所
11、含铀盐中所含 U 的质量的质量 m=584.8%=4.24q求铀的原子核数求铀的原子核数 N U 的放射性活度的放射性活度 A=N=52400Bq=1.42Ci摩尔数摩尔数医学物理学 不不稳稳定定的的核核素素自自发发变变化化，转转变变为为另另一一种种核核素素，同时还放出一定的粒子流，这种性质称为同时还放出一定的粒子流，这种性质称为放射性放射性。放射性衰变放射性衰变(radioactive decay)不稳定核素的自发变化，称为原子核的不稳定核素的自发变化，称为原子核的衰变衰变，或称为原子核的放射性衰变。或称为原子核的放射性衰变。衰变过程中释放出来的粒子流称为衰变过程中释放出来的粒子流称为射线射
12、线。具有放射性的同位素，称为具有放射性的同位素，称为放射性同位素放射性同位素。第三节第三节 核衰变方式核衰变方式医学物理学核素核素稳定性核素稳定性核素放射性核素放射性核素天然天然(Z 81)人工人工反应堆、加速器反应堆、加速器遵守遵守 电荷、质量、能量、动量和核子数守恒定律。电荷、质量、能量、动量和核子数守恒定律。衰变能衰变能：依据质能关系式，核衰变前后的质量依据质能关系式，核衰变前后的质量差值，将转变为核衰变过程中所释放的能量。差值，将转变为核衰变过程中所释放的能量。转变为衰变生成的所有粒子的动能。转变为衰变生成的所有粒子的动能。医学物理学一、一、衰衰变和内和内转换处于激发态的原子核，在不改
13、变组成（处于激发态的原子核，在不改变组成（Z Z、N N）的）的情况下，发射情况下，发射射射线线，跃迁到较低能态的现象。跃迁到较低能态的现象。射线即为射线即为光子。光子。1、衰衰变 能量以能量以 射线方式放出射线方式放出同核异能素同核异能素2、内转换、内转换 能量直接传递给内层轨能量直接传递给内层轨道电子（电离），内转换电子道电子（电离），内转换电子医学物理学二、二、衰衰变：放出氦核：放出氦核A 209重核，放射出重核，放射出粒子，粒子，转变为其他核素的其他核素的过程。程。Q主要为主要为粒子的粒子的动能能衰变纲图衰变纲图镭镭氡氡医学物理学1、衰变（天然，人工）衰变（天然，人工）中中子数过多的原
14、子核子数过多的原子核三、三、衰衰变 （包括（包括+、和和K俘获三种方式）俘获三种方式）医学物理学2、+衰变衰变（人工核素）（人工核素）中微子：静止质量为零、自旋中微子：静止质量为零、自旋 的中性粒子，穿的中性粒子，穿 透力极强透力极强 22医学物理学3、电子俘获、电子俘获(electron capture，EC)主要俘获主要俘获K壳层电子；壳层电子；原原子放出标识子放出标识 X 射线谱或俄歇电子。射线谱或俄歇电子。医学物理学第四节第四节 放射平衡和放射性核素来源放射平衡和放射性核素来源放射性平衡放射性平衡ABC母体核母体核子体核子体核孙代子体孙代子体钍，铀，锕，镎系钍，铀，锕，镎系医学物理学核
15、素发生核素发生器器 母牛母牛医学物理学l人工放射性核素来源人工放射性核素来源反应堆：反应堆：把适当的元素或化合物放进反应把适当的元素或化合物放进反应 堆，利用反映堆中的大量中子照堆，利用反映堆中的大量中子照 射，引起核反应。射，引起核反应。加速器：加速器：高速带电粒子轰击核素，引起核高速带电粒子轰击核素，引起核 反应。反应。医学物理学带电粒子与物质发生带电粒子与物质发生3种形式的能量转换：种形式的能量转换：能量转换为激发能和电离能；能量转换为激发能和电离能；轫致辐射；轫致辐射；能量转换为热能（碰撞）。能量转换为热能（碰撞）。一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用第五节第五节
16、射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用医学物理学电离比值电离比值：离子对数离子对数/cm 表示电离本领表示电离本领粒子粒子 质量大（不易散射）；质量大（不易散射）；运动速度慢；运动速度慢；带电量多带电量多1、电离和散射、电离和散射每厘米路径上产生的离子对每厘米路径上产生的离子对医学物理学粒子粒子 质量小，径迹弯曲质量小，径迹弯曲散射散射 非弹性碰撞非弹性碰撞韧致辐射韧致辐射 ；电量电量2ee速度速度慢慢快快电离比值电离比值410450例如：例如：1Mev医学物理学2、射程与吸收规律、射程与吸收规律吸收：吸收：带电粒子通粒子通过物物质时，由于，由于电离、激离、激发、散射和散射和轫致致辐射射损失
17、能量直至停止；失能量直至停止；射程：粒子在物质中被吸收前通过的最大距离。射程：粒子在物质中被吸收前通过的最大距离。粒子：粒子：电离比离比值大，射程短；空气中，几厘米；大，射程短；空气中，几厘米；生物体，几百个微米。生物体，几百个微米。医学物理学粒子：粒子：电离比离比值小、射程小、射程长；比比粒子大粒子大 100多倍；多倍；外照射下危害大。外照射下危害大。径迹：质量小、易被散射，径迹弯曲径迹：质量小、易被散射，径迹弯曲医学物理学二、二、(x)射射线与物与物质的相互作用的相互作用1、光电效应：、光电效应：2、康普顿效应：、康普顿效应：3、电子对生成、电子对生成医学物理学三种作用的发生几率三种作用的
18、发生几率低能：原子序数低能：原子序数Z大，大，光电效应为主；光电效应为主；中能：康普顿散射为主；中能：康普顿散射为主；高能：电子对生成为主。高能：电子对生成为主。医学物理学三、中子与物质的相互作用三、中子与物质的相互作用作用方式：作用方式：散射散射与核碰撞与核碰撞核反冲、中子减核反冲、中子减 速变方向子易被含氢多的物质吸收，水、速变方向子易被含氢多的物质吸收，水、石蜡）石蜡）核反应核反应打出质子或中子、或核发生打出质子或中子、或核发生 星裂高能中子用中等或重原子核的非弹星裂高能中子用中等或重原子核的非弹 性散射来慢化性散射来慢化医学物理学核反应类型：核反应类型：非弹性散射非弹性散射 (n,n)
19、中子发射，能量减小，核处于中子发射，能量减小，核处于激发态；激发态；中子俘获中子俘获(n,)中子留在核内，中子留在核内，结结合能以光子形合能以光子形式式发发射；射；电荷交换电荷交换(n,p)中子留在核内，发射出一个质子。中子留在核内，发射出一个质子。医学物理学第六节：辐射剂量与辐射防护第六节：辐射剂量与辐射防护一、照射量：一、照射量：单位：单位：R照射率：单位时间的照射量照射率：单位时间的照射量dQ为为x和和光子运行在质量为光子运行在质量为dm的干燥空气中所形成的干燥空气中所形成的同一种符号离子的总电量的绝对值的同一种符号离子的总电量的绝对值医学物理学二：吸收剂量：二：吸收剂量：单位质量的被照
20、射物质从射线中吸收的能量值单位质量的被照射物质从射线中吸收的能量值吸收剂量率：单位时间内的吸收剂量吸收剂量率：单位时间内的吸收剂量医学物理学三：剂量当量三：剂量当量表示各种射线或粒子被吸收后引起生物效应的程度，表示各种射线或粒子被吸收后引起生物效应的程度，或对生命组织的危害或对生命组织的危害乘上适当修正系数的吸收剂量乘上适当修正系数的吸收剂量医学物理学四、防护措施：四、防护措施：(1)室内应有良好的通风条件；室内应有良好的通风条件；(2)放放射射源源与与工工作作人人员员之之间间应应保保持持最最大大距距离离；尽尽量量减减少少受受照照射射 的时间。的时间。(3)用铅或其它致密物质来屏蔽用铅或其它致密物质来屏蔽 射线和射线和X射线，中子先用铁射线，中子先用铁 铝慢化，再用水或石蜡来屏蔽中子射线；铝慢化，再用水或石蜡来屏蔽中子射线；(4)采用中等原子序数的物质作为屏蔽材料，铝，玻璃采用中等原子序数的物质作为屏蔽材料，铝，玻璃(5)戴上手套即可戴上手套即可 医学物理学