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1、药学物理原子物理第1页，共54页，编辑于2022年，星期二核历史核历史核历史核历史点滴点滴点滴点滴玛丽玛丽玛丽玛丽 居里以自己的勤奋和天赋，在物理学和化学领域，都作出了杰出的贡献，是居里以自己的勤奋和天赋，在物理学和化学领域，都作出了杰出的贡献，是居里以自己的勤奋和天赋，在物理学和化学领域，都作出了杰出的贡献，是居里以自己的勤奋和天赋，在物理学和化学领域，都作出了杰出的贡献，是唯一一唯一一唯一一唯一一位在两个不同学科领域、两次获得诺贝尔奖的著名科学家。位在两个不同学科领域、两次获得诺贝尔奖的著名科学家。位在两个不同学科领域、两次获得诺贝尔奖的著名科学家。位在两个不同学科领域、两次获得诺贝尔奖的
2、著名科学家。发现放射性元素钋发现放射性元素钋发现放射性元素钋发现放射性元素钋(Po)(Po)和镭和镭和镭和镭(Ra)(Ra)。第十四章第十四章 原原 子子 核核最早发现是一个名叫贝克勒尔的人。贝克勒尔发现天然放射性，标志着原子核最早发现是一个名叫贝克勒尔的人。贝克勒尔发现天然放射性，标志着原子核最早发现是一个名叫贝克勒尔的人。贝克勒尔发现天然放射性，标志着原子核最早发现是一个名叫贝克勒尔的人。贝克勒尔发现天然放射性，标志着原子核物理学的开端。因此物理学的开端。因此物理学的开端。因此物理学的开端。因此他和居里夫妇共同获得他和居里夫妇共同获得他和居里夫妇共同获得他和居里夫妇共同获得19031903
3、年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖。19521952年年年年1010月月月月3131日，世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆炸，核当日，世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆炸，核当日，世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆炸，核当日，世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆炸，核当量高达量高达量高达量高达10001000万吨，相当于万吨，相当于万吨，相当于万吨，相当于700700枚广岛原子弹，把一个直径枚广岛原子弹，把一个直径枚广岛原子弹，把一个直径枚广岛原子弹，把一个直径1.61.6公里的小岛活生生地炸公里的小岛
4、活生生地炸公里的小岛活生生地炸公里的小岛活生生地炸没了，燃起火球直径就超过了没了，燃起火球直径就超过了没了，燃起火球直径就超过了没了，燃起火球直径就超过了5 5公里。公里。公里。公里。19671967年年年年6 6月月月月1717日，我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。日，我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。日，我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。日，我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。19641964年年年年1010月月月月1616日，中国第一次将原子核裂变的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。日，中国第一次将原子核裂变的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。日，中国第一次将原子核裂变的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠
5、。日，中国第一次将原子核裂变的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。第2页，共54页，编辑于2022年，星期二 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素 核磁共振核磁共振核磁共振核磁共振 本本 章章 要要 点点第十四章第十四章 原原 子子 核核第3页，共54页，编辑于2022年，星期二第一节 原子核的结构和基本性质一、原子核的组成与质量一、原子核的组成与质量一、原子核的组成与质量一、原子核的组成与质量1.原子核的电
6、荷数原子核的电荷数(nuclear charge)Z:原子序数原子序数(nuclear number)Z：2.核子核子(nucleon):组成原子核的质子和中子组成原子核的质子和中子.原子质量单位原子质量单位(atomic mass unit)u3.原子核的质量和质量数原子核的质量和质量数A:质子质子(proton)：中子中子(neutron)：原子核的质量的近似：原子核的质量的近似：第4页，共54页，编辑于2022年，星期二4.核素核素(nuclide)：一类具有确定的质子数、核子数和能量状态一类具有确定的质子数、核子数和能量状态的中性原子称为核素。用符号的中性原子称为核素。用符号 或或 。
7、同位素同位素(isotope)：同一种元素的核内可以含有多种核子数，即同一种元素的核内可以含有多种核子数，即它们具有它们具有相同的质子数而中子数不同相同的质子数而中子数不同相同的质子数而中子数不同相同的质子数而中子数不同,它们在元素周期表占据它们在元素周期表占据同一位置同一位置,具有相同的化学性质。如氢的同位素具有相同的化学性质。如氢的同位素 。同量异位素同量异位素(isobar)：质量数相同，质子数不同质量数相同，质子数不同质量数相同，质子数不同质量数相同，质子数不同的一类核数。如的一类核数。如 。同核异能素同核异能素(isomer)：质量数和质子数都相同而处在不同能量质量数和质子数都相同而
8、处在不同能量状态的一类核数。如状态的一类核数。如 。同中子异位素同中子异位素(isotone)：中子数相同，质子数不同中子数相同，质子数不同中子数相同，质子数不同中子数相同，质子数不同的一类核数。的一类核数。如如 。第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质第5页，共54页，编辑于2022年，星期二1.质量亏损质量亏损(mass defect):2.结结 合合 能能(binding energy):二、原子核的质量亏损与结合能二、原子核的质量亏损与结合能二、原子核的质量亏损与结合能二、原子核的质量亏损与结合能第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质第6页，共5
9、4页，编辑于2022年，星期二3.3.比结合能比结合能比结合能比结合能(specific binding energy):(specific binding energy):物理意义：物理意义：若把一个核子放入原子核里，则平均释放能量若把一个核子放入原子核里，则平均释放能量。反之若。反之若从核内取出一个核子，则需要克服原子核对核子的引力平均做功从核内取出一个核子，则需要克服原子核对核子的引力平均做功 。因此，。因此，越大，表示核子间结合得越紧密，越大，表示核子间结合得越紧密，的大小可以作为核稳定的大小可以作为核稳定性的量度。性的量度。自然界中各种核的结合能相差甚大，但自然界中各种核的结合能相差
10、甚大，但比结合能却相差不大比结合能却相差不大,如下页图。如下页图。重核裂变：重核裂变：重核裂变：重核裂变：原子弹、原子能反应堆等原子弹、原子能反应堆等轻核聚变：轻核聚变：轻核聚变：轻核聚变：氢弹等氢弹等第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质第7页，共54页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质第8页，共54页，编辑于2022年，星期二1.1.原子核的大小原子核的大小原子核的大小原子核的大小:原子核的密度原子核的密度:核半径比原子半径小核半径比原子半径小106倍。豌豆粒大小的核倍。豌豆粒大小的核(mm)，其原子半径约为，其原子半径
11、约为 km。普通物质的密度普通物质的密度:三、原子核的基本性质三、原子核的基本性质三、原子核的基本性质三、原子核的基本性质第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质第9页，共54页，编辑于2022年，星期二核力：核子之间存在的一种短程强吸引力。核力：核子之间存在的一种短程强吸引力。（1）核力是一种短程力；）核力是一种短程力；（2）核力与电荷无关；）核力与电荷无关；（3）核力是具有饱和性的交换力。）核力是具有饱和性的交换力。2.2.核力核力核力核力(nuclear force)(nuclear force)第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质第10页，共54
12、页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应 有些核素的原子核是不稳定的，能自发地放出由某些离子组成的有些核素的原子核是不稳定的，能自发地放出由某些离子组成的射线后变为另一种核素，这类核素称为射线后变为另一种核素，这类核素称为放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素。如铀，钚等元素周期表中序数较大的元素。放射性，核衰变。如铀，钚等元素周期表中序数较大的元素。放射性，核衰变。衰变的类型衰变的类型衰变的类型衰变的类型 粒子：粒子：核核 粒子：电子；粒子：电子；+粒子：正电子粒子：正电子 光子：能量高于光子：能量高于X射线射线守恒规律：电荷数、质量数、能
13、量、动量和核子数。守恒规律：电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律：电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律：电荷数、质量数、能量、动量和核子数。第11页，共54页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第12页，共54页，编辑于2022年，星期二1.1.衰变衰变衰变衰变:(1)衰变：衰变：质量数质量数A209的放射性核素自发地放射的放射性核素自发地放射 射线而变成射线而变成 另一种核素的现象。另一种核素的现象。(2)衰变过程式衰变过程式:(3)衰变位移法则：衰变位移法则：子核子核Y比母核比母核X 电荷数减少电荷数减少2，核子数减少，核
14、子数减少4，在，在 元素周期表要前移元素周期表要前移2位。位。(4)(4)衰变纲图：衰变纲图：一、一、一、一、放射性衰变放射性衰变放射性衰变放射性衰变第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第13页，共54页，编辑于2022年，星期二2.2.衰变衰变衰变衰变(2)衰变：衰变：(3)+衰变：衰变：(4)电子俘获：电子俘获：(1)衰变：衰变：放射性核素自发地放射放射性核素自发地放射 射线（高速电子）射线（高速电子）或俘获轨道电子而变成另一种核素的现象。或俘获轨道电子而变成另一种核素的现象。(5)俄歇电子俄歇电子(Auger electron)：一个内层电子被俘获后，外层电子一
15、个内层电子被俘获后，外层电子会立即填补这一空位，同时释放能量。这个能量可以发射标识会立即填补这一空位，同时释放能量。这个能量可以发射标识X射线的形式放出，也可以使另一外层电子电离成为自由电子。射线的形式放出，也可以使另一外层电子电离成为自由电子。这种被电离的电子称为俄歇电子。这种被电离的电子称为俄歇电子。第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第14页，共54页，编辑于2022年，星期二(6)能谱图：能谱图：由于由于 衰变过程中有中微子参与，衰变所放出的能量将在电子、中微衰变过程中有中微子参与，衰变所放出的能量将在电子、中微子和子核之间任意分配，因此子和子核之间任意分配，
16、因此 射线的能谱是连续的射线的能谱是连续的射线的能谱是连续的射线的能谱是连续的。N 粒子动能粒子动能 Emax E峰值峰值 粒粒子子数数第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第15页，共54页，编辑于2022年，星期二(1)衰变衰变:同核异能跃迁同核异能跃迁.(2)内转换内转换:在某些情况下在某些情况下,原子核从激发态向低能级的激发态或基态原子核从激发态向低能级的激发态或基态跃迁时跃迁时,不是通过放出光子不是通过放出光子,而是通过核外电子发生能量交换把能量而是通过核外电子发生能量交换把能量交给电子交给电子,使其脱离原子的束缚成为自由电子使其脱离原子的束缚成为自由电子内转
17、换电子内转换电子内转换电子内转换电子。(3)内转换过程中内转换过程中,由于释放电子而在原子的内壳层出现空位，外层电子由于释放电子而在原子的内壳层出现空位，外层电子将会填充这个空位而发射标识将会填充这个空位而发射标识X射线或俄歇电子。射线或俄歇电子。3.3.衰变与内转换衰变与内转换衰变与内转换衰变与内转换第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第16页，共54页，编辑于2022年，星期二(4)衰变纲图：衰变纲图：第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第17页，共54页，编辑于2022年，星期二1.1.核衰变规律核衰变规律核衰变规律核衰变规律:2.2.
18、半衰期半衰期半衰期半衰期(half life):(half life):积分得：积分得：为衰变常数为衰变常数(decay constant)：表示一个原子核单位时间内发生衰表示一个原子核单位时间内发生衰变的概率。变的概率。OtN123二、衰变规律二、衰变规律二、衰变规律二、衰变规律第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第18页，共54页，编辑于2022年，星期二3 3有效半衰期有效半衰期有效半衰期有效半衰期(effective half life period)(effective half life period)4 4平均寿命平均寿命平均寿命平均寿命(mean li
19、fe time)(mean life time)半衰期、平均寿命与衰变常数的关系：半衰期、平均寿命与衰变常数的关系：第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第19页，共54页，编辑于2022年，星期二5.5.放射性活度放射性活度放射性活度放射性活度(radioactivity)(radioactivity)单位：单位：1Bq=1核衰变核衰变/秒秒 1Ci(居里居里)=3.7 1010 Bq 放射源单位时间内发生衰变的母核数，称为放射性活度。放射源单位时间内发生衰变的母核数，称为放射性活度。第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第20页，共54页，编
20、辑于2022年，星期二入入射射粒粒子子靶靶 核核反反 冲冲 核核反应能：反应能：Q=EY+Eb Ea反应后质量亏损：反应后质量亏损：m=(mX+ma)(mY+mb)反应能：反应能：E=mc2，m0，放出能量；，放出能量；m0，吸收能量。，吸收能量。三、人工核反应三、人工核反应三、人工核反应三、人工核反应(artificial nuclear reaction)(artificial nuclear reaction)第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第21页，共54页，编辑于2022年，星期二1.1.中子核反应中子核反应中子核反应中子核反应 (n n,),(),(n
21、 n,p p),(),(n n,),(),(n n,2n2n)2.2.质子核反应质子核反应质子核反应质子核反应 (p p,),(),(p p,n n),(),(p p,)3.3.氘核的核反应氘核的核反应氘核的核反应氘核的核反应 (d d,p p),(),(d d,n n),(),(d d,),(),(d d,3 3HH),(d,),(d,2n2n)4.4.粒子的核反应粒子的核反应粒子的核反应粒子的核反应(,p p),(),(,n n)5.5.光致光致光致光致核反应核反应核反应核反应 (,n n)第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第22页，共54页，编辑于2022年，
22、星期二照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能量；照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能量；照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能量；照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能量；测量照射剂量主要依据在标准状态下干燥空气中测量辐射产生测量照射剂量主要依据在标准状态下干燥空气中测量辐射产生的电离效应，即测量的电离效应，即测量X射线和射线和 射线在单位质量空气中产生的正射线在单位质量空气中产生的正（或负）离子电量来表征（或负）离子电量来表征X射线和射线和 射线的照射量。射线的照射量。单位：单位：C/kg或伦琴或伦琴(R)；1R=2.58104 C/kg第三
23、节第三节 放射性核素放射性核素一、放射线剂量一、放射线剂量一、放射线剂量一、放射线剂量(irradiation dose)(irradiation dose)1.1.照射剂量照射剂量照射剂量照射剂量 (exposure dose)(exposure dose)第23页，共54页，编辑于2022年，星期二吸收剂量是被照射物质单位质量所吸收的电离能量；吸收剂量是被照射物质单位质量所吸收的电离能量；它是衡量单位质量受照射物质吸收辐射能量多少的一个物理量。它是衡量单位质量受照射物质吸收辐射能量多少的一个物理量。单位：单位：J/kg或戈瑞或戈瑞(Gy)；1 Gy=1 J/kg;拉德拉德(rad)；1 G
24、y=100 rad2.2.吸收剂量吸收剂量吸收剂量吸收剂量 (absorbed dose)(absorbed dose)第三节第三节 放射性核素放射性核素第24页，共54页，编辑于2022年，星期二生物体内单位质量的组织，从各种射线中吸收同样多能量，生物体内单位质量的组织，从各种射线中吸收同样多能量，所产生的生物学效应有很大差别，这是因为射线对细胞的损所产生的生物学效应有很大差别，这是因为射线对细胞的损伤，不但与它吸收的能量和产生的离子有关，还与电离的密集伤，不但与它吸收的能量和产生的离子有关，还与电离的密集程度有关。书中程度有关。书中表表14-4 是射线的是射线的RBE。单位：希沃特单位：希
25、沃特(Sv)3.3.生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量第三节第三节 放射性核素放射性核素第25页，共54页，编辑于2022年，星期二 由由表表14-4可可知知,粒粒子子的的RBE=20,粒粒子子的的RBE=1,所所以以甲甲的的肺肺组组织织受受到的等效剂量为：到的等效剂量为：2 10 3 20=4.0 10 2 Sv 同理同理,乙的肺组织受到等效剂量为：乙的肺组织受到等效剂量为：1 10 3 20+1 10 3 1=2.1 10 2 Sv 相比之下，甲受到的辐射影响比乙大。相比之下，甲受到的辐射影响比乙大。例例
26、 有有甲甲、乙乙两两人人,甲甲的的肺肺组组织织受受 粒粒子子照照射射,吸吸收收剂剂量量为为2mGy.乙乙的的肺肺组组织织受受 粒粒子子照照射射,吸吸收收剂剂量量为为1mGy，同同时时还还受受到到 粒粒子子照照射射,吸吸收收剂剂量量也为也为1mGy。试比较这两人所受射线影响的大小。试比较这两人所受射线影响的大小。例例例例解解解解解解第三节第三节 放射性核素放射性核素第26页，共54页，编辑于2022年，星期二（1）最大容许剂量最大容许剂量(maximum permissible dose)放射线虽可用来诊断和治疗疾病，但人体正常组织如果受到过剂放射线虽可用来诊断和治疗疾病，但人体正常组织如果受到
27、过剂量的照射，人体将会受到损害。因此，量的照射，人体将会受到损害。因此，在应用放射线的同时，要在应用放射线的同时，要在应用放射线的同时，要在应用放射线的同时，要注意对它的防护。注意对它的防护。注意对它的防护。注意对它的防护。国际上规定了一个最大的容许剂量国际上规定了一个最大的容许剂量,即经过一次照射成长期积累，即经过一次照射成长期积累，对人体没有损害又不发生遗传危害的最大剂量限值。对人体没有损害又不发生遗传危害的最大剂量限值。从业人员从业人员从业人员从业人员:50 mSv/a;:50 mSv/a;居居居居 民民民民:5 mSv/a.:5 mSv/a.4.4.辐射的防护辐射的防护辐射的防护辐射的
28、防护第三节第三节 放射性核素放射性核素第27页，共54页，编辑于2022年，星期二(2)外照射防护外照射防护 因为不同放射线的性质不同，采取的防护措施也不一样。因为不同放射线的性质不同，采取的防护措施也不一样。因为不同放射线的性质不同，采取的防护措施也不一样。因为不同放射线的性质不同，采取的防护措施也不一样。射线射线的电离能力很强的电离能力很强,但射程短，穿透能力小。但射程短，穿透能力小。由由 射线不可能由体表深射线不可能由体表深入体内，故对外照射只要戴上手套即可入体内，故对外照射只要戴上手套即可;射线和射线和 射线穿透能力强，外照射不容忽视，对射线穿透能力强，外照射不容忽视，对 射线常用含有
29、射线常用含有中等原子序效的物质作屏蔽材料，如各种塑料和有机玻璃。中等原子序效的物质作屏蔽材料，如各种塑料和有机玻璃。射线射线对重原子序数物质易引起起韧致辐射对重原子序数物质易引起起韧致辐射(高速带电粒子急剧减速时高速带电粒子急剧减速时发出的电磁辐射发出的电磁辐射)，后者对人体健康亦不利，故不宜采用。，后者对人体健康亦不利，故不宜采用。射线不射线不存在这一问题，故多用重原子序数物质如铅、混凝土等来屏蔽。存在这一问题，故多用重原子序数物质如铅、混凝土等来屏蔽。第三节第三节 放射性核素放射性核素第28页，共54页，编辑于2022年，星期二除采用屏蔽措施外，还应注意保护环境。对于含有放射性物质除采用屏
30、蔽措施外，还应注意保护环境。对于含有放射性物质除采用屏蔽措施外，还应注意保护环境。对于含有放射性物质除采用屏蔽措施外，还应注意保护环境。对于含有放射性物质的废物，要妥善处理，不要随便弃置。的废物，要妥善处理，不要随便弃置。的废物，要妥善处理，不要随便弃置。的废物，要妥善处理，不要随便弃置。(3)内照射防护内照射防护用放射性核素注入体内进行的照射叫内照射。用放射性核素注入体内进行的照射叫内照射。射线源进入体内，由射线源进入体内，由于其电离比值高，产生电离作用将对人体造成极大危害。故工作时于其电离比值高，产生电离作用将对人体造成极大危害。故工作时要待别防止要待别防止 射线源由呼吸道、食管或外伤伤口
31、进入体内。射线源由呼吸道、食管或外伤伤口进入体内。第三节第三节 放射性核素放射性核素第29页，共54页，编辑于2022年，星期二放射性核素在诊断和治疗方面都有重要应用。体现了现代医学发展水放射性核素在诊断和治疗方面都有重要应用。体现了现代医学发展水平的核医学，在医学诊疗中起着越来越重要的作用。平的核医学，在医学诊疗中起着越来越重要的作用。用放射性核素作为示踪原子，以研究其在体内的分布、转移和代用放射性核素作为示踪原子，以研究其在体内的分布、转移和代谢。并借助它们放出的射线，在体外探查该元素的行踪，这种方谢。并借助它们放出的射线，在体外探查该元素的行踪，这种方法叫法叫示踪原子法示踪原子法示踪原子
32、法示踪原子法。此外还有体外标本测量法和放射自显影。此外还有体外标本测量法和放射自显影。二、放射性核素在医药方面的应用二、放射性核素在医药方面的应用二、放射性核素在医药方面的应用二、放射性核素在医药方面的应用1.1.示踪的原理示踪的原理示踪的原理示踪的原理第三节第三节 放射性核素放射性核素第30页，共54页，编辑于2022年，星期二治疗肿瘤的一种有效的物理疗法，从射线照射方式可分为外照射、治疗肿瘤的一种有效的物理疗法，从射线照射方式可分为外照射、近距离照射和内照射，临床常用的外照射有近距离照射和内照射，临床常用的外照射有60Co60Co治疗机、医用直治疗机、医用直治疗机、医用直治疗机、医用直线加
33、速器和线加速器和线加速器和线加速器和 -刀等刀等刀等刀等。放射诊断主要是指核素成像，是一种利用放射性核素示踪方法放射诊断主要是指核素成像，是一种利用放射性核素示踪方法显示人体内部形态结构的医学影像技术，常见有显示人体内部形态结构的医学影像技术，常见有 照射机、照射机、照射机、照射机、SPECTSPECT和和和和PETPET等。等。等。等。3.3.放射治疗放射治疗放射治疗放射治疗2.2.放射诊断放射诊断放射诊断放射诊断第三节第三节 放射性核素放射性核素第31页，共54页，编辑于2022年，星期二正电子发射型计算机断层正电子发射型计算机断层正电子发射型计算机断层正电子发射型计算机断层(PET)(P
34、ET)原理原理原理原理(1)概念：概念：PET是将发射正电子的同位素药物注入人体之后，探测正电是将发射正电子的同位素药物注入人体之后，探测正电子在体内被电子俘获产生湮灭反应时沿相反方向发出的两个能量为子在体内被电子俘获产生湮灭反应时沿相反方向发出的两个能量为0.511 MeV的光子，从而获得正电子标记药物在体内的三维密度的光子，从而获得正电子标记药物在体内的三维密度分布，以及这种分布随时间变化的信息分布，以及这种分布随时间变化的信息.即一种探测注入体内的即一种探测注入体内的放射性核素放射出的放射性核素放射出的 +产生湮没光子对而实现断层成像。产生湮没光子对而实现断层成像。例例:13N-13C+
35、Q +-2 (能量为能量为能量为能量为 0.511MeV,0.511MeV,方向相反传播的光子方向相反传播的光子方向相反传播的光子方向相反传播的光子 )第三节第三节 放射性核素放射性核素第32页，共54页，编辑于2022年，星期二(2)(2)采用自准直符合探测原理采用自准直符合探测原理采用自准直符合探测原理采用自准直符合探测原理 (1)只有只有 a有信号输出；有信号输出；(2)b、c因不符合对称电路因不符合对称电路,无信无信号输出；号输出；(3)湮没光子位置与产生湮没光子位置与产生 +位置位置接近接近(12mm)探头探头探头探头符符符符 合合合合 电电电电 路路路路湮湮湮湮 没没没没 区区区区
36、输输输输 出出出出探头探头探头探头断断断断 层层层层 面面面面a a a ac c c cb b b b第三节第三节 放射性核素放射性核素第33页，共54页，编辑于2022年，星期二PET正正电电子子同同位位素素由由回回旋旋加加速速器器产产生生，如如采采用用加加速速至至9MeV的的氘氘离离子子束束轰轰击击氖氖气气靶靶产产生生18F，再再经经化化学学合合成成得得到到所所需需药药物物。常常见见PET标记药物及主要用途为：标记药物及主要用途为：同位素同位素半衰期半衰期示踪剂及用途示踪剂及用途11C20.3 m11C 标记的各种氨基酸标记的各种氨基酸,肿瘤定界、分级肿瘤定界、分级13N9.96 mNH
37、3 测量血流，用于局部心肌灌注显像测量血流，用于局部心肌灌注显像15O123 sCO2 测测量量局局部部脑脑血血流流量量；CO 测测量量局局部部脑脑血血容容量量；O2 测测量量心肌氧消耗和氧摄取比；心肌氧消耗和氧摄取比；H2O用于心肌及脑的血流灌注用于心肌及脑的血流灌注18F110 mFDG 研研究究葡葡萄萄糖糖代代谢谢,用用于于神神经经学学、心心脏脏病病学学和和肿肿瘤瘤学学;氟氟多巴多巴FDOPA 诊断帕金森症诊断帕金森症PET PET 示踪药物示踪药物示踪药物示踪药物第三节第三节 放射性核素放射性核素第34页，共54页，编辑于2022年，星期二63岁左侧下喉癌岁左侧下喉癌患者的患者的CT
38、与与PET图图像的融合像的融合第三节第三节 放射性核素放射性核素第35页，共54页，编辑于2022年，星期二CT 与与PET图像融图像融合，确定胸骨上损合，确定胸骨上损伤的位置，同时可伤的位置，同时可见右侧腋窝处有一见右侧腋窝处有一肿大的淋巴结。肿大的淋巴结。第三节第三节 放射性核素放射性核素第36页，共54页，编辑于2022年，星期二 PETPET扫描揭示悲哀时女性脑部扫描揭示悲哀时女性脑部扫描揭示悲哀时女性脑部扫描揭示悲哀时女性脑部(左左左左)比男性脑部比男性脑部比男性脑部比男性脑部(右右右右)更具更具更具更具代谢活性代谢活性代谢活性代谢活性第三节第三节 放射性核素放射性核素第37页，共5
39、4页，编辑于2022年，星期二（1）核子（质子和中子）与电子一样具有自旋，核子（质子和中子）与电子一样具有自旋，与之相联系的有与之相联系的有自旋角动量自旋角动量 和和 自旋磁矩自旋磁矩。第四节第四节 核磁共振核磁共振（2）自旋角动量自旋角动量LI和轨道角动量一样，均服从角动量的普和轨道角动量一样，均服从角动量的普 遍法则，遍法则，LI的大小是量子化的的大小是量子化的I 称为自旋量子数。称为自旋量子数。I 仅有一个值，而且是半整数：仅有一个值，而且是半整数：故故mI称为称为 自旋磁量子数。只能取两个值：自旋磁量子数。只能取两个值：（3）LI在在 Z 轴（外磁场）方向上的投影：轴（外磁场）方向上的
40、投影：故故一、一、一、一、核子的自旋与磁矩核子的自旋与磁矩核子的自旋与磁矩核子的自旋与磁矩第38页，共54页，编辑于2022年，星期二质子和中子自旋角动量质子和中子自旋角动量质子和中子自旋角动量质子和中子自旋角动量自旋量子数：自旋量子数：I=1/2自旋磁量子数：自旋磁量子数：mI=1/2自旋角动量大小：自旋角动量大小：L LI I在在在在 Z Z 轴（外磁场）方向上的投影轴（外磁场）方向上的投影轴（外磁场）方向上的投影轴（外磁场）方向上的投影(简称简称 自旋自旋)第四节第四节 核磁共振核磁共振第39页，共54页，编辑于2022年，星期二原子核内核子的固有角动量和轨道角动量的矢量和。原子核内核子
41、的固有角动量和轨道角动量的矢量和。式中式中 I 为自旋量子数为自旋量子数(spin quantum number)偶偶偶偶-偶核偶核偶核偶核,1212C,C,1616OO等等等等,I I=0=0；奇奇奇奇-偶核偶核偶核偶核,1 1H,H,3131P P等等等等,I I=n n/2,(/2,(n n=1,3,5,)=1,3,5,)；奇奇奇奇-奇核奇核奇核奇核,6 6Li,Li,1414N N等等等等,I I=n n,(,(n n=1,2,3,)=1,2,3,)。二、原子核的自旋与磁矩二、原子核的自旋与磁矩二、原子核的自旋与磁矩二、原子核的自旋与磁矩1.1.原子核的角动量即核自旋原子核的角动量即核
42、自旋原子核的角动量即核自旋原子核的角动量即核自旋(nuclear spin)(nuclear spin)第四节第四节 核磁共振核磁共振第40页，共54页，编辑于2022年，星期二2.2.原子核的自旋角动量在空间某一选定方向原子核的自旋角动量在空间某一选定方向原子核的自旋角动量在空间某一选定方向原子核的自旋角动量在空间某一选定方向(如如如如z z方向方向方向方向)上上上上的投影也是量子化的的投影也是量子化的的投影也是量子化的的投影也是量子化的式中式中 m为磁量子数为磁量子数:m=I，I1，I+1，I。共。共2I+1个可能个可能取值，对应该自旋核在外磁场中有取值，对应该自旋核在外磁场中有2I+1个
43、可能的取向。个可能的取向。第四节第四节 核磁共振核磁共振第41页，共54页，编辑于2022年，星期二 式中式中 N=5.050810 27 J/T为核磁子。为核磁子。质子的质子的g=5.585694772。式中式中 为核自旋磁旋比。为核自旋磁旋比。3.3.原子核的磁矩与原子核的自旋原子核的磁矩与原子核的自旋原子核的磁矩与原子核的自旋原子核的磁矩与原子核的自旋4.4.原子核的总磁矩及其在外磁场的分量也都是量子化的原子核的总磁矩及其在外磁场的分量也都是量子化的原子核的总磁矩及其在外磁场的分量也都是量子化的原子核的总磁矩及其在外磁场的分量也都是量子化的第四节第四节 核磁共振核磁共振第42页，共54页
44、，编辑于2022年，星期二自旋不为零的原子核与外磁场的相互作用，一方面产生核绕自旋不为零的原子核与外磁场的相互作用，一方面产生核绕B的旋进，的旋进，另一方面产生了核的附加能量，造成原子核能级的劈裂。另一方面产生了核的附加能量，造成原子核能级的劈裂。当频率为当频率为10100MHz的射频的射频(radio frequency，RF)电磁波对样品照射电磁波对样品照射，若若RF电磁波的能量刚好等于原子核能级劈裂的能级差，就会出现电磁波的能量刚好等于原子核能级劈裂的能级差，就会出现样品中的原子核强烈地吸收电磁波的能量，从劈裂后的低能级向相邻样品中的原子核强烈地吸收电磁波的能量，从劈裂后的低能级向相邻的
45、高能级跃迁的现象，这就是核磁共振现象中的的高能级跃迁的现象，这就是核磁共振现象中的共振吸收共振吸收共振吸收共振吸收。三、三、三、三、核磁共振核磁共振核磁共振核磁共振1.1.自旋核在磁场中的能级劈裂自旋核在磁场中的能级劈裂自旋核在磁场中的能级劈裂自旋核在磁场中的能级劈裂第四节第四节 核磁共振核磁共振第43页，共54页，编辑于2022年，星期二2.2.劈裂能级间的跃迁劈裂能级间的跃迁劈裂能级间的跃迁劈裂能级间的跃迁（1）磁矩在外磁场作用下产生附加能量）磁矩在外磁场作用下产生附加能量 m 只能取只能取2I+1,对对I=1/2的氢核的氢核 m=1/2、1/2自旋自旋进动进动B自旋自旋进动进动B（2）能
46、级劈裂的间距，即裂距：能级劈裂的间距，即裂距：第四节第四节 核磁共振核磁共振第44页，共54页，编辑于2022年，星期二3.3.核磁（自旋核在磁场中与射频电磁波）共振的条件核磁（自旋核在磁场中与射频电磁波）共振的条件核磁（自旋核在磁场中与射频电磁波）共振的条件核磁（自旋核在磁场中与射频电磁波）共振的条件 即双方最大的交换能量的条件即双方最大的交换能量的条件即双方最大的交换能量的条件即双方最大的交换能量的条件 ：第四节第四节 核磁共振核磁共振第45页，共54页，编辑于2022年，星期二RF角频率角频率原子核的磁旋比原子核的磁旋比,不同不同 的核不同的核不同外磁场强度（外磁场强度（T）只有当只有当
47、RF的角频率的角频率 与外磁场与外磁场B符合拉莫公式，才能发生能符合拉莫公式，才能发生能级级跃迁，跃迁，即共振吸收。即共振吸收。4.4.拉莫（拉莫（拉莫（拉莫（LarmorLarmor）公式）公式）公式）公式第四节第四节 核磁共振核磁共振第46页，共54页，编辑于2022年，星期二1.1.核磁共振谱核磁共振谱核磁共振谱核磁共振谱以发生共振吸收的强度为纵坐标，发生共振的频率（或磁感应强度）为横以发生共振吸收的强度为纵坐标，发生共振的频率（或磁感应强度）为横坐标，绘出一条共振吸收的强度与发生共振的频率（或磁感应强度）标化坐标，绘出一条共振吸收的强度与发生共振的频率（或磁感应强度）标化的曲线，称为的
48、曲线，称为核磁共振波谱核磁共振波谱核磁共振波谱核磁共振波谱，建立在此原理基础上的一类分析方法称，建立在此原理基础上的一类分析方法称为核磁共振谱法为核磁共振谱法为核磁共振谱法为核磁共振谱法。应用最普遍、最重要的是核磁共振谱，它能够提供质子类型及其化学环境、应用最普遍、最重要的是核磁共振谱，它能够提供质子类型及其化学环境、应用最普遍、最重要的是核磁共振谱，它能够提供质子类型及其化学环境、应用最普遍、最重要的是核磁共振谱，它能够提供质子类型及其化学环境、氢分布和核间关系等信息。氢分布和核间关系等信息。氢分布和核间关系等信息。氢分布和核间关系等信息。四、核磁共振谱四、核磁共振谱四、核磁共振谱四、核磁共
49、振谱(NMRS)(NMRS)第四节第四节 核磁共振核磁共振第47页，共54页，编辑于2022年，星期二2.2.化学位移（化学位移（化学位移（化学位移（the chemical shiftthe chemical shift）（1）从公式）从公式 =B0知，同一种核在固定的知，同一种核在固定的B0中，其共振谱线的位中，其共振谱线的位置是唯一的；置是唯一的；实际上，同一种类原子核处于不同的化合物分子中，谱实际上，同一种类原子核处于不同的化合物分子中，谱线位置不同。线位置不同。原因：原因：在在B0中的样品，其自旋核不是孤立的，而是被核外带磁性的电子中的样品，其自旋核不是孤立的，而是被核外带磁性的电子
50、云所包围，即每一个自旋核具有不同的电子环境。使自旋核处于一个磁屏云所包围，即每一个自旋核具有不同的电子环境。使自旋核处于一个磁屏蔽之中，所以蔽之中，所以lamour公式变成：公式变成：=(1 )B0，式中，式中 称屏蔽常数称屏蔽常数(screening constant)与化合物的结构及性质有关。与化合物的结构及性质有关。同类同类同类同类自旋核处于不同的分子之中会有不同的自旋核处于不同的分子之中会有不同的自旋核处于不同的分子之中会有不同的自旋核处于不同的分子之中会有不同的 ，因此它们会有不同的因此它们会有不同的因此它们会有不同的因此它们会有不同的共振频率。共振频率。共振频率。共振频率。第四节第