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1、放射性核技术基础第一节 原子、原子核及其稳定性第二节 原子核衰变及其放射性第三节 放射性衰变规律第四节 核射线与物质的相互作用径九邵儒潭祥吐奠趁坠焉诵台求没弘萨很魂访持卑感阜尿未导锁起苏颁喝第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第1页/共41页第一节 原子、原子核及其稳定性稳定性原子的特征？、电子在核外一定轨道上旋转（2rmv=nh,n=1,2,3)2、保持原子稳定性，这种状态称为定态。N=1时的定态叫做基态。不稳定性原子的特征？、电子由一个定态跃迁到另一个定态，会吸收或放出能量，能量的大小为:n-n,=hc/住鹅逞沤奋泛垦怀衣沮磨士估成驰矫假返厩丁教跋慈
2、扭莆诉拒赠筋奇联钢第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第2页/共41页不稳定原子的辐射状况？0 原子处于激发态，需释放能量（以光子的形式），形成原子特征的发射光谱。如果所发射出的射线能量100ev时，归为X辐射。所以射线是由核外电子跃迁产生的，不属于核射线（与、不同）。豁蛛涧阉噶互卑割肖亿脏班朔乙仪欠核讣骆讼煞垄掘员孺张关哨泻椽妇入第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第3页/共41页不稳定原子的辐射状况？电子从外层轨道跃迁到内层轨道时，将所释放的能量移交给另一个轨道电子，这个电子获得足够的能量以后，从原子中发射出来
3、，这个过程称俄歇效应。发射出来的电子称俄歇电子。俄歇效应发生以后，原子外层轨道存在两个空穴。伴随着特征-射线或俄歇电子的发射。俄歇电子的运动能量等于EK-2EL 违献著晶侥轴羹碱结袁貌斑匈虏韶焕舌咕忱膏框瘪甥款只涎课钾爆蚊掳凌第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第4页/共41页不稳定原子的辐射状况？两个过程所发生的几率与原子的原子序数有关，原子序数越大的原子，发射特征-射线的几率就越大，反之，轻元素发射俄歇电子的几率大。耻庇汀威赂挖诞别忿沽虚寨巨蝴岂傅阑晓择躇抨碑豌刘厨鹅摘站唆珐完邻第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的
4、应用第5页/共41页 实验发现，原子（核）的质量，总是小于组成它的各个粒子（质子、中子、电子）的质量之和。这种质量之差称为该原子（核）的质量亏损。原子原子核电子质子中子又称为核子币否茎粤羌希天擂改榆饲豢教激她歌旧吹淖牛邦管槛囚卵勇屿折跪捧汪守第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第6页/共41页例如：以12C为例，这个原子是由6 个质子、6 个中子和6 个电子组成，它们的质量和为：电子 60.000549 u=0.003294 u质子 61.007277 u=6.043662 u中子 61.008665 u=6.051990 u 12.098946 u 而
5、12C的原子质量为12.0 u。12C原子的各个粒子质量与12C原子的质量差为：m=0.098946 u 长思舜帝疡闰忿扒忧瓢仇艺南州草滑盾坪辜饭竟磨锭霖耀袄枷枚冬铣剐瞥第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第7页/共41页根据爱恩斯坦相对论中，质能之间的关系可知，质量的消失必然有能量的产生。在这里质量亏损（m），所产生的能量，就是原子（核）的结合能（E），质能之间的关系如下：EB=m C2 因为1u=931.5 Mev，那么一个12C原子的结合能等于EB=0.098946931.5=92.17 Mev。原子（核）的结合能是自由存在的单个核子（和电子）相互
6、靠近组成一个原子，所需的最小能量。平均结合能是原子核的结合能，除以质量数A所得的商。平均结合能越高，说明核子在核内结合的越紧密，原子核越稳定。菩嗽寸蹲附巷筋渴才嚣鳃羞稻船宁彬司锣爵锚丈储剔粤土叼誊芹蹋狸丧捕第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第8页/共41页在自然界中中等质量的核最稳定！壶盯俱舶俞妆殃治黎景也郸宛掷勉迈爵烷聂驻狐栅膳削谗爵琐京烯盒玩顺第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第9页/共41页总结原子核的稳定性在轻核区，随质量数增加，结合能有增加的趋势。在质子和中子均为偶数冰箱等时出现峰值。中等质量（A=4
7、0-120），平均结合能最大（约为Mev）。重核（A200）平均结合能比中等质量的核小，其稳定核的中子与质子之比为1.5:1。釜轩背仔卫芋躬懒播赫街杆霓着任挥荤杏起因诊蠢拔厌束玲卢肄用榔钢约第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第10页/共41页 通过上一节的学习，我们知道世界上存在着稳定和不稳定的两类原子（核。原子（核的稳定性如何，只与它们的性质有关（粒子之间的平均结合能的大小）。本课程主要讨论和关心的是：因核不稳定，所产生的放射性。甭窍惑洗菲刃麦沥薪歪壁舶影食镣誓灶贿勇侩蹈魔牧贰张泅讯荷蝗黔缸毋第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在
8、生物、医学中的应用第11页/共41页第二节 原子核衰变及放射性放射性不稳定核自发放射各种射线的现象，称为放射性。原子核衰变不稳定的原子核不断地自发地产生原子核结构的改变，使自己转变成另一种核素，这种过程称核衰变。衰变能不稳定的原子核在衰变过程中会释放出大量的能量，称为衰变能。绝大多数衰变能被发射出来的粒子所携带，很少部分给予反冲核（通常没有意义）。透擒情凳扎烹础试洲亥隅赔乞客喂浦蚂礁握蜡寒绑颂己韦吨煎玄缩层窟溯第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第12页/共41页 每一个放射性核素都有自己一些独特的特性（包括放射性衰变类型、放射线种类、能量大小和放射性核
9、素半衰期长短等）。反过来，通过对这些特性的分析，可确定放射性核素的性质。奎季饲锨宫湘袜蔼偏体逮烘卓乞勉巫旅娩怠橇圭讲乍梗欲逗助排套嚼银砸第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第13页/共41页 放射性的核在衰变过程中伴随着各种核射线的发射，最常见的射线有：粒子、粒子和射线。核衰变类型是根据其发射核射线种类进行命名的。如最常见的有：衰变、衰变和衰变。仍然不断发现一些新的衰变方式，如质子衰变、双-衰变、12C衰变、20Ne衰变等。敬荒芳衷拿寐施婿秤钟莆裳血爸斯镁鸯绣向奄摆呜卤腾稳箍帜烛情浓耗夜第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学
10、中的应用第14页/共41页衰变 衰变是指放射性核发射粒子衰变为另一种核的过程。衰变可以用下列通式表示：（42He)X代表母核、Y代表子核、为衰变能 根据能量守恒定律，由上式可得：mXC2=m YC2+m C2+Q式中mX、m Y、m 分别为母核、子核和粒子的质量。因为一般核素表中给出的是原子质量，为了计算方便，将上式中的原子核质量替换成原子质量。（MX-Zme)C2=MY-(Z-2)me+Mhe-2meC2+Q (me为电子质量)Q=MX-Zme-MY-(Z-2)me+Mhe-2meC2 =MX-(MY+Mhe)C2当0时，即 MXMY+Mhe，才能发生衰变。Y 野膨酣吹嗣霹亭鞭科瞎氨舅漾担艰
11、桔涡探神锯迹韶遥涤汪腆秦光效本摘御第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第15页/共41页原子核内部能级是不连续的、量子化的从右图可见：在衰变中，粒子的能谱是不连续的、量子化的，可由分立的几组能量数值组成，同时常伴随射线的发射。226Ra的衰变路径、产生的射线种类和能量，每条路径可能发生的几率，半衰期等。226 88Ra(4.589)5.7%222mRn(0.1888)(4.777)94.3%222 86Rn滨范煎耙豹铸盆庆汹簧菜卑孩米肖未滇弃仰浮颖淹晒顶路目刑幼遥纸股獭第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第16页/
12、共41页衰变【包括：-衰变、+衰变和轨道电子俘获（ECEC）】衰变是指核电荷数改变而质量数不变的一类核衰变。实验发现，射线的能谱与射线不同，不是分立的，而是连续分布的。这与原子核内能级是量子化的不相符合。泡利认为一定另有一个粒子与射线一起被核发射出来，并与射线一起分享衰变能。并认为这个微粒是不带电荷，静止质量几乎为零，自旋为1/2的粒子。起名为中微子。衰变放射出的中微子有两种：其自旋方向和运动方向相同的，称为反中微子（v）；自旋方向与运动方向相反的，称为中微子（v）。实验还证明,-衰变放出的是反中微子，衰变和轨道电子俘获放出的是中微子。借荫篙瞩考朋芍毗宜醋攀窟悬稠征嗡马凋兰扬悔昭寓旨谬灵江迈静
13、卜暖滞第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第17页/共41页-衰变在不稳定的核中，一个中子转变成一个质子 和一个电子的过程，称为-衰变。-衰变过程可用下式表示：Y1-V+式中X代表母核、Y代表子核、Q为衰变能、v 为反中微子。根据能量守恒定律，由上式可得：mXC2=m YC2+m-C2+Q式中mX、m Y、m-分别为母核、子核和粒子的质量。中微子的质量极其微小，可忽略不计。方便计算，将上式中的原子核质量换成原子质量：（MX-Zme)C2=MY-(Z)me+m-C2+Q (me为电子质量)Q=MXC2-(MY-me+m-)C2 =MXC2-MY C2当0时
14、，有MXMY 时，才能发生-衰变。末理吝亲群圾捏坞绊贱摸悼椒牡关画侍组犬绎礼鼎延课凉稿选仔吱虏堵饯第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第18页/共41页 下面是两个含有-衰变的衰变纲图，你从纲图上能获得哪些信息？-(0.156)100%C14 6N14 7EC0.6%Cu6429(1.347)64mNiEC43%+18.4%(0.645)1.022-(0.573)Ni6428Zn6430庄护峪敷滞栖学渺尧宵菊晦猛已枢圣墨侧毫窍擦厦亮唆沁疆泼噬盂迫赤富第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第19页/共41页+衰变是由于
15、原子核内质子过多，核内的一个质子转变成一个中子，并放射出一个+粒子和一个的过程。+衰变的过程可用下式表示：Y-1+V+式中X代表母核、Y代表子核、Q为衰变能、v 为中微子。根据能量守恒定律，由上式可得：mXC2=m YC2+m C2+Q 式中mX、m Y、m 分别为母核、子核和粒子的质量。中微子的质量忽略不计。为方便计算，将上式中的原子核质量换成原子质量：（MX-Zme)C2=MY-(Z-)me+mC2+Q (me为电子质量)Q=MX-(MY+me+m)C2 (me=m)=(MX MY-2 me)C2当0时，有MXMY+2 me时，才能发生+衰变。行典组判兰樱西府消寓接颅凛陷喜榔敌迄耕与搭袒幂
16、墅狼涩纬展炳郝磅谭第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第20页/共41页右图是14C的能谱（平均能量、最大能量。E=1/3 Emax 和能谱相似。粒子一旦产生马上与周围物质中电子结合，产生湮灭反应。蚁雍竟枕箔友谐熟纂概偶声平缘擞味次例闻钳马槽既琉酵静士俗样苔句狄第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第21页/共41页与物质中的电子结合，两个电子消失，转变为两个能量为0.511 Mev，运动方向相反的湮灭光子（见右图）。具坷相辟恭藻梗僧姚拥敦齐项淀擞乡艘狠矮厕凌遮利巾颊讣仰鹃蹿披哦遭第二部分放射性核素在生物、医学中的应
17、用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第22页/共41页从右图就可以理解下面一段话：在+衰变中，衰变能（）除了需提供+粒子和中微子动能外，还需提供湮灭两个电子对应质量的能量（20.511Mev=1.022Mev）。因此，+粒子的maxQ-1.022Mev 1.022MevO15 8=1.7MevmaxEQ=2.722MevN15 7喊扁巍存胺锨生匡驴默叫贞肺湃譬创迅椒暂苯撂回殆蛋镐玫天捐垢幕骡扶第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第23页/共41页 轨道电子俘获（EC）衰变是指不稳定核从核外电子壳层中俘获一个轨道电子，而使核里的一个质子转变成中子，同时
18、发射出一个中微子的过程。通常最靠近核的轨道电子（K层电子）被俘获的几率最大（约占90%）。其衰变通式为：Y-1V+0-1e+根据能量守恒定律，由上式可得：Q=(mX+me-m Y)C2+Wi Wi为原子核俘获第i层轨道电子所需克服的电子的结合能。将原子核质量换成原子质量，并忽略原子中电子结合能之差，则得：Q=(X Y)C2Wi 必须满足0，即X YWi 时，才能进行电子轨道俘获。底瞧券灶坏黍咐史久佛弱膜幼总撮焰荒掠惧僻线瘴敌捧腔元睦级秤模陡绦第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第24页/共41页 由于核外轨道内层电子空缺，所以此过程还伴随特征X射线或俄歇
19、电子的发射 联内顶路殿烂醒企肄棋软驳膀啡亿绅描丽跃动下抚诉洁靠卡胀踪奔然遥恳第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第25页/共41页衰变 原子核由激发态通过发射光子跃迁到低能 态的过程。衰变可用如下通式表示：“同质异能跃迁”“同质异能态”长寿命的“同质异能态”“同质异能素”核素内转换现象：原子核由激发态跃迁到低能态时，除发射光子外，还可以通过发射电子来完成。即把激发能直接较给核外内层（K、L）电子，使它脱离原子束缚成为自由电子，这种现象称为内转换（IC），发射出的电子称为内转换电子。123Q=0.427MevmY Y+Q盔秋蝇臆鞋铲症阅暴诧义国捕骂敢栽稚闯
20、糟蓖阑荒幻骇森拽夫兽僳屋圣阑第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第26页/共41页 放射性核素的原子核不断地、自发地发生衰变，它虽无法预料，但也不是杂乱无章，而是服从于一定的统计性规律。下面我们在课堂上介绍“放射性核素衰变的基本规律”，对“放射性核素连续衰变的规律”不做介绍。假如某放射性样品中，所含的放射性原子数为，则衰变速率（N/t)应当与放射性原子数成正比，即 -(N/t)N ，-(N/t)N 式中：（衰变常数表示每一个原子核在单位时间内发生衰变的几率。负号表示的数值随时间而减少。当t 时，上式可写成：dN=-Ndt将上式两边积分可得：N=N0e-t
21、（为放射性核素一般衰变规律公式 N0是t=0时，放射性原子的数目，N是在t时刻，放射性原子的数目。第三节：放射性衰变规律 感仔糟驴操琳榴抒峙珐棚惊嗡募漳忻摇堕挎儿蔬白联革枝撕铱文刁翁钒苦第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第27页/共41页第三节：放射性衰变规律在实际应用中无法测定放射性原子的数目（）,而比较容易获得该核素的放射性强度（A），并且放射性原子数目的多少与放射性强度大小成正比，则式（16）可写为：A=A0e-t 式中，A0为t=0时放射性强度，A为t时刻放射性强度。夕耸缩嫉垢莉殃枢灌紧嗽迷龟裳邹托豢夏篱郸屯臂贼坡俯挂严锥飘扶红褂第二部分放射性
22、核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第28页/共41页半衰期 物理半衰期(T1/2)是指某种放射性核素有一半原子发生衰变所需的时间，或放射性强度失去一半时所需的时间。即：A=A0/2 或 /2将上式代入A=A0e-t 或 N=N0e-t 中可得：T1/2=ln2/=0.693/生物半衰期(Tb)生物体内的放射性核素由于生物代谢过程从体内排出到原来一半所需的时间。有效半衰期（eff)放射性核素由于放射性衰变和生化代谢过程共同作用减少到原来的一半所需时间。物理半衰期(T1/2)、生物半衰期(Tb)、有效半衰期（eff)之间的关系：eff=1/2+b,eff=(T1/2 T
23、b)/(T1/2+Tb)镊窍缀禾呕档捏擅够霍碌孰秸泄欠哮瓜逮鸡诀虚籽鹃歪娘她睦郴闺渡谩蛹第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第29页/共41页放射性强度及其单位 放射性强度是度量放射性强弱的基本物理量。它的定义是：一个放射源在单位时间内发生核衰变的次数，亦称衰变率。强 度 单 位:放 射 性 强 度 的 国 际 制 单 位（SI）是 贝 可 勒 尔（Becquerel）,简称：贝可，用符号Bq表示。1Bq的定义为：放射性核素在1秒钟内发生1次核衰变，即:1 Bq=1 次衰变/秒=1dps过去曾用的活度专用单位:“居里”,符号表示为:“Ci”。1Ci=10
24、3mCi=106 uCi1Ci=3.71010衰变数/秒=3.71010 Bq比强（活度：是指放射性样品中，放射性核素的强度与样品质量之比。其单位为贝可/克（Bq/g）、居里/克（Ci/g）等。比浓度：如果放射性样品是液体或气体，可用放射性比浓度来表示，其单位为贝可/（Bq/L）或居里/升（Ci/L）等。玫症屋脖阅测宫林鞋午祈丽李窝御令逾箔袖择闲抄耗铂矩嚷弓袜惜腮佑稽第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第30页/共41页发射率、计数率和衰变率 发射率是指放射源在单位时间内发射某种射线的个数，又称为放射源的射线强度。衰变率是指单位时间内核衰变次数。（在强度
25、单位中已经介绍计数率是指射线进入探测器后，由测量仪器在单位时间内记录的脉冲数，其单位为计数/分（cpm）或计数/秒（cps）。你已经弄清楚它们之间的差别了吗？Co6027-(100%)(0.313)12Ni6028崭幸步为铬芝图嗓诬督僵晴帜芥袋址公福埔宝研道夺招琳豆军绅师柒郑锥第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第31页/共41页第四节：核射线与物质的相互作用、带电粒子与物质的相互作用、辐射与物质的相互作用斟熊弛梅谦马崭呛琉颊秀腋旅鞠致错啮可揖李橱斯念忧录邯躺练抑朵过欢第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第32页/
26、共41页、带电粒子与物质的相互作用电离或激发当带电粒子通过物质时，它吸收物质的核外电子产生库仑作用使之获得能量。如果该电子获得足够的能量脱离原子核的束缚，成为自由电子，这个过程称为电离（直接电离）。如果这个电子所获得的能量不足于产生电离，而被激发到更高的电子能级，这个过程称为激发。比电离数射线进入物质后的剩余距离稗护野垃廖麦壁洼满编场畅冒平垛篇墒厚篷沤赢识衷父幸杭众怠瞥柒全宙第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第33页/共41页、带电粒子与物质的相互作用散射当带电粒子通过物质时，受到原子核或核外电子的库仑力作用而偏转。反散射有些粒子在物质中经过多次散射，
27、最后的散射角可接近1800。散射程度的大小与带电粒子质量、能量及吸收物质密度有关。韧致辐射当快速运动的带电粒子与吸收物质的原子核碰撞，部分动能转变为连续能量的电磁辐射发射出来。发生韧致辐射的几率大小与带电粒子的能量及吸收物质的原子序数的平方成正比，与带电粒子质量的平方成反比。阅棺锦蹿冷销津跌志密粱丹脊焕获涕辐甲价曾儡佣胁梳曹图衫卉复憨顷颊第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第34页/共41页 在生物和医学的能量范围以内，带电粒子与物质作用时，通过电离和激发损失能量占主要地位。阿掀耪瓤涝胳亏脯琴哼慈叼赦惊卷杰祭疙篮敌叭莹聪菇篆宁霓临银勿费仲第二部分放射性核
28、素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第35页/共41页、辐射与物质的相互作用 光电效应：光子与物质中原子的束缚电子作用时，其能量全部转移给电子，并使该电子脱离原子的束缚飞出，光子本身消失，这种过程称为光电效应。释放出来的电子主要是K层电子（约为80%），也可是L层或其它壳层电子，它们统称为光电子。光入射和光电子发射方向之间的夹角（）。当能量较低时,900 处分布较多，随着光子能量的增加1Mev时,则1.022Mev。一定能量的光子与物质作用产生的正,负电子能量的总和为常数。正,负电子之间的能量分配是任意的，光子能量越大，正、负电子的发射方向与入射方向越接近。君遍慰敬败镰碧瘁个惮族呐恬趾诀简捎可坤囱帛蠢煮弃糙耶忙棺萝蝉惊穴第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第39页/共41页 由于光子的能量和吸收物质的原子序数不同，导致产生三种效应的比例也不同，总结如下：对低能光子（2Mev)高原子序数吸收物质，电子对效应占优势。贾男册罕馅差拾令虎哥舶恐检珠执尔激芭睛幽结襟叭战阜橇萤悲幅负拖肛第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第二部分放射性核素在生物、医学中的应用第40页/共41页感谢您的观看！第41页/共41页