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1、Basic Physics of Nuclear Zhang Yongxue核医学物理基础6/16/20241几个基本概念几个基本概念或或定义定义Nuclide:具有特定质量数、原子序数与核能态,且半衰期足以能被观测的一类原子。Isotope:Isotope:具具有有相相同同原原子子序序数数，而而质质量量数数不同不同的核素。的核素。Isomer:有相同质量数和原子序数，处于不同核能态的一类核素。6/16/20242Stable&Stable&radionuclide radionuclide前者稳定存在，不会自发地变化后者不稳定，自发放射出射线，转变为另一种核素，是否稳定取决于核内中子与质子比
2、率。P20的核素,n:p 才能稳定。P83的核素，核力不能与质子间的斥力保持平衡，故全是不稳定的放射性核素。P82的核素，天然的放射性核素很少，多由人工生产。6/16/20243核核衰变类型衰变类型（nuclear decay)衰变衰变 核衰变时放射出粒子的衰变。AZX-A-4Z-2Y+42He+Q 4He6/16/20244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。因其射程短，一张纸即可阻挡但粒子的电离能力很强。6/16/20245衰变衰变核衰变
3、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。6/16/20246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-6/16/20247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。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。6/16/20248衰变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+6/16/20249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
4、连续能谱；天然核素不发生衰变，只有人工核素才发生。6/16/202410电子俘获电子俘获(electron capture,EC)electron capture,EC)核衰变时俘获一个轨道电子。它是核内中子数相对不足所致。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。P+e-n特征X线Auger 电子6/16/202411衰变衰变与与内转换衰变是伴随其它衰变而产生；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6/16/202412 射线特性射线为光子流，不带电，穿透力强，电离
5、能力弱；射线在真空中速度为30万km/s。6/16/202413三种三种衰变衰变的的比较比较衰变质量、质子数都变；衰变质子数变，质量数不变；衰变质子、质量数都不变，而能量改变。6/16/202414核核衰变规律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。6/16/202415Decay 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
6、衰变的速度和特性；值值大大衰变衰变快，小则快，小则衰变衰变慢，不受慢，不受任何影响任何影响。6/16/202416衰变公式衰变公式：Nt=Noe-t特性：不同的放射性核素有不同的；共性：任何放射性核素的衰变原子核数目随时间增长按指数规律减少；tNlogNt6/16/202417半衰期半衰期 half lifehalf life 物理物理半衰期半衰期（physical half lifephysical half life，T1/2）在单一的放射性核素衰变过程中，放射性活度降至原来一半所需的时间；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。6/16/202418
7、 0.693 0.693 -0.693t=-T1/2=-A=Aoe-T1/2 T1/2 生物生物半衰期半衰期(biological half life)在某生物体系中，某种指定化学元素的排出速率近似地按指数规律减少时，由于生物过程使其在此系统中减少至一半所需时间。6/16/202419 有效有效半衰期半衰期(effective half life)：当某生物系统中，某种指定的放射性核素的量，由于放射性衰变和生物排出的综合作用，而近似地按指数规律减少时，该核素的量减少一半所需时间。Te=T1/2*Tb/(T1/2+Tb)例：I-131在甲状腺的Te计算，I-131物理T1/2为8.1天，设Tb为
8、天；Te=(8.1x7)/(8.1+7)=3.75天。6/16/202420放射性放射性活度活度 radioactivityradioactivity一定量的放射性核素在一很短的时间间隔内发生核衰变数除以该时间间隔。即单位时间的核衰变数目；A=dN/dt单位：s-1，专用名：贝可（Becquerel，Bq）1Bq=1S-1衍生单位：KBq、MBq、GBq(10亿)、TBq。6/16/202421比放射性与放射性浓度比放射性(specific activity)指单位质量的放射性制剂中的放射性活度，Bq/mol,Bq/g；放射性浓度：单位容积的放射性制剂中的放射性活度,Bq/L；6/16/202
9、422 射线射线与与物质物质的的相互作用相互作用 6/16/202423带电粒子带电粒子电电 离离 与与 激激 发发：（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33.85eV6/16/202424 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)6/16/202425电离密度单位路径形成的离子对数目称为:ionization densityionization
10、 density。表示带电离子电离能力大小；电离密度取决于带电粒子能量、速度与物质密度。带电粒子能量大、速度慢、物质密度低，电离密度则大。6/16/202426轫致轫致辐射辐射 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，部分或全部动能转化为具有连续能谱的轫致辐射；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X6/16/202427散射散射 scatteringscattering入入射射粒粒子子与与粒粒子子或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
11、动动方方向向能能量量不不变变者者为为弹性弹性碰撞。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，发发生生散散射较少射较少。粒子粒子轻，轻，运动运动为曲线，为曲线，散射散射明显。明显。粒子粒子6/16/202428光子光子与与物质物质的相互作用的相互作用 光电光电效益效益(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511keV511keVe+e-自由e6/16/202431中子中子与与物质
12、物质中子通过物质时与原子核相互作用，中子不直接使物质电离。弹弹性性散散射射：中子将部分能量传给被碰撞的原子核，使其脱离电子层而运动形成反冲核,反冲核使物质的其它原子发生电离和激发，而中子本身速度减慢,方向改变,这种现象称为弹性碰撞。中子与质量相近的原子核碰撞时损失的能量最多,而反冲核获得的能量大,故应用水或石蜡作屏蔽，使其减速或吸收。n原子核p,n6/16/202432核反应核反应 Nuclear ReactionNuclear Reaction快中子作用于物质的原子核时，放出带电粒子而形成新的核，新核可能是稳定的核素，也可能是放射性核素，如果是放射性核素，则可继续衰变放出射线，使物质产生电离
13、或激发，这种现象称为感生放射性。23 24 24 Na+n Na Mg+Q 6/16/202433辐射量及其单位我国的法定计量单位是以国际制单位为基础，同时选用了一些非国际制的单位。常用单位：照射量、吸收剂量、剂量当量和有效剂量当量。6/16/202434照射照射量量 exposure直接度量X、射线对空气的电离能力的量。间接反映X、辐射场的强弱；定义：光子在单位质量(dm)的空气中释放出来的全部电子（正、负电子）完全被空气所阻止时，在空气中产生任一种符号的离子总电荷的绝对值（dQ）与空气质量dm的比值。X=dQ/dm 6/16/202435 适用光子能量在几keV-3MeV。单位：库仑.千克
14、(C.kg-1)。照射量率(X)：单位时间的照射量 X=dx/dt C.kg-1.S-1X6/16/202436吸收剂量吸收剂量 absorbed dose单位质量被照射物质吸收任何电离辐射的平均能量。D=D=dEdE/dm/dm单位:J.kg-1 单位名称：Gy1Gy=1J.kg-1吸收剂量率：单位时间的吸收剂量(Gy/s)D=dD/dt。6/16/202437剂量当量剂量当量 dose equivalent组织中某点处的剂量当量是吸收剂量(D)、品质因素Q以及其它修正因数的乘积。H=D.Q.NH=D.Q.N专用名：Sv（Sievert）剂量当量率：Sv/sICRP 60号出版物改为“当量剂量”6/16/202438有效有效剂量当量剂量当量effective dose equivalent修正后的剂量当量。H HE E=T T W WT T H HT T 当受到非均匀性照射时，各组织或器官受到的危险剂量当量与相应的权重因子乘积的总和。ICRP 60号出版物改为“有效剂量”6/16/202439See you to Thursday星期四6/16/202440