第一章 核物理基础 教学版-核医学与核药学教学、学习课件PPT课件

第一章核物理基础一.基本概念1、定态：电子在轨道上运行既不吸收也不放出能量的状态。2、基态：能量最低的定态。3、激发态：能量较高的定态。4.核素(nuclide)：具有特定的质量数、原子序数和核能态的原子，称为一种核素。5.元素：凡核内质子数相同的一类原子，称之为一种元素。§1核射线及其与物质的相互作用6.同位素(isotope）凡原子核内质子数相同,而中子数不同的一类原子，彼此互称为同位素,比如：1H、2H、3H互称为同位素,每种同位素也是一种核素。同位素之间具有完全相同的核外电子结构，其宏观化学性质和体内生物学行为基本相同。7.同质异能素(isomer)核内质子数和质量数均相同，但所处能量状态不同的核素。如99Tc与99mTc，111In与111mIn等。 8.放射性核素：指原子核不稳定,易自发地发生核内成分或能态的变化而转变为另一核素，同时释放出一种或一种以上的射线。放射性核素按其来源可分为天然和人工两大类。 9.稳定性核素：一般不会自发地发生核内成份或能态的变化，或者发生的几率极小。在已知的2700多种核素中，稳定性核素不足300种，其余均为放射性核素。§2核衰变方式 1.α衰变(alphadecay)：指母核放出一个α粒子的过程。 发生条件：A>160或Z>83 通式：AZX→A-4Z-2Y+42He+Q 实例：22688Ra→22286Rn+α+4.86Mev 实质：氦原子核 α粒子特性：质量大，电荷多，射程短，穿透力弱，在空气中只能穿透几厘米，一张纸就可屏蔽，因而不适合作核医学显像用。但α粒子对局部的电离作用强，对开展体内恶性组织的放射性核素治疗具有潜在的优势。 2.β衰变(betadecay) (1)β-衰变：指母核放出一个负电子的过程。 发生条件：中子过剩的原子核。 通式：AZX→AZ+1Y+β-++Q 实例：3215P→3216S+0-1e++1.711Mev 实质：负电子,高速运动的电子流。 β-粒子特性：射程及穿透力较α粒子强，2Mev的β-粒子在软 组织中的射程约为2cm，仍不能用于核医学显像，但某些β-核 素可用于核素治疗，如：131I用于治疗甲亢和甲状腺癌，32P可 用于血液和皮肤病的治疗。 (2)β+衰变：指母核放出一个正电子的过程。 发生条件：发生在中子缺乏的核素，也可认为是质子 过剩。发生β+衰变的核素都是人工放射性核素. 通式：AZX→AZ-1Y+β++υ+Q 实例：137N→136C+β++υ+1.190Mev 实质：由核内产生的,向外发射的正电子 β+粒子特性：质量与电荷数与电子相同，只是电荷性质 相反,其射程仅1-2mm即发生湮灭辐射。 (3)电子俘获(electroncapturedecay，EC)：核内的一 个质子可以俘获一个核外电子并发射一个中微子而转 变为一个中子. 发生条件：中子相对过少的放射性核素。 通式：AZX+-e→AZ-1Y+υ+Q 实例：12553I+-e→12552Te(碲)+υ+0.0355Mev 实质：核内一个质子俘获一个电子而转变为中子. 对于贫中子核素:Z较小时β+衰变为主;Z较大时EC为 主;中等Z范围内,各以一定的概率发生. 标识X射线：当发生电子俘获时，由于核外电子壳层缺少一个电子，留下一个空位，使外层电子向内层补充，同时将多余的能量以X线形式放出，称为标识X射线。 俄歇电子：如不足以释放X射线，而是把能量传给壳层电子，使之脱离轨道，形成自由电子，称为“俄歇电子”。3.γ跃迁(γtransition)又称同质异能跃迁(isomerictransition)：原子核发生α衰变、β衰变后的子核吸收衰变能处于激发态，激发态的子核向基态过渡时将多余的能量以电磁辐射或光子流的形式释放出去，这种电磁辐射或光子流称为γ射线，这个过程称为γ衰变。是一种继发的核衰变。条件：伴随其他衰变继发的发生实例：99MOβ-99mTcγ99Tc实质：高速运动的光子流γ射线特性：射程极大，极强的穿透力，电离能力相对其他射线最弱;内转换(internalconversion)：激发态的原子核从激发态跃迁到基态时不放出γ射线，而将多余的能量直接交给核外壳层电子，使之成为自由电子的过程称之为内转换，该自由电子称为内转换电子。§3核衰变规律 一、衰变规律：各种放射性核的群体（样品）其总的放射性核的数目N都随时间t按指数规律衰减。 衰变公式：N=Noe-λt 该式是示核衰变的基本公式，适用于任何一种单一存在的放射性核素。 其中,λ称为衰变常数（Decayconstant），他的含义:每一放射性核素在单位时间内发生衰变的几率,是不同核素的特征性参数,其值取决于该核素的核物理性质,单位为1/s,1/min等.二、半衰期 （一）物理半衰期(T1/2)：放射性核素由于衰变,其原子 核数目或活度减少到原来一半所需的时间,用T1/2表示 （二）生物半衰期(Tb)： （三）有效半衰期(Te)： 引入半衰期概念以后，核衰变的公式可改写成： N=Noe-0.693t/T1/2 或A=A0e-0.693t/T1/2 按照这一公式，可根据某种放射性核素的半衰期和其出厂到使用时的间隔时间（t）计算出使用时的放射性活度。 三、放射性活度及其单位 (一)放射性活度 单位时间内核衰变的次数，用dps或dpm来表示。 (二)放射性活度单位：在国际单位制(SI)中，放射性活度专名是贝可勒尔(Bequeral)，简称贝可，符号是Bq，单位是秒-1(s-1)其派生单位有KBq、MBq、GBq和TBq。旧有单位:居里(ci) 1TBq=103GBq=106MBq=109KBq 四、放射性比活度及单位 单位质量（摩尔、容积）物质所含放射性的多少,后者常称为放射性浓度。 单位是MBq/mg、GBq/mg、TBq/g或MBq/mmol、GBq/mmol、MBq/ml。§4核射线与物质的相互作用 一、带电粒子与物质的相互作用 (一)电离与激发(ionizationandexcitation) 电离：指带电粒子与物质相互作用,使物质中的中性原子变成离子对的过程。 激发：如果核外电子所获动能不足以使之成为自由电子，只是从内层跃迁到外层，从低能级跃迁到高能级,这一过程称之激发。 电离密度：单位路径上形成的离子对的数目。它表示的是射线电离作用强弱的量。α>β>γ。 (二)韧致辐射：β-与物质相互作用会受到原子核电场的排斥，将部分能量以电磁辐射或光子流的形式释放出去，这种电磁辐射或光子流称为韧致辐射。韧致辐射的发生几率与带电粒子质量的平方成反比,与β-粒子能量及被作用物质的原子序数的平方成正比。因此，韧致辐射应选用原子序数低的作为屏蔽材料，比如铝、有机玻璃等。 (三)湮没辐射：β+与物质相互作用会受到原子核电场的吸引，正负电子结合后生成一对发射方向相反能量各为0.511Mev的光子，这个过程称为湮没辐射，湮没辐射是PET显像的基础。 (四)吸收和射程 （五）契仑可夫辐射 高能β-通过折射率较大（n＞1）的透明介质时，若其速度大于光在该介质中的相速度，在粒子经过之处，将沿一定方向发出接近紫外线波长范围的微弱可见光。这种辐射称为契仑可夫辐射（Cerenkovradiation）。辐射强度与带电粒子静止质量无关，而仅取决于粒子的电荷及速度。生物医学中常利用契仑可夫辐射测量中、高能β-射线（如32P）。（六）弹性散射 带电粒子通过物质时因受原子核库仑电场作用而改变本身运动方向，但带电粒子与原子核在相互作用前后总动能保持不变，这一过程称为弹性散射或弹性碰撞。 二、γ射线（X射线）与物质的相互作用 (一) 光电效应(photoelectriceffect)： 光子与物质相互作用，将所有的能量都传给被作用物质原子核的核外电子，使其脱离原子核的束缚成为自由电子，这个自由电子称为光电子，这个过程称为光电效应（由光子到电子）。发射光电子的原子内层电子出现空位，故可发射特征X射线。 发生条件:多发生在低能量：＜0.5MeV （二）康普顿效应(Comptoneffect)： 当光子的能量远大于壳层电子的结合能时，γ光子将其部分能量传给被作用物质原子核的核外电子，使其脱离原子核的束缚成为自由电子，这个自由电子称为康普顿电子，γ射线失去部分能量改变运动方向射出，称为康普顿散射光子，这个过程称为康普顿效应。 发生条件:多发生在中等能量：0.5-1.0MeV (三)电子对生成效应(pairproduction)： 能量超过1.02Mev的γ射线与物质相互作用，γ光子在原子核电场的作用下产生一对正负电子，这种作用称为电子对生成效应，可看作湮没辐射的逆过程。 发生条件:发生在能量足够大的光子：＞1.02MeV γ射线与物质相互作用时产生的光电效应、康普顿效应和电子对生成效应的几率，随γ光子的能量和物质原子序数的不同而不同。其产生的光电子、康普顿电子、生成电子对等次级电子可以进一步引起物质的电离和激发。 三、中子与物质的相互作用 （一）弹性散射（碰撞）：中子将一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，反冲核使物质的其他原子发生电离和激发，而中子本身速度减慢，方向改变，这种现象称为弹性散射。实验表明：中子与其质量相近的原子核碰撞时损失的能量最多（如氢核），所以，中子易于被含氢多的物质如水、石蜡等减速吸收，这中子防护上具有重要意义。 （二）核反应：快中子与物质的原子核作用放出带电粒子而形成新核的过程称为核反应。形成的新核如果是放射性核素则继续衰变放射出β、γ射线，使物质原子产生电离或激发，称为感生放射性。中子与物质相互作用产生核反应是中子反应堆工作的基础，也是中子弹的杀伤因素。比如23Na+10n→24Na+γ可写成23Na(n、γ)24Na等。