第一章 核物理基础 教学版核医学与核药学教学学习课件

第一章第一章 核物理基础核物理基础 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 。 二 . 放射性核素的原子核不稳定因素 只有两种力平衡原子核才是稳定的 三 .影响原子核平衡力的因素 中子质子比例不平衡，主要发生 衰变； 核子总数过多（ 83），均为放射性核素 ，主要发生 衰变； 核子间的平均结合能小，发生在 、 衰 变过程中。 2 核衰变方式 1.衰变 (alpha decay)： 指母核放出一个 粒子的过程。 发生条件： A160或 Z83 通式： AZX A-4Z-2Y+42He+Q 实例： 22688Ra 22286Rn+4.86Mev 实质： 氦原子核 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 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.衰变 (beta decay) (1) -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+ -+ + Q 实例： 3215P 3216S+0-1e + +1.711 Mev 实质： 负电子 ,高速运动的电子流。 -粒子特性： 射程及 穿透力较 粒子强， 2Mev的 -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 -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)+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 + 衰变的核素都是人工放射性核素 . 通式： AZX AZ-1Y+ +Q 实例： 137N 136C+ +1.190 Mev 实质： 由核内产生的 ,向外发射的正电子 +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 (electron capture decay， 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+Q 实例： 12553I+-e 12552Te(碲 )+0.0355 Mev 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 +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. 跃迁 ( transition) 又称同质异能跃迁 (isomeric transition)： 原子核发生 衰 变、 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 射线，这个过程称为 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： 99MO - 99mTc 99Tc 实质：高速运动的光子流 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 (internal conversion)： 激发态的原子核从激发态跃迁到 基态时不放出 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-t 该式是表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 , 称为衰变常数（ Decay constant）， 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 (ionization and excitation) 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。 。 (二 ) 韧致辐射： -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 -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材料作为屏蔽材 料，比如铝、有机玻璃等。 (三 ) 湮没辐射： +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 -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（ Cerenkov radiation）。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 -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、 射线（ X射线）与物质的相互作用 (一 ) 光电效应 (photoelectric effect)： 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 (Compton effect)： 当光子的能量远大于壳层电子的结合能时， 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， 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 (pair production)： 能量超过 1.02Mev的 射线与物质相互作用， 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 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 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