核医学物理简介姚红英.ppt

核医学物理简介 姚红英,第五章 核医学物理,核医学影像 (nuclear medicine imaging)是核医学诊断中的重要技术手段。原子核物理学是它的物理学理论基础 。,一是研究核力、核结构和核反应等基本问题； 二是研究放射性和射线。,研究内容,第一节 原子核的基本性质,第二节 原子核衰变的类型,第三节 原子核衰变的宏观规律,第四节 原子核反应,第五节 医用放射性核素的来源,第五章 核医学物理,第一节 原子核的基本性质,一、核素及分类,二原子核的稳定性,第一节 原子核的基本性质,1. 核素,一、核素及分类,将具有确定数目的中子和质子状态的原子核称为核素(nuclide),是两种不同的核素，它们的A相同，但Z不同,是两种独立的核素，它们的Z相同，但N不同,（1）同位素(isotope),（2）同量异位素(isobar),（3）同质异能素(isomer),99.756%, 0.039%,0.205%,影响原子核稳定的因素,放射性核素(radionuclide):会自发的衰变，放出一些射线.,（1）中子数与质子数之间的比例关系 一般排在周期表最前面的“轻核”的质子数和中子数相等,二、原子核的稳定性,“重核”一般中子数多于质子数,二、原子核的稳定性,二、原子核的稳定性,近300种稳定核素，大多数是偶偶核； 质子数和中子数各自成对时，原子核稳定,（2）核子数的奇偶性,（3）重核的不稳定性,超过83号元素铋的原子核都不稳定,超过92号元素铀的原子核十分不稳定,第二节 原子核衰变的类型,第二节 原子核衰变的类型,放射性核素自发放出射线变为另一种核素的过程称为原子核衰变，简称核衰变。,放射性核素衰变类型,衰变,衰变,衰变,核衰变过程将遵守质量、能量、动量、电荷和核子数守恒定律。,用 代表母核， 代表子核，则衰变反应式为,式中Q是衰变时所放出的能量，称为衰变能。,实验表明，发生衰变的核素中，少数几种核素能够放射出单能的粒子，大多数核素将放射出几种不同能量的粒子，使子核处于激发态或基态。射线的能谱是不连续的线状谱，常伴有射线。,一、衰变,核衰变过程可以用衰变能级图，镭 放出粒子变成氡 ，其过程为,一、衰变,二、衰变,原子核内释放出电子或正电子的衰变过程统称为衰变过程。,子核与母核是相邻的同量异位素。,衰变,衰变,+衰变,电子俘获EC,衰变的三种形式,其一般过程为,反中微子与其他粒子的相互作用极其微弱，它沿地球直径穿过能量几乎没有损失。,式中， 是反中微子，它不带电，其静止质量基本为零。子核与母核是相邻的同量异位素。,二、衰变,1-衰变,和 的衰变,二、衰变,1衰变,+粒子是带1个单位正电荷且静止质量与电子相等的粒子。这种衰变只有在人工放射性核素才能发生。,+衰变实际上是核内质子数偏多而中子数偏少，母核中的一个质子（ ）同时发出一个正电子和中微子转变为一个中子（ ）的过程。,其一般过程为,式中 是中微子，它不带电，其静止质量基本为零。子核和母核也是相邻的同量异位素。,二、衰变,2+衰变,+粒子是不稳定的，只能存在短暂时间，当它被物质阻碍失去动能后，可与物质中的电子相结合而转化成一对沿相反方向飞行的光子，每个光子的能量为0.511MeV，正好与电子的静止质量相对应。,核医学诊断所用的正电子ECT(简称PET)影像设备就是利用该原理而成像。,二、衰变,2+衰变,和 的+衰变图,二、衰变,+,+,3.电子俘获EC,发生衰变的原子核俘获一个核外电子，同时放出一个中微子，使核内一个质子转变为中子的衰变过程称为电子俘获(electron capture, EC)。,衰变时母核俘获一个K层电子称K俘获。有L俘获和M俘获。K层最靠近原子核，K俘获的发生概率最大。,二、衰变,其过程为,一个内层电子被原子俘获后，原子核的外层电子会立即将这一空位填充这个能量以标识X射线的形式放出；或者使另一外层电子电离，成为自由电子，这种被电离出的电子称为俄歇电子(Auger electron)。,二、衰变,3.电子俘获,的电子俘获衰变图,二、衰变,右图放射性核素发生衰变或电子俘获后，母核和子核的质量数并未发生变化，只是电荷数改变了。母核与子核属于同量异位素,3.电子俘获,1. 衰变,原子核从激发态(excited state)回复到基态(ground state)，以发射光子释放过剩的能量，这一过程称为衰变。,激发态的原子核常是在衰变、衰变或核反应之后形成。,射线的本质是中性的光子流。,射线是一种电磁辐射。在放出射线过程中，原子核的质量数和电荷数都不改变，只是核的能量状态发生变化，故跃迁是属于同质异能跃迁。,三、 衰变,例如, 是衰变核素。衰变时放出射线，产生子体放射性核素 ，其半衰期为66.02h。然后， 发射射线回到基态 ，其半衰期为6.02h。,的衰变,三、 衰变,在多数情况下，原子核处于激发态的时间很短暂，无法测出其时间间隔。可认为这两种衰变是同时进行的。,例如， 衰变同时放出射线和 射线。放出一定能量的、单纯衰变核素是核医学显像的最佳选择。,如果用 表示的同质异能素 ， 衰变可用下式表示,三、 衰变,2. 内转换IC,原子核从激发态向低能态跃迁时，并不能够辐射光子，而是将多余能量直接传递给核外内层电子，使其成为自由电子，这种现象称为内转换(internal conversion, IC)。所放出的电子叫内转换电子(internal conversion electron),参与内转换的主要是K层电子，偶然也有L层或其他层电子。内转换发生后，将在原子的K层或L层留下空位，因此，还会有标识X射线或俄歇电子出现，这与电子俘获的情况相同。,三、 衰变,第三节 原子核衰变的宏观规律,第三节 原子核衰变的宏观规律,一、放射性指数衰变规律,二、核衰变有关的物理量,三、放射平衡,四、放射性计数的统计规律,一、放射性指数衰变规律,放射性核素在衰变时都遵循着共同的宏观基本规律,它表明放射性核素衰变是按照指数衰减的规律减少的。,1、衰变常数 ,二、核衰变有关的物理量,2、半衰期 (half life) T1/2,特定能态放射核的数量自发核衰变减少到原来核数一半所需的时间,单位常用年(a)、天(d)、小时(h)、分(min)和秒(s)表示,不同的放射性核素半衰期的差别可能很大,例如，天然铀中的核素,其半衰期为T1/2=4.47109a,核素 的半衰期为T1/2=13h,二、核衰变有关的物理量,2、半衰期 (half life) T1/2,二、核衰变有关的物理量,3、生物衰变常数b,假定由于人体的排泄作用使核素数量的减少也按指数规律变化，这样它也对应一个衰变常数，称为生物衰变常数b,人体内放射性核素总的减少量,dN = -(p + b) N dt= - e N dt,p 为物理衰变常数， e= p + b为有效衰变常数,二、核衰变有关的物理量,物理半衰期,生物半衰期,有效半衰期,有效半衰期比物理半衰期和生物半衰期都短。几种常见的放射性核素的半衰期如下表所示。,二、核衰变有关的物理量,几种放射性核素半衰期,二、核衰变有关的物理量,4、平均寿命,原子核总数一定的放射源，原子核在衰变过程中的平均存在时间称为放射性核素的平均寿命(mean life)，以表示。,它具体反映的是某种放射性核素平均存在的时间，SI单位是秒(s)。,若t时刻母核数为N，则在dt内母核衰减数为-dN，可认为这“-dN”个母核中每个核的寿命都是 。,它们的寿命总和,平均寿命,T =0时，N=N0，t时，N0,单位时间内衰变的原子核数,5、放射性活度,单位,贝可(勒尔) Bq 1Bq=1s-1,居里（1Ci=3.71010Bq）,毫居里(mCi) 微居里(Ci),二、核衰变有关的物理量,(1)当核素一定，一定 AN,在体外测得活度值正比于体内对应位置放射性核素数目，核素显像基本原理之一,(2)两种核素N相同不同,短寿命核素的活度大,(3) A一定,满足体外测量一定活度 放射性核素寿命越短，所需数量N越少,临床应用短寿命核素的原因,二、核衰变有关的物理量,三、放射平衡(radioactive equilibrium),A B C,递次衰变与放射系(radioactive series),对于多代的情况，只要母核半衰期远大于子核，则会出现这种长期平衡。整个系列达到长期平衡时，各代活度均相等。,放射平衡 母核半衰期比子核长得多T1T2，观察时间足够长 t 7T2，子核数目及活度达到饱和，其活度与母核相等。,计数测量对象、环境不变，多次计数测量数值大小在一个数值上下起伏的现象,1.放射性计数的统计涨落,2.放射性计数的统计规律,放射性计数是大量随机事件统计平均的一种结果,计数较大趋向高斯分布,计数频数呈泊松分布,偶然误差的对称分布,四、放射性计数的统计规律,四、放射性计数的统计规律,变异系数CV,一次测量,计数N,标准差s,s和CV反映测量值离散程度,重复测量结果68出现在N-s到N+s之间,一次性计数表示,2.放射性计数的统计规律,第四节 原子核反应,第四节 原子核反应,一、核反应的一般概念,二、中子及分类,三、中子核反应,核反应,具有一定能量的粒子如氦核3He或4He()、 氘核2H(d)、质子(p)、中子(n)、光子()等轰击原子核(靶核)，使之转变为另一原子核,重核裂变(n,f)和核反应堆,重原子核经中子轰击分裂为质量大致相等两部分和到个中子，同时放出大量热量,中子轰击235U反应,一、核反应的一般概念,按入射粒子种类分,中子核反应、质子核反应、光核反应、轻离子核反应、重离子核反应,按入射粒子能量分,按靶核的质量分,轻核反应(A30)、中核反应(3090),低能核反应(1GeV),2. 核反应的类型,一、核反应的一般概念,3.电子对湮灭,衰变中产生的大约在1.5mm之内的范围内与电子发生湮灭。据能量守恒和动量守恒，电子对湮灭过程中，必然产生一对飞行方向相反、能量为0.511MeV的光子即双光子。,所有核反应过程同核衰变一样严格遵守质量(能量)守恒、动量守恒、电荷数守恒等守恒定律,一、核反应的一般概念,二、中子及分类,不带电 穿透强 易衰变(T=12min),热中子(E1eV),中能中子(1eVE0.1MeV),快中子(E0.1MeV),快中子可由易裂变核素 如233U、235U、239Pu 、 241Pu等产生。,热中子的产生:快中子同含有一定量轻原子核(1H、2H、12C、9Be)的物质中的轻原子核碰撞，通过能量传递、速度减慢，直至与周围介质分子热运动达到平衡。,中子性质,分类,三、中子核反应,中子与原子核相互作用,中子核反应,首先获得中子源,自然界不存在自由中子,利用反应堆提供高通量中子流 照射靶材料，引起中子核反应。 可以生产放射性核素,第五节 医学放射性核素的来源,第五节 医学放射性核素的来源,一.反应堆生产放射性核素,二.回旋加速器生产医用放射性核素,三.放射性核素发生器生产医用放射性核素,化学处理后，生产出医用放射性核素,以235U和239Pu为核 燃料的反应堆,(n,f)裂变反应,裂变过程中产 生的中子(n)来 轰击靶物,(n,)、(n,p)、 (n,)、(n,2n)等 核反应,丰中子核素,一.反应堆(nuclear reactor),短和超短寿命贫中子核素,回旋加速器加速,带电粒子p、d、3 He,轰击靶物质,产生核素,化学分离,高纯度的放射性核素,衰变电子俘获,照相机、SPECT和PET显像,二.回旋加速器(cyclotron),以长半衰期