核医学物理基础

第一章 核医学物理基础,核医学物理基础,第一节原子和原子结构第二节放射性核衰变第三节射线与物质的相互作用第四节辐射剂量与单位,第一节 原子和原子结构,原子由带正电荷的原子核和带负电荷的核外电子（electron）组成原子核由质子（proton）和中子（neutron）组成,同位素 凡原子核具有相同的质子数而中子数不同的元素互为同位素（isotope）同质异能素 核内中子数和质子数都相同但能量状态不同的核素彼此就称为同质异能素（isomer） 99mTc是99Tc的激发态，99mTc与99Tc互为同质异能素,核素 原子核的质子数、中子数和原子核所处的能量状态均相同的原子属于同一种核素(nuclide）,第二节 放射性核衰变,原子核只有在中子和质子的数目之间保持一定的比例，才能稳定结合对于原子量较小的核素，Z/N=1时, 原子核是稳定的当质子数较多时（20），核内质子数过多或过少，或者中子数过少或过多，原子核便不稳定,稳定性核素（stable nuclide）放射性核素（radionuclide）凡原子核具有自发地发生衰变，释放出射线而转变成另一种不稳定的核素或稳定核素的特性的核素，称为-放射性衰变（radiation decay）放射性核素自发地发生衰变释放出射线而转变成另一种不稳定的核素或稳定核素的过程，称为-,一、核衰变方式,（一）衰变（二）衰变（三）正电子衰变（四）电子俘获衰变（五）衰变,（一）衰变（ decay）,不稳定原子核自发地放射出粒子而变成另一个核素的过程称，为衰变粒子是由两个质子和两个中子组成，实际上是氦原子核质量较重的放射性核素大多数能放出射线,粒子的特点,质量大，带2个单位正电荷穿透力弱、射程短，很容易被物质吸收，一张纸就能阻挡粒子的通过能量单一，对局部组织的电离作用强，可以对核素附近的生物组织产生破坏而不损害远处组织在肿瘤的内照射治疗方面具有潜在的优势,（二）-衰变,放射性核素核内放射出-粒子（电子）的衰变发生在质量较轻、中子过多的原子核-衰变时放出一个-粒子（电子）和反中微子，核内一个中子转变为质子,-射线的特点,-射线的本质：高速运动的负电子流衰变能量主要分配给-粒子和反中微子-粒子穿透力弱，不能用于核素显像核素治疗常用-衰变核素,（三）正电子衰变,核内中子缺乏或质子数相对较多，致使放射出正电子的衰变，叫+衰变衰变时发射一个正电子和一个中微子，原子核中一个质子转变为中子正电子衰变的核素都是人工放射性核素,正电子的特点,正电子的射程仅1-2mm与其邻近的电子（- ）发生湮灭辐射在两者湮灭的同时失去电子质量，转变成两个方向相反、能量皆为511keV的光子,湮灭辐射产生的两个方向相反的光子（511keV），能够被正电子发射断层仪（PET）探测，进行正电子断层显像,（四）电子俘获衰变,一个质子俘获一个核外轨道电子转变成一个中子，并放出一个中微子，核外内层轨道电子被俘入核内发生在缺中子的原子核,电子俘获衰变的结果,外层电子向内层补充，两层轨道之间的能量差转换成特征X射线或者将能量传递给一个更外层轨道的电子，使之脱离轨道而释出，成为自由电子，这种电子称为俄歇电子,电子俘获衰变的结果,电子俘获后，有时原子核还具有较高能量处于激发态，放射出射线而回复到基态有的情况下原子核把能量转给一个核外电子，使之发射出去，称内转换电子,特征X射线、射线可用于核素显像内转换电子或俄歇电子可用于核素治疗（如125I等）,（五）衰变,原子核从激发态回复到基态通过发射光子释放过剩能量的过程称衰变核的原子序数和质量均不改，仅能级改变，又称为同质异能跃进,射线的特点,射线的本质是中性的光子流电离能力很小，穿透能力强,衰变与射线应用举例,9942Mo -射线 99m43Tc 射线基态9943Tc99mTc 发生衰变时，发射能量为141keV的纯射线，已广泛用来显像诊断疾病99mTc已广泛用来标记各种显影剂,二、核衰变规律,（一）衰变规律与半衰期（二）放射系列和放射平衡（三）放射性活度,（一）衰变规律与半衰期,放射性核素的衰变与周围环境无关，不是瞬间同时完成的，而是遵循一定的指数规律衰减： N=Noe-t衰变常数，以表示,衰变规律,对整个放射源， 表示发生衰变的原子核数占当时总核数的百分数对单个原子核，表示原子核发生衰变的几率，即可能性,半衰期,衰变速率以物理半衰期（ T1/2）表示 T1/2系指放射性核素从No衰变到No的一半所需的时间与T 1/2之间的关系为= 0.693/ T1/2,半衰期,半衰期较长的核素衰变慢，半衰期较短的核素衰变快衰变常数大的放射性核素衰变快，衰变常数小的衰变慢,半衰期,生物半衰期：进入生物体内的放射性核素或其化合物，由于生物代谢从体内排出到原来的一半所需的时间有效半衰期：物理衰变与生物代谢共同作用。使体内放射性核素减少一半所需要的时间,（二）放射性活度,单位时间内衰变的原子数量称放射性活度（A）放射性活度等于衰变常数与处于某一特定能态的该核素的原子核数目之乘积A=N，也可写成A=Aoe-t,放射性活度,放射性活度是表示单位时间内发生衰变的原子核数.放射性活度的单位:贝可（becquerel Bq）定义为每秒一次衰变.即1Bq=1s-11Ci表示每秒3.71010次核衰变,比活度及放射性浓度,比活度为单位质量或单位摩尔物质中含有的放射性活度.单位是Bq/g,MBq/g,MBq/mol放射性浓度为单位体积溶液中所含的放射性活度,（三）放射系列和放射平衡,放射系列:放出射线而形成衰变的系列连续衰变: 放射性核素子核放射性核素稳定性核素连续衰变、放射系列、天然系列衰变是环境中天然本底辐射来源之一,系列衰变举例,临床核医学使用的99Mo-99mTc发生器99Mo（T1/2=67h）99mTc（T1/2=6.02h ） 99Tc(T1/2=2.12105a)99Ru,三 辐射剂量与单位,照射量：照射量率:吸收剂量：吸收剂量率:,（一）照射量,直接反应X射线或射线对空气的电离能力反映辐射场强度定义：国际制单位：库伦Kg-1适应能量范围：10-3KeV,照射量率,单位时间内的照射量,（二）吸收剂量,反应辐射能量被物质吸收的平均能量定义：国际制单位：Gray（戈瑞，Gy）， 1 Gy=1JKg-1,吸收剂量率,单位时间内的吸收剂量,第三节射线与物质的相互作用,一、带电粒子（，电子，质子）与物质的作用二、光子（X,）与物质的相互作用三、中子与物质的相互作用,当射线通过介质时会与物质发生相互作用, 称射线的物理效应. 是了解辐射生物效应、屏蔽防护与放射性检测、核素显像和治疗的基础,一、带电粒子（，电子，质子）与物质的作用,1.电离作用2.激发作用3.散射作用4.韧致辐射5.吸收作用,1.电离作用,带电粒子作用于物质,使该物质原子失去轨道电子而形成自由电子和正离子入射粒子的电荷量越大，电离作用越强,2.激发作用,原子的电子所获得的能量还不足以使其脱离原子，而只能从内层轨道跳到外层轨道，原子从稳定状态变成激发状态，为激发作用。,3.散射作用,射线由于质量小，行进途中易受介质原子核电场力的作用而改变原来的运动方向，这种现象为散射带电粒子在通过物质时可能经过多次散射,4.韧致辐射,快速电子通过物质时，在原子核电场作用下，急剧减低速度，电子的一部分或全部动能转化为连续能量的X射线发射出来，这种现象称为韧致辐射。它发生概率与电子能量和介质原子序数大小成正比。如X射线球管中的X射线产生过程。,5.吸收作用,射线的能量全部耗尽，传递给通过的物质，射线不再存在，称作物质的吸收作用,二、光子与物质的相互作用,射线和X射线都是中性光子1.光电效应2.康普顿效应3.电子对形成,1.光电效应,光子与原子中内层电子相互作用，将全部能量交给电子，使之脱离原子成为自由的光电子的过程称为光电效应。当光子的能量小于0.5MeV时，在高原子序数的材料中产生光电效应的可能性最大,2.康普顿效应,随着光子能量的增加，光子与原子中的电子作用时，只将部分能量传递给核外电子，使之脱离原子核束缚成为自由电子发射出来，该电子称为Compton电子，而光子本身能量减少，改变方向继续运行,康普顿效应,当光子能量在0.5-1.0MeV之间时，对任何物质来说康普顿效应的发生几率都占主导地位对于软组织而言，光子能量为50-90keV时，光电效应与康普顿效应同等重要康普顿效应的发生率还与材料的Z/A比值和被照射面积成正比，与距离的平方成反比,3.电子对形成,光子在穿过物质时，在与介质原子核电场的相互作用过程中突然消失而产生一对正、负电子，这种作用被称为电子对生成。,电子对形成,只有在射线的能量大于1.02MeV时才可能发生。当光子能量为5-10MeV时，发生在软组织中的主要效应为