医用物理十三章PPT课件

1,第十三章原子核与放射性,一、问题：地球如果成为黑洞的一份子，其体积将有多大？原子核的密度为2.31017kg/m3（黄金的密度为19.3103kg/m3）,你知道为什么会如此之大吗？射线、射线、射线分别指的是什么？对人体有害吗？如何防护？,2,二、学习本章后，我们应该：1、掌握原子核的基本性质和原子核的衰变类型；2、掌握原子核的衰变规律和应用；3、理解射线与物质相互作用的几种形式；4、理解射线剂量的定义及射线的防护方法。,三、重点：原子核的衰变类型及衰变规律四、学时数：56学时,3,第一节原子核的基本性质,一、原子核的组成原子核由核子（质子、中子统称为核子）组成1.质子:质子带正电,其质量mp=1.007277，（1=1.6610-27Kg,称为统一原子质量单位）；2.中子:中子不带电，其质量mn=1.008665；3.原子序数Z：4.质量数A:原子核中质子和中子的总和称为质量数，记作A原子核的质量几乎都是的整数倍，即m=A,4,原子核内的A、Z值和核能态都相同的一类原子称为同一种核素，其表示符号为AZX、或AX如:168O、1H、2H、3H，6.同位素:Z值相同、A值不同的核素，彼此称为同位素，7.同质异能素(isomer):用AXm表示，如：9943Tc、9943Tcm8.同量异位素：A相同、Z不相同的原子，称为同量异位素，如：4018Ar和4020Ca。,5.核素(nuclide):,5,二、原子核的性质,1.原子核的大小和密度原子核的体积正比于原子核的质量数A，原子核的形状近似成球形，其核半径R=R0A1/3R0是常数，R0=1.210-15m。核半径比原子半径小106倍。绿豆大小的核（1mm）其原子半径约为1km。,6,核密度是均匀的，约为：,其值远大于水的密度103kg/m3和白金的密度21.5103kg/m3.原子核是物质高度密集处，为什么？,7,2、核力(nuclearforce)：,核力为什么这么强？核密度为什么这么大？汤川秀树1935年，发表了核力的介子场论，用数学方法预见介子的存在，解释了这些问题，并于1949年获诺贝尔物理奖。自然界只有四种基本相互作用力：即引力、电磁力、弱力与强力,存在于核子间的力称为核力，是短程力（仅在10-15m范围内起作用），是一种强相互作用力，具有饱和性，与核子的带电性无关。,8,3.核能级：原子核和原子一样具有分立的能级，称为原子核能级核能级间可以发生跃迁，跃迁时辐射电磁波（即射线）释放能量。,9,三、原子核结合能和质量亏损,1.结合能：核子结合成原子核的过程中，要释放能量，此能量称为结合能。2.质量亏损(massdefect)：任何原子核的质量都小于组成它的所有核子单独存在时的质量之和，其差值称为质量亏损，用M表示。,10,亏损的质量将转为能量，质能关系：E=MC2=931.5M式中M用统一原子质量单位作单位，能量E以兆电子伏特(MeV)作单位。1质量的物质对应931.5MeV能量,11,3、原子核的稳定性：,现在已知的核素约有2000多种，仅有300多种核素是稳定的，其余皆为不稳定核素。原子核不稳定的因素有：结合能较小的核不稳定，易于分解，A209不稳定；其他不明原因.,不稳定核素将发生核衰变,12,第二节核衰变类型,核衰变（nucleardecay)不稳定核素自发地放出射线变成另一种核素的现象称为原子核衰变，简称核衰变。衰变过程遵守四个守恒定律：质量和能量守恒定律动量守恒定律电荷数守恒定律核子数守恒定律衰变能：如果衰变前后的静止质量不守恒，则衰变前后的质量差值将转化为核衰变时吸收或放出的能量，此能量称为衰变能，记作Q。,13,一、衰变,质量数A超过209的重核不稳定，会自发发射粒子，衰变成A值较小的原子核，这种能发出射线的核衰变称为衰变。粒子即氦核（42He)衰变的过程表示：,在元素周期表内子核Y的位置比母核X前移两位，此即衰变的位移法则。如：,14,3.衰变的衰变图表示,0Mev,3.82d,镭原子核放射出来的粒子具有三种不同的能量；,箭头向左下方指，表示子体核较母体核在元素周期表中前移,15,二、衰变,原子核自发的变成另一种核，其质量数A不变，原子序数在元素周期表中向前或向后移一个位置，此过程，称为衰变。衰变类型：-衰变、衰变、电子俘获1、-衰变当原子核内中子数多于质子数时，原子核会自发发射-粒子，此衰变称为-衰变。,是中微子的反物质,16,-衰变使子核增加了一个质子，子核较母核在元素周期表中后移一位。MO(钼)的衰变表示式为：,-衰变的过程表示：,17,衰变简图：,MO(钼)TC(锝)通常在衰变图上标出的是粒子能量的最大值(、的总值),18,子核较母体核在元素周期表中前移一位。,2、+衰变,在质子数较多的原子核中，若其基态能量较大，其中一个质子会发射一个正电子和一个中微子，变为中子，此衰变称为+衰变。+衰变的过程表示为：,19,正电子,问题：实验中发现-、+粒子的能量是连续分布的，为什么？,+:正电子，是负电子的反物质，当其能量为零时，将与一个负电子结合，变成两个能量均为0.511Mev且飞行方向相反的X光子，此即电子对的湮灭。通过测量X射线可探测+的存在。,20,中微子和反中微子都是非常轻的中性粒子，与其它粒子的相互作用非常弱，历史上曾有“窃贼”之称号，因其与粒子共同分享能量（E+Ee=EMAX），使粒子能量不是理想的离散数值，而是从0到EMAX的连续能谱。,中微子和反中微子,21,3、电子俘获（electroncapture),在质子数较多的原子核中，质子从核外俘获一个电子，发射一个反中微子，转为中子，此衰变过程称为电子俘获，简写为ECEC的过程可表示为：,子核在元素周期表内较母核前移一位。,22,被俘获的电子主要来自核外的K、L层，电子被俘获后将产生子核的标识射线或俄歇电子，,俄歇电子是指某电子跃迁时不辐射标识射线，而将其能量传给同一能级的另一电子，使其成为自由电子，此自由电子即为俄歇电子。,23,三、衰变和内转换,1.衰变原子核内发射射线的衰变方式称为衰变。射线是电磁波，从原子核内发出后，衰变前后A、Z值不改变。,产生原因：核反应或核衰变后新生成的子体核，多处于激发态，不稳定，向基态跃迁时将多余能量以射线的形式释放。,24,2.内转换（internalconversion),25,原子核向基态跃迁时，将多余能量传递给核外某内层轨道电子，使其成为自由电子，此过程称为内转换。产生的自由电子称为内转换电子。内壳层出现空位后还将再产生标识X射线或俄歇电子。,内转换,26,第一、二节小结,原子核的组成,核力,原子核的密度,核能级结合能和质量亏损,原子核的基本性质,核衰变,四个守恒定律,衰变类型,27,第三节核衰变的规律,此即放射性核素的衰变规律,一、衰变规律不稳定核素的衰变率（单位时间内衰变的核数）与现有的原子核个数N成正比，即：,称为衰变常数，=12n对上式积分，并利用初始条件t=0,N=N0,则有：,28,二、半衰期（half-life),所以,放射性核素减少一半所需的时间，称为半衰期用T表示,常见放射性核素的衰变类型及T的值见教材：表14-2,29,1.生物半衰期：非放射性药物进入生物体，体内留存量由于生物代谢减少，减少一半所需的时间称为生物半衰期，用Tb表示，b称为生物衰变常数。2.有效半衰期放射性药物进入生物体后，衰减总速率为：,e=b+称为有效衰变常数，若Te表示生物半衰变期，则：,30,三、平均寿命,10个人的平均寿命（1人活30岁，2个人活了40岁，4个人活了50岁，3个人活了70岁）如何计算？中国人现在的平均寿命为72岁，如何计算？同类放射性核素的平均生存的时间即平均寿命核的数量很多时，利用统计规律可求出某放射性核素的平均寿命：,31,四、放射性活度（radioactivity),单位时间内衰变的原子核数称为放射性活度。用I表示：,I0=N0表示t=0时刻的放射性活度。放射性活度的单位：贝可(Bq)原单位是居里(Ci)1Ci=3.71010Bq物质质量为M，原子的个数N则为：,NA为阿伏加德罗常数，NA=6.021023个/mol,定义式,关系式,32,五、放射系,许多放射性核素衰变后生成的核素仍会再衰变，甚至可延续好几代，形成一个放射性家族，称为放射系。若母体的半衰期很长，子体半衰期较短，当子体核每秒衰变的核数等于它从母体得到补充的核数时，子体的核数不再变化，达到放射平衡。核素发生器，俗称“母牛”,33,第四节射线与物质的相互作用,一、射线1、粒子射线：带电粒子射线：、+、-不带电粒子射线：中子射线2、光子射线：X射线、射线二、带电粒子射线与物质的相互作用1、电离和激发2、散射和轫致辐射,34,1.电离和激发,1.1、直接电离：带电粒子使某个电子脱离原子成为自由电子过程称为直接电离。形成的正、负离子称为离子对。1.2、间接电离：从原子中脱离的电子，因为具有动能仍将与其它原子作用，引起新的电离，这种电离称为间接电离或次级电离。1.3、电离比值（specificionization)：每厘米长的径迹上离子对的数目称为电离比值（又称电离比度）。,35,1.4、影响电离比值大小的量有,a.带电粒子的电荷量Q电荷量大，电离比值大。b.带电粒子的速度v速度小，电离比值大，c.物质的密度物质密度大，电子密度大，粒子射线与电子作用的概率大，电离比值大。,1.5、激发：带电粒子使电子由低能级跃迁到高能级的现象称为激发。激发的结果：产生光子。,36,2、散射和轫致辐射,散射：带电粒子在物质中受原子核静电力的作用而改变方向，此现象称为散射。粒子能量不变，称为弹性散射若粒子能量有损失，称为非弹性散射轫致辐射相关的两个概念：（1）射程（2）吸收,37,（1）射程,粒子在物质中停止运动以前所通过的最大直线距离叫射程。如：粒子的射程：在空气中可达数米，在生物体内有数十毫米。粒子的射程：在空气中可达数厘米，在生物体内为0.30.13mm。（2）吸收射线能量完全丧失时，粒子射线将消失，此即射线被吸收。,38,三、光子射线与物质的相互作用,光子与物质相互作用的主要方式有三种：光电效应、康普顿散射、电子对生成。1.光电效应光电效应的结果产生了：光电子、标识X射线俄歇电子,39,2.康普顿散射,能量较高的光子与自由电子或原子中束缚不太紧的电子作用，把一部分能量传给电子，使其脱离原子成为反冲电子，光子能量减小，以散射光子的形式改变前进方向，这种作用过程称为康普顿散射。康普顿散射的结果产生了：反冲电子、散射光子、标识光子,40,3、电子对的生成,当光子的能量h大于两个电子的静止质量2mec2=1.022MeV时，光子在原子核电场作用下转化为一个正电子和一个负电子，电子的运动方向几乎与光子相同，这种现象称为电子对的生成（electronpairproduction)。,41,3、电子对湮灭,正电子在真空中稳定，在物质中很难存在，当正电子能量为零时会与一个负电子结合，转化为两个能量皆为0.511MeV、飞行方向相反的光子，此现象称为电子对的湮灭(electronpairannihilation).,结果：产生正电子、负电子和两个X光子,42,X、射线与物质的相互作用比较复杂，产生的次级粒子射线及次级光子射线还会与物质作用，发生间接电离和激发。光子与物质作用的三种形式与光子的能量、物质的原子序数Z有关：低能量的光子与高原子序数的物质，以光电效应为主；中等能量的光子以康普顿散射为主；电子对生成主要发生在高能光子与高原子序数的物质中，但在能量极高光子的作用下，较低原子序数的物质中也可发生电子对生成现象。,43,三、中子与物质的相互作用,1、中子的获得：铀裂变时可获取中子：23599U+10n=9038Sr+13654Xe+1010n2、中子分类：慢中子：能量介于0.03100eV热中子：能量小于0.5eV中能中子：能量介于0.5eV10KeV快中子：能量介于10KeV10MeV高能热中子：能量大于10MeV,44,3、中子与物质的相互作用中子主要与原子核发生作用，如：受原子核散射或与原子核发生核反应，引起物质间接电离。4、中子的防护：常用含氢较多的水、石蜡使中子减速且吸收中子，达到防护作用5、中子的医学应用：用中子照射肿瘤疗效优于X、射线；中子活化分析等。,45,第五节辐射剂量与辐射防护,1、电离辐射：粒子、粒子、X射线、射线、中子射线等通过物质时，皆能直接和间接产生电离作用，统称为电离辐射。2、辐射效应：各种电离辐射通过物质时能使物质发生变化，称为辐射效应。,46,3、生物效应：,人体组织吸收电离辐射能量后会产生物理、化学和生物学变化，导致生物组织的损伤，称为生物效应。生物效应的程度是准确评估放射治疗的疗效和副作用的量。下面介绍几个相关的量：剂量：是用来表示人体接受电离辐射的量。,47,一、照射量,X、射线的照射量定义为E=dQ/dm式中dQ是当射线在质量为dm的干燥空气中形成的任何一种符号（正和负）离子的总电量。E的单位为：C/kg，曾用单位为：伦琴（R）1R=2.5810-4C/kg,48,二、吸收剂量,每单位质量的被照物质从电离辐射中所吸收的能量称为吸收剂量，用D表示D=dE/dm单位：J/kg，称为戈瑞（Gy），常用单位有：拉德（rad）1Gy=100rad,49,三、射线品质因数（QF）,根据射线生物效应的强烈程度，引入射线品质因数（QF）,50,四、剂量当量H,剂量当量=吸收剂量品质因数即H=DQF剂量当量H的单位为：希沃特（sv)，常用的单位还有：雷姆（rem)1sv=100rem,51,五、辐射防护,人们在日常生活中一直受到的各种天然射线的照射，称为本底照射，国际上规定：经过长期积累或一次性照射后，对肌体既无损害又不发生遗传危害的最大剂量称为最大允许剂量（MPD）。我国规定的MPD值为每周100mrem,即每年不超过5rem。,52,1.外照射防护,放射源在体外对人体进行的照射称为外照射。对射线的防护：工作时只要带手套就能有效的进行外防护（射程短）；对射线的防护：使用原子序数中等的物质，如用各种塑料和有机玻璃等。对X、射线的防护：用原子序数较大的物质，如铅。,53,2.内照射防护,内照射：放射性核素注入体内进行的照射称为内照射。任何射线的内照射皆应该避免，特别是射线（电离比值大）,混泥土建筑物氡Rn的含量较高，散入空气中，会随尘埃吸入人肺中产生内照射，22286Rn，半衰期为3.82d，产生、衰变，容易引起肺癌。,54,日常生活中接触到的辐射剂量,国家规定安全剂量5mSv/年北京地区天然本底2mSv/年吃食物0.2mSv/年砖制房屋0.4mSv/年乘飞机0.01mSv/小时吸烟20支/天1mSv/年？泥土、空气0.5mSv/年门诊透视0.3mSv/次胸部透视0.1mSv/次消化道造影13.7mSv/次,55,第六节放射性核素在医学上的应用,1、示踪的原理2、放射诊断3、放射治疗,56,第三、四、五节小结,核衰变的规律,衰变常数、半衰期、平均寿命、放射性活度,有效半衰期,射线与物质的相互作用,带电粒子射线,光子射线,中子射线,电离和激发散射和轫致辐射,光电效应康普顿散射电子对生成,粒子射线,电离辐射,照射量吸收剂量剂量当量,防护,作业：P323：1、4、6、7、9、10,57,一、问题,地球如果成为黑洞的一分子，其体积