第一章、放射性衰变基本知识

1、第一章 放射性衰变基本知识一、原子结构一、原子结构原子结构示意图原子结构示意图1 基本概念基本概念 原子是由原子核和核外电子组成的，原子原子是由原子核和核外电子组成的，原子核带正电，核外电子带负电，整个原子呈电中核带正电，核外电子带负电，整个原子呈电中性的。核外电子在轨道上运动时不吸收也不辐性的。核外电子在轨道上运动时不吸收也不辐射能量的状态称为射能量的状态称为定态定态（Stationary stateStationary state）；）；能量最低的定态称为能量最低的定态称为基态基态（Ground stateGround state）；）；能量较高的定态称为能量较高的定态称为激发态激发态（E

2、xcitedExcited statestate）。）。 原子核是由质子（原子核是由质子（p p）和中子和中子( (n)n)组成的，组成的，质子和中子统称为核子（质子和中子统称为核子（nucleonnucleon），），质子带质子带正电，其电量与电子的电量相等，中子不带电。正电，其电量与电子的电量相等，中子不带电。质子数和中子数之和称为原子核的质量数质子数和中子数之和称为原子核的质量数( (A)A)。二、核素二、核素( (nuclide)nuclide) 具有特定的质量数、具有特定的质量数、原子序数和核能态的原子，统称为核素。原子序数和核能态的原子，统称为核素。可用通式可用通式A AX X表示

3、表示, ,目前已知的元素虽仅目前已知的元素虽仅100100多种，但已知的核素却有多种，但已知的核素却有27002700多种。核素多种。核素可分为稳定性核素与放射性核素二种，其可分为稳定性核素与放射性核素二种，其中绝大多数为放射性核素。中绝大多数为放射性核素。三、同位素（三、同位素（isotopeisotope）凡原子核内质子凡原子核内质子数相同数相同( (原子序数相同原子序数相同),),而中子数不同的而中子数不同的一类原子，彼此互称为同位素一类原子，彼此互称为同位素, , 比如：比如：1 1H H、2 2H H、3 3H H互称为同位素。每种同位素也是互称为同位素。每种同位素也是一种核素。一种

4、核素。四、同质异能素（四、同质异能素（ isomerisomer） 核内质子数核内质子数和中子数均相同，但所处能量状态不同的和中子数均相同，但所处能量状态不同的核素。如核素。如9999TcTc与与9999m mTcTc，99m99mTcTc是处于激发态是处于激发态的原子核，激发态向基态过渡时将放出多的原子核，激发态向基态过渡时将放出多余的能量。余的能量。2 2 核的稳定性和放射性衰变核的稳定性和放射性衰变 一、原子核的稳定性：一、原子核的稳定性：取决核子之间的取决核子之间的引力和短程核力。只有当核子总数以及中引力和短程核力。只有当核子总数以及中子数和质子数的比例在一定的范围内才能子数和质子数的

5、比例在一定的范围内才能使这两种力平衡，原子核才是稳定的。使这两种力平衡，原子核才是稳定的。二、衰变类型二、衰变类型 ( (一一) )衰变衰变( (alpha decay)alpha decay)：指母核放指母核放出一个出一个粒子（氦原子核）的过程。粒子（氦原子核）的过程。 比如比如226226Ra(Ra(镭镭) )衰变式如下：衰变式如下： 226 226RaRa222222Rn+4.86MevRn+4.86Mev粒子的质量大且带电荷，故射程短，粒子的质量大且带电荷，故射程短，穿透力弱，在空气中只能穿透几厘米，一穿透力弱，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张纸就可屏蔽

6、，因而不适合作核医学显像用。但用。但粒子对局部的电离作用强，对开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展体内恶性组织的放射性核素治疗具有潜在的优势。在的优势。 （二）（二）衰变衰变( (beta decay)beta decay) (1)(1)- -衰变：衰变：指母核放出一个负电子的过程指母核放出一个负电子的过程。- -衰变发生在中子过剩的原子核。衰变发生在中子过剩的原子核。比如：比如：3 32 2P(P(磷磷) )衰变式如下：衰变式如下： 3232PP3232S+eS+e-1-1+ e +1.711 Mev + e +1.711 Mev - -衰变时放出一个衰变时放

7、出一个- -粒子和反中微子粒子和反中微子，核内一个中子转变为质子，因而子核比母，核内一个中子转变为质子，因而子核比母核中子数减少核中子数减少1 1，原子序数增加，原子序数增加1 1，原子质量，原子质量数不变。数不变。- -射线的本质是高速运动的电子流射线的本质是高速运动的电子流，- -衰变时，衰变能随机分配给衰变时，衰变能随机分配给- -粒子和粒子和反中微子，因而反中微子，因而- -粒子的能量分布形成连续粒子的能量分布形成连续能谱。能谱。 - -粒子穿透力弱，例如粒子穿透力弱，例如2 2MevMev的的- -粒子在软组粒子在软组织中的射程约为织中的射程约为2 2cmcm，不能用于核医学显像。不

8、能用于核医学显像。某些某些- -核素可用于核素治疗，例如：核素可用于核素治疗，例如：131131I I用于用于治疗甲亢和甲状腺癌，治疗甲亢和甲状腺癌，3232P P可用于血液和皮肤可用于血液和皮肤病的治疗。病的治疗。(2)(2)+衰变：衰变：指母核放出一个正电子的过指母核放出一个正电子的过程。发生在中子相对缺乏的核素，也可认为程。发生在中子相对缺乏的核素，也可认为是质子过剩。比如：是质子过剩。比如：1313N(N(氮氮) )衰变式如下：衰变式如下： 13 13NN1313C+C+ +1.190 Mev +1.190 Mev 衰变时放出一个衰变时放出一个+ +粒子和中微子，核内一粒子和中微子，核

9、内一个质子转变为中子。正电子的射程仅个质子转变为中子。正电子的射程仅1-21-2mmmm即发生湮灭辐射。即发生湮灭辐射。(3)(3)电子俘获电子俘获( (electron capture decayelectron capture decay，EC)EC)核内的一个质子可以俘获一个核外电子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，所并发射一个中微子而转变为一个中子，所形成的子核质量数不变，原子序数少形成的子核质量数不变，原子序数少1 1。 比如比如125125I(I(碘碘) )衰变式如下：衰变式如下： 125 125I+eI+e- -125125Te(Te(碲碲)+)

10、+0.0355 Mev+0.0355 Mev。 原子核发生电子俘获后，外层电子留原子核发生电子俘获后，外层电子留下一个空轨道，更外层电子填补空轨道，下一个空轨道，更外层电子填补空轨道，将多余的能量以电磁辐射或光子流的形式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释放出去，这种电磁辐射或光子流称为“标识标识X X线线” 。（三）（三）跃迁跃迁( ( transition) transition)1 1、同质异能跃迁同质异能跃迁( (isomeric transition)isomeric transition)：原子核原子核发生发生衰变、衰变、衰变后的子核吸收衰变能处

11、于激发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光子流称为射线，这个过程称为射线，这个过程称为衰变。衰变。9999m mTc(Tc(锝锝) )衰变式如下：衰变式如下： 9999m mTcTc9999Tc+Tc+2 2、内转换内转换( (internal conversion)internal conversion)：激发态的原子激发态的原子核从激发态跃迁到基态时不放出核从激发态跃迁到基态时不放出射线，而将多余射线，而将多余

12、的能量直接交给核外壳层电子，使轨道上的电子获的能量直接交给核外壳层电子，使轨道上的电子获得足够能量后脱离轨道成为自由电子称之为内转换得足够能量后脱离轨道成为自由电子称之为内转换，该自由电子称为内转换电子。，该自由电子称为内转换电子。 3 3 核衰变规律核衰变规律一、衰变规律：一、衰变规律：对大量放射性核的群体进对大量放射性核的群体进行研究，发现其衰变遵循一种普遍的衰减行研究，发现其衰变遵循一种普遍的衰减规律，即各种放射性核的群体（样品）其规律，即各种放射性核的群体（样品）其总的放射性核的数目总的放射性核的数目N N都随时间都随时间t t按指数规按指数规律衰减。律衰减。 衰变公式：衰变公式： N

13、=NN=No oe e-t-t 该式是表示核衰变的基本公式，适用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。于任何一种单一存在的放射性核素。 二、半衰期二、半衰期（一）物理半衰期（一）物理半衰期( (T T1/21/2) )：放射性核素由于放射性核素由于衰变衰变, ,其原子核数目或活度减少到原来一半其原子核数目或活度减少到原来一半所需的时间所需的时间, ,用用T T 1/21/2表示。表示。（二）生物半衰期（二）生物半衰期( (Tb)Tb)： 放射性核素由放射性核素由于生物代谢于生物代谢, ,其原子核数目或活度减少到原其原子核数目或活度减少到原来一半所需的时间。来一半所需的

14、时间。（三）有效半衰期（三）有效半衰期( (Te)Te)：放射性核素由于放射性核素由于生物代谢和衰变的共同作用生物代谢和衰变的共同作用, ,其原子核数目其原子核数目或活度减少到原来一半所需的时间。或活度减少到原来一半所需的时间。三者的关系可用下式表示：三者的关系可用下式表示：Te=Te=（T T1/21/2TbTb）（T T1/21/2+Tb+Tb） 引入半衰期概念以后，核衰变的公式引入半衰期概念以后，核衰变的公式可改写成：可改写成： N=N N=No oe e-0.693t/T1/2-0.693t/T1/2 或或A=AA=A0 0e e-0.693t/T1/2-0.693t/T1/2 按照这

15、一公式，可根据某种放射性核按照这一公式，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素的半衰期和其出厂到使用时的间隔时间（t t）计算出使用时的放射性活度。计算出使用时的放射性活度。三、放射性活度及其单位三、放射性活度及其单位 ( (一一) )放射性活度放射性活度 单位时间内核衰变的次数，用单位时间内核衰变的次数，用dpsdps或或dpmdpm来表示。来表示。( (二二) )放射性活度单位：放射性活度单位：在国际单位制在国际单位制( (SI)SI)中 ， 放 射 性 活 度 专 名 是 贝 可 勒 尔中 ， 放 射 性 活 度 专 名 是 贝 可 勒 尔( (Bequeral)Beq

16、ueral)，简称贝可，符号是简称贝可，符号是BqBq，单位单位是秒是秒-1-1( (s s-1-1) )其派生单位有其派生单位有KBqKBq、MBqMBq、GBqGBq和和TBqTBq。 1TBq=10 1TBq=103 3GBq=10GBq=106 6MBq=10MBq=109 9KBqKBq四、放射性比活度：四、放射性比活度：单位质量（摩尔、容单位质量（摩尔、容积）物质所含放射性的多少。积）物质所含放射性的多少。 单位是单位是MBq/mgMBq/mg、GBq/mgGBq/mg、TBq/gTBq/g或或MBq/mmolMBq/mmol、GBq/mmolGBq/mmol、MBq/mlMBq/

17、ml。后者常称后者常称为放射性浓度。为放射性浓度。 4 4 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用( (一一) )电离与激发电离与激发( (ionization and excitation)ionization and excitation)电离：电离：指带电粒子与物质相互作用使物质中的中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。性原子变成离子对的过程。激发：激发：如果核外电子所获动能不足以使之成为自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，从低能级跃迁由电子，只是从内层跃迁到外层，从低能级跃

18、迁到高能级。到高能级。电离密度：电离密度：单位路径上形成的离子对的数目。它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。表示的是射线电离作用强弱的量。（二）韧致辐射：（二）韧致辐射：- -与物质相互作与物质相互作用会受到原子核电场的排斥，将部分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致辐射。韧致辐射的发生几率与- -的能量及被作用物质的原子序数成正的能量及被作用物质的原子序数成正比。在实际工作中，为了尽可能地减比。在实际工作中，为了

19、尽可能地减少少射线产生的韧致辐射，应该选用射线产生的韧致辐射，应该选用原子序数低的材料作为屏蔽材料，比原子序数低的材料作为屏蔽材料，比如铝、有机玻璃等。如铝、有机玻璃等。 ( (三三) ) 湮没辐射：湮没辐射：+ +与物质相互作用会受与物质相互作用会受到原子核电场的吸引，正负电子结合成为到原子核电场的吸引，正负电子结合成为一对能量各为一对能量各为0.5110.511MevMev的光子，这个过程的光子，这个过程称为湮没辐射，湮没辐射是称为湮没辐射，湮没辐射是PETPET显像的基础。显像的基础。（四）吸收和射程（四）吸收和射程 ：吸收：吸收：带电粒子引起电离和激发的同时逐带电粒子引起电离和激发的同

20、时逐步损失能量，当其动能全部或接近全部消步损失能量，当其动能全部或接近全部消失时，原来的射线不在存在，这一现象称失时，原来的射线不在存在，这一现象称为射线的吸收。为射线的吸收。射程：射程：射线从入射到完全消失所经过的直射线从入射到完全消失所经过的直线距离称为射线的射程。线距离称为射线的射程。 二、二、射线（射线（X X射线）与物质的相互作用射线）与物质的相互作用( (一一) )光电效应光电效应( (photoelectric effect)photoelectric effect)：光子与物质相互作用，将所有的能量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都传给被作用物质

21、原子核的核外电子，使其脱离原子核的束缚成为自由电，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）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。发射光电子的原子内层电子出现空位，故可发射特征位，故可发射特征X X射线。射线。（二）康普顿效应（二）康普顿效应( (Compton effect)Compton effect)： 当光子的能量远大于壳层电子的当光子的能量远大于壳层电子的结合能时，结合能时，光子将其部分能量传给光子将其部分能量传给被作用物质原子核的核外电子，使其被作用物质原子核的核外电子，

22、使其脱离原子核的束缚成为自由电子，这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，个自由电子称为康普顿电子，射线射线失去部分能量改变运动方向射出，称失去部分能量改变运动方向射出，称为康普顿散射光子，这个过程称为康为康普顿散射光子，这个过程称为康普顿效应。普顿效应。( ( 三三 ) ) 电 子 对 生 成 效 应电 子 对 生 成 效 应 ( ( p a i r p a i r production)production)： 能量超过能量超过1.021.02MevMev的的射线与物质相射线与物质相互作用，互作用，光子在原子核电场的作用下光子在原子核电场的作用下产生一对正负电子，这种作

23、用称为电子产生一对正负电子，这种作用称为电子对生成效应。对生成效应。1.021.02MevMev的能量是产生一对的能量是产生一对正负电子的最低极限值。正负电子的最低极限值。 射线与物质相互作用时产生的光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电效应、康普顿效应和电子对生成效应的几率，随的几率，随光子的能量和物质原子序光子的能量和物质原子序数的不同而不同。数的不同而不同。 一般而言，低能一般而言，低能射线通过高原射线通过高原子序数物质时以光电效应为主；中能子序数物质时以光电效应为主；中能射线通过低原子序数物质时以康普射线通过低原子序数物质时以康普顿效应为主；而高能顿效应为主

24、；而高能射线通过高原射线通过高原子序数物质时以电子对生成效应为主。子序数物质时以电子对生成效应为主。 射线与物质相互作用产生的射线与物质相互作用产生的光电子、康普顿电子、生成电子对等光电子、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次级电子可以进一步引起物质的电离和激发。和激发。 三、中子与物质的相互作用三、中子与物质的相互作用（一）弹性散射（碰撞）：（一）弹性散射（碰撞）：中子将一部中子将一部分能量传给被碰撞的原子核，使其脱离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，而中子质的其他原子发生电

25、离和激发，而中子本身速度减慢，方向改变，这种现象称本身速度减慢，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（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，这在中子物质如水、石蜡等减速吸收，这在中子防护上具有重要意义。防护上具有重要意义。（二）核反应：（二）核反应：快中子与物质的原快中子与物质的原子核作用放出带电粒子而形成新核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

26、放射出果是放射性核素则继续衰变放射出、射线，使物质原子产生电离射线，使物质原子产生电离或激发，称为感生放射性。中子与或激发，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，也是中子弹的杀应堆工作的基础，也是中子弹的杀伤因素。伤因素。 比如比如2323Na+Na+1 10 0nn2424Na+Na+可可写成写成2323Na(nNa(n、) 24 24Na Na 等等 。5 5 常用辐射量及其单位常用辐射量及其单位一、照射量一、照射量( (exposure)exposure)：是直接度量是直接度量X X、射线对空气电离能力的量，可间接反映射线对空气

27、电离能力的量，可间接反映X X、辐射场的强弱的一种物理量，其定义是：辐射场的强弱的一种物理量，其定义是： X X或或射线在单位质量为射线在单位质量为dmdm的空气中与原子的空气中与原子核相互作用，释放出来的全部正负电子完核相互作用，释放出来的全部正负电子完全被阻止时，所产生的同一种符号的离子全被阻止时，所产生的同一种符号的离子总电荷的绝对值总电荷的绝对值dQdQ与与dmdm之比，即之比，即X=dQ/dmX=dQ/dm。 照射量的照射量的SISI单位为库仑单位为库仑千克千克-1-1。照射。照射量仅适用于能量在量仅适用于能量在1010Kev-3MevKev-3Mev范围内的范围内的X X、射线。射线。二、吸收剂量二、吸收剂量( (absorbed dose)absorbed dose)：单位质量单位质量( (dm) dm) 被照射物质所吸收的任何