基础知识(第23课)(1)

1、一、基础知识一、基础知识第一节第一节 原子核原子核 原子核（nucleus）是由两种质量几乎相等的基本粒子带正电的质子（proton，P）和不带电的中子（neutron，N）组成，质子和中子统称为核子(nucleon)。原子示意图 原子核内质子和中子数目之和即为原子质量数，用A表示。原子核内的质子数（即核电荷数）称为原子序数，用Z表示，原子核内的中子数为A减Z。 国际上通常采用AZX表示各种核素，也常简化为AX，X为某种元素符号，如16O、14N等。 第二节第二节 元素、核素、同位素和元素、核素、同位素和同质异能素同质异能素 元素元素（Element）：原子核内具有相同电荷数的同一类原子称为元

2、素 核素核素（Nuclide）：原子核内质子数、中子数完全相同，并处于同一能量状态的原子，称为一种核素，例如，11H、 21H、31H、22688Ra、99m43Tc，分别为五种不同的核素 同位素同位素（Isotope）：一种元素可以包含多种核素，这些原子核中的质子数都相同，但中子数不相同。 同质异能素同质异能素（Isomer）：两种核素若中子数和质子数都相同，而仅仅是能量状态不同，被称为同质异能素。例如：99mTc与99Tc是同质异能素 第三节第三节 稳定性核素和放射性核稳定性核素和放射性核素素 按原子核稳定与否，核素可分为放射性核放射性核素素和稳定性核素稳定性核素两类，前者如3H、14C、

3、32P及235U等，后者如2H、13C及15N等。据报道，已知的核素约2300种，分别属于100多种元素，其中放射性核素约1500种，农业上应用较多的为五六十种。稳定性核素约300种，在核农学研究中应用的主要是15N 为什么放射性核素会自发的衰变？为什么放射性核素会自发的衰变？ 辐照后的物品是否具有放射性？辐照后的物品是否具有放射性？第四节第四节 核衰变核衰变核衰变方式 衰变（Alpha Decay） 衰变（Beta Decay） 、+衰变 电子俘获（Electron Capture; EC） 跃迁 （ 衰变，Gamma Decay） 作业本质穿透性电离能力速度射线射线射线 粒子粒子是氦原子核

4、是氦原子核 粒子粒子是高速电子是高速电子 射线射线是高能光子是高能光子射射 线线 性性 质质一、 衰变226Ra发生衰变时，一组E 为4.6019MeV，伴有E为0.186MeV的射线；另一组E 为4.7846MeV。 射线具有很强的电离作用和照相作用，而穿透作用很弱，因此实际应用中很少使用衰变体。 原子序数大于82的天然核素绝大部分都作衰变，如226Ra、210Po等。原子序数小于82的只有147Sm、144Nd、180W、190Pt可作，它们的半衰期都很长。 从天然放射性核素放射出来的粒子通常具有49MeV的能量，其速度大约为光速的1/20。射线的电离能力很强，一个粒子在空气中运行1厘米的

5、径迹上可产生4万粒子对。 射线的贯穿能力很小，在空气中射程只有10厘米以下，在生物组织中的射程也只有60100 nm 。因此粒子很容易被其他物质所吸收，如一张薄纸即可把粒子完全吸收掉。二、-衰变 放射线核素自发地发射-粒子的衰变称-衰变。 -粒子实质上是一个负电子。 -衰变发生于中子数相对过多的放射性核素。 这时核内的一个中子可转变为一个质子和一个电子，同时产生一个反中微子。发生衰变时，子核的质量数不变，原子序数增加1。衰变式为：考古炭化粮食炭化粮食炭化粮食碳碳14宇宙射线宇宙射线大气层大气层生物体生物体14C定年技术定年技术 -衰变能以动能的形式分配给三个生成物（子体、 -粒子和 ），由于子

6、体的质量远大于-和，实际上，-衰变能主要分配给-和 。 这种分配是随机的。 一般所说的-射线能量指的是最大值。最大值正好等于衰变能。各种放射线核素发射的-粒子的能量均不相同，但其能谱形状大致相似。实际计算-射线辐射剂量时往往要用平均能量，值约为的最大值0.4左右。连续能谱三、 +衰变 发射+粒子的衰变称为+衰变。 +衰变的核素都是人工放射性核素。 +粒子实质上是一个正电子。 +衰变发生于核内中子数相对过少的放射性核素。三、 +衰变 这时核内的一个质子可以发射一个中微子和一个正电子+ ，并转化为一个中子。 +衰变的衰变能也是随机分配到+粒子和中微子两者间，因此+粒子能谱与-能谱相似，也是连续能谱

7、。 中微子和 -衰变生成的 反中微子 都是核内不带电的中性基本粒子，质量几乎等于零，穿透力极强而不易测知。和互为粒子和反粒子。-四、电子俘获 原子核先从核外较内层的电子轨道上俘获一个电子，使之与一个质子结合转化为中子，同时发射出一个中微子。故子核也是原子序数减少1，质量数不变。由于K层离核最近，K电子被核俘获的几率较其他壳层(L，M，)为大。所以，电子俘获又称K俘获。四、电子俘获 随后由个较外层轨道上的电子跃入内层填补空缺。由于外层电子的能量比内层电子高，多余的能量就以X射线的形式释出，该X射线乃成为该子核的特征X射线。多余的能量也可以传递给更外层的轨道电子，使之脱离轨道而释出，称俄歇电子（A

8、uger Electron）。电子俘获图示X射线俄歇电子俄歇电子五、跃迁 放射性核素经历、- 、+ 、EC衰变后所形成的子核，往往处于激发态。激发态的子核不稳定，当它回到能级较低的激发态或基态时，多余的能量往往以光子的形式从核内释放出来，即放射射线，而核内成分不变。这一过程称为跃迁。五、跃迁 通常原子核处于激发态的时间极其短暂（10-11 s）,因而跃迁几乎伴随、- 、+ 、EC衰变同时发生。也有些原子核衰变时，子体处于激发态的时间较长，可以把衰变的半衰期单独测量出来，这种子核其本身可作为母体，通过跃迁生成质子数和中子数均相同，只是核能态不同的子核。如医学上常用的99mTc. 有时，放射线核衰

9、变后所形成的激发态并不产生光子，而是把由激发态跃迁到亚稳态或基态的能量通过电磁相互作用传递给核外某一壳层（主要是K层电子）的电子，使它脱离原子放射出来，这种电子称为内转换电子。 光子和内转换电子是激发态子核跃迁至较低能级或基态时释放能量的两种基本形式。由于内转换电子的发射，核外电子壳层出现空位，因此，发射内转换电子后，还会发射出特征X射线或俄歇电子。内转换电子图示X射线内转换电子 在、- 、+ 、EC四种衰变类型中，对于某一放射线核素的单个原子来说，只能以其中的一种衰变方式进行衰变，但对于核素的大量原子而言，可能仍以同一种衰变方式衰变，也可能各有不同的衰变方式，并且各占一定的比例。 如32P发

10、射的是纯射线，而64Cu可进行三种方式的衰变，其中-衰变占31%， +衰变占15%，EC占54%。第五节第五节 核衰变定律核衰变定律核衰变定律 放射性原子的衰变并不是同时发生的 ，核衰变的时间有先有后，从t=0到t=都有可能。 核衰变是不稳定核素的特征。 任何一种核素的任何一个原子核衰变都是随机的过程。 大量的原子核来说，其衰变的速度就有一定的规律，即符合统计学规律。核衰变定律图1-8 放射性活度A与半衰期T1/2的关系（Wang C.H.et al., 1975）核衰变定律 核素是否衰变、核衰变速度。 外界因素（温度、压力等） 核素本身所处的状态（游离态或化合态）核衰变定律 半衰期半衰期 物

11、理半衰期(Physical Half Life; T1/2) 生物半排期(Biological Half Life; Tb) 有效半减期(Effectivel Half Life; Teff) bbTTTTT1/21/2eff核素T1/2沉积部位Teff14C570030a脂肪35d14C骨180d32P14.3d骨14d3H12.46a身体19d核衰变定律 衰变常数衰变常数() -放射性核素在单位时间内衰变的原子核数与当时存有的原子核总数呈正比 每一种放射核素都有自己固定的单位时间内衰变百分数 核衰变定律At = Aoe-t T1/2 = 0.693/ Ao为初始时间(t=0)时的放射性活度

12、 At为经过时间t以后的放射性活度 e是自然对数的底数(2.718)。单位 放射性活度放射性活度(Radioactivity) -单位时间内原子核衰变的数量 （简称活度，过去惯称放射性强度） 国际制单位：贝可贝可（Becquerel; Bq） 定义为每秒一次衰变 1Bq 1S-1 居里（Ci），毫居里（mCi）、微居里（Ci）千贝克（kBq）、百万贝可（MBq） 1Ci定义为1g的镭每秒钟衰变的数目 1950年国际上共同规定：1Ci=3.71010Bq=2.21012dpm1Bq=2.70310-11Ci发展历史 天然放射性 1896年，法国物理学家贝克勒尔发现了铀(U)放射现象。 1898年

13、在铀矿物中发现了放射性元素钋和镭。单位 cpm dpm 比活性比活性(Specific Radioactivity)-单位质量物质的放射性活度，单位是Bqg、 Bqmol 放射性浓度放射性浓度(Radioactive Concentration)-为单位体积溶液内所含的放射性活度，单位是Bqml 比活度反映了规定化学形式的物质中放射性核素在其所属的元素的全部原子中所占比例的大小 除放射性核素外，无稳定同位素同时存在者，称无载体无载体(Carrier-free) 若同时存有稳定同位素则称有载体有载体(Carrier-containing)。 完全标记 不完全标记 32P-ATP -32P-ATP

14、第六节第六节 核射线与物质的相互作核射线与物质的相互作用用带电粒子与物质的相互作用电离作用（Ionization） 激发作用（Excitation） 散射作用（Scattering）切伦科夫辐射（Cerenkov Radiation） 韧致辐射（Bremsstrahlung） 湮没辐射（Annihilation Radiation） 吸收作用（Absorption） 电离作用 是指射线使物质中的原子失去轨道电子而形成正负离子对。 电离作用的强弱常用射线在每厘米路程上产生的离子对数来度量 即电离密度（Ionization Density）或比电离（Specific Ionization）。电离作

15、用 一般说，带电粒子的电荷量越大，速度越慢，所经过的介质的密度越大，则比电离越大。所以，粒子的比电离较相当能量的粒子大数百至数千倍。（1 1）电离辐射的发生：）电离辐射的发生： a.带电粒子直接使物质激发、电离带电粒子直接使物质激发、电离激发激发(自由电子，可致间接电离)电离电离致电离辐射致电离辐射(2) 电电离离辐辐射射的的生生物物学学效效应应电离辐射电离辐射生物分子激发、电离生物分子激发、电离 水分子激发、电离水分子激发、电离重排重排重排重排 生物分子损伤生物分子损伤 产生自由基产生自由基 生物分子自由基生物分子自由基继发生物分子损伤继发生物分子损伤生殖细胞生殖细胞 体细胞体细胞代谢损伤代

16、谢损伤异常增殖异常增殖 细胞死亡细胞死亡遗传变异遗传变异 个体疾病、死亡个体疾病、死亡物理阶段物理阶段理化阶段理化阶段化学阶段化学阶段生物阶段生物阶段散射作用 指带电粒子受到物质原子核库仑电场作用而发生方向偏折。散射作用对测量及防护都有一定影响。粒子由于质量大，散射一般不明显。粒子质量远小于粒子，所以当它引起物质电离和激发的同时，本身有明显的散射。 激发作用 指射线使某些原子的轨道电子从低能级跃迁至高能级。当该电子退激时，能量以光子或热能形式释出。 辐照后的物品是否具有放射性？辐照后的物品是否具有放射性？ 为了确保受辐照的物品不会产生感生放射性，必须限制辐照的能量水平 有试验表明，使用加速器，

17、能量在16MeV以下时，所引起的感生放射性可忽略不计，而且放射性的寿命极短。 允许食品辐照的最大能量水平是：电子射线为10MeV；射线和X射线为5MeV。 同位素辐照源60Co和137Cs释放射线的能量不高于1.33MeV，低于引起感生放射性的能量水平。切伦科夫辐射 当高速（1MeV）的带电粒子通过折光系数较大（折射率1）的透明介质时，它的速度有可能大于光在该物质中的传播速度。这时，带电粒子的能量会有一部分以可见光或接近可见光的形式释放出来，这种射线称切伦科夫辐射。切伦科夫辐射 切伦科夫辐射会产生波长为300-700nm的微弱可见光，借助液体闪烁计数器测量其强弱可用以进行高能发射体(如32P、

18、36Cl、42K、86Rb等核素)试样的放射性活度的测定。韧致辐射 粒子在介质中受到阻滞而急剧减速时能将部分能量转化为电磁辐射，即X射线。它发生的机率与粒子的能量及介质的原子序数成正比。 对常用源（Emax1MeV)(1MeV)能产生韧质辐射能产生韧质辐射光子光子带电粒子速度、方向改变韧质辐射韧质辐射散射散射b b粒子粒子（高原子序数金属）（穿透力强）防护提示：遮挡内层物应为轻质量防护提示：遮挡内层物应为轻质量光子与物质的相互作用光电效应（Photoelectric Effect） 康普顿效应（Compton Effect）电子对生成（Electron Pair Production） 光电效应光电效应 光子与物质原子的轨道电子（主要是内层电子）碰撞，把能量全部交给轨道电子，使之脱离原子，光子消失，这种作用过程称为光电效应光电效应 脱离原子轨道的电子：光电子(p