腫瘤放射物理學ppt

1、程品晶 （cheng-pj@nhu.edu.cn) 核科學技術學院,放射物理學,第一章 核物理基礎,第一節(jié) 基本概念一、原子結(jié)構 中心是帶正電的原子核 核的周圍是帶負電的電子在繞核運動 原子核: 質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電荷e，中子不帶電，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。,元素、核素、同位素和同質(zhì)異能素 元素： 質(zhì)子數(shù)相同的原子稱為一種元素，它們的原子序數(shù)相同，因此具有相同的

2、化學特性。但其原子核中的中子數(shù)可以不同，因而物理特性可有某些差異。 到目前為止，天然和人工合成的元素有109種，組成元素周期表。,核素： 質(zhì)子和中子數(shù)相同，質(zhì)量數(shù)相同，并處于同能量狀態(tài)的原子，稱為一種核素，例如: 為5種不同的核素。目前已知的核素有2300多種，分別屬于100多種元素。,,、,同位素： 質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，稱為元素的同位素，例如:,同質(zhì)異能素： 核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)

3、都相同，但核所處能態(tài)不同的核素互為同質(zhì)異能素。例如：正常的鈷元素和鏷元素表示為60Co和234Pa，它們的同質(zhì)異能素則表示為60Com和234Pam等。,和,互為氫的同位素。,二、原子、原子核能級 幾個量子數(shù)：n,l,m,ms 零勢能規(guī)定：習慣上規(guī)定當電子與核相距無窮遠時，電子所具有的勢能為零。因此，當電子填充核外某一個殼層時，其勢能為負值。 基態(tài)：電子填充殼層時按照從低能到高能的順序進行，以保證原子處于最低能量狀

4、態(tài)。由于內(nèi)層電子對外層電子具有屏蔽效應，所以實際電子填充殼層時，會出現(xiàn)能級交錯，而不是按殼層順序逐個填充。,電子的殼層結(jié)構,激發(fā)態(tài)：當電子獲得能量，從低能級躍遷到高能級而使低能級出現(xiàn)空位時，稱原子處于激發(fā)態(tài)。 結(jié)合能：當一個自由電子填充殼層時，會以發(fā)射一個光子的形式釋放能量，能量的大小等于殼層能級能量的絕對值，這些能量稱為相應殼層的結(jié)合能。結(jié)合能隨n、l的增大而減小，對于同一個能級，結(jié)合能隨原子序數(shù)增大而增加。,特征輻射與俄歇電子

5、：處于激發(fā)態(tài)的原子很不穩(wěn)定，高能級的電子會自發(fā)躍遷到低能級空位上，從而使原子回到基態(tài)。兩能級能量的差值一種可能是以電磁輻射的形式發(fā)出，這種輻射稱為特征輻射，當特征輻射的能量足夠高，進入X射線能量范圍時，又稱為特征X射線；另一種可能是傳遞給外層電子，使之脫離原子束縛成為自由電子，這種電子稱為俄歇電子，它的能量等于相應躍遷的X射線能量減去該電子的結(jié)合能。,三、原子、原子核的質(zhì)量 原子質(zhì)量單位定義：1u＝ 原子質(zhì)量

6、 相對原子質(zhì)量：原子的質(zhì)量以u為單位時測量得數(shù)。 阿伏加德羅定律：1摩爾任何元素的物質(zhì)包含有NA（6.022×1023）個原子。 摩爾質(zhì)量：1摩爾物質(zhì)的質(zhì)量，其數(shù)值等于相對原子質(zhì)量，單位為（g/mol）。,,單位體積中的電子數(shù)＝,每克原子數(shù)＝,每克電子數(shù)＝,所有元素（氫除外）的,四、電子密度、每可電子數(shù),單質(zhì),單位體積中的原子數(shù)＝,為0.5，并且隨原子序數(shù)的增加而略有減小。,近似,第二節(jié) 放射性 一、原

7、子核的穩(wěn)定性 影響核素穩(wěn)定的因素如下：1、中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之間的比例關系2、核子數(shù)的奇偶性3、重核的不穩(wěn)定性 原子序數(shù)小于82的元素至少存在一種穩(wěn)定核素，而原子序數(shù)大于82的元素都不穩(wěn)定，會自發(fā)的放射出α粒子或自發(fā)裂變而成為鉛（Z＝82）的同位素。,二、衰變類型 放射性、放射性衰變、放射性核素 原子核的衰變，主要有三種類型，即α、β衰變和γ躍遷。,（一）α衰變 α粒子是氦的原子核，它由2個質(zhì)子和2個中子組成

8、。α衰變的反應式如下：,MeV,,（二）β衰變 β衰變包括3種類型：β-衰變、β＋衰變、軌道電子俘獲。1、β-衰變： 核內(nèi)中子多，n→變P，放出一個負電子。,稱為反中微子,β-的能譜特點：兩端低、中間高的連續(xù)譜分布。,2、β＋衰變: 核內(nèi)質(zhì)子多，P→變n，放出一個正電子。,注：式中υ代表中微子。能譜特點：β＋粒子的能譜與β-粒子能譜一樣也是連續(xù)的。,3、 軌道電子俘獲 原子核從核外殼層中俘獲一個軌道電子使核內(nèi)的一個質(zhì)

9、子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?，同時放出中微子的過程稱為軌道電子俘獲。,（三）γ躍遷和內(nèi)轉(zhuǎn)換 伴隨α或β衰變后發(fā)生。,內(nèi)轉(zhuǎn)換：有些原子核進行γ躍遷時不放出γ射線，而把激發(fā)態(tài)躍遷到較低激發(fā)態(tài)或基態(tài)時釋放出來的能量直接交給核外殼層電子（主要是K層電子），使該電子釋放出來成為自由電子，這個過程稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換，發(fā)射出的電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。,例：,（Eγ=0.141MeV）,是,的同質(zhì)異能素。,注：,三、放射性度量放射性指數(shù)衰變規(guī)律： 放射性活度

10、：是指一定量的放射性核素在一個很短的時間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)除以該時間間隔之商。公式表達如下：,活度的國際單位是貝可[勒爾]（Bq）。舊單位是居里（Ci）。 1Ci＝3.7×1010Bq＝3.7×1010核衰變/秒,,,λ為衰變常數(shù),,半衰期：放射性核素其原子核數(shù)目衰減到原來數(shù)目一半所需的時間（T1/2）。半衰期與衰變常數(shù)的關系為：,T1/2的單位是秒，對半衰期長的核素可以用分（min）、天（

11、d）、年（a）。,,平均壽命（τ ）：是指放射性原子核平均生存的時間。,放射性比活度：單位質(zhì)量放射源的放射性活度，單位是Bq/g。衡量放射性物質(zhì)純度的指標。,,例：,一臺60Co治療機源初裝時的活度為111TBq（3000Ci），使用5年、10年后源的活度還剩多少？解：將A0＝111TBq，T1/2＝5.27a，t＝5a，代入,得,，,。,,四、遞次衰變和放射平衡 遞次衰變：放射性核素轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定核素時往往要經(jīng)過多次衰變才能完

12、成，這種衰變稱為遞次衰變。衰變過程中形成的核素系列稱衰變系列。,例如，,轉(zhuǎn)變?yōu)?需經(jīng)4次β－衰變,遞次衰變時任一子體隨時間變化不僅與本次衰變的衰變常數(shù)有關，而且與前面所有衰變的衰變常數(shù)有關。,,放射性平衡：如果母體的半衰期大于子體的半衰期，當經(jīng)過足夠長的時間后，子母體間的放射性活度將保持固定比例，這樣一種狀態(tài)稱為放射性平衡。當放射性平衡出現(xiàn)后，子體的衰變速度將與母體相同。,,五、人工放射性核素 在醫(yī)學中有廣泛的應用，如鈷-60

13、、锝-99、鍶-90、銥-192等。制備途徑：（1）反應堆中的強中子束照射靶核，靶核俘獲中子而生成放射性核；（主要來源）（2）中子引起重核裂變，從裂變碎片中提取放射性核素，這樣制備出來的核素是豐中子核素，通常具有β－衰變。（3）用高能加速器產(chǎn)生放射性核素，這樣制備出來的是缺中子核素，通常具有β＋衰變，但多是短壽命的。,,一般應選擇照射時間小于5個半衰期。,,人工放射性核素的生產(chǎn)曲線：,,小結(jié)：1．基本概念元素，核素，同位素

14、，原子量，基態(tài)，激發(fā)態(tài)，特征X射線，原子結(jié)構和能級，原子核結(jié)構和能級，阿伏加德羅定律，電子密度，每克電子數(shù)。2．放射性原子核的穩(wěn)定性，衰變類型，放射性指數(shù)衰變規(guī)律，放射性活度，半衰期，衰變常數(shù)，平均壽命τ，遞次衰變，放射平衡，放射性比活度，人工放射性核素的生產(chǎn)途徑和其生長規(guī)律。,,作業(yè)1：名詞解釋：特征輻射、放射性活度問答題：1、哪些因素會影響核素的穩(wěn)定性？2、10000Ci的60Co源有多少個60Co放射性原子?其