01第1單元 核物理

1、中南大學(xué) 梁昌華,第1章 核醫(yī)學(xué)物理基礎(chǔ),臨床醫(yī)學(xué)八年制核醫(yī)學(xué)教學(xué)課件,,,,,核醫(yī)學(xué),,,,,,,,第一節(jié) 原子,,放射性核衰變,第二節(jié),,,射線與物質(zhì)的相互作用,第三節(jié),,核醫(yī)學(xué)物理基礎(chǔ),,原子和原子結(jié)構(gòu),原子（atom）是構(gòu)成元素的基本單位，不同元素的原子具有不同的性質(zhì)，但是原子的基本結(jié)構(gòu)大致相同。,核外電子首先占據(jù)著能量低的狀態(tài)，即稱為基態(tài)。原子在加熱或受射線照射時(shí)，內(nèi)層電子就可能獲得能量而跳躍到能量較高的外層上，這樣的

2、狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，會(huì)通過放出光子釋放能量，使外層電子躍遷到內(nèi)層、整個(gè)原子即從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)。,原子核由質(zhì)子和中子組成，它們統(tǒng)稱為核子。通常采用 XN表示原子的結(jié)構(gòu)，其中X代表元素符號(hào)，Z代表質(zhì)子數(shù)，N代表中子數(shù)，A代表原子的質(zhì)量數(shù)，因?yàn)樵胤?hào)本身就確定了質(zhì)子數(shù)，N= A – Z, 故原子結(jié)構(gòu)亦可簡(jiǎn)便地只記元素符號(hào)和質(zhì)量數(shù)AX，如131I、18F。質(zhì)子帶一個(gè)正電荷，中子呈電中性，核外電子帶負(fù)電荷，原子核的

3、正電荷數(shù)目與核外電子數(shù)相等，所以原子本身呈電中性。,同位素、同質(zhì)異能素、核素,同位素 凡原子核具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的元素互為同位素。 如125I、131I、132I均有53個(gè)質(zhì)子，但中子數(shù)不同，在元素周期表中處于同一位置，是同一元素-碘元素。一種元素往往有幾種甚至幾十種同位素。一個(gè)元素所有同位素的化學(xué)和生物性質(zhì)幾乎都一樣，但物理性質(zhì)可能有所不同。,同質(zhì)異能素 核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同但能量狀態(tài)不同的核素

4、彼此稱為同質(zhì)異能素。 例如99mTc是99Tc的激發(fā)態(tài)，99mTc與99Tc互為同質(zhì)異能素。,核素 原子核的質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)和原子核所處的能量狀態(tài)均相同的原子屬于同一種核素。例如198Au表示不同的核素。同一種核素化學(xué)性質(zhì)和核性質(zhì)均相同，是某一原子固有的特性征。,放射性核衰變,原子核中子和質(zhì)子的數(shù)目保持一定的比例才能穩(wěn)定，不會(huì)自發(fā)地發(fā)生變化而穩(wěn)定地存在。原子量較小的核素，Z/N=1時(shí)原子核是穩(wěn)定的。當(dāng)質(zhì)子數(shù)

5、較多時(shí)（一般為Z＞20），質(zhì)子數(shù)多了，斥力增大，必須有更多的中子使核力增強(qiáng)，才足以克服斥力，保持核穩(wěn)定。原子核中質(zhì)子數(shù)過多或過少，或者中子數(shù)過少或過多，原子核便不穩(wěn)定。,放射性核衰變,不穩(wěn)定核素的原子核能自發(fā)地放出各種射線變成另一種核素，稱為放射性核素。原子核能穩(wěn)定地存在，不會(huì)自發(fā)地發(fā)生變化的核素稱為穩(wěn)定性核素。放射性核素的原子核自發(fā)地放出射線，同時(shí)轉(zhuǎn)變成別的原子核的過程稱為放射性核衰變，簡(jiǎn)稱核衰變。,放射性衰變的類型,不穩(wěn)定的原

6、子核能自發(fā)地放出射線，轉(zhuǎn)變成另一種核素。不穩(wěn)定的核素常被稱為母核，其產(chǎn)物稱為子核。有的子核也是不穩(wěn)定的，將繼續(xù)衰變，直至轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定性核素。,α衰變,不穩(wěn)定原子核自發(fā)地放射出α粒子而變成另一個(gè)核素的過程稱為α衰變。α粒子是由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成，實(shí)際上就是氦原子核He。,,,?,4He,,γ,,,,放射性核素的核內(nèi)放射出β－射線的衰變方式稱為β－衰變。β－衰變時(shí)放出一個(gè)β－粒子（電子）和反中微子，核內(nèi)一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子。因而子核比

7、母核中子數(shù)減少1，原子序數(shù)增加1，原子質(zhì)量不變。 例如：32P衰變可表示為：,β－衰變,,,,β－,,γ,,,正電子衰變,由于核內(nèi)中子缺乏致使放射出正電子的衰變，稱為正電子衰變，也叫β+衰變。衰變時(shí)發(fā)射一個(gè)正電子和一個(gè)中微子（υ），原子核中一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?。?衰變時(shí)母核和子核的質(zhì)量數(shù)無變化，但子核的核電荷數(shù)減少一個(gè)單位，β+衰變可用下式表示：,189F—188O + β＋ + ? + 0.66MeV,正電子衰變核素，都

8、是人工放射性核素。正電子射程僅1～2mm，在失去動(dòng)能的同時(shí)與其鄰近的電子（β－）碰撞而發(fā)生湮滅輻射，在二者湮滅的同時(shí)，失去電子質(zhì)量，轉(zhuǎn)變成兩個(gè)方向相反、能量皆為511 keV的γ光子。正電子發(fā)射斷層儀（PET）能探測(cè)方向相反的511 keV光子，進(jìn)行機(jī)體內(nèi)的定量、定性和代謝顯像。,電子俘獲衰變,原子核俘獲一個(gè)核外軌道電子使核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成一個(gè)中子和放出一個(gè)中微子的過程稱為電子俘獲衰變。發(fā)生在缺中子的原子核，與正電子衰變時(shí)核結(jié)構(gòu)的

9、改變相似。一個(gè)質(zhì)子俘獲一個(gè)核外軌道電子轉(zhuǎn)變成一個(gè)中子和放出一個(gè)中微子，子核的原子序數(shù)比母核減少一個(gè)單位，在元素周期表向左移一個(gè)位置，質(zhì)量數(shù)不變。,電子俘獲衰變圖原子核俘獲一個(gè)內(nèi)層電子（1）外層電子向內(nèi)層補(bǔ)充（2）兩層軌道之間能量差轉(zhuǎn)換成特征X射線（3）或俄歇電子釋放（4）。,γ衰變,激發(fā)態(tài)或高能態(tài)的原子核以放出γ射線（光子）的形式釋放能量而躍遷到較低能量級(jí)的過程稱γ衰變。放射性核素在發(fā)生α衰變、β衰變或核反應(yīng)之后，核仍處于不穩(wěn)定的

10、激發(fā)態(tài)，并即刻向基態(tài)或低能態(tài)躍遷，并以γ光子的形式放出多余的能量。γ射線的本質(zhì)是中性的光子流，電離能力很小，穿透能力強(qiáng)。又稱為同質(zhì)異能躍遷。 如99mTc衰變可表示為：,β衰變核素99Mo，半衰期為66 h經(jīng)β衰變后產(chǎn)生子體放射性核素99mTc99mTc發(fā)射γ射線回復(fù)到基態(tài)99Tc，半衰期6.02h。放出能量為140keV的γ射線，適合單光子發(fā)射顯像。99Tc是目前臨床SPECT顯像最常用的核素。,內(nèi)轉(zhuǎn)換電子過程電子俘

11、獲后，仍處于激發(fā)態(tài)的原子核把能量轉(zhuǎn)給一個(gè)核外電子（1），這個(gè)電子被逐出原子成為內(nèi)轉(zhuǎn)換換電子（2），外層電子填補(bǔ)空穴，原子核回復(fù)到基態(tài)（3），能量由特征X射線（4）或俄歇電子攜走（5）,放射性核衰變規(guī)律,放射性核素的衰變是一種自發(fā)的過程，不同放射性核素每個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率不同，即有不同的衰變常數(shù)，以λ表示。對(duì)整個(gè)放射源，λ表示發(fā)生衰變的原子核數(shù)占當(dāng)時(shí)總核數(shù)的百分?jǐn)?shù)。對(duì)單個(gè)原子核，λ表示原子核發(fā)生衰變的幾率，即可能性。,

12、半衰期,放射性核素的衰變速率常以物理半衰期（T1/2）表示，T1/2系指放射性核素?cái)?shù)目因衰變減少到原來的一半所需的時(shí)間。則λ與T1/2之間的關(guān)系為： 半衰期較長(zhǎng)的核素衰變得慢，半衰期較短的核素衰變得快；衰變常數(shù)大的放射性核素衰變得快，衰變常數(shù)小的衰變慢。兩者都是描述放射性核素衰變速率的特征量。,T1/2=0.693/λ,,三者關(guān)系如下：,放射性核素由于自身的物理衰變其原子核數(shù)目減少到原來一半所需時(shí)間稱為

13、物理半衰期。進(jìn)入生物體內(nèi)的放射性核素或其化合物，由于生物代謝從體內(nèi)排出到原來的一半所需的時(shí)間，稱為生物半衰期(Tb).由于物理衰變與生物的代謝共同作用而使體內(nèi)放射性核素減少一半所需要的時(shí)間，稱有效半衰期（Te）。,放射性活度,放射性活度（A）是表示單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。過去慣稱放射性強(qiáng)度。放射性活度與放射性核數(shù)目N之間的關(guān)系為： 在新的國(guó)際制單位（SI）中，放射性活度的單位是貝可（ Bq），定義為每秒一次衰變。即1Bq=

14、1S-1,A=dN/dt,放射性活度的舊制單位是居里（Curie，Ci），1居里表示每秒3.7×1010次核衰變。居里與貝可的換算關(guān)系是 1Ci=3.7×1010 Bq 1Bq≈2.7×10－11 Ci核醫(yī)學(xué)通常使用的放射源的活度，居里的單位較大，為方便使用，通常采用較小的單位，如毫居里（mCi，1mCi=10－3 Ci）、微居里（μCi，1μCi=10-3 mCi）等，貝可相對(duì)太小，通常

15、用kBq（103Bq），MBq（106Bq），GBq（109Bq）等。 1mCi=37 MBq 1μCi=37 kBq,比活度與放射性濃度,為了表示各種物質(zhì)中的放射性核素含量，通常還采用比活度及放射性濃度。比活度定義為單位質(zhì)量或單位摩爾物質(zhì)中含有的放射性活度，單位是Bq/g，MBq/g、MBq/mol。放射性濃度定義為單位體積溶液中所含的放射性活度，單位是Bq/ml、mCi/ml等。臨床核醫(yī)學(xué)使用放射性濃度較多。

16、,射線與物質(zhì)的相互作用,射線的運(yùn)動(dòng)空間充滿介質(zhì)，射線就會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，射線的能量不斷被物質(zhì)吸收。這種相互作用亦稱射線的物理效應(yīng)，是我們了解輻射生物效應(yīng)、屏蔽防護(hù)以及放射性檢測(cè)、核素顯像和治療的基礎(chǔ)。,帶電粒子與物質(zhì)的作用,電離作用（ionization）,入射粒子（α、β）作用于原子（1）使軌道電子成為自由電子（2）而原子成為正離子。,激發(fā)作用（excitation）,能量E作用于內(nèi)層軌道電子（1）使其躍遷到外層軌道（2）外層電

17、子填補(bǔ)空穴（3）原子核從穩(wěn)定狀態(tài)成激發(fā)狀態(tài)，同時(shí)發(fā)射特征X射線（4）或俄歇電子釋放出多余能量。,散射作用（scattering）,射線粒子受到原子核靜電場(chǎng)作用，改變?cè)瓉磉\(yùn)動(dòng)方向，能量無損失。,韌致輻射,快速運(yùn)動(dòng)的電子通過物質(zhì)時(shí)，在原子核電場(chǎng)作用下，改變運(yùn)動(dòng)方向，急劇減低速度，電子的一部分或全部動(dòng)能轉(zhuǎn)化為連續(xù)能量的X射線發(fā)射出來，這種現(xiàn)象稱為韌致輻射。韌致輻射的強(qiáng)度和β粒子的反向散射的幾率隨屏蔽物質(zhì)的原子序數(shù)增大而增大，隨β粒子的能量增

18、加而增加。β射線的屏蔽要用原子序數(shù)低的材料，如鋁、塑料、有機(jī)玻璃等。α射線由于自身質(zhì)量數(shù)大、運(yùn)行速度慢，較少產(chǎn)生韌致輻射。,吸收作用,帶電粒子使物質(zhì)的原子發(fā)生電離和激發(fā)的過程中，射線的能量全部耗盡，射線不再存在，稱作吸收。粒子在物質(zhì)中沿運(yùn)動(dòng)軌跡所經(jīng)過的距離稱為路程，而路程沿入射方向投影的直線距離稱為射程。帶電粒子的能量損失與粒子的動(dòng)能和吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，所以射程能比較直觀地反映帶電粒子貫穿本領(lǐng)的大小。,光子與物質(zhì)的相互作用,γ射

19、線和X射線及軔致輻射等屬于電磁輻射，都是中性光子流，與物質(zhì)相互作用方式相同，只與光子的能量有關(guān)主要產(chǎn)生三個(gè)效應(yīng)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)生成。,光電效應(yīng),光子被原子內(nèi)層電子吸收（1），全部能量被電子吸收使之成為自由的光電子（2），其位置由外層電子填補(bǔ)（3），同時(shí)發(fā)射出特征X射線（4）或俄歇電子（5）。,康普頓效應(yīng),光子將部分能量傳遞給核外電子，使之成為康普頓電子發(fā)射出來，而光子能量減少，改變方向運(yùn)行。,電子對(duì)生成,能量大于1.02