核醫(yī)學第1章 核醫(yī)學物理基礎

1、安徽醫(yī)科大學 易啟毅 第第1 1章章 核醫(yī)學物理基礎核醫(yī)學物理基礎 2014-2-17 核醫(yī)學核醫(yī)學 第一節(jié)第一節(jié) 核物理基本概念核物理基本概念 核衰變方式核衰變方式 第二節(jié)第二節(jié) 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 第四節(jié)第四節(jié) 核醫(yī)學核醫(yī)學 物理基礎物理基礎 放射性核衰變的基本規(guī)律放射性核衰變的基本規(guī)律 第三節(jié)第三節(jié) 第一節(jié) 核物理基本概念 原子和原子結構原子和原子結構 原子（atom）是構成元素的基本單位，不同元素的原子具 有不同的性質(zhì)，但是原子的基本結構大致相同。 每層能容納的電子數(shù)為2n2 （n代表第幾殼層） 原子和原子結構原子和原子結構 氫原子只有一個電子，其質(zhì)量為 9.10

2、8*10-28g ，它的原子核（只有1 個質(zhì)子）質(zhì)量為1.672*10-24g ，原子 核的質(zhì)量是核外電子的1836倍。 一般用原子核的質(zhì)量數(shù)代表整個原 子的質(zhì)量。 國際上統(tǒng)一規(guī)定將126C的1/12作為原 子質(zhì)量單位（atomic mass unit, u）。 質(zhì)子、中子和電子的靜止質(zhì)量分別 為 1.007276470u、1.008665012u， 0.00054858026u 電子質(zhì)子中子 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表示原子的結構，其中X代表元素符號 ，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) ，因為元素符號本身就確定了質(zhì)子數(shù)，N=AZ, 故原 子結構亦

3、可簡便地只記元素符號和質(zhì)量數(shù)AX，如131I 、18F。 質(zhì)子帶一個正電荷，中子呈電中性，核外電子帶負 電荷，原子核的正電荷(質(zhì)子)數(shù)目與核外電子數(shù)相 等，所以原子本身呈電中性。 A Z 原子核原子核 原子核的能級：原子核中的核子在不斷運動，原子 核因核子運動狀態(tài)不同而處于不同的能量狀態(tài)。 一般情形下，原子核都處于能量最低的狀態(tài)，稱為 基態(tài)。 在一定條件下(如核衰變)，原子核可暫時處于較高 能量的狀態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)。 處于激發(fā)態(tài)的核都不穩(wěn)定，會釋放出過剩的能量而 回到基態(tài)。 原子核的能量狀態(tài)原子核的能量狀態(tài) 核外電子首先占據(jù)能量低的狀態(tài)，即稱為基態(tài)基態(tài)。 原子在加熱或受射線照射時，內(nèi)層電子就可能

4、獲 得能量而跳躍到能量較高的外層上，這樣的狀態(tài) 稱為激發(fā)態(tài)。 處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，會釋放能量使外層電 子躍遷到內(nèi)層、整個原子即從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)。 核外電子的能量狀態(tài)核外電子的能量狀態(tài) 元元素素: :凡原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)相同的一類原子稱為一 種元素?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)100多種元素。 元素、元素、核素核素、同位素、同質(zhì)異能素、同位素、同質(zhì)異能素 元元素素 凡原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)相同的一類原子稱為一種 元素?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)100多種元素。 核素核素 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?，F(xiàn)在已知有 2000多種核素。 同一種核素化學性質(zhì)和核性質(zhì)均相同，是某一 原子固有的特性征。

5、元素、元素、核素核素、同位素、同質(zhì)異能素、同位素、同質(zhì)異能素 同位素同位素 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。一個元 素所有同位素，其物理性質(zhì)可能有所不同，但都 具有完全相同的核外電子結構，大部分同位素化 學和生物性質(zhì)基本相同。 因此，醫(yī)學上才能利用核探測的高靈敏性，以放射性同位 素標記生物活性物質(zhì)或藥物等進行實驗研究和診斷疾病。 同質(zhì)異能素同質(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 素彼此稱為同質(zhì)異能素。 在

6、核素右上角加上一個字母m，表示處于激發(fā)態(tài) （excited state）或亞穩(wěn)態(tài)（metastable state）。如 99Tcm ，也常寫成99mTc 99mTc與99Tc互為同質(zhì)異能素。 放射性核衰變放射性核衰變 不穩(wěn)定核素的原子核能自發(fā)地發(fā)生核內(nèi)成分或能 態(tài)的改變而轉變成另一種核素，同時釋放一種或 一種以上的射線。 這種變化過程稱為放射性核衰變，簡稱核衰變核衰變。 這種不穩(wěn)定的核素稱為放射性核素。放射性核素 按其來源可分為天然和人工兩大類。 原子核能穩(wěn)定地存在，不會自發(fā)地發(fā)生變化的核 素稱為穩(wěn)定性核素。（一般以半衰期109年為界） 放射性核衰變放射性核衰變 226Ra放出的三種射線在電

7、場中的表現(xiàn) 核穩(wěn)定性的影響因素核穩(wěn)定性的影響因素 核穩(wěn)定性的影響因素核穩(wěn)定性的影響因素 1.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 會自發(fā)地發(fā)生變化而穩(wěn)定地存在。 2.原子量較小的核素，N/Z=1時原子核是穩(wěn)定的。 3.當質(zhì)子數(shù)較多時（一般為Z20），質(zhì)子數(shù)多了，斥力增 大，必須有更多的中子使核力增強，才足以克服斥力， 保持核穩(wěn)定，N/Z可達1.5左右。 4.如果質(zhì)子數(shù)太多，無論怎樣改變中子質(zhì)子比例，也無法 使核保持穩(wěn)定，故天然存在的原子序數(shù)大于82的核素均 為放射性核素。（如83號元素Bi在2003年被發(fā)現(xiàn)有極其微弱的放 射性） 5.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，

8、 原子核便不穩(wěn)定。 中子質(zhì)子比例不平衡，中子質(zhì)子比例不平衡， 主要發(fā)生主要發(fā)生衰變；衰變； 核子總數(shù)過多：核子總數(shù)過多： （Z82），均為放射性），均為放射性 核素，主要發(fā)生核素，主要發(fā)生衰變。衰變。 核穩(wěn)定性的影響因素總結核穩(wěn)定性的影響因素總結 質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 原子核的質(zhì)量總是小于組成它的核子的質(zhì)量之和 ，這一差值稱為原子核的質(zhì)量虧損。 自由核子結合成原子核的時候，有能量釋放出來 ，這種能量稱為原子核的結合能。 廣義的質(zhì)量虧損：體系變化前后靜止質(zhì)量之差。 放射性核素衰變前后的靜止質(zhì)量總是有差異的， 且衰變產(chǎn)物的全部質(zhì)量小于放射性核素母體原有 的質(zhì)量，故所有核衰變存在質(zhì)量虧損。 衰變能衰變能

9、 質(zhì)量虧損按愛因斯坦的質(zhì)能聯(lián)系定量（也稱質(zhì)能 守恒定律）轉化為能量，即E=mc2 （其中c為真空 中的光速），轉變產(chǎn)生的能量稱為衰變能。 核科學中常用的能量電子單位為電子伏特(eV)。 1eV是在電壓為1V的兩點間移動一個電子時電場 力所做的功。1eV=1.602189210-10J。 1u物質(zhì)轉化為相應的能量為931.478Mev，一個電 子相應的能量為0.511006MeV 衰變能衰變能 衰變能的去向： 1.為，-，+衰變時發(fā)射的，-，+粒子提供動 能； 2.+衰變時核內(nèi)需要1.022MeV的能量來形成一個電 子使質(zhì)子轉化成中子，并釋放出一個正電子。 3.在為電子俘獲衰變時吸引核外電子進入

10、核內(nèi)提供 能量，間接為X射線和俄歇電子提供動能； 4.提供能量使衰變的核處于激發(fā)態(tài)，這是躍遷的 前提。 第二節(jié) 核衰變方式 放射性衰變的類型放射性衰變的類型 不穩(wěn)定核素的原子核能自發(fā)地發(fā)生核內(nèi)成分或能 態(tài)的改變而轉變成另一種核素，同時釋放一種或 一種以上的射線，這種變化過程稱為放射性核衰 變。 衰變類型衰變類型：衰變，-衰變，+衰變（正電子 衰變），電子俘獲（EC），躍遷（衰變） 不穩(wěn)定的核素常被稱為母核，其產(chǎn)物稱為子核。 有的子核也不穩(wěn)定，將繼續(xù)衰變，直至轉變成穩(wěn) 定性核素，這種連續(xù)衰變的過程稱為級聯(lián)衰變。 衰變衰變(decay)(decay) 定義：不穩(wěn)定原子核自發(fā)地放射出粒子而變成 另一

11、個核素的過程稱為衰變。 常見于：重核，質(zhì)子數(shù)82 粒子實質(zhì)：氦原子核He 通式： 實例：MeVHeRnRa86. 4 4 2 222 86 226 88 QHeYX 4 2 4A 2Z A Z 衰變衰變(decay)(decay) 基本特點基本特點： 放射性核素放射性核素一般為重核，質(zhì)子數(shù)一般為重核，質(zhì)子數(shù)82 衰變放出的衰變放出的 粒子能量在粒子能量在49 MeV范圍范圍 衰變半衰期衰變半衰期范圍很寬，范圍很寬，10-7s1015a 粒子特性：質(zhì)量大，電荷多，射程短，穿透力 弱，在空氣中只能穿透幾厘米，一張紙就可屏蔽 ，因而不適合作核醫(yī)學顯像用。但粒子對局部 的電離作用強，引入體內(nèi)后，對其附

12、近的生物組 織可產(chǎn)生嚴重損傷而不影響遠處組織，故其在放 射性核素治療上具有潛在的優(yōu)勢。 衰變：衰變模式圖；衰變綱圖衰變：衰變模式圖；衰變綱圖 MeVHeRnRa86. 4 4 2 222 86 226 88 衰變模式圖 (4.777) 94.3% (4.589) 5.7% (0.188) Ra 226 88 Rn 222 86 226鐳的衰變綱圖 母核母核X X 衰變?yōu)樗プ優(yōu)?子核子核Y Y 和和 一個一個 粒子粒子. 衰變能衰變能 X A Z 衰變前，母核衰變前，母核X靜止，根據(jù)靜止，根據(jù)能量守恒定律能量守恒定律： Y A Z 4 2 TY T YYX TTcmcmcm 222 衰變前衰變前

13、 靜止質(zhì)量靜止質(zhì)量 衰變后衰變后 靜止質(zhì)量靜止質(zhì)量 衰變后衰變后 動能動能 衰變能衰變能E0 為為 子核子核Y 和和 粒子的動能之和，粒子的動能之和， 也就是衰變前后靜止質(zhì)量之差也就是衰變前后靜止質(zhì)量之差 即： 2 0 )(cmmmTTE YXY 衰變前后靜止質(zhì)量的衰變前后靜止質(zhì)量的質(zhì)量虧損質(zhì)量虧損 衰變過程中衰變過程中 粒子的動能粒子的動能 X A Z Y A Z 4 2 TYT 衰變前，母核衰變前，母核X靜止靜止，根據(jù)，根據(jù)動量守恒定律動量守恒定律： vmvm YY 那么：那么： T m m vm m m m vm m vm vmT YYYY YY YYY ) 2 1 ( 2 1 2 1

14、2 1 2 2222 2 T m m T Y Y 定義：放射性核素的核內(nèi)自發(fā)地放射出粒子的 衰變方式稱為衰變。 常見于： 中子數(shù)過多的核素,即富中子核素 粒子實質(zhì)：負電子(核內(nèi)產(chǎn)生，向外發(fā)射) 通式： 實例： QYX A Z A Z 1 MeV71. 1SP 32 16 32 16 衰變 衰變 ( decay) 衰變 衰變 ( decay) -粒子特性：射程及穿透力較射程及穿透力較粒子強，粒子強，2Mev的的- 粒子在軟組織中的射程約為粒子在軟組織中的射程約為2cm，仍，仍不能用于核不能用于核 醫(yī)學顯像醫(yī)學顯像，但某些，但某些-衰變核素衰變核素可用于核素治療可用于核素治療， 如：如：131I用

15、于治療甲亢和甲狀腺癌，用于治療甲亢和甲狀腺癌，32P可用于血可用于血 液病和皮膚病的治療等。液病和皮膚病的治療等。 衰變 衰變 ：衰變模式圖；衰變綱圖：衰變模式圖；衰變綱圖 衰變模式圖 - (0.0186) 100% H 3 1 He 3 2 3 H的衰變綱圖 (T 1/2=12.33年) 衰變能衰變能 QYX A Z A Z 1 衰變能Q分配給三個生成物：子核、-粒子、反中微子。 由于子核的質(zhì)量遠大于-粒子、反中微子，所以實際上衰 變能主要分配給-粒子、反中微子。這種分配是隨機的。 因而， -粒子的動能是從零到最大值的一個連續(xù)能譜。 一般所說的-射線能量 指的是最大值，也等于 衰變能。 -射

16、線的平均能量Eavg約 為Emax的0.4左右。 Eavg=0.4 Emax 定義：放射性核素的核內(nèi)自發(fā)地放射出+粒子的 衰變方式稱為+衰變。 常見于： 中子數(shù)相對較少的核素,即貧中子核素 。正電子衰變核素，都是人工放射性核素。 +粒子實質(zhì)：正電子(核內(nèi)產(chǎn)生，向外發(fā)射) 通式： 實例： QvYX A Z A Z 1 MeVvSF66. 0 18 8 18 9 +衰變衰變 (+ decay) +衰變衰變 +粒子特性：質(zhì)量與電荷數(shù)與電子質(zhì)量與電荷數(shù)與電子(即即-粒子)相同，相同， 只是電荷性質(zhì)相反。只是電荷性質(zhì)相反。正電子射程僅12mm，在失去 動能的同時與其鄰近的電子（）碰撞而發(fā)生湮滅輻 射，在

17、二者湮滅的同時，失去電子質(zhì)量，轉變成兩個 方向相反、能量皆為511 keV的光子。 正電子發(fā)射斷層儀（PET）能探測方向相反的511 keV 光子，進行機體內(nèi)的定量、定性和代謝顯像。 +衰變衰變 ：衰變模式圖；衰變綱圖：衰變模式圖；衰變綱圖 +衰變模式圖 + (1.190) 100% N 13 7 C 13 6 的+衰變綱圖 (T 1/2=9.96min) N 13 7 1.022 +衰變能衰變能 +衰變能Q能量分配與-衰變類似，主要隨機分 配給+粒子、反中微子。+粒子的能譜也與-能 譜相似，也是從零到最大值的一個連續(xù)能譜。 一般所說的+射線能量 指的是最大值，也等于 衰變能。 +射線的平均能

18、量Emean 約為Emax的0.4左右。 QvYX A Z A Z 1 Eavg=0.4 Emax 電子俘獲衰變電子俘獲衰變 (electron capture, EC) 定義：原子核俘獲一個核外軌道電子使核內(nèi)一個質(zhì) 子轉變成一個中子和放出一個中微子的過程稱為電 子俘獲衰變。 常見于：中子數(shù)相對較少的核素,即貧中子核素。 通式： 實例： QvYX A Z A Z 1 X射線，俄歇電子 QvTeI125 52 125 53 X射線，俄歇電子 電子俘獲衰變電子俘獲衰變 ：衰變模式圖；衰變綱圖：衰變模式圖；衰變綱圖 電子俘獲衰變模式圖電子俘獲衰變模式圖 原子核俘獲一個內(nèi)層電子，外層電 子向內(nèi)層補充。

19、兩層軌道之間能量 差轉換成特征X射線或俄歇電子。 EC 100% I 125 53 Te 125 52 的電子俘獲衰變綱圖 (T 1/2=60.2d) 35.46keV I 125 53 垂直線表示躍遷(射線6.8%， 內(nèi)轉換電子93.2%) 電子俘獲衰變時形成的標識X射線和俄歇電子， 都不是來自核內(nèi)，但是其初始能量來源于核內(nèi)質(zhì) 子轉化為中子的過程。 標識X射線和俄歇電子的能量來自于軌道電子從 外向內(nèi)的躍遷，其能量取決于兩層電子能級的差 異，因此具有相對固定的能量，不像粒子那樣形 成連續(xù)分布的能譜。能量通常從幾個到幾十個 keV。 電子俘獲衰變能電子俘獲衰變能 電子俘獲衰變 vs. +衰變 電

20、子俘獲衰變和電子俘獲衰變和+衰變都發(fā)生在衰變都發(fā)生在貧中子核素貧中子核素： 1.原子序數(shù)原子序數(shù)Z較小時，較小時，+衰變?yōu)橹魉プ優(yōu)橹? 2.原子序數(shù)原子序數(shù)Z較大時，電子俘獲衰變?yōu)橹鬏^大時，電子俘獲衰變?yōu)橹? 3.中等原子序數(shù)中等原子序數(shù)Z，可能各以一定的概率發(fā)生。，可能各以一定的概率發(fā)生。 躍遷躍遷 定義：激發(fā)態(tài)或高能態(tài)的原子核以放出射線（光 子）的形式釋放能量，或者將能量交給核外電子， 使之有足夠的動能發(fā)射出去成為內(nèi)轉化電子（內(nèi)轉 化），而躍遷到較低能量級的過程統(tǒng)稱躍遷。又 稱為同質(zhì)異能躍遷（沒有核內(nèi)結構的變化，而只有 能態(tài)變遷）。 發(fā)生條件：放射性核素在發(fā)生衰變、衰變或核 反應之后，核仍

21、處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，并即刻向基 態(tài)或低能態(tài)躍遷，并以光子的形式放出多余的能 量。 射線實質(zhì)：中性的光子流。電離能力很小，穿透 能力強。對機體組織的局部作用較-射線和射 線弱，適合放射性核素顯像。 如99mTc衰變可表示為： 衰變核素99Mo，半衰期為66 h 經(jīng)衰變后產(chǎn)生子體放射性核素99mTc 99mTc發(fā)射射線回復到基態(tài)99Tc，半衰期6.02h。 放出能量為140keV的射線，適合單光子發(fā)射顯像 。 99mTc是目前臨床SPECT顯像最常用的核素。 )140( 99 43 6 99 43 66 99 42 keVTcTcMo h m h 躍遷實例 X射線射線 vs. 射線射線 X射線與射

22、線都是電磁波，但： （1）產(chǎn)生的機理不同：X射線是原子的內(nèi)層電子受 激輻射的；射線是原子核受激輻射的； （2）光子能量不同：射線比X射線光子能量高， 因此，射線的頻率較高，波長較短； （3）穿透能力不同：二者都有穿透能力，但射線 波長更短，穿透能力更強。 重核裂變 P放射性衰變 延遲質(zhì)子發(fā)射 雙-衰變 。 其它衰變方式其它衰變方式 各種輻射的穿透能力各種輻射的穿透能力 射射 線線 本本 質(zhì)質(zhì)氦原子核氦原子核電子流電子流光子流光子流 穿穿 透透 力力弱弱較強較強最強最強 電離能力電離能力最強最強較強較強弱弱 內(nèi)照射危害內(nèi)照射危害最大最大較大較大小小 外照射危害外照射危害小小較大較大最大最大 第三

23、節(jié) 放射性衰變的基本規(guī)律 指數(shù)衰變規(guī)律指數(shù)衰變規(guī)律 對于某種放射性核素，其在單位時間dt內(nèi)發(fā)生核 衰變的數(shù)目dN必定正比于當時存在的原子核總數(shù)N ，且只和N有關。亦即： dN/dt = -N 如果t=0時原子核數(shù)目為N0，則積分得任意時間t 時的剩余原子數(shù)為： Nt = N0 e-t 代表一種原子核在單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率 ，稱衰變常數(shù)。是放射性核素的特征性參數(shù)。 物理半衰期物理半衰期 物理半衰期（T1/2）：指放射性核素數(shù)目因衰變減少到原 來的一半所需的時間。 由 1/2 N0 = N0 e-T1/2 可見，半衰期T1/2與衰變常數(shù)成反比。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

24、慢。兩者都是描述 放射性核素衰變速率的特征量。 693. 02ln 2/1 T取對數(shù)得 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 間稱為物理半衰期。 進入生物體內(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 需要的時間，稱有效半 衰期（Te）。 e*Nt = *Nt + b*Nt e = + b 2/12/12/1 111 be TTT 對于每一種確定的放射性核素，各個原子由于衰 變時間不一致，壽命有長有短，通過數(shù)學推導可 以證明，總體的平均壽命是

25、半衰期的1.44倍。 衰變常數(shù) 、半衰期T1/2、平均壽命 都可以作為 放射性核素的特征量。每一個放射性核素都有它 特有的(或T1/2、或 )，沒有兩種核素的(或T1/2 、或 )是一樣的。 平均壽命平均壽命 放射性活度放射性活度 放射性活度（A）是表示單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的次 數(shù)，簡稱活度，用A表示。 放射性活度與放射性核數(shù)目N之間的關系為： 積分可得： A0為初始時間的放射性活度，At為任意時間t時的 放射性活度 A=dN/dt At = A0 e-t 在新的國際制單位（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=1S-1 放射性活度的舊制單位是居里（Curie

26、，Ci），1居里表示 每秒3.71010次核衰變。居里與貝可的換算關系是 1Ci=3.71010 Bq 1Bq2.71011 Ci 核醫(yī)學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=103 Ci）、微居里（Ci，1Ci=10-3 mCi）等，貝 可相對太小，通常用kBq（103Bq），MBq（106Bq）， GBq（109Bq）等。 1mCi=37 MBq 1Ci=37 kBq 比活度與放射性濃度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

27、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)學使用 放射性濃度較多。 第四節(jié) 射線與物質(zhì)的相互作用 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 射線通過物質(zhì)時，與物質(zhì)發(fā)生一系列的相互作用 ，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，是我們了解 輻射生物效應、屏蔽防護以及放射性檢測、核素 顯像和治療的基礎。 核醫(yī)學上最常見的是： “帶電粒子（主要為粒子、-粒子，+粒子、俄 歇電子、內(nèi)轉換電子）”和“光子（包括射線和 電子俘獲衰變時釋放的X射線）”與物質(zhì)的相互 作用。 兩者與物質(zhì)相互

28、作用時的機制是有區(qū)別： 帶電粒子主要通過與物質(zhì)原子、分子的庫侖電場 力發(fā)生同性相斥，異性相吸的相互作用，不需直 接相互碰撞。 光子則通過與物質(zhì)的直接碰撞發(fā)生作用。 電離作用（ionization） 入射粒子（、）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。 帶電粒子與物質(zhì)的作用帶電粒子與物質(zhì)的作用 當帶電電子通過物質(zhì)時，和物質(zhì)的原子核外電子通過庫 侖電場力發(fā)生作用，使電子脫離軌道束縛而形成自由電 子，這一過程稱為電離電離。 失去電子的原子帶正電，與電子形成正負離子對。 電離作用電離作用 帶電粒子通過物質(zhì)時，與物質(zhì)中的原子或者分子 的殼層電子發(fā)生庫侖電場力作用，帶正電的粒

29、子 （粒子和+粒子）發(fā)生吸引殼層電子的作用， 帶負電的粒子發(fā)生排斥殼層電子的作用，把自身 的一部分動能傳給殼層電子，如果傳遞的能量足 夠，便發(fā)生電離作用，形成正負離子對。 這是帶電粒子的初級電離或直接電離效應。（不管 是第幾次） 初級電離形成的電子通常具有較高的動能，又可 在物質(zhì)中行進引起物質(zhì)電離，稱為次級電離。 電離作用電離作用 電離密度 電離作用是帶電粒子引起生物效應最主要的作用 ，也是很多核射線探測技術的基礎。 通常用電離密度作為反映射線作用強度的量。 電離密度：單位路徑上形成的離子對數(shù)目。 影響因素： 1.帶電粒子的電荷量：正相關 2.帶電粒子的行進速率：負相關 3.被作用物質(zhì)的密度：

30、正相關 激發(fā)作用（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）外層電子填補空穴（3）發(fā)射 特征X射線（4）或俄歇電子釋放出多余能量。 如果傳遞的能 量不夠發(fā)生電 離作用： 散射作用（散射作用（scattering） 射線粒子受到原子核靜電場作用，改變原來 運動方向的現(xiàn)象稱為散射。 如果運動方向改變而能量不變則稱彈性散射。 韌致輻射韌致輻射 較高能量的帶電粒子在行進過程中，到達原子核附近，在原 子核電場作用下，改變運動方向，急劇減低速度，電子的一 部分或全部動能轉化為連續(xù)能量的X射線發(fā)射出來，這種現(xiàn) 象稱為韌致輻射。 韌致輻射的發(fā)生幾率： 1.與吸收物質(zhì)的原子序數(shù)的平方成正比； 2.與帶電粒子質(zhì)量的平方成反比； 3.與帶電粒子的能量成正相關。 所以： 1.射線由于自身質(zhì)量數(shù)大，較少產(chǎn)生韌致輻射； 2.射線的屏蔽要用原子序數(shù)低的材料，如鋁、塑料、有機 玻璃等。 快速電子在穿過透明介質(zhì)時，如果它的運動速度 超過光在該介質(zhì)中的傳播速度，就會在某一特定 方向上發(fā)射出一種能量較弱的電磁波，稱為契倫 科夫輻射，又稱超光速電子輻射。 契倫科夫輻射是連續(xù)譜，其波長是接近紫外線的 可見光。 決定因素：快速電