第二章核物理基礎(chǔ)ppt課件

1、 醫(yī)用核物理基礎(chǔ)醫(yī)用核物理基礎(chǔ)一、原子結(jié)構(gòu)一、原子結(jié)構(gòu) 原子核由原子核由 質(zhì)子質(zhì)子Proton；P)中子中子Neutron；N組成，組成， 質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為 核子核子Nucleon）。）。 Z & A 質(zhì)子帶一個單位的正質(zhì)子帶一個單位的正電荷，中子不帶電荷。電荷，中子不帶電荷。 核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)稱為原核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)稱為原子序數(shù)，用符號子序數(shù)，用符號Z表表示；示； 核內(nèi)質(zhì)子和中子數(shù)之核內(nèi)質(zhì)子和中子數(shù)之和即原子質(zhì)量數(shù)，用和即原子質(zhì)量數(shù)，用A表示。表示。 原子核的表示符號 目前通常用目前通常用AX表示表示 各種核素，如各種核素，如131I。 2、原子核的能級、原子核的能級 原子核具有一定的

2、原子核具有一定的能量。能量。最低能量狀態(tài)，即最低能量狀態(tài)，即“基態(tài)基態(tài)”；較高的能量狀態(tài)，較高的能量狀態(tài)，為激發(fā)態(tài)，這時為激發(fā)態(tài)，這時用符號用符號m,即即AmX表示。表示。例如例如99mTC二、元素、同位素、同質(zhì)異能素、核素二、元素、同位素、同質(zhì)異能素、核素1、元素、元素 質(zhì)子數(shù)相同的原子稱為一種元素，它們的原子質(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，但原子核中的中子數(shù)可以不同，例序數(shù)相同，但原子核中的中子數(shù)可以不同，例如碘元素中有幾種不同的核。如碘元素中有幾種不同的核。 2、同位素、同位素 同一元素中，有些原子質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，同一元素中，有些原子質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同， 則

3、稱為該元素的同位素，則稱為該元素的同位素， 如上例各種碘互為碘的同位素。如上例各種碘互為碘的同位素。3、同質(zhì)異能素、同質(zhì)異能素 如果原子的質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同，如果原子的質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同， 但是核的能級狀態(tài)不同，那么它們互為同質(zhì)異能素。但是核的能級狀態(tài)不同，那么它們互為同質(zhì)異能素。例如：例如：99Tc和和99mTc 4、核素、核素 把質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同，把質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同， 核能級處于同一狀態(tài)的一類原子，核能級處于同一狀態(tài)的一類原子， 稱為一種核素。稱為一種核素。 下面是六種不同的核素下面是六種不同的核素 123I, 125I, 127I, 131I, 99mTc,

4、99Tc 三、穩(wěn)定性核素和放射性核素三、穩(wěn)定性核素和放射性核素 穩(wěn)定性核素穩(wěn)定性核素 不穩(wěn)定核素不穩(wěn)定核素 (放射性核素）放射性核素）四、放射性衰變四、放射性衰變 放射性核素發(fā)生核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級的變化，同時放射性核素發(fā)生核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級的變化，同時自發(fā)地放出而變?yōu)槌鲆环N或一種以上的射線而自發(fā)地放出而變?yōu)槌鲆环N或一種以上的射線而轉(zhuǎn)變成另一種核素的過程為轉(zhuǎn)變成另一種核素的過程為“核衰變核衰變”。核衰變方式核衰變方式 核處于不穩(wěn)定狀態(tài)的原因不同，其衰變有不同的方式。 以下介紹5種衰變方式及4種射線 5種衰變方式: 、 k、 4種射線 : 、核衰變類型核衰變類型nuclear decay) nuclear

5、 decay) 衰變衰變 核衰變時放射出核衰變時放射出粒子的衰變。粒子的衰變。 AZX-A-4Z-2Y+42He+Q AZX-A-4Z-2Y+42He+Q 4He粒子特性粒子特性 粒子實質(zhì)上是He原子核， 衰變發(fā)生在原子序數(shù)大于的重元素核素 粒子的速度約為光速的1/10，即萬km/s，2s繞地球周。 在空氣中的射程約為cm，在水中或機體內(nèi)為0.06-0.16mm。 因其質(zhì)量大，射程短，穿透力弱，一張紙即可阻擋 但粒子的電離能力很強。2、衰變衰變 原子核發(fā)射出電子的衰變?yōu)樵雍税l(fā)射出電子的衰變?yōu)樗プ?。衰變?衰變發(fā)射的射線分為衰變發(fā)射的射線分為射線或射線或+射線射線 衰變衰變 衰變衰變 +衰變衰

6、變衰變衰變 核衰變時放射出粒子或俘獲軌道電子的衰變。 衰變后核素的原子序數(shù)可增加或減少但質(zhì)量數(shù)不變。 分衰變、衰變和電子俘獲三種類型。 粒子的速度為20萬km/s。 衰變衰變 衰變時放射出粒子。核內(nèi)中子過多造成的不平衡。中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子的過程。 np+e-粒子的特性 粒子實質(zhì)是負電子； 衰變后質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)加。 的能量分布具有連續(xù)能譜，穿透力比a粒子大； 電離能量比a粒子弱，能被鋁和機體吸收， 粒子在軟組織中的射程為厘米水平。衰變正電子衰變）衰變正電子衰變） 衰變時放射出粒子。核內(nèi)中子過少致不平衡。質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子過程p n+e+粒子的特性 粒子實質(zhì)是正電子； 衰變后子核質(zhì)量數(shù)不變，但質(zhì)子數(shù)

7、減. 也為連續(xù)能譜； 天然核素不發(fā)生衰變，只有人工核素才發(fā)生。電子俘獲電子俘獲(electron capture,EC)(electron capture,EC) 核衰變時原子核從內(nèi)層軌道K俘獲一個電子，使核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)化為一個中子。 。它是核內(nèi)中子數(shù)相對不足所致。P+e- n特征X線Auger 電子衰變衰變 衰變是伴隨其它衰變而產(chǎn)生；上述四種衰變形成的子核可能處于激發(fā)態(tài) 核素由激發(fā)態(tài)向基態(tài)或高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時放出射線的過程也稱為躍遷(transition)；衰變后子核質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)均不變，只是能量改變。內(nèi)轉(zhuǎn)換電子 射線特性 射線為光子流，不帶電，穿透力強，電離能力弱； 射線在真空中速度為

8、30萬km/s。 三種衰變的比較三種衰變的比較 衰變質(zhì)量、質(zhì)子數(shù)都變； 衰變質(zhì)子數(shù)變，質(zhì)量數(shù)不變； 衰變質(zhì)子、質(zhì)量數(shù)都不變，而能量改變。五、核衰變規(guī)律五、核衰變規(guī)律 放射性核素是不穩(wěn)定的，它要自發(fā)地發(fā)生衰變而變成新元素的核。 放射性原子核并不是同時衰變的，對于某一個原子核而言，何時衰變是各自獨立沒有規(guī)律的，但對于某一種原子核的群體而言，它的衰變是有規(guī)律的，即原子核數(shù)目隨時間增長按指數(shù)規(guī)律減少。N=N0e-tDecay constant()Decay constant() 衰變常數(shù)：某種放射性核素的核在單位時間內(nèi)自發(fā)衰變的比率； 它反映該核素衰變的速度和特性；值大衰變快，小則衰變慢，不受任何影響

9、 不同的核素其值不同。放射性活度放射性活度 單位時間內(nèi)原子核衰變的數(shù)量稱為單位時間內(nèi)原子核衰變的數(shù)量稱為 放射性活度放射性活度即入即入N 放射性活度的單位放射性活度的單位 國際單位專門名稱是國際單位專門名稱是“貝可貝可”( Becqurel, Bq ) 定義是每秒一次衰變。定義是每秒一次衰變。 1Bq=1S-1 派生單位：千貝可，派生單位：千貝可，KBq；百萬貝可，；百萬貝可，MBq 以前的專用單位是以前的專用單位是“居里居里”（Ci） 1居里是每秒居里是每秒3.71010次衰變，即次衰變，即3.71010 Bq 派生單位有毫居里，派生單位有毫居里，mCi , 即即1/1000 Ci 微居里，

10、微居里，ci, 即即1/1000 mCi半衰期半衰期 因為衰變的原因，樣品的放射性活度總是隨時間而減因為衰變的原因，樣品的放射性活度總是隨時間而減少，半衰期是描述放射性核素衰變速率的指標。少，半衰期是描述放射性核素衰變速率的指標。 放射性活度因核衰變而減少到原有的一半所需要的時放射性活度因核衰變而減少到原有的一半所需要的時間稱作間稱作“物理半衰期物理半衰期” 各種核素的各種核素的T1/2是不同的。是不同的。 131I_8.04d; 125I_59d; 99mTc_6.02h 長者可達長者可達1010a，短者僅有，短者僅有10-10s。 半衰期半衰期10h的核素稱為短半衰期核素。的核素稱為短半衰

11、期核素。生物半衰期生物半衰期Tb）有效半衰期有效半衰期Teff） 核醫(yī)學(xué)中還用到另外兩種半衰期：核醫(yī)學(xué)中還用到另外兩種半衰期： “生物半衰期生物半衰期”- 生物體內(nèi)的放射性核素從體內(nèi)排生物體內(nèi)的放射性核素從體內(nèi)排出一半需要的時間，出一半需要的時間，Tb。 “有效半衰期有效半衰期”-指生物體內(nèi)的放射性核素由于從體內(nèi)指生物體內(nèi)的放射性核素由于從體內(nèi)排出和物理衰變兩個因素作用，放射性活度減少一半所排出和物理衰變兩個因素作用，放射性活度減少一半所需要的時間，需要的時間，Teff。 例如：用例如：用131I治療甲狀腺疾病時，要了解該患者的治療甲狀腺疾病時，要了解該患者的131I Teff。六、核射線對物

12、質(zhì)的作用六、核射線對物質(zhì)的作用 核射線可分為帶電粒子與不帶電的光子,它們對物質(zhì)作用的情況有一定差別。 1、帶電粒子對物質(zhì)的作用、帶電粒子對物質(zhì)的作用 帶電粒子：帶電粒子： 、 、 對物質(zhì)的作用：對物質(zhì)的作用： 電離、激發(fā)、散射、韌致輻射、湮滅輻射電離、激發(fā)、散射、韌致輻射、湮滅輻射帶電粒子帶電粒子 電離與激發(fā)：（電離與激發(fā)：（ionization and excitationionization and excitation） 電離：電離：、物質(zhì)物質(zhì)核外電子核外電子e-e-脫離軌道脫離軌道自由電子；失去自由電子；失去e-e-的核帶正電荷，兩者形成一對的核帶正電荷，兩者形成一對離子。離子。 自由

13、電子還可使其它原子發(fā)生電離：次級電離自由電子還可使其它原子發(fā)生電離：次級電離帶電粒子e-正負離子對次級電離33.85eV 激發(fā)：、物質(zhì)軌道電子獲能由低能級高能級，使整個原子處于激發(fā)態(tài)；退激時可發(fā)射標識X射線和Auger電子。 帶電粒子粒子(退激)軔致輻射軔致輻射 bremsstrahlung bremsstrahlung 高速帶電粒子通過物質(zhì)原子核電場時受到突然阻滯，運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，部分或全部動能以X射線的形式輻射出來稱為軔致輻射；產(chǎn)生幾率隨帶電粒子的能量和物質(zhì)原子序數(shù)增大而增大。 粒子粒子X散射散射 scattering scattering 入射粒子與粒子或粒子系統(tǒng)碰撞而改變運動方入射粒

14、子與粒子或粒子系統(tǒng)碰撞而改變運動方向與能量的過程。僅改變運動方向而能量不變向與能量的過程。僅改變運動方向而能量不變者為彈性碰撞。者為彈性碰撞。 粒子的質(zhì)量較大，徑跡基本呈直線，發(fā)生散粒子的質(zhì)量較大，徑跡基本呈直線，發(fā)生散射較少。射較少。粒子輕，運動為曲線，散射明顯。粒子輕，運動為曲線，散射明顯。粒子粒子湮滅輻射湮滅輻射 粒子穿過物質(zhì)粒子穿過物質(zhì),喪失動能后與自由電子喪失動能后與自由電子e結(jié)合結(jié)合,轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為兩個方向相反兩個方向相反,能量各為能量各為0.511MeV的的光子，這種現(xiàn)象光子，這種現(xiàn)象稱為湮滅輻射。稱為湮滅輻射。 探測湮滅輻射產(chǎn)生的探測湮滅輻射產(chǎn)生的光子是正電子發(fā)射斷層成像即光子是

15、正電子發(fā)射斷層成像即PET的基礎(chǔ)的基礎(chǔ) PET, positron emission tomography 2、光子對物質(zhì)的作用光子對物質(zhì)的作用 光子不帶電，它對物質(zhì)的作用有以下幾種表現(xiàn)形式光子不帶電，它對物質(zhì)的作用有以下幾種表現(xiàn)形式光子能量不同，表現(xiàn)形式發(fā)生機率不同）光子能量不同，表現(xiàn)形式發(fā)生機率不同）（1光電子效應(yīng)光電子效應(yīng)photo electric effect） （2康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)Compton effect)（3電子對生成電子對生成(electron pair production) 光子與物質(zhì)的相互作用光子與物質(zhì)的相互作用 光電子效應(yīng)光電子效應(yīng)(photoelectric

16、effect)(photoelectric effect)： 多發(fā)生在低能量：多發(fā)生在低能量：0.5MeV1.02MeV兩個電子的靜止質(zhì)量）； 光子在電場作用下被完全吸收，產(chǎn)生一對正負電子； 光子能量被正、負電 子任意分配帶走(超越 1.02MeVEr轉(zhuǎn)化為正負 電子動能)； 入射e+511keV511keVe-七、幾種射線的基本性質(zhì)及用途七、幾種射線的基本性質(zhì)及用途、穿透能力穿透能力 比較比較八、記錄方式八、記錄方式 根據(jù)臨床需要來選擇對核衰變的記錄方式，主根據(jù)臨床需要來選擇對核衰變的記錄方式，主要有三類：要有三類： 1、計數(shù)、計數(shù) (放射免疫分析放射免疫分析) 2、時間、時間/空間一放射性活度曲線甲狀腺吸碘空間一放射性活度曲線甲狀腺吸碘率、放射性腎圖、單光子骨密度等）率、放射性腎圖、單光子骨密度等） 3 、放射性分布圖像、放射性分布圖