北京衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院核醫(yī)學(xué)第一章核物理知識(shí)基礎(chǔ)

1、 原原 子子 放射性核衰變放射性核衰變 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用核醫(yī)學(xué)核醫(yī)學(xué)物理基礎(chǔ)物理基礎(chǔ) 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。 原子核中子質(zhì)子電子+ +原子核結(jié)構(gòu)原子核結(jié)構(gòu): :X X為元素符號(hào)為元素符號(hào)Z Z為質(zhì)子數(shù)為質(zhì)子數(shù)N N為中子數(shù)為中子數(shù)A A為質(zhì)量數(shù)為質(zhì)量數(shù)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(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

2、乎都一樣，但物理性質(zhì)可能有所不同。 同位素同位素凡同一元素的不同核素（質(zhì)子數(shù)同，中凡同一元素的不同核素（質(zhì)子數(shù)同，中子數(shù)不同）在周期表上處于相同位置，互稱為該元子數(shù)不同）在周期表上處于相同位置，互稱為該元素的同位素素的同位素。4 元素元素具有相同質(zhì)子數(shù)的原子，化學(xué)性質(zhì)相具有相同質(zhì)子數(shù)的原子，化學(xué)性質(zhì)相同，但其中子數(shù)可以不同，如同，但其中子數(shù)可以不同，如131131I I和和127127I I； 核素核素質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同，且具有質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同，且具有相同能量狀態(tài)的原子，稱為一種核素。同一元相同能量狀態(tài)的原子，稱為一種核素。同一元素可有多種核素，如素可有多種核素，如131131I

3、 I、127127I I、3 3H H、99m99mTcTc、9999TcTc分別為分別為3 3種元素的種元素的5 5種核素；種核素； 同質(zhì)異能素同質(zhì)異能素質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相同，但處質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相同，但處于不同的核能狀態(tài)原子，于不同的核能狀態(tài)原子，如如99m99mTcTc、9999TcTc 。 原子核穩(wěn)定，不會(huì)自發(fā)衰變的核素稱為原子核穩(wěn)定，不會(huì)自發(fā)衰變的核素稱為穩(wěn)定核素穩(wěn)定核素(stable nuclide); 原子核處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需通過核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)原子核處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需通過核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)調(diào)整才能趨于穩(wěn)定的核素稱為調(diào)整才能趨于穩(wěn)定的核素稱為放射性核素放射性核素(radionuclid

4、e); 放射性核素的原子由于核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)調(diào)整，自放射性核素的原子由于核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)調(diào)整，自發(fā)地釋放出一種或一種以上的射線并轉(zhuǎn)化為另一發(fā)地釋放出一種或一種以上的射線并轉(zhuǎn)化為另一種原子的過程稱為種原子的過程稱為放射性衰變放射性衰變(radiation decay)。穩(wěn)定核素與放射性核素穩(wěn)定核素與放射性核素 放射性衰變：放射性衰變：放射性核素由于核內(nèi)結(jié)構(gòu)或放射性核素由于核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)調(diào)整，自發(fā)地釋放出一種或一種以上能級(jí)調(diào)整，自發(fā)地釋放出一種或一種以上的射線并轉(zhuǎn)化為另一種核素的過程。的射線并轉(zhuǎn)化為另一種核素的過程。- -衰變（衰變（- -decaydecay） 由于核內(nèi)中子缺乏致使放射出正電子的衰變

5、，稱為正電子衰變，也叫+衰變。 衰變時(shí)發(fā)射一個(gè)正電子和一個(gè)中微子（），原子核中一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶印?+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，+衰變可用下式表示： AZ189F188O + + + 0.66MeV 正電子衰變核素，都是人工放射性核素。 正電子射程僅12mm，在失去動(dòng)能的同時(shí)與其鄰近的電子（）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的光子。 PET PET顯像原理。顯像原理。 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。 常用藥物：常用藥物：1818F-

6、FDGF-FDG（氟代脫氧葡萄糖） 因?yàn)?8FDG可準(zhǔn)確反映體內(nèi)器官/組織的葡萄糖代謝水平，因此被譽(yù)為“世紀(jì)分子”，是目前PET-CT顯像的主要顯像劑。 （三）電子俘獲 電子俘獲：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。 發(fā)生在缺中子的原子核，與正電子衰變時(shí)核結(jié)構(gòu)的改變相似。 電子俘獲也發(fā)生在缺中子核素，但核內(nèi)轉(zhuǎn)變能量小于1.02MeVc。從核外內(nèi)層的電子軌道上俘獲一個(gè)電子，使一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子。 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。 電子俘獲發(fā)生后可發(fā)生次級(jí)

7、輻射： 1、當(dāng)內(nèi)層電子被俘入核內(nèi)，外層軌道電子則補(bǔ)缺，兩電子軌道之間的能量差轉(zhuǎn)換成特征X線釋放出來； 2、該能量差或傳給更外層電子使之脫離軌道而釋放，這種電子被稱為俄歇電子。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）。 內(nèi)轉(zhuǎn)換電子過程電子俘獲后，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） 指數(shù)衰減規(guī)律指數(shù)衰減規(guī)律 N = N0e- t N0: （t = 0）時(shí)放射性原子）時(shí)放射性

8、原子 核的數(shù)目核的數(shù)目N: 經(jīng)過經(jīng)過t時(shí)間后未發(fā)生衰變的放射性原時(shí)間后未發(fā)生衰變的放射性原子核數(shù)目子核數(shù)目 :放射性原子核衰變常數(shù)放射性原子核衰變常數(shù) 大小只與原子核本身性質(zhì)有關(guān)，與外大小只與原子核本身性質(zhì)有關(guān)，與外界條件無關(guān)界條件無關(guān); 數(shù)值越大衰變?cè)娇鞌?shù)值越大衰變?cè)娇欤悍派湫栽雍藬?shù)從N0衰變到N0的1/2所需的時(shí)間N = NN = N0 0e e- - t t第三節(jié) 核衰變規(guī)律 重要概念重要概念內(nèi)的放射性核內(nèi)的放射性核素素bbTTTTTe2/12/1 千貝可（kBq）=103Bq 兆貝可（kBq）=106Bq 吉貝可（kBq）=109Bq 毫居里（mCi）=3.7*107Bq 微居里（m

9、Ci）=3.7*104Bq1Ci= Bq = 37GBq=1000mCi1mCi= Bq = 37MBq=1000uCi 1uCi= Bq = 37kBq 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。 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

10、素顯像和治療的基礎(chǔ)。 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。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(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。射線粒子受到原子核靜射線粒子受到原子核靜電場(chǎng)作用，改變?cè)瓉磉\(yùn)電場(chǎng)作用，改變?cè)瓉磉\(yùn)動(dòng)方向，能量無損失。動(dòng)方向，能量無損失。 致輻射的強(qiáng)度和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，隨粒子的能量增加而增加。 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。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

11、輻射。 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。 射線和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）。光子將部分能量傳遞給核外電子，使之成為康普頓電