放射性衰變基本知識

1、關(guān)于放射性衰變基本知識第一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 原子是由原子核和核外電子組成的，原子核帶正電，核外電子帶負(fù)電，整個原子呈電中性的。核外電子在軌道上運(yùn)動時不吸收也不輻射能量的狀態(tài)稱為定態(tài)（Stationary state）；能量最低的定態(tài)稱為基態(tài)（Ground state）；能量較高的定態(tài)稱為激發(fā)態(tài)（Excited state）。 原子核是由質(zhì)子（p）和中子(n)組成的，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子（nucleon），質(zhì)子帶正電，其電量與電子的電量相等，中子不帶電。質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和稱為原子核的質(zhì)量數(shù)(A)。第三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)

2、作于2022年6月二、核素(nuclide) 具有特定的質(zhì)量數(shù)、原子序數(shù)和核能態(tài)的原子，統(tǒng)稱為核素?？捎猛ㄊ紸X表示,目前已知的元素雖僅100多種，但已知的核素卻有2700多種。核素可分為穩(wěn)定性核素與放射性核素二種，其中絕大多數(shù)為放射性核素。三、同位素（isotope）凡原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同(原子序數(shù)相同),而中子數(shù)不同的一類原子，彼此互稱為同位素, 比如：1H、2H、3H互稱為同位素。每種同位素也是一種核素。第四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月同位素第五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月四、同質(zhì)異能素（ isomer） 核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均相同，但所處能量狀態(tài)不同的核素。如9

3、9Tc與99mTc，99mTc是處于激發(fā)態(tài)的原子核，激發(fā)態(tài)向基態(tài)過渡時將放出多余的能量。2 核的穩(wěn)定性和放射性衰變 一、原子核的穩(wěn)定性：取決核子之間的引力和短程核力。只有當(dāng)核子總數(shù)以及中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)的比例在一定的范圍內(nèi)才能使這兩種力平衡，原子核才是穩(wěn)定的。第六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月二、衰變類型 (一)衰變(alpha decay)：指母核放出一個粒子（氦原子核）的過程。 比如226Ra(鐳)衰變式如下： 226Ra222Rn+4.86Mev粒子的質(zhì)量大且?guī)щ姾桑噬涑潭?，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(xué)顯像用。但粒子對局部的電離作用強(qiáng)，對

4、開展體內(nèi)惡性組織的放射性核素治療具有潛在的優(yōu)勢。 第七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）衰變(beta decay) (1)-衰變：指母核放出一個負(fù)電子的過程。-衰變發(fā)生在中子過剩的原子核。比如：32P(磷)衰變式如下： 32P32S+e-1+ e +1.711 Mev -衰變時放出一個-粒子和反中微子，核內(nèi)一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，因而子核比母核中子數(shù)減少1，原子序數(shù)增加1，原子質(zhì)量數(shù)不變。-射線的本質(zhì)是高速運(yùn)動的電子流，-衰變時，衰變能隨機(jī)分配給-粒子和反中微子，因而-粒子的能量分布形成連續(xù)能譜。 第九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于202

5、2年6月第十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月-粒子穿透力弱，例如2Mev的-粒子在軟組織中的射程約為2cm，不能用于核醫(yī)學(xué)顯像。某些-核素可用于核素治療，例如：131I用于治療甲亢和甲狀腺癌，32P可用于血液和皮膚病的治療。(2)+衰變：指母核放出一個正電子的過程。發(fā)生在中子相對缺乏的核素，也可認(rèn)為是質(zhì)子過剩。比如：13N(氮)衰變式如下： 13N13C+1.190 Mev 衰變時放出一個+粒子和中微子，核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?。正電子的射程僅1-2mm即發(fā)生湮滅輻射。第十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(3)電子俘獲(electron capture decay，EC)核

6、內(nèi)的一個質(zhì)子可以俘獲一個核外電子并發(fā)射一個中微子而轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中子，所形成的子核質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)少1。 比如125I(碘)衰變式如下： 125I+e-125Te(碲)+0.0355 Mev。 原子核發(fā)生電子俘獲后，外層電子留下一個空軌道，更外層電子填補(bǔ)空軌道，將多余的能量以電磁輻射或光子流的形式釋放出去，這種電磁輻射或光子流稱為“標(biāo)識X線” 。第十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（三）躍遷( transition)1、同質(zhì)異能躍遷(isomeric transition)：原子核發(fā)生衰變、衰變后的子核吸收衰變能處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的子

7、核向基態(tài)過渡時將多余的能量以電磁輻射或光子流的形式釋放出去，這種電磁輻射或光子流稱為射線，這個過程稱為衰變。99mTc(锝)衰變式如下： 99mTc99Tc+2、內(nèi)轉(zhuǎn)換(internal conversion)：激發(fā)態(tài)的原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時不放出射線，而將多余的能量直接交給核外殼層電子，使軌道上的電子獲得足夠能量后脫離軌道成為自由電子稱之為內(nèi)轉(zhuǎn)換，該自由電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。 第十四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第十五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第十六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第十七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月3 核衰變規(guī)律一、衰變規(guī)

8、律：對大量放射性核的群體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其衰變遵循一種普遍的衰減規(guī)律，即各種放射性核的群體（樣品）其總的放射性核的數(shù)目N都隨時間t按指數(shù)規(guī)律衰減。 衰變公式： N=Noe-t 該式是表示核衰變的基本公式，適用于任何一種單一存在的放射性核素。 第十八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月二、半衰期（一）物理半衰期(T1/2)：放射性核素由于衰變,其原子核數(shù)目或活度減少到原來一半所需的時間,用T 1/2表示。（二）生物半衰期(Tb)： 放射性核素由于生物代謝,其原子核數(shù)目或活度減少到原來一半所需的時間。（三）有效半衰期(Te)：放射性核素由于生物代謝和衰變的共同作用,其原子核數(shù)目或活度減少到原來

9、一半所需的時間。三者的關(guān)系可用下式表示：Te=（T1/2Tb）（T1/2+Tb） 第十九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 引入半衰期概念以后，核衰變的公式可改寫成： N=Noe-0.693t/T1/2 或A=A0e-0.693t/T1/2 按照這一公式，可根據(jù)某種放射性核素的半衰期和其出廠到使用時的間隔時間（t）計(jì)算出使用時的放射性活度。三、放射性活度及其單位 (一)放射性活度 單位時間內(nèi)核衰變的次數(shù)，用dps或dpm來表示。第二十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(二)放射性活度單位：在國際單位制(SI)中，放射性活度專名是貝可勒爾(Bequeral)，簡稱貝可，符號是Bq

10、，單位是秒-1(s-1)其派生單位有KBq、MBq、GBq和TBq。 1TBq=103GBq=106MBq=109KBq四、放射性比活度：單位質(zhì)量（摩爾、容積）物質(zhì)所含放射性的多少。 單位是MBq/mg、GBq/mg、TBq/g或MBq/mmol、GBq/mmol、MBq/ml。后者常稱為放射性濃度。 第二十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月4 射線與物質(zhì)的相互作用一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用(一)電離與激發(fā)(ionization and excitation)電離：指帶電粒子與物質(zhì)相互作用使物質(zhì)中的中性原子變成離子對的過程。激發(fā)：如果核外電子所獲動能不足以使之成為自由電子，只是從內(nèi)

11、層躍遷到外層，從低能級躍遷到高能級。電離密度：單位路徑上形成的離子對的數(shù)目。它表示的是射線電離作用強(qiáng)弱的量。第二十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）韌致輻射：-與物質(zhì)相互作用會受到原子核電場的排斥，將部分能量以電磁輻射或光子流的形式釋放出去，這種電磁輻射或光子流稱為韌致輻射。韌致輻射的發(fā)生幾率與-的能量及被作用物質(zhì)的原子序數(shù)成正比。在實(shí)際工作中，為了盡可能地減少射線產(chǎn)生的韌致輻射，應(yīng)該選用原子序數(shù)低的材料作為屏蔽材料，比如鋁、有機(jī)玻璃等。 第二十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(三) 湮沒輻射：+與物質(zhì)相互作用會受到原子核電場的吸引，正負(fù)電子結(jié)合成為一對能量各為0.

12、511Mev的光子，這個過程稱為湮沒輻射，湮沒輻射是PET顯像的基礎(chǔ)。（四）吸收和射程 ：吸收：帶電粒子引起電離和激發(fā)的同時逐步損失能量，當(dāng)其動能全部或接近全部消失時，原來的射線不在存在，這一現(xiàn)象稱為射線的吸收。射程：射線從入射到完全消失所經(jīng)過的直線距離稱為射線的射程。 第二十四張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十五張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月二、射線（X射線）與物質(zhì)的相互作用(一)光電效應(yīng)(photoelectric effect)：光子與物質(zhì)相互作用，將所有的能量都傳給被作用物質(zhì)原子核的核外電子，使其脫離原子核的束縛成為自由電子，這個自由電子稱為光電子，這個過程稱

13、為光電效應(yīng)（由光子到電子）。發(fā)射光電子的原子內(nèi)層電子出現(xiàn)空位，故可發(fā)射特征X射線。第二十六張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）康普頓效應(yīng)(Compton effect)： 當(dāng)光子的能量遠(yuǎn)大于殼層電子的結(jié)合能時，光子將其部分能量傳給被作用物質(zhì)原子核的核外電子，使其脫離原子核的束縛成為自由電子，這個自由電子稱為康普頓電子，射線失去部分能量改變運(yùn)動方向射出，稱為康普頓散射光子，這個過程稱為康普頓效應(yīng)。第二十七張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月(三)電子對生成效應(yīng)(pair production)： 能量超過1.02Mev的射線與物質(zhì)相互作用，光子在原子核電場的作用下產(chǎn)生一對正負(fù)電

14、子，這種作用稱為電子對生成效應(yīng)。1.02Mev的能量是產(chǎn)生一對正負(fù)電子的最低極限值。 射線與物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對生成效應(yīng)的幾率，隨光子的能量和物質(zhì)原子序數(shù)的不同而不同。 第二十八張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月 一般而言，低能射線通過高原子序數(shù)物質(zhì)時以光電效應(yīng)為主；中能射線通過低原子序數(shù)物質(zhì)時以康普頓效應(yīng)為主；而高能射線通過高原子序數(shù)物質(zhì)時以電子對生成效應(yīng)為主。 射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的光電子、康普頓電子、生成電子對等次級電子可以進(jìn)一步引起物質(zhì)的電離和激發(fā)。 第二十九張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月

15、三、中子與物質(zhì)的相互作用（一）彈性散射（碰撞）：中子將一部分能量傳給被碰撞的原子核，使其脫離電子層而運(yùn)動形成反沖核，反沖核使物質(zhì)的其他原子發(fā)生電離和激發(fā)，而中子本身速度減慢，方向改變，這種現(xiàn)象稱為彈性散射。實(shí)驗(yàn)表明：中子與其質(zhì)量相近的原子核碰撞時損失的能量最多（如氫核），所以，中子易于被含氫多的物質(zhì)如水、石蠟等減速吸收，這在中子防護(hù)上具有重要意義。第三十一張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）核反應(yīng)：快中子與物質(zhì)的原子核作用放出帶電粒子而形成新核的過程稱為核反應(yīng)。形成的新核如果是放射性核素則繼續(xù)衰變放射出、射線，使物質(zhì)原子產(chǎn)生電離或激發(fā)，稱為感生放射性。中子與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生核反應(yīng)是

16、中子反應(yīng)堆工作的基礎(chǔ)，也是中子彈的殺傷因素。 比如23Na+10n24Na+可寫成23Na(n、) 24Na 等 。第三十二張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月5 常用輻射量及其單位一、照射量(exposure)：是直接度量X、射線對空氣電離能力的量，可間接反映X、輻射場的強(qiáng)弱的一種物理量，其定義是： X或射線在單位質(zhì)量為dm的空氣中與原子核相互作用，釋放出來的全部正負(fù)電子完全被阻止時，所產(chǎn)生的同一種符號的離子總電荷的絕對值dQ與dm之比，即X=dQ/dm。 照射量的SI單位為庫侖千克-1。照射量僅適用于能量在10Kev-3Mev范圍內(nèi)的X、射線。第三十三張，PPT共三十六頁，創(chuàng)作于2022年6月二、吸收劑量(absorbed dose)：單位質(zhì)量(dm) 被照射物質(zhì)所吸收的任何電離輻射的平均能量dE，用D表示：D=dE/dm 吸收劑量的SI單位為Jkg-1，SI單位專名為戈瑞，符號Gy，Gy=1Jkg-1。 三、當(dāng)量劑量 (equivalemt dose)：是衡量各