核醫(yī)學物理基礎

1、核醫(yī)學物理基礎第1頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/201幾個基本概念或定義Nuclide:具有特定質(zhì)量數(shù)、原子序數(shù)與核能態(tài),且半衰期足以能被觀測的一類原子。Isotope:具有相同原子序數(shù)，而質(zhì)量數(shù)不同的核素。Isomer: 有相同質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)，處于不同核能態(tài)的一類核素。第2頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/202Stable & radionuclide前者穩(wěn)定存在，不會自發(fā)地變化后者不穩(wěn)定，自發(fā)放射出射線，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，是否穩(wěn)定取決于核內(nèi)中子與質(zhì)子比率。P20的核素, n:p 才能穩(wěn)定。P83的核素，核力不能

2、與質(zhì)子間的斥力保持平衡，故全是不穩(wěn)定的放射性核素。 P82的核素，天然的放射性核素很少，多由人工生產(chǎn)。 第3頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/203核衰變類型（nuclear decay) 衰變 核衰變時放射出粒子的衰變。 AZX-A-4Z-2Y+42He+Q4He第4頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/204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，mm。因其射程短，一張紙即可阻擋但粒子的電離能力很強。第5頁，共40

3、頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/205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。 第6頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/206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-第7頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/207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。粒子的能量分布從0最大具有連續(xù)能譜，穿透力比a粒子大；電離能量比a粒子弱，能被鋁

4、和機體吸收。第8頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/208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+第9頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/209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)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。第10頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2010電子俘獲(electron capture,EC)核衰變時俘獲一個軌道電子。它是核內(nèi)中子數(shù)相對不足所致。從內(nèi)層軌道（K）俘獲一個電子，使核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)

5、化為一個中子。P+e- n特征X線Auger 電子第11頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2011衰變與內(nèi)轉(zhuǎn)換衰變是伴隨其它衰變而產(chǎn)生；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)換電子第12頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2012 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30萬km/s。 第13頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2013三種衰變的比較衰變質(zhì)量

6、、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。第14頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2014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。第15頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2015Decay 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；

7、值大衰變快，小則衰變慢，不受任何影響。第16頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2016衰變公式衰變公式：Nt=Noe-t特性：不同的放射性核素有不同的；共性：任何放射性核素的衰變原子核數(shù)目隨時間增長按指數(shù)規(guī)律減少； tNlogNt第17頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2017半衰期 half life 物理半衰期（physical half life，T1/2） 在單一的放射性核素衰變過程中，放射性活度降至原來一半所需的時間；長者可達1010a，短者僅有10-10s。半衰期10h的核素稱為短半衰期核素。 第18頁，共40

8、頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2018 0.693 0.693 -0.693t= - T1/2= - A=Aoe - T1/2 T1/2 生物半衰期(biological half life)在某生物體系中，某種指定化學元素的排出速率近似地按指數(shù)規(guī)律減少時，由于生物過程使其在此系統(tǒng)中減少至一半所需時間。第19頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2019 有效半衰期(effective half life)：當某生物系統(tǒng)中，某種指定的放射性核素的量，由于放射性衰變和生物排出的綜合作用，而近似地按指數(shù)規(guī)律減少時，該核素的量減少一半所需

9、時間。 Te=T1/2*Tb/(T1/2+Tb)例：I-131在甲狀腺的Te計算，I-131物理T1/2為8.1天，設Tb為天； Te=(8.1x7)/(8.1+7)=3.75天。第20頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2020放射性活度 radioactivity一定量的放射性核素在一很短的時間間隔內(nèi)發(fā)生核衰變數(shù)除以該時間間隔。即單位時間的核衰變數(shù)目； A=dN/dt單位：s-1，專用名：貝可（Becquerel，Bq） 1Bq=1S-1衍生單位：KBq、MBq、GBq(10億)、TBq。第21頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四202

10、2/9/2021比放射性與放射性濃度比放射性(specific activity)指單位質(zhì)量的放射性制劑中的放射性活度， Bq/mol,Bq/g；放射性濃度：單位容積的放射性制劑中的放射性活度,Bq/L；第22頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2022 射線與物質(zhì)的相互作用 第23頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2023帶電粒子電離與激發(fā)：（ionization and excitation）電離：、物質(zhì)核外電子e-脫離軌道自由電子；失去e-的核帶正電荷，兩者形成一對離子。自由電子還可使其它原子發(fā)生電離：次級電離帶電粒子

11、e-正負離子對次級電離33.85eV第24頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2024 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)第25頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2025電離密度單位路徑形成的離子對數(shù)目稱為: ionization density。表示帶電離子電離能力大?。浑婋x密度取決于帶電粒子能量、速度與物質(zhì)密度。帶電粒子能量大、速度慢、物質(zhì)密度低，電離密度則大。 第26頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022

12、/9/2026軔致輻射 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)，部分或全部動能轉(zhuǎn)化為具有連續(xù)能譜的軔致輻射；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X第27頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2027散射 scattering入射粒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。僅改變運動方向能量不變者為彈性碰撞。 粒子的質(zhì)量較大，徑跡基本呈直線，發(fā)生散射較少。粒子輕，運動為曲線，散射明顯。粒子粒子第28頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2028光子與物質(zhì)

13、的相互作用 光電效益(photoelectric effect)：多發(fā)生在低能量：1.02MeV（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(超過 1.02MeVEr轉(zhuǎn)化為正負 電子動能)； 入射511keV511keVe+e-自由e第31頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2031中子與物質(zhì)中子通過物質(zhì)時與原子核相互作用，中子不直接使物質(zhì)電離。彈性散射：中子將部分能量傳給被碰撞的原子核，使其脫離電子層而運動形成反沖核,反沖核使物質(zhì)的其它原子發(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

14、性碰撞。中子與質(zhì)量相近的原子核碰撞時損失的能量最多,而反沖核獲得的能量大,故應用水或石蠟作屏蔽，使其減速或吸收。 n原子核p,n第32頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2032核反應 Nuclear Reaction快中子作用于物質(zhì)的原子核時，放出帶電粒子而形成新的核，新核可能是穩(wěn)定的核素，也可能是放射性核素，如果是放射性核素，則可繼續(xù)衰變放出射線，使物質(zhì)產(chǎn)生電離或激發(fā)，這種現(xiàn)象稱為感生放射性。 23 24 24 Na+n Na Mg+Q 第33頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2033輻射量及其單位我國的法定計量單位是以

15、國際制單位為基礎，同時選用了一些非國際制的單位。常用單位：照射量、吸收劑量、劑量當量和有效劑量當量。第34頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2034照射量 exposure直接度量X、射線對空氣的電離能力的量。間接反映X、輻射場的強弱；定義：光子在單位質(zhì)量(dm)的空氣中釋放出來的全部電子（正、負電子）完全被空氣所阻止時，在空氣中產(chǎn)生任一種符號的離子總電荷的絕對值（dQ）與空氣質(zhì)量dm的比值。 X=dQ/dm 第35頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2035 適用光子能量在幾keV-3MeV。單位：庫侖.千克(C.kg-1

16、)。照射量率(X)：單位時間的照射量 X第36頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2036吸收劑量 absorbed dose單位質(zhì)量被照射物質(zhì)吸收任何電離輻射的平均能量。 D=dE/dm單位:J.kg-1 單位名稱：Gy1Gy=1J.kg-1吸收劑量率：單位時間的吸收劑量(Gy/s) D=dD/dt。第37頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19分，星期四2022/9/2037劑量當量 dose equivalent組織中某點處的劑量當量是吸收劑量(D)、品質(zhì)因素Q以及其它修正因數(shù)的乘積。 專用名：Sv（Sievert）劑量當量率：Sv/sICRP 60號出版物改為“ 當量劑量”第38頁，共40頁，2022年，5月20日，5點19