放射性衰變基本知識

關(guān)于放射性衰變基本知識第1頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三第2頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三

原子是由原子核和核外電子組成的，原子核帶正電，核外電子帶負電，整個原子呈電中性的。核外電子在軌道上運動時不吸收也不輻射能量的狀態(tài)稱為定態(tài)（Stationarystate）；能量最低的定態(tài)稱為基態(tài)（Groundstate）；能量較高的定態(tài)稱為激發(fā)態(tài)（Excitedstate）。

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3頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三二、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4頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三同位素第5頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三四、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99Tc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?！?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6頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三二、衰變類型

(一)α衰變(alphadecay)：指母核放出一個α粒子（氦原子核）的過程。比如226Ra(鐳)衰變式如下：226Ra→222Rn+α+4.86Mevα粒子的質(zhì)量大且?guī)щ姾?，故射程短，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(xué)顯像用。但α粒子對局部的電離作用強，對開展體內(nèi)惡性組織的放射性核素治療具有潛在的優(yōu)勢。第7頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三第8頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三（二）β衰變(betadecay)

(1)β-衰變：指母核放出一個負電子的過程。β-衰變發(fā)生在中子過剩的原子核。比如：32P(磷)衰變式如下：

32P→32S+e-1+υe+1.711Mevβ-衰變時放出一個β-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。β-射線的本質(zhì)是高速運動的電子流，β-衰變時，衰變能隨機分配給β-粒子和反中微子，因而β-粒子的能量分布形成連續(xù)能譜。第9頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三第10頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三β-粒子穿透力弱，例如2Mev的β-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β-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)β+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，也可認為是質(zhì)子過剩。比如：13N(氮)衰變式如下：13N→13C+β++υ+1.190Mev衰變時放出一個β+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11頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三(3)電子俘獲(electroncapturedecay，EC)核內(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)+υ+0.0355Mev。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“標識X線”。第12頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三第13頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三（三）γ躍遷(γtransition)1、同質(zhì)異能躍遷(isomerictransition)：原子核發(fā)生α衰變、β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γ射線，這個過程稱為γ衰變。99mTc(锝)衰變式如下：

99mTc→99Tc+γ2、內(nèi)轉(zhuǎn)換(internalconversion)：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γ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14頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三第15頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三第16頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三第17頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三§3核衰變規(guī)律一、衰變規(guī)律：對大量放射性核的群體進行研究，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-λt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18頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三二、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T1/2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一半所需的時間。三者的關(guān)系可用下式表示：Te=（T1/2·Tb）／（T1/2+Tb）第19頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三

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20頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三(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，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21頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三§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)(ionizationandexcitation)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)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弱的量。α>β>γ。第22頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三（二）韌致輻射：β-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β-的能量及被作用物質(zhì)的原子序數(shù)成正比。在實際工作中，為了盡可能地減少β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、有機玻璃等。

第23頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三(三)湮沒輻射：β+與物質(zhì)相互作用會受到原子核電場的吸引，正負電子結(jié)合成為一對能量各為0.511Mev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。α﹤β﹤γ

第24頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三第25頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三二、γ射線（X射線）與物質(zhì)的相互作用(一)光電效應(yīng)(photoelectriceffect)：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26頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三（二）康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)：當光子的能量遠大于殼層電子的結(jié)合能時，γ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，γ射線失去部分能量改變運動方向射出，稱為康普頓散射光子，這個過程稱為康普頓效應(yīng)。第27頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三(三)電子對生成效應(yīng)(pairproduction)：能量超過1.02Mev的γ射線與物質(zhì)相互作用，γ光子在原子核電場的作用下產(chǎn)生一對正負電子，這種作用稱為電子對生成效應(yīng)。1.02Mev的能量是產(chǎn)生一對正負電子的最低極限值。γ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γ光子的能量和物質(zhì)原子序數(shù)的不同而不同。

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一般而言，低能γ射線通過高原子序數(shù)物質(zhì)時以光電效應(yīng)為主；中能γ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γ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。γ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一步引起物質(zhì)的電離和激發(fā)。第29頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三第30頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三三、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。實驗表明：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，這在中子防護上具有重要意義。第31頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三（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β、γ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+10n→24Na+γ可寫成23Na(n、γ)24Na等。第32頁，講稿共36頁，2023年5月2日，星期三§5常用輻射量及其單位一、照射量(exposure)：是直接度量X、γ射線對空氣電離能力的量，可間接反映X、γ輻射場的強弱的一種物理量，其定義是：X或γ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