第二章核衰變

第二章核轉(zhuǎn)變核衰變定義：原子序數(shù)很高的重核，他們的核不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)的放出射線，變成另一種元素的原子核

哪些核不穩(wěn)定呢？根據(jù)核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的奇偶性，偶偶核最穩(wěn)定，穩(wěn)定核素最多，其次是偶奇核和奇偶核，而奇奇核最不穩(wěn)定（僅有四種穩(wěn)定核：2H、6Li、10B、14N），穩(wěn)定核素最少。核衰變過程遵守電荷、質(zhì)量、能量、動(dòng)量和核子數(shù)守恒定律第一節(jié)放射性核素衰變類型α衰變?chǔ)滤プ儲(chǔ)盟プ兒蛢?nèi)轉(zhuǎn)換一、衰變定義質(zhì)量數(shù)A>209的重核發(fā)射α粒子后，變?yōu)橘|(zhì)量數(shù)A值較低的原子核α粒子是氦核α衰變過程可寫成：

子核比母核質(zhì)量數(shù)少4，質(zhì)子數(shù)少2Pu的衰變圖二、β衰變定義：一種核自發(fā)的變成另外一種核，其質(zhì)量數(shù)A保持不變，而原子序數(shù)Z在元素周期表中向前或后移1個(gè)位置。分類：β-衰變?chǔ)?衰變電子俘獲

（一）β-衰變定義由母核放出β-射線（負(fù)電子）的一種衰變

子核比母核質(zhì)量數(shù)相等，質(zhì)子數(shù)多1

實(shí)例實(shí)質(zhì)-母核的一個(gè)中子釋放負(fù)電子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子衰變定義放射元素放射粒子（正電子）后，轉(zhuǎn)變?yōu)樵有驍?shù)減去1的另一個(gè)原子核。

子核比母核質(zhì)量數(shù)相等，質(zhì)子數(shù)少1實(shí)例實(shí)質(zhì)-母核的質(zhì)子釋放一個(gè)正電子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶与娮臃@

定義原子核俘獲核外電子，使核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橐粋€(gè)中子，電荷數(shù)變?yōu)閆-l多為K電子俘獲子核比母核質(zhì)量數(shù)相等，質(zhì)子數(shù)少1實(shí)例實(shí)質(zhì)-母核的質(zhì)子得到一個(gè)殼層電子轉(zhuǎn)化為中子三、γ衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換γ衰變定義

α和β衰變后的子核大部分處于激發(fā)態(tài)，并以γ射線的形式釋放能量，躍遷到較低的能態(tài)或基態(tài)，這種躍遷叫γ衰變?cè)诤酸t(yī)學(xué)中使用的60Co(鈷)、99mTc(锝)等放射源均有β和γ射線發(fā)射內(nèi)轉(zhuǎn)換定義

處于激發(fā)態(tài)的原子核由激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)，把全部能量交給核外電子，使其脫離原子的束縛而成為自由電子，這一過程叫內(nèi)轉(zhuǎn)換發(fā)射的電子叫內(nèi)轉(zhuǎn)換電子總結(jié)激發(fā)態(tài)原子核的能量以γ形式釋放-γ衰變傳遞給核外電子-內(nèi)轉(zhuǎn)換習(xí)題見P37思考題的12第二節(jié)原子核的衰變規(guī)律一、衰變規(guī)律衰變常數(shù)半衰期平均壽命放射性活度如果在短時(shí)間dt內(nèi)，有dN個(gè)核改變，從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn),改變率dN/dt

必定與當(dāng)時(shí)存在的總原子核數(shù)N成正比，即

-dN=λNdt

負(fù)號(hào)表示放射性核數(shù)N隨時(shí)間t的增加而減少。λ為衰變常數(shù)，反映放射性核素隨時(shí)間衰變的快慢。對(duì)上式進(jìn)行積分，便可得到(一)衰變常數(shù)

由上式可知衰變常數(shù)為λ值反映單位時(shí)間內(nèi)衰變的原子核數(shù)比例，因而它是描寫放射物放射衰變快慢的一個(gè)物理量，單位用秒-1(s-1)(二)半衰期T對(duì)于某種特定能態(tài)的放射核，核的數(shù)量因發(fā)生自發(fā)核衰變而減少到原來核數(shù)一半所需的時(shí)間稱為半衰期，用T1/2表示。它是表征放射性核自發(fā)衰變快慢的另一參數(shù)。單位用年(a)、天(d)、小時(shí)(h)、分(min)、秒(s)表示。不同的放射性核素半衰期的差別可能很大，例如天然鈾中的238U核素，其半衰期為4.47109a；而核素132I的半衰期為2.28h。當(dāng)t=T，N=N0／2代人后，得T和λ的關(guān)系為

經(jīng)過一個(gè)T后，其放射性核素衰減到原來的1／2，兩個(gè)T后衰減到原來的1／4，依此類推，經(jīng)過n個(gè)T后，將衰減到原來的（1/2）n

，這樣就得到（三）平均壽命τ也是一個(gè)反映放射性核素衰變快慢的，不過它具體反映的是某種放射性核平均存在的時(shí)間，單位是秒(s)。

(四)放射性活度常用單位時(shí)間內(nèi)衰變的原子核數(shù)來表示放射性強(qiáng)度，或叫放射性活度，用A表示A0=λN0，為t=0時(shí)刻的放射性活度。若某時(shí)刻母核數(shù)為N，則該時(shí)刻的放射性活度為A=λN。-dN=λNdt

(四)放射性活度放射性活度的單位是貝可勒爾，簡(jiǎn)稱貝可，符號(hào)Bq。1Bq=1衰變·秒-1放射性活度專用單位用居里(Ci)表示。1Ci＝3.7×1010Bq

1Bq＝2.703×10-11Ci例一臺(tái)60Co治療機(jī)源初裝時(shí)活度為111TBq，使用5年后源的活度還剩多少？已知60Co的T1/2為5.27a已知A0=111TBq，T1/2=5.27a，t=5a習(xí)題見P27的思考題345

放射系：由某一個(gè)最初的放射性核素遞次衰變而產(chǎn)生一系列放射性核素，構(gòu)成放射族由三個(gè)天然放射性衰變系組成，即釷系，鈾系，錒系共同特點(diǎn)起始都是長(zhǎng)壽命元素，壽命大于或接近地球中間產(chǎn)物都有放射性氣體氡。并有放射性淀質(zhì)生成最后都生成穩(wěn)定的核數(shù)二、放射平衡釷系—4n系鈾系—4n+2系4n表示系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)其起始元素是通過一系列α衰變最后生成208Pb(穩(wěn)定)表示系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)+2其起始元素是通過一系列α衰變最后生成206Pb(穩(wěn)定)錒系—4n+3系表示衰變系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)+3其起始元素是235U通過一系列α衰變最后生成207Pb(穩(wěn)定)镎系—4n+1系表示衰變系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)+1其起始元素是237Np通過一系列α衰變最后生成209Bi(穩(wěn)定)此系非天然放射性，在40年代，已通過各種核反應(yīng)方法合成了這一放射系的所有成員。其衰變子體中無放射性氣體氡（Rn）放射系（族）

假設(shè):ABC二、放射平衡即:(1)母體Tm>>子體Tz達(dá)平衡所需t約為Tz的幾倍穩(wěn)態(tài)平衡(2)母體Tm>子體Tz幾倍暫態(tài)平衡(3)母體Tm＜子體Tz第三節(jié)醫(yī)用放射性核素的生產(chǎn)與制備一、放射治療常用放射性核素及其生產(chǎn)核反應(yīng)堆上制備放射性核素的方法主要有兩種：（1）通過反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子流照射靶子物，直接生產(chǎn)或通過簡(jiǎn)單處理生產(chǎn)放射性核素，即（n，γ）法；（2）從輻照后的235U等易裂變材料產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物中分離，即（n，f）法。1.核反應(yīng)堆中子照射生產(chǎn)--用反應(yīng)堆的中子轟擊穩(wěn)定性核素是獲取人工放射性核素的主要方法主要的核反應(yīng)類型有（n，γ）反應(yīng)（n，p）反應(yīng)（n，α）反應(yīng)（n，f）反應(yīng)（n，2n）反應(yīng)多次中子俘獲（n,γ）反應(yīng)--

（n,γ）是生產(chǎn)放射性核素最重要、最常用的核反應(yīng)

通過（n,γ）反應(yīng)，再經(jīng)核衰變生成所需要的放射性核素

（n,f）反應(yīng)235U等易裂變核素俘獲中子發(fā)生（n,f）反應(yīng)，生成數(shù)百種裂變?cè)兀虼肆炎儺a(chǎn)物的組成相當(dāng)復(fù)雜（n,p）反應(yīng)要求中子有較高能量，一般由快中子誘發(fā)。適于制備原子序數(shù)較低的放射性核素，如14C、32P、58Co等。（n,α）反應(yīng)利用（n,α）反應(yīng)也可以生產(chǎn)無載體放射性核素。用富集的6Li生產(chǎn)氚就是采用了該核反應(yīng)方式，即6Li（n,α）3H。放射性核素生產(chǎn)要求反應(yīng)堆提供的條件A.

高中子注量率B.

足夠的輻照時(shí)間C.

反應(yīng)堆運(yùn)行方式D.

反應(yīng)堆安全保障一般5×1013cm-2·s-1以上，特殊要求在1×1015cm-2·s-1以上多達(dá)數(shù)十個(gè)的輻照孔道

依據(jù)生產(chǎn)放射性核素半衰期的長(zhǎng)短設(shè)置不同的運(yùn)行方式干孔道采用空氣冷卻靶件，濕孔道采用純凈水冷卻靶件

反應(yīng)堆生產(chǎn)的一些重要放射性核素核素半衰期核反應(yīng)靶子物生產(chǎn)方法3H12.33a6Li（n，α）3HLi-Mg，Li-Al照射后將靶子在真空中加熱至500℃～600℃以分離14C5730a14N（n，p）14CBe3N2，硝酸鋇靶子用65%的硫酸溶解，加入H2O2，生成的14CO2，14CO，14CH4等用N2氣流帶出，通過750℃的CuO后，生成的14CO2用NaOH吸收，再沉淀成Ba14CO332P14.282d32S（n，p）32P蒸餾純化的硫照射后于180℃下減壓蒸餾除硫，加入0.1mol·L-1HCl和H2O2，加熱純化2h得到H332PO460Co5.271a59Co（n，γ）60Co純度＞98%的Co絲直接可制成各種形式和各種放射性活度的鈷源98Mo（n，γ）99Moβ-，γ112Sn（n，γ）113SnEcIT124Xe（n，γ）125Xeβ－130Te（n，γ）131Teβ－核素半衰期核反應(yīng)靶子物生產(chǎn)方法99Mo-99mTc99Mo：2.7477d99mTc：6.006hMoO3粉末溶于10mol·L-1氨水中，除去過量氨，用0.05mol·L-1HCl溶解并調(diào)節(jié)溶液pH為3-4，吸附在氧化鋁柱上，最后用生理鹽水洗脫99mTc113Sn-113mIn112Sn：115.09d113mIn：1.658h錫絲，112Sn富集靶高中子通量照射一年后，用6mol·L-1HCl加熱溶解，蒸干，加Br2水氧化成Sn4+，然后將它吸附在氧化鋯吸附柱上，用0.05mol·L-1HCl洗脫113mIn125I59.407d124Xe氣124Xe氣體靶入堆輻照后，取出、冷卻衰變一星期，然用NaOH吸收125I。131I8.040dTeO2TeO2置于馬弗爐內(nèi)，于750℃～800℃下蒸餾，用NaOH溶液吸收蒸出的131I2.從裂變產(chǎn)物中分離和提取放射性核素裂變核反應(yīng)圖2-7中子引發(fā)的鈾核裂變示意圖裂變產(chǎn)物分離離子交換分離溶劑萃取分離萃取色層分離沉淀分離法其它方法A裂片元素的分離方法選擇性好，回收率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作、易于放射性屏蔽簡(jiǎn)便、快速、選擇性高、易于連續(xù)操作和遠(yuǎn)距離控制對(duì)于性質(zhì)相似的元素的分離更能顯示其優(yōu)越性操作繁雜、程序冗長(zhǎng)、回收率和去污率較低超臨界流體萃取法和采用離子液體為萃取介質(zhì)的方法裂變99Mo提取流程IRE裂變同位素99Mo、131I、133Xe分離流程圖

純化流程圖二、核醫(yī)學(xué)常用放射性核素及其生產(chǎn)1.放射性核素發(fā)生器從長(zhǎng)半衰期母體核素中分離出短半衰期子體核素的分離裝置99Mo-99mTc發(fā)生器

母體核素99Mo以99MoO42-的形式吸附在Al2O3柱上，然后用0.9％NaCl等洗脫液將高價(jià)（＋7）的99mTc以99mTcO4-的形式洗脫下來，而母體仍留在發(fā)生器內(nèi)。2.回旋加速器生產(chǎn)加速器主要由三個(gè)部分組成：離子源用于提供所需加速的電子、正電子、質(zhì)子、反質(zhì)子以及重離子等粒子；真空加速系統(tǒng)該系統(tǒng)中有一定形態(tài)的加速電場(chǎng)，為了使粒子在不受空氣分子散射的條件下加速，整個(gè)系統(tǒng)放在真空度極高的真空室內(nèi)；導(dǎo)引、聚焦系統(tǒng)用一定形態(tài)的電磁場(chǎng)來引導(dǎo)并約束被加速的粒子束，使之沿預(yù)定軌道接受電場(chǎng)的加速。衡量一個(gè)加速器的性能的指標(biāo)有兩個(gè)粒子所能達(dá)到的能量粒子流的強(qiáng)度（流強(qiáng)）加速器按其作用原理不同可分為靜電加速器、直線加速器、回旋加速器、電子感應(yīng)加速器、同步回旋加速器、對(duì)撞機(jī)等。回旋加速器

回旋加速器示意圖

回旋加速器是利用磁場(chǎng)使帶電粒子作回旋運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)高頻電場(chǎng)反復(fù)加速的裝置。2023/7/10核技術(shù)應(yīng)用48

直線加速器

直線加速器是利用沿直線軌道分布的高頻電場(chǎng)加速電子、質(zhì)子和重粒子的裝置。LinacCoherentLightSource2023/7/10核技術(shù)應(yīng)用50加速器生產(chǎn)放射性核素的特點(diǎn)適于制備輕元素的放射性核素如11C、13N、15O和18F等。所生成的放射性核素都是貧中子的核素。加速器生產(chǎn)的放射性核素，一般與靶核不是同一元素，故易于用化學(xué)分離，制得高比活度或無載體的放射性核素。加速器生產(chǎn)放射性核素也有一些缺點(diǎn)大部分核素的生產(chǎn)能力要比反應(yīng)堆生產(chǎn)小得多，生產(chǎn)成本高制備靶及靶子冷卻技術(shù)難度大較短的半衰期使它的使用范圍（時(shí)間、空間）受到限制。第四節(jié)放射性核素的臨床應(yīng)用一、放射性核素在腫瘤放射治療中的應(yīng)用1.131I治療手術(shù)：復(fù)發(fā)率低，并發(fā)癥多。費(fèi)用貴。很少采用內(nèi)科：療效肯定、安全、很少引起持久性甲低；療程長(zhǎng)、易復(fù)發(fā)、過敏反應(yīng)131I：療效好、簡(jiǎn)便安全、并發(fā)癥少、費(fèi)用低；永久性甲低美國(guó)甲狀腺協(xié)會(huì)（ATA）調(diào)查：首選131I治療者占69％，抗甲狀腺藥物治療30％，外科治療僅1％甲亢治療之優(yōu)缺點(diǎn)甲亢131I治療之原理選擇性攝取131