第五章-核医学物理.ppt

*,第,五,章,核医学物理,*,第,五,章,核医学物理,*,第,五,章,核医学物理,第五章 核医学物理,核医学影像,(nuclear,medicine,imaging),是核医学诊断中的重要技术手段。原子核物理学是它的物理学理论基础。,原子核物理学,+,医学,=,核医学物理,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,一是研究核力、核结构和核反应等基本问题；,二是研究放射性和射线。,研究内容,第一节 原子核的基本性质,第二节 原子核衰变的类型,第三节 原子核衰变的宏观规律,第四节 原子核反应,第五节 医用放射性核素的来源,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,第五章 核医学物理,一、原子核的组成和质量,二、核素及分类,三原子核的稳定性,第一节 原子核的基本性质,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,1,原子核组成,由质子,(proton),和中子,(neutron),组成的。,质子和中子统称为核子,(nucleon),。,2,原子质量,原子的质量等于原子核质量加上核外电子质量，再减去相当电子全部结合能的数值，一般电子组成原子的结合能很小，原子核质量等于原子质量与核外电子质量之差。,一、原子核的组成和质量,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,m,p,=1.007276 u,m,n,=1.008665 u,一、原子核的组成和质量,质子和中子质量分别记作,m,p,和,m,n,。微观粒子质量很小，原子核物理学中常用“原子质量单位,(atomic mass unit),”来量度它们，记为“u”。SI规定:一个原子质量单位等于,原子质量的1/12。即,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,kg,10,82(83),5387,1.660,1u,-27,=,3.,核力,(nuclear force),其具有以下四种特征,：,(1),核力与电荷无关,(2),核力是短程强吸引力,(3),核力具有饱和性,一、原子核的组成和质量,将质子和中子结合在一起的特殊力。,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,1.,核素,二、核素及分类,原子核物理中把,原子核内的,Z,，,N,和能量状态都相,同的,原子核统称为核素,(nuclide),2.,按照稳定程度分类,稳定性核素,放射性核素,（,1,）稳定性核素,没有外来作用时，不发生核内结构或能级的变化的核素,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,（,2,）放射性核素,(radioactive nuclide),。,天然放射性核素,铀、钋和镭等,人工放射性核素,钴、铯和铱等,二、核素及分类,能自发地放出某种射线而转变为别种核素,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,1,质量亏损,原子核质量与组成它的所有核子质量总和之差称为质量亏损。,例,核是由1个中子和1个质子组成，因此，可知它们的质量和应该为,但是，实际测量表明：1个,核(不是原子)质量仅为,2.013553 u,。,三原子核的稳定性,m,n,+m,p,=1.008665 u+1.007276 u=2.015941 u。,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,由此两者质量相差（质量亏损）为,根据爱因斯坦质能关系方程,该式表示，原子核的质量亏损等效于原子核合成时有能量放出。,三原子核的稳定性,1,质量亏损,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,u,002388,.,0,u,13553,.,2,u,015941,.,2,=,-,=,D,M,2,Mc,E,D,=,D,2.,平均结合能,由单个核子结合成原子核时放出的能量称为原子核的结合能。,任一个原子核,的平均结合能,定义为,：,三原子核的稳定性,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,设原子核的结合能为,，核子数为A，则,称为平均结合能。,A,E,/,D,=,D,e,A,c,m,Nm,Zm,A,Mc,A,E,A,/,),(,/,/,2,n,p,2,-,+,=,D,=,D,=,D,e,式中,Z,，,N,分别表示质子数和中子数，,m,p,，,m,n,，,m,A,分别表示质子、中子和原子核的质量。,三原子核的稳定性,等式右端括号内就是,Z,个质子和,N,个中子结合成原子核时的质量亏损，即,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,A,m,N,m,Z,m,M,-,+,=,D,n,p,3,.,原子核的稳定性,在原子核物理学中常用平均结合能来表示原子核的稳定性。,因为平均结合能的大小可以表示原子核结合的松紧程度，平均结合能越大，则原子核分解为单个核子所需要的能量就越大，原子核就越稳定。,三原子核的稳定性,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,是原子核的平均结合能曲线,三原子核的稳定性,中等质量原子核平均结合能比轻核和重核大,，,中等质量的核比较稳定。,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,重核区(质量数A,-,209)时，由于质子数增多，静电斥力迅速增大，使平均结合能减少，核子之间结合比较松散，原子核也就显示出不稳定性。,三原子核的稳定性,是原子核的平均结合能曲线,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,所以，天然放射性核素大多数都是原子序数较大的重核，它们能够自发地衰变而放出射线。,另外，如果核内的中子数与质子数比例失调，原子核也可能不稳定。,原子核的稳定性还与核内质子数与中子数的奇偶性有关，当原子核内的质子数和中子数都是偶数时，原子核最稳定。,三原子核的稳定性,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,第二节 原子核衰变的类型,放射性核素自发放出射线变为另一种核素的过程称为原子核衰变，简称核衰变。,放射性核素衰变类型,衰变,衰变,衰变,核衰变过程将遵守质量、能量、动量、电荷和核子数守恒定律。,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,第二节 原子核衰变的类型,一、,衰变,二、,衰变,三、,衰变,四、衰变纲图,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,一、,衰变,放射性核素放出,粒子而衰变为另一种核素的衰变过程，称为,衰变。,衰变前后的质量数,A,和电荷数,Z,守恒，子核的质量数比母核的质量数少,4,，子核的电荷数比母核的电荷数少,2,子核在元素周期表中的位置要向前移动两位，这种规律称为,衰变的位移定则。,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,用,代表母核，,代表子核，则衰变反应式为,式中,Q,是衰变时所放出的能量，称为衰变能。,实验表明，发生,衰变的核素中，少数几种核素能够放射出单能的,粒子，大多数核素将放射出几种不同能量的,粒子，使子核处于激发态或基态。,射线的能谱是不连续的线状谱，常伴有,射线。,一、,衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,核衰变过程可以用衰变能级图，镭,放出粒子变成氡,，其过程为,镭的,衰变,一、,衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,二、,衰变,原子核内释放出电子或正电子的衰变过程统称为,衰变过程。,子核与母核是相邻的同量异位素。,衰变,衰变,+,衰变,电子俘获,衰变的三种形式,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,1,-,衰变,衰变时，母核X放出一个负电子而转变成子核Y，子核的电荷数比母核的电荷数增加1。,质量数不变，子核在元素周期表中的位置比母核后移一位，这就是,衰变的位移定则。,核内放出,粒子（负电子,）的衰变过程。,二、,衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,其一般过程为,反中微子与其他粒子的相互作用极其微弱，它沿地球直径穿过能量几乎没有损失。,式中，,是反中微子，它不带电，其静止质量基本为零。子核与母核是相邻的同量异位素。,二、,衰变,1,-,衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,和,的,衰变,二、,衰变,1,衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,2,+,衰变,核内放出,+,粒子（正电子）的衰变过程。,+,衰变时，母核,X,放出一个正电子而转变成子核,Y,，子核的电荷数比母核的电荷数减少,1,，而质量数相同，子核在元素周期表中的位置比母核向前移动一位，这就是,+,衰变的位移定则。,二、,衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,+,粒子是带,1,个单位正电荷且静止质量与电子相等的粒子。这种衰变只有在人工放射性核素才能发生。,+,衰变实际上是核内质子数偏多而中子数偏少，母核中的一个质子（,）同时发出一个正电子和中微子转变为一个中子（,）的过程。,其一般过程为,式中,是中微子，它不带电，其静止质量基本为零。子核和母核也是相邻的同量异位素。,二、,衰变,2,+,衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,Q,A,Z,A,Z,+,+,+,+,e,0,1,1,-,e,Y,X,+,粒子是不稳定的，只能存在短暂时间，当它被物质阻碍失去动能后，可与物质中的电子相结合而转化成一对沿相反方向飞行的,光子，每个,光子的能量为,0.511MeV,，正好与电子的静止质量相对应。,核医学诊断所用的正电子,ECT(,简称,PET),影像设备就是利用该原理而成像。,二、,衰变,2,+,衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,和,的+衰变图,二、,衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,3.,电子俘获,发生,衰变的原子核俘获一个核外电子，同时放出一个中微子，使核内一个质子转变为中子的衰变过程称为电子俘获,(electron capture,EC),。,衰变时母核俘获一个,K,层电子称,K,俘获。有,L,俘获和,M,俘获。,K,层最靠近原子核，,K,俘获的发生概率最大。,二、,衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,其过程为,一个内层电子被原子俘获后，原子核的外层电子会立即将这一空位填充这个能量以标识,X,射线的形式放出，使另一外层电子电离，成为自由电子，这种被电离出的电子称为俄歇电子,(,Auger electron,),。,二、,衰变,3.,电子俘获,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,的电子俘获衰变图,二、,衰变,右图,放射性核素发生衰变或电子俘获后，母核和子核的质量数并未发生变化，只是电荷数改变了。母核与子核属于同量异位素,3.,电子俘获,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,1.,衰变,原子核从激发态,(excited state),回复到基态,(ground state),，以发射,光子释放过剩的能量，这一过程称为,衰变。,激发态的原子核常是在,衰变、,衰变或核反应之后形成。,射线的本质是中性的光子流。,射线是一种电磁辐射。在放出,射线过程中，原子核的质量数和电荷数都不改变，只是核的能量状态发生变化，故,跃迁是属于同质异能跃迁。,三、,衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,例如,是衰变核素。衰变时放出射线，产生子体放射性核素,，其半衰期为66.02h。然后，,发射射线回到基态,，其半衰期为6.03h。,的,衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,三、,衰变,在多数情况下，原子核处于激发态的时间很短暂，无法测出其时间间隔。可认为这两种衰变是同时进行的。,例如，,衰变同时放出射线和,射线。放出一定能量的、单纯衰变核素是核医学显像的最佳选择。,如果用,表示的同质异能素,，,衰变可用下式表示,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,Q,A,Z,A,Z,+,+,X,X,m,三、,衰变,2.,内转换,原子核从激发态向低能态跃迁时，并不能够辐射,光子，而是将多余能量直接传递给核外内层电子，使其成为自由电子，这种现象称为内转换,(internal conversion,IC),。所放出的电子叫内转换电子,(internal,conversion electron),参与内转换的主要是,K,层电子，偶然也有,L,层或其他层电子。内转换发生后，将在原子的,K,层或,L,层留下空位，因此，还会有标识,X,射线或俄歇电子出现，这与电子俘获的情况相同。,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,三、,衰变,四、衰变纲图,放射性核素衰变过程可用衰变纲图,(,decay scheme,),来表示，前面几幅图均为衰变纲图。,图中最下面的横线表示原子核的基态，上面的各横线分别表示子核的激发态。两能级之间的能量差表示衰变能。斜线上标示衰变类型、粒子的动能和衰变百分比。,箭头向左倾斜；发生,-,衰变，箭头向右倾斜；向下垂线表示衰变。,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,第三节 原子核衰变的宏观规律,一、放射性指数衰变规律,二、核衰变有关的物理量,三、递次衰变,四、放射平衡,五、放射性计数的统计规律,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,一、放射性,指数,衰变规律,放射性核素在衰变时都遵循着共同的宏观基本规律,它表明放射性核素衰变是按照指数衰减的规律减少的。,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,时,，,t,N,N,d,d,l,-,=,t,e,N,N,l,-,=,0,一、放射性,指数,衰变规律,有效半衰期,人体排泄作用使核素数量按指数规律,减少对应一个衰变常数称生物衰变常数,人体内放射性核素总减少量,则,平均寿命,单位,s,放射性核素平均存在时间,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,b,p,e,l,l,l,=,+,b,p,e,1,1,T,T,T,+,=,T,44,.,1,1,=,=,l,t,二,、,核衰变有关的物理量,1,、,衰变常数,等于单位时间内衰变的核数与当时存在的核数之比,描述放射性核素衰变快慢物理量是由原子核本身性质决定,单位,s,-1,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,t,N,N,d,/,d,-,=,l,二,、,核衰变有关的物理量,如果一种核素同时发生n种类型的核衰变,，它们的衰变常数分别为1，2，n,总的衰变常数等于各衰变常数之和,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,n,l,l,l,l,+,+,+,=,L,2,1,二,、,核衰变有关的物理量,2,、,半衰期,(half life),T,1/2,特定能态放射核的数量自发核衰变减少到原来核数一半所需的时间,单位常用年,(a),、天,(d),、小时,(h),、分,(min),和秒,(s),表示,不同的放射性核素半衰期的差别可能很大,例如,，,天然铀中的核素,其半衰期为,T,1/2,=4.47,10,9,a,核素,的半衰期为,T,1/2,=2.28h,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,二,、,核衰变有关的物理量,半衰期,与衰变常量成反比,。显然大，就短，衰变就快,1/2,1/2,衰变定律也可表达为,2,、,半衰期,(half life),T,1/2,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,2,1,),2,1,(,0,T,t,N,N,=,T,0.693,ln2,2,1,=,=,二,、,核衰变有关的物理量,3,、,生物衰变常数,b,假定由于人体的排泄作用使核素数量的减少也按指数规律变化，这样它也对应一个衰变常数，称为生物衰变常数,b,人体内放射性核素总的减少量,d,N,=-(,p,+,b,),N,d,t,=-,e,N,d,t,p,为物理衰变常数,，,e,=,p,+,b,为有效衰变常数,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,二,、,核衰变有关的物理量,物理半衰期,生物半衰期,有效半衰期,有效半衰期比物理半衰期和生物半衰期都短。几种常见的放射性核素的半衰期如下表所示。,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,p,2,/,p,2,ln,l,=,T,b,2,/,b,2,ln,l,=,T,e,2,/,e,2,ln,l,=,T,2,/,b,2,/,p,2,/,e,1,1,1,T,T,T,+,=,二,、,核衰变有关的物理量,几种放射性核素半衰期,放射性核素,符 号,半衰期,镓,-68,68.3min,锝,-99,6.02h,金,-198,2.7d,碘,-131,8.04d,磷,-32,14.3d,汞,-203,46.9d,钴,-60,5.27d,锶,-90,28a,铯,-137,30a,碘,-125,60d,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,二,、,核衰变有关的物理量,4,、,平均寿命,原子核总数一定的放射源，原子核在衰变过程中的平均存在时间称为放射性核素的平均寿命(mean life)，以表示。,它具体反映的是某种放射性核素平均存在的时间，SI单位是秒,(,s,),。,若t时刻母核数为N，则在dt内母核衰减数为-dN，可认为这“-dN”个母核中每个核的寿命都是t。,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,二,、,核衰变有关的物理量,t,=0时，,N,=,N,0,，t,时，,N,0,它们的寿命总和,平均寿命,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,l,l,l,l,0,0,0,0,0,0,d,e,d,),d,(,N,t,tN,t,Nt,N,t,N,t,=,=,=,-,-,l,t,1,=,t,693,.,0,0.693,ln2,2,1,=,=,=,T,4,、,平均寿命,单位时间内衰变的原子核数,5、,放射性活度,单位,贝可,(,勒尔,)Bq 1Bq=1s,-1,居里（,1Ci=3.7,10,10,Bq,）,毫居里,(mCi),微居里,(,Ci),二,、,核衰变有关的物理量,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,t,t,A,N,N,t,N,A,l,l,l,l,-,-,=,=,=,-,=,e,e,d,d,0,0,(1),当核素一定，,一定,A,N,在体外测得活度值正比于体内对应位置放射性核素数目，核素显像基本原理之一,(2),两种核素,N,相同,不同,短寿命核素的活度大,(3),A,一定,满足体外测量一定活度,放射性核素寿命越短，所需数量越少,临床应用短寿命核素的原因,二,、,核衰变有关的物理量,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,1,A,l,t,=,1,N,t,l,=,三、递次衰变,第一代子核,B,衰变速率,递次衰变,A(,母核,),B(,第一代子核,),C(,第二代子核,),D,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,0,=,t,0,),0,(,),0,(,),0,(,3,2,0,1,=,=,=,N,N,N,N,2,2,1,1,2,d,),(,d,N,N,t,t,N,l,l,-,=,),(e,),0,(,),(,2,1,1,1,2,1,2,t,t,e,N,t,N,l,l,l,l,l,-,-,-,-,=,第二代子核,C,稳定,第二代子核,C,不稳定,第,i,代子核衰变规律,三、递次衰变,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,0,3,=,l,),(,d,),(,d,2,2,3,t,N,t,t,N,l,=,-,-,-,-,=,-,-,),e,1,(,1,),e,1,(,1,),0,(,),(,2,1,2,1,1,1,2,2,1,3,t,t,N,t,N,l,l,l,l,l,l,l,l,0,3,=,l,),(,),(,d,),(,d,3,3,2,2,3,t,N,t,N,t,t,N,l,l,-,=,),e,e,e,)(,0,(,),(,3,2,1,3,2,1,1,3,t,t,t,A,A,A,N,t,N,l,l,l,-,-,-,+,+,=,),.,)(,0,(,),(,2,1,2,1,1,t,i,t,t,i,i,e,k,e,k,e,k,N,t,N,l,l,l,-,-,-,+,+,=,四、放射平衡,1.,暂时平衡,子核数量按母核衰变规律变化两者数目保持与,t,无关的暂时固定的比例。,各代核的数量比与时间无关,放射平衡,且,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,2,1,l,l,1,e,),(,1,2,-,-,t,l,l,子核,B,数目达到最大值,最大值,时 刻,四、放射平衡,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,1,2,1,1,2,),(,),(,l,l,l,-,=,t,N,t,N,1,2,2,1,2,l,l,l,-,=,A,A,2,1,2,1,m,ln,1,l,l,l,l,-,=,t,1,2,2,),)(,0,(,2,1,1,m,2,l,l,l,l,l,-,=,N,N,0,d,d,2,=,t,N,1.,暂时平衡,2.,长期平衡 且时间足够长,t,7T,2,1,N,1,=,2,N,2,A,1,=,A,2,四、放射平衡,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,2,1,l,l,),e,1,)(,(,),(,2,1,2,1,2,t,t,N,t,N,l,l,l,-,-,=,2,7,T,t,=,),(,),(,1,2,1,2,t,N,t,N,l,l,=,对于多代的情况，只要母核半衰期远大于子核，则会出现这种长期平衡。整个系列达到长期平衡时，各代活度均相等。,母核半衰期比子核长得多 ，观察时间足够长 ，子核数目及活度达到饱和，其活度与母核相等。,四、放射平衡,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,2,1,T,T,2,7,T,t,A,N,N,N,=,=,=,=,n,n,2,2,1,1,.,l,l,l,3.,不成平衡,母核半衰期远小于各代子核，经一定时间后，母核几乎全部转变为子核。其后，子核按自己的方式衰变。,四、放射平衡,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,计数测量对象、环境不变，多次计数测量数值大小在一个数值上下起伏的现象,1.,放射性计数的统计涨落,2.,放射性计数的统计规律,放射性计数是大量随机事件统计平均的一种结果,计数较大趋向高斯分布,计数频数呈泊松分布,偶然误差的对称分布,五,、,放射性计数的统计规律,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,五,、,放射性计数的统计规律,变异系数,CV,一次测量,计数,N,标准差,s,s,和,CV,反映测量值离散程度,重复测量结果,68,出现在,N-s,到,N+s,之间,一次性计数表示,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,N,s,=,N,N,N,CV,1,=,=,2.,放射性计数的统计规律,五,、,放射性计数的统计规律,计数率,标准误差,相对标准误差,计数率可表示为,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,t,N,n,=,x,S,n,S,x,t,N,t,n,S,=,=,x,N,nt,n,S,1,1,x,=,=,),1,1,(,),1,(,x,x,N,n,n,S,n,S,n,=,=,2.,放射性计数的统计规律,五,、,放射性计数的统计规律,可信度,68%,根据误差传递法则,实际测量存在本底计数,净计数率,总计数率 本底计数率,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,B,T,S,n,n,n,-,=,计数率,n,出现在,到,之间的概率,x,S,n,-,x,S,n,+,t,B,n,t,T,n,s,s,s,B,T,2,2,x,S,x,B,x,T,+,=,+,=,B,T,B,T,S,x,S,n,n,t,B,n,t,T,n,n,s,-,+,=,B,n,T,n,2.,放射性计数的统计规律,第,四,节 原子核反应,一、核反应的一般概念,二、中子及分类,三、中子核反应,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,核反应,具有一定能量的粒子如氦核,3,He,或,4,He(,),氘核,2,H(d),、质子,(p),、中子,(n),、光子,(,),等轰击原子核,(,靶核,),，使之转变为另一原子核,重核裂变,重原子核经中子轰击分裂为质量大致相等两部分和到个中子，同时放出大量热量,中子轰击,235,U,反应,一、核反应的一般概念,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,b,Y,a,X,+,+,A,Z,A,Z,Q,+,+,+,+,n,2,Sr,Xe,n,U,1,0,95,38,139,54,1,0,235,92,按入射粒子种类分,中子核反应、质子核反应、光反应轻离子核反应、重离子核反应,按入射粒子能量分,按靶核的质量分,轻核反应,(A,30),、中核反应,(3090),低能核反应,(140MeV),、中能核,反应,(1GeV),2.,核反应的类型,一、核反应的一般概念,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,3.,电子对湮灭,衰变中产生的,大约在1.5mm之内的范围内与电子,发生湮灭。据能量守恒和动量守恒，电子对湮灭过程中，必然产生一对飞行方向相反、能量为0.511MeV的光子即双光子。,所有核反应过程同核衰变一样严格遵守质量,(,能量,),守恒、动量守恒、电荷数守恒等守恒定律,一、核反应的一般概念,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,二、中子及分类,不带电 穿透强 易衰变,(T=12min),热中子,(,E,1eV),中能中子,(1eV,E,0.1MeV),快中子可由易裂变核素 如,233,U、,235,U、,239,Pu,、,241,Pu等产生。,快中子同含有一定量轻原子核(,1,H、,2,H、,12,C、,9,Be)的物质中的轻原子核碰撞，通过能量传递、速度减慢，直至与周围介质分子热运动达到平衡。,中子性质,分类,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,三、中子核反应,中子与原子核相互作用,中子核反应,首先获得中子源,自然界不存在自由中子,利用反应堆提供高通量中子流,照射靶材料生产放射性核素,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,第五节,、医学放射性核素的来源,一,.反应堆生产放射性核素,二,.回旋加速器生产医用放射性核素,三,.放射性核素发生器生产医用放射性核素,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,化学处理后生产出医用放射性核素,以,235,U,和,239,Pu,为核,燃料的反应堆,(n,f),裂变反应,裂变过程中产,生的中子,(n),来,轰击靶物,(n,),、,(n,p),、,(n,),、,(n,2n),等,核反应,丰中子核素,一,.反应堆生产放射性核素,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,短和超短寿命贫中子核素,回旋加速器加速,带电粒子,p,、,d,、,3,He,轰击靶物质,产生核素,化学分离,高纯度的放射性核素,衰变电子俘获,照相机、,SPECT,和,PET,显像,二,.回旋加速器生产医用放射性核素,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,以长半衰期母体核素和短半衰期子体核素的“衰变,生长”关系为基本原理,“母牛”装置,最常用,99,M,O,99m,Tc,发生器,三,.放射性核素发生器生产医用放射性核素,第一节,原子核的基本性质,第二节 原子核,衰变的类型,第,三,节 原子核,衰变的宏观规律,第,四,节 原子核,反应,第,五,节,医用放射性核素的来源,