医学影像学-原子核和放射性.ppt

一一.原子的核状结构原子的核状结构二二.玻尔理论的基本假设玻尔理论的基本假设三三.原子的能级和电子的轨道半径原子的能级和电子的轨道半径 原子的能级原子的能级原子的能级原子的能级 J.JJ.JJ.J汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型 1903年年 J.J.汤姆逊提出，原子汤姆逊提出，原子中的正电荷和原子质量均匀地分布中的正电荷和原子质量均匀地分布在半径为在半径为10-10m的球体内，电子浸于的球体内，电子浸于此球体中，即此球体中，即“葡萄干蛋糕模型葡萄干蛋糕模型”。卢瑟福是卢瑟福是J.J.汤姆逊的学生，汤姆逊的学生，提出了原子的有核模型。提出了原子的有核模型。原子核介绍l l 粒子散射实验粒子散射实验 卢瑟福的原子有核模型卢瑟福的原子有核模型卢瑟福用卢瑟福用 粒子轰击原子，探索原子内部结构，并粒子轰击原子，探索原子内部结构，并提出原子的有核模型。提出原子的有核模型。粒子为氦核粒子为氦核以以c/15轰击金箔，轰击金箔，在原子中带电物质的电场力作用下，使它偏离原来的在原子中带电物质的电场力作用下，使它偏离原来的入射方向，从而发生散射现象。入射方向，从而发生散射现象。粒子粒子镭放射源镭放射源 荧光屏荧光屏显微镜显微镜金箔金箔金箔绝大部分粒子经金箔散射后，绝大部分粒子经金箔散射后，散射角很小散射角很小2-3，1/8000的粒子偏转大于的粒子偏转大于90 l ll 卢瑟福原子有核模型结论卢瑟福原子有核模型结论卢瑟福原子有核模型结论.原子的中心是原子核，几乎占有原子的全部质量，原子的中心是原子核，几乎占有原子的全部质量，集中了原子中全部的正电荷。集中了原子中全部的正电荷。.电子绕原子核旋转。电子绕原子核旋转。.原子核的体积比原子的体原子核的体积比原子的体积小得多。积小得多。原子半径原子半径 10-10m原子核半径原子核半径10-14 -10-15m1911年卢瑟福在他所做的粒子散射实验基础上，提出原子的中心是一个重的带正电的核，与整个原子的大小相比，核很小。电子围绕核转动，类似大行星绕太阳转动。这种模型叫做原子的核模型，又称行星模型。从这个模型导出的结论同实验结果符合的很好，很快就被公认了。按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子按经典理论电子绕核旋转，作加速运动，电子将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从将不断向四周辐射电磁波，它的能量不断减小，从而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。而将逐渐靠近原子核，最后落入原子核中。所以原子应是一个不稳定的系统。轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是轨道及转动频率不断变化，辐射电磁波频率也是连续的，连续的，原子光谱应是连续的光谱。实验表明原子原子光谱应是连续的光谱。实验表明原子相当稳定，这一结论与实验不符。实验测得原子光谱相当稳定，这一结论与实验不符。实验测得原子光谱是不连续的谱线。是不连续的谱线。l l 有核模型与经典理论的矛盾有核模型与经典理论的矛盾 玻尔（Niels Henrik David Bohr，1885-1962丹麦理论物理学家，现代物理学的创始人之一。1911年，他来到卡文迪什实验室，在J.J.汤姆逊的指导下学习和研究，当得知卢瑟福从 粒子散射实验提出了原子的有核模型后，他深感钦佩，同时也非常理解该模型所遇到的困难。于是他又转赴卢瑟福实验室求学，并参加 粒子散射的实验工作，他坚信卢瑟福的有核模型，认为要解决原子的稳定性问题，必须用量子概念对经典物理来一番改造。玻尔量子论玻尔量子论玻尔量子论在1913年玻尔在卢瑟福所提出的核模型的基础上，结合原子光谱的经验规律，应用普朗克于1900年提出的量子假说，和爱因斯坦于1905年提出的光子假说，发表了论原子构造与分子构造等三篇论文，提出了原子所具有的能量形成不连续的能级，当能级发生跃迁时，原子就发射出一定频率的光的假说。从而完满地解释了氢原子光谱的规律。玻尔的成功，使量子理论取得重大进展，推动了量子物理学的形成，具有划时代的意义。一一.原子核的组成原子核的组成二二.原子核的表示原子核的表示三三.原子核的大小原子核的大小四四.原子核的原子核的质量亏损质量亏损五五.原子核的原子核的结合能结合能第一节 原子核的基本性质 氢核氢核 带一个单位的正电核带一个单位的正电核 质子数质子数 Z mZ mp p=1.007276u=1.007276u 质量数质量数 A=Z+N 1u=1.660566A=Z+N 1u=1.660566 1010-27-27kgkg 不能长期存在于自然界不能长期存在于自然界 不带电不带电 中子数中子数 N N m mn n =1.008665u=1.008665u质子质子(proton)(proton)中子中子(neutron)(neutron)一一.原子核的组成原子核的组成原子核的基本性质原子核的基本性质二二.原子核的表示原子核的表示AXZ质量数质量数原子序数原子序数元素的化学符号元素的化学符号例例:氦核氦核 镭核镭核 碳核碳核He42226 Ra8813 C6原子核的基本性质原子核的基本性质四四.质量亏损质量亏损(mass defect)实验证明，一个原子核的质量，总是小实验证明，一个原子核的质量，总是小于组成它们的核子的质量之和。于组成它们的核子的质量之和。m=Zmp+(A-Z)mn -mA例：核子组成氦核所发生的质量亏损为例：核子组成氦核所发生的质量亏损为氦核氦核42Hem=(2 1.007276+2 1.008665)-4.001506 =0.030376u原子核的基本性质原子核的基本性质五五.结合能结合能 (binding energy)由相对论质能关系，系统的质量改变由相对论质能关系，系统的质量改变m时，一定伴有能量改变时，一定伴有能量改变Emc2 核子组成核时所释放出的能量叫做核子组成核时所释放出的能量叫做原子核的结合能。原子核的结合能。1u的质量改变对应的能量为的质量改变对应的能量为1uc2=1.660566 10-27 (2.99792 108)2 =1.49244 10-10J=931.5MeV原子核的基本性质原子核的基本性质核子结合成核核子结合成核核分裂为核子核分裂为核子放出能量放出能量供给能量供给能量原子核的稳定性原子核的稳定性 核子组成原子核时所释放的能量核子组成原子核时所释放的能量对核子数求平均值对核子数求平均值-平均结合能平均结合能描述原子核的稳定性描述原子核的稳定性原子核的基本性质原子核的基本性质五五.结合能结合能 (binding energy)一一.衰变衰变（alpha decay）二二.衰变衰变 （beta decay）三三.衰变衰变 （gamme decay）第二节 原子核的衰变 原子核自发地放射出某种射线而转变为另一种核素的现象这种不稳定核素叫做放射性核素核素放出射线的性质叫做放射性母核 母体子核 子体原子核的衰变原子核的衰变一一.衰变衰变 放射性核素的原子核放射出放射性核素的原子核放射出 粒子而衰变粒子而衰变为另一种原子核的过程为另一种原子核的过程,叫做叫做 衰变衰变.氦核氦核42He衰变反应式衰变反应式AZXA-4Z-2Y+42He+Q原子核的衰变原子核的衰变例例 镭核衰变为氡核镭核衰变为氡核22688RaRn+4222862He+QQ 衰变能衰变能 粒子及其动能粒子及其动能 射线射线 原子核的衰变原子核的衰变一一.衰变衰变 衰变过程中放出的能量。衰变过程中放出的能量。大部分以大部分以 粒子的动能的形粒子的动能的形式放出，还有一部分是子核式放出，还有一部分是子核反冲动能（约占反冲动能（约占2）。）。Q 衰变能衰变能原子核的衰变原子核的衰变一一.衰变衰变 衰变能中的大部分转变为衰变能中的大部分转变为 粒子的粒子的动能，本例中为动能，本例中为4.777MeV和和4.589MeV。射线就是射线就是 粒子流。粒子流。粒子高速从核中飞出粒子高速从核中飞出,在受到物质阻止在受到物质阻止失去速度后失去速度后,俘获两个电子变成一个俘获两个电子变成一个中性的氦原子中性的氦原子.粒子及其动能粒子及其动能94.3%5.7%原子核的衰变原子核的衰变一一.衰变衰变 生成的子核具有不生成的子核具有不同的能态，当子核从激同的能态，当子核从激发态向基态跃迁时，把发态向基态跃迁时，把多余的能量以光子的形多余的能量以光子的形式辐射出来，就是式辐射出来，就是 射射线。线。22688RaRn22286 射线射线原子核的衰变原子核的衰变一一.衰变衰变 一一.衰变衰变 放射性核素的原子核放射出放射性核素的原子核放射出 粒子而衰变为粒子而衰变为另一种原子核的过程另一种原子核的过程,叫做叫做 衰变衰变.氦核氦核42He衰变反应式衰变反应式AZXA-4Z-2Y+42He+Q 衰变的位移法则：子核在元素同期衰变的位移法则：子核在元素同期表中位置比母核前移两位。表中位置比母核前移两位。原子核的衰变原子核的衰变1.1.衰变衰变3.3.电子俘获电子俘获2.2.衰变衰变二二.衰变衰变 放射性核素的原子核放射出放射性核素的原子核放射出 粒子而粒子而衰变为另一种原子核的过程衰变为另一种原子核的过程,叫做叫做 衰变衰变.原子核的衰变原子核的衰变1.衰变衰变 放射性核素的原子核放射出负电子而放射性核素的原子核放射出负电子而衰变为另一种原子核的过程衰变为另一种原子核的过程,叫做叫做 衰变衰变.衰变反应式衰变反应式 衰变的位移法则：子核在元素同期衰变的位移法则：子核在元素同期表中位置比母核后移一位。表中位置比母核后移一位。AZXAZ1Y+01e +Q 00中微子中微子原子核的衰变原子核的衰变 原子核内是不含有电子的。在原子核内是不含有电子的。在 衰变中，原子核中一个中子转换为一衰变中，原子核中一个中子转换为一个质子时，同时产生一个负电子和一个质子时，同时产生一个负电子和一个中微子。个中微子。np+01e +Q 00原子核的衰变原子核的衰变二二.衰变衰变例例 放射性磷衰变为硫核放射性磷衰变为硫核v 中微子中微子3215PS+321601e +Q 00 电荷数为零，质量均为电子质量的电荷数为零，质量均为电子质量的0.05%，质量数也为零。，质量数也为零。v 射线射线 原子核的衰变原子核的衰变二二.衰变衰变v 射线射线 生成的子核具有不生成的子核具有不同的能态，当子核从激同的能态，当子核从激发态向基态跃迁时，把发态向基态跃迁时，把多余的能量以光子的形多余的能量以光子的形式辐射出来，就是式辐射出来，就是 射射线。线。激发态激发态基态基态子子核核能能态态母母核核能能态态原子核的衰变原子核的衰变二二.衰变衰变2.衰变衰变 放射性核素的原子核放射出正电子而放射性核素的原子核放射出正电子而衰变为另一种原子核的过程衰变为另一种原子核的过程,叫做叫做 衰变衰变.衰变反应式衰变反应式 衰变的位移法则：子核在元素同期衰变的位移法则：子核在元素同期表中位置比母核前移一位。表中位置比母核前移一位。AZXAZ1Y+01e +Q 00原子核的衰变原子核的衰变 原子核内也不含有正电子。在原子核内也不含有正电子。在 衰变中，原子核中一个质子放出一个衰变中，原子核中一个质子放出一个正电子转变为一个中子，同时放出一正电子转变为一个中子，同时放出一个个中微子中微子。np+01e +Q 00原子核的衰变原子核的衰变二二.衰变衰变例例 放射性氮核衰变为碳核放射性氮核衰变为碳核v 中微子中微子137NC+1360+1e +Q 00 电荷数为零，质量均为电子质量的电荷数为零，质量均为电子质量的0.05%，质量数也为零。质量数也为零。v 电子对淹没电子对淹没v 射线射线 正电子寿命很短，它与周围物质相互作用时，正电子寿命很短，它与周围物质相互作用时，可在核场的作用下与一个电子结合产生两个飞行可在核场的作用下与一个电子结合产生两个飞行方向相反的光子。方向相反的光子。0.511 MeV原子核的衰变原子核的衰变二二.衰变衰变v 射线射线 生成的子核具有不生成的子核具有不同的能态，当子核从激同的能态，当子核从激发态向基态跃迁时，把发态向基态跃迁时，把多余的能量以光子的形多余的能量以光子的形式辐射出来，就是式辐射出来，就是 射射线。线。高职截止！高职截止！激发态激发态基态基态子子核核能能态态母母核核能能态态原子核的衰变原子核的衰变二二.衰变衰变3.电子俘获电子俘获 放射性核素的原子核俘获一个核外电放射性核素的原子核俘获一个核外电子，使核中的一个质子转变为一个中子，子，使核中的一个质子转变为一个中子，从而衰变为另一种原子核的过程从而衰变为另一种原子核的过程,叫做电子叫做电子俘获俘获.衰变反应式衰变反应式 电子俘获的位移法则：子核在元素同期电子俘获的位移法则：子核在元素同期表中位置比母核前移一位。表中位置比母核前移一位。AZXAZ1Y+01 +Q 00e原子核的衰变原子核的衰变 原子核俘获的电子是内层电子，俘获原子核俘获的电子是内层电子，俘获后原子核的壳层中缺少一个内层电子后原子核的壳层中缺少一个内层电子,这这是不稳定状态，当外壳层电子跃迁到内是不稳定状态，当外壳层电子跃迁到内层来填补这个空位时，放射出子核的标层来填补这个空位时，放射出子核的标识识X射线。射线。有些核素在发生电子俘获后，子核处有些核素在发生电子俘获后，子核处于激发状态，这时会发射于激发状态，这时会发射 射线。射线。原子核的衰变原子核的衰变二二.衰变衰变1.衰变衰变3.电子俘获电子俘获2.衰变衰变二二.衰变衰变AZXAZ1Y+01e +Q 00AZXAZ1Y+01e +Q 00AZXAZ1Y+01 +Q 00e原子核的衰变原子核的衰变三三.衰变与内转换衰变与内转换 核衰变中产生的子核若处于激发态，它核衰变中产生的子核若处于激发态，它会很快地从高能级跃迁到较低的能级，同时会很快地从高能级跃迁到较低的能级，同时把多余的能量以把多余的能量以 光子的形式辐射出来。光子的形式辐射出来。衰变反应式衰变反应式AmZXAZY +激发态核激发态核基态核基态核原子核的衰变原子核的衰变 若原子核从激发态跃迁到较低能态或若原子核从激发态跃迁到较低能态或基态时，不向外幅射光子，而是将能量直基态时，不向外幅射光子，而是将能量直接传递给核外的内壳层电子，使其脱离原接传递给核外的内壳层电子，使其脱离原子的束缚而成为自由电子，这一过程叫做子的束缚而成为自由电子，这一过程叫做内转换。内转换。内转换的结果，使原子内壳层上出现内转换的结果，使原子内壳层上出现了空位，较外层电子将来填补这一空位，了空位，较外层电子将来填补这一空位，从而辐射出标识从而辐射出标识X射线或俄歇电子。射线或俄歇电子。原子核的衰变原子核的衰变三三.衰变与内转换衰变与内转换一一.衰变规律衰变规律第三节 核衰变的规律二二.半衰期半衰期(half life)三三.平均寿命平均寿命(mean life)四四.放射性活度放射性活度(radioactivity)核衰变的规律核衰变的规律一一.衰变规律衰变规律一一.衰变规律衰变规律tN:衰变常数衰变常数,是反映原子核衰变快慢的是反映原子核衰变快慢的 物理量物理量.核衰变的规律核衰变的规律二二.半衰期半衰期(half life)1.物理半衰期物理半衰期2.生物半衰期生物半衰期3.有效半衰期有效半衰期核衰变的规律核衰变的规律1.物理半衰期物理半衰期衰变规律衰变规律把把 t=T 时时 N=N0/2 代入代入得：得：取对数：取对数：ln2=0.693 T核衰变的规律核衰变的规律 放射性核素衰减到原来数量一半所放射性核素衰减到原来数量一半所需的时间。需的时间。1.物理半衰期物理半衰期 放射性核素衰减到原来数量一半所需的时放射性核素衰减到原来数量一半所需的时间。间。衰变定律又可为衰变定律又可为核衰变的规律核衰变的规律2.生物半衰期生物半衰期 在生物体内，放射性核素除按上述在生物体内，放射性核素除按上述物理衰变规律减少外，由于生物体的新物理衰变规律减少外，由于生物体的新陈代谢，也会使母核减少。我们把母核陈代谢，也会使母核减少。我们把母核由于这种原因减到原来数量一半所需的由于这种原因减到原来数量一半所需的时间叫做生物半衰期。时间叫做生物半衰期。生物衰变常数生物衰变常数核衰变的规律核衰变的规律3.有效半衰期有效半衰期 由于上述两种原因，生物体内的放射性由于上述两种原因，生物体内的放射性核素的母核衰减到原来数量一半所需的时核素的母核衰减到原来数量一半所需的时间。间。核衰变的规律核衰变的规律考虑到两种衰变过程同时发生，有考虑到两种衰变过程同时发生，有有效衰变常数有效衰变常数核衰变的规律核衰变的规律衰变规律衰变规律3.有效半衰期有效半衰期把把 t=T 时时 N=N0/2 代入代入取对数：取对数：ln2=0.693 eT核衰变的规律核衰变的规律衰变规律衰变规律3.有效半衰期有效半衰期二二.半衰期半衰期(half life)1.物理半衰期物理半衰期2.生物半衰期生物半衰期3.有效半衰期有效半衰期核衰变的规律核衰变的规律dt时间内衰变的原子核有时间内衰变的原子核有其寿命为其寿命为 t寿命之和为寿命之和为 t Ndt在在 t=0 到到 t=时间内时间内N0个核衰变个核衰变其寿命之和其寿命之和核衰变的规律核衰变的规律三三.平均寿命平均寿命(mean life)三三.平均寿命平均寿命 (mean life)放射性核素在全部衷变完之前平均放射性核素在全部衷变完之前平均存在的时间存在的时间。与与、T一样，也是表示核衰变快慢的常数。一样，也是表示核衰变快慢的常数。核衰变的规律核衰变的规律四四.放射性活度放射性活度(radioactivity)单位时间内衰变的核子数单位时间内衰变的核子数.单位单位:贝可贝可 Bq (becquerel)1Bq=1核衰变核衰变/秒秒核衰变的规律核衰变的规律核衰变的规律核衰变的规律四四.放射性活度放射性活度(radioactivity)四四.放射性活度放射性活度(radioactivity)单位时间内衰变的核子数单位时间内衰变的核子数.单位单位:贝可贝可 Bq (becquerel)与与t有关有关核衰变的规律核衰变的规律例例:放射性碘放射性碘 131I 出厂时的放射性活度为出厂时的放射性活度为9.25 105 Bq,问问15天后其放射性活度还有多大天后其放射性活度还有多大?(T=8 d)解解:核衰变的规律核衰变的规律2、利用I作核素成像的显像剂，刚出厂的试剂，满足显像要求的注射量为0.5ml。求：（1）如试剂存放了11天，满足成像要求的注射量应为多少？（2）如果最大注射量不得超过8ml，则该显像剂的最长存放时间是多少？设I的半衰期为8.04d。解（1）设出厂时1ml试剂的放射性活度为，试剂存放11天后满足显像要求的剂量为xml，依题意，若想满足成像要求，放置前后需注射的试剂的放射性活度应相等，即 x=1.3ml(2)设t天后8ml试剂的放射性活度与出厂时0.5ml试剂的放射性活度相等，射线与物质和相互作用射线与物质和相互作用六六.在医学中的应用在医学中的应用 各种射线通过物质时都能够直接或间接产生电各种射线通过物质时都能够直接或间接产生电离作用，统称为电离辐射。离作用，统称为电离辐射。电离幅射照射在生物体上时，生物体将吸收它电离幅射照射在生物体上时，生物体将吸收它们的能量而产生各种生物效应，合适地利用可以达们的能量而产生各种生物效应，合适地利用可以达到诊断和治疗某些疾病的目的。到诊断和治疗某些疾病的目的。放射性核素在医学上的应用基本上可以分放射性核素在医学上的应用基本上可以分为治疗和示踪原子诊断两个方面。为治疗和示踪原子诊断两个方面。射线与物质和相互作用射线与物质和相互作用示踪原子诊断示踪原子诊断利用射线对生物体的杀伤力杀死恶性细胞；利用射线对生物体的杀伤力杀死恶性细胞；治疗治疗 由于放射性核素在衰变时发出的各种射线很容由于放射性核素在衰变时发出的各种射线很容易被探测，可以用它作为示踪原子了解人体脏器的易被探测，可以用它作为示踪原子了解人体脏器的功能和结构，用于诊断。功能和结构，用于诊断。