北京卫生职业学院-核医学-第一章-核物理知识基础.ppt

核医学物理基础知识第一章 原原 子子 放射性核衰变放射性核衰变 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用核医学核医学物理基础物理基础第一节 原子核结构原子和原子结构原子和原子结构原子（atom）是构成元素的基本单位，不同元素的原子具有不同的性质，但是原子的基本结构大致相同。原子结构原子结构原子核中子质子电子+原子核结构原子核结构:X X为元素符号为元素符号Z Z为质子数为质子数N N为中子数为中子数A A为质量数为质量数原子核结构原子核结构同位素、同质异能素、核素同位素、同质异能素、核素同位素同位素 凡原子核具有相同的质子数而中子数不同的元素互为同位素。如125I、131I、132I均有53个质子，但中子数不同，在元素周期表中处于同一位置，是同一元素-碘元素。一种元素往往有几种甚至几十种同位素。一个元素所有同位素的化学和生物性质几乎都一样，但物理性质可能有所不同。同位素同位素凡同一元素的不同核素（质子数同，中凡同一元素的不同核素（质子数同，中子数不同）在周期表上处于相同位置，互称为该元子数不同）在周期表上处于相同位置，互称为该元素的同位素素的同位素。4元素、核素、同位素元素、核素、同位素元素元素具有相同质子数的原子，化学性质相同，具有相同质子数的原子，化学性质相同，但其中子数可以不同，如但其中子数可以不同，如131131I I和和127127I I；核素核素质子数相同，中子数也相同，且具有相质子数相同，中子数也相同，且具有相同能量状态的原子，称为一种核素。同一元素可同能量状态的原子，称为一种核素。同一元素可有多种核素，如有多种核素，如131131I I、127127I I、3 3H H、99m99mTcTc、9999TcTc分别分别为为3 3种元素的种元素的5 5种核素；种核素；同质异能素同质异能素质子数和中子数都相同，但处于质子数和中子数都相同，但处于不同的核能状态原子，不同的核能状态原子，如如99m99mTcTc、9999TcTc。原子核稳定，不会自发衰变的核素称为原子核稳定，不会自发衰变的核素称为稳定核素稳定核素(stable nuclide);原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级调整才能趋于稳定的核素称为调整才能趋于稳定的核素称为放射性核素放射性核素(radionuclide);放射性核素的原子由于核内结构或能级调整，自放射性核素的原子由于核内结构或能级调整，自发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种原子的过程称为种原子的过程称为放射性衰变放射性衰变(radiation decay)。稳定核素与放射性核素稳定核素与放射性核素第二节第二节 放射性衰变放射性衰变放射性衰变：放射性衰变：放射性核素由于核内结构或放射性核素由于核内结构或能级调整，自发地释放出一种或一种以上能级调整，自发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种核素的过程。的射线并转化为另一种核素的过程。一、一、衰变衰变（decay）衰变是放出粒子的放射性衰变。粒子是由两个质子和两个中子组成，实际是氦核42He；衰变发生于重元素，其原子序数82。因而衰变时，母核放出粒子后，质量数减少4，原子序数减少2。二、二、衰变衰变 （一）（一）-衰变（衰变（-decaydecay）-衰变发生在衰变发生在中子过剩中子过剩的原子核。的原子核。衰变时放出一个衰变时放出一个-粒子（电子）和反粒子（电子）和反中微子。（核内一个中微子。（核内一个中子转变为质子中子转变为质子）发生于富中字核素，实质上是原子核的一发生于富中字核素，实质上是原子核的一个中子转化为质子；因而子核比母核中子个中子转化为质子；因而子核比母核中子数减少数减少1 1，原子序数增加，原子序数增加1 1，原子质量数不，原子质量数不变。变。（二）（二）+衰变（衰变（+decaydecay）+衰变发生在衰变发生在中子较少中子较少的原子核。的原子核。衰变时放出一个衰变时放出一个粒子（正电子）和粒子（正电子）和反中微子。核内一个反中微子。核内一个质子转变为中子质子转变为中子。因而子核比母核质子数减少因而子核比母核质子数减少1 1，原子质，原子质量数不变。量数不变。+衰变发生于缺中子核素，衰变发生于缺中子核素，但核内转变能量必须大于但核内转变能量必须大于1.02MeV1.02MeV。正电子衰变正电子衰变 由于核内中子缺乏致使放射出正电子的衰变，称为正电子衰变，也叫+衰变。衰变时发射一个正电子和一个中微子（），原子核中一个质子转变为中子。+衰变时母核和子核的质量数无变化，但子核的核电荷数减少一个单位，+衰变可用下式表示：189F188O+0.66MeV正电子衰变核素，都是人工放射性核素。正电子射程仅12mm，在失去动能的同时与其邻近的电子（）碰撞而发生湮灭辐射，在二者湮灭的同时，失去电子质量，转变成两个方向相反、能量皆为511 keV的光子。PET PET显像原理。显像原理。正电子发射断层仪（PET）能探测方向相反的511 keV光子，进行机体内的定量、定性和代谢显像。常用药物：常用药物：1818F-FDGF-FDG（氟代脱氧葡萄糖）因为18FDG可准确反映体内器官/组织的葡萄糖代谢水平，因此被誉为“世纪分子”，是目前PET-CT显像的主要显像剂。（三）电子俘获 电子俘获：原子核俘获一个核外轨道电子使核内一个质子转变成一个中子和放出一个中微子的过程。发生在缺中子的原子核，与正电子衰变时核结构的改变相似。电子俘获也发生在缺中子核素，但核内转变能量小于1.02MeVc。从核外内层的电子轨道上俘获一个电子，使一个质子转化为中子。一个质子俘获一个核外轨道电子转变成一个中子和放出一个中微子，子核的原子序数比母核减少一个单位，在元素周期表向左移一个位置，质量数不变。电子俘获发生后可发生次级辐射：1、当内层电子被俘入核内，外层轨道电子则补缺，两电子轨道之间的能量差转换成特征X线释放出来；2、该能量差或传给更外层电子使之脱离轨道而释放，这种电子被称为俄歇电子。电子俘获衰变图原子核俘获一个内层电子（1）外层电子向内层补充（2）两层轨道之间能量差转换成特征X射线（3）或俄歇电子释放（4）。内转换电子过程电子俘获后，仍处于激发态的原子核把能量转给一个核外电子（1），这个电子被逐出原子成为内转换换电子（2），外层电子填补空穴，原子核回复到基态（3），能量由特征X射线（4）或俄歇电子携走（5）三、三、衰变衰变 原子核从激发态（原子核从激发态（excited stateexcited state）回复到）回复到基态（基态（ground stateground state）时，以发射）时，以发射光子光子释放过剩的能量，这一过程称为释放过剩的能量，这一过程称为衰变。衰变。这种激发态的原子核常是在这种激发态的原子核常是在衰变、衰变、衰衰变或核反应之后形成的。变或核反应之后形成的。射线的本质是射线的本质是中性的中性的光子流光子流。指数衰减规律指数衰减规律 N=N0e-t N0:（t=0）时放射性原子）时放射性原子 核的数目核的数目N:经过经过t时间后未发生衰变的放射性原时间后未发生衰变的放射性原子核数目子核数目:放射性原子核衰变常数放射性原子核衰变常数 大小只与原子核本身性质有关，与外大小只与原子核本身性质有关，与外界条件无关界条件无关;数值越大衰变越快数值越大衰变越快半衰期半衰期半衰期半衰期(half-live)(half-live)：放射性原子核数从N0衰变到N0的1/2所需的时间N=NN=N0 0e e-t t第三节 核衰变规律放射性核素的另一个特征性的物放射性核素的另一个特征性的物理量理量半衰期半衰期，T T1/21/2（half-lifehalf-life），），表示原子数从表示原子数从N N0 0衰变到衰变到N N0 0的一半的一半所要的时间。所要的时间。放射性活度减少至一半所需要的时放射性活度减少至一半所需要的时间称作间称作物理半衰期（物理半衰期（T1/2）。重要概念重要概念生生物物半半排排期期Tb是是指指生生物物体体内内的的放放射射性性核核素素经经由由各各种种途途径径从从体体内内排排出出一一半半所所需需要要的时间。的时间。有有效效半半衰衰期期Teff是是指指生生物物体体内内的的放放射射性性核核素素由由于于从从体体内内排排出出和和物物理理衰衰变变两两个个因因素素作作用用，减减少少至至原原有有放放射射性性活活度度一一半半所所需需的时间。的时间。第四节 放射性活度 l放射性活度放射性活度（radioactivityradioactivity）是表示）是表示单位时间内发生衰变的原子核数单位时间内发生衰变的原子核数。l放射性活度放射性活度的旧制单位是居里的旧制单位是居里（curiecurie），），1 1居里表示每秒居里表示每秒3.73.710101010次次核衰变。核衰变。l新新的国际制单位是的国际制单位是贝可（贝可（BqBq）。1Bq1Bq定义为每秒一次衰变。定义为每秒一次衰变。常用派生单位千贝可（kBq）=103Bq兆贝可（kBq）=106Bq吉贝可（kBq）=109Bq毫居里（mCi）=3.7*107Bq微居里（mCi）=3.7*104Bq单位换算1Ci=3.73.7101010101010 Bq=37GBq=1000mCi1mCi=3.73.7101010107 7 Bq=37MBq=1000uCi 1uCi=3.73.7101010104 4 Bq=37kBq比活度与放射性浓度为了表示各种物质中的放射性核素含量，通常还采用比活度及放射性浓度。比活度定义为单位质量或单位摩尔物质中含有的放射性活度，单位是Bq/g，MBq/g、MBq/mol。放射性浓度定义为单位体积溶液中所含的放射性活度，单位是Bq/ml、mCi/ml等。临床核医学使用放射性浓度较多。射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线的运动空间充满介质，射线就会与物质发生相互作用，射线的能量不断被物质吸收。这种相互作用亦称射线的物理效应，是我们了解辐射生物效应、屏蔽防护以及放射性检测、核素显像和治疗的基础。带电粒子与物质的作用带电粒子与物质的作用 电离作用（ionization）入射粒子（、）作用于原子（1）使轨道电子成为自由电子（2）而原子成为正离子。激发作用（excitation）能量E作用于内层轨道电子（1）使其跃迁到外层轨道（2）外层电子填补空穴（3）原子核从稳定状态成激发状态，同时发射特征X射线（4）或俄歇电子释放出多余能量。散射作用（scattering）射线粒子受到原子核静射线粒子受到原子核静电场作用，改变原来运电场作用，改变原来运动方向，能量无损失。动方向，能量无损失。韧致辐射高高高高速速速速带带带带电电电电粒粒粒粒子子子子通通通通过过过过核核核核电电电电磁磁磁磁场场场场使使使使受受受受到到到到突突突突然然然然阻阻阻阻滞滞滞滞，运运运运动动动动方方方方向向向向和和和和速速速速度度度度都都都都发发发发生生生生变变变变化化化化，能能能能量量量量减减减减低低低低，多多多多余余余余的的的的能能能能量以量以量以量以X X X X射线的形式辐射出来，称为射线的形式辐射出来，称为射线的形式辐射出来，称为射线的形式辐射出来，称为bremsstrahlungbremsstrahlungbremsstrahlungbremsstrahlung。致辐射的强度和粒子的反向散射的几率随屏蔽物质的原子序数增大而增大，随粒子的能量增加而增加。射线的屏蔽要用原子序数低的材料，如铝、塑料、有机玻璃等。射线由于自身质量数大、运行速度慢，较少产生韧致辐射。吸收作用带电粒子使物质的原子发生电离和激发的过程中，射线的能量全部耗尽，射线不再存在，称作吸收。粒子在物质中沿运动轨迹所经过的距离称为路程，而路程沿入射方向投影的直线距离称为射程。带电粒子的能量损失与粒子的动能和吸收物质的性质有关，所以射程能比较直观地反映带电粒子贯穿本领的大小。光子与物质的相互作用光子与物质的相互作用射线和X射线及轫致辐射等属于电磁辐射，都是中性光子流，与物质相互作用方式相同，只与光子的能量有关主要产生三个效应：光电效应、康普顿效应和电子对生成。光电效应光电效应光子被原子内层电子吸收（1），全部能量被电子吸收使之成为自由的光电子（2），其位置由外层电子填补（3），同时发射出特征X射线（4）或俄歇电子（5）。康普顿效应康普顿效应光子将部分能量传递给核外电子，使之成为康普顿电子发射出来，而光子能量减少，改变方向运行。电子对生成能量大于1.022MeV光子穿过物质时，光子与原子核电场的相互作用过程中，突然消失而产生一对正、负电子，其能量转变为电子对的动能。思考题何谓同位素、同质异能素、核素？带电粒子、射线与物质的哪些作用是放射线探测和放射性核素治疗的基础？哪种效应对单光子显像有不利作用？何谓放射性强度、放射性比活度、放射性浓度？