药学物理原子物理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第十四章第十四章 原子核原子核第1页核历史核历史核历史核历史点滴点滴点滴点滴玛丽玛丽玛丽玛丽 居里以自己勤奋和天赋，在物理学和化学领域，都作出了出色贡献，居里以自己勤奋和天赋，在物理学和化学领域，都作出了出色贡献，居里以自己勤奋和天赋，在物理学和化学领域，都作出了出色贡献，居里以自己勤奋和天赋，在物理学和化学领域，都作出了出色贡献，是是是是唯一一位在两个不一样学科领域、两次取得诺贝尔奖著名科学家。唯一一位在两个不一样学科领域、两次取得诺贝尔奖著名科学家。唯一一位在两个不一样学科领域、两次取得诺贝尔奖著名科学家。唯一一位在两个不一样学科领域、两次取得诺贝尔奖著名科学家。发觉放发觉放发觉放发觉放射性元素钋射性元素钋射性元素钋射性元素钋(Po)(Po)和镭和镭和镭和镭(Ra)(Ra)。第十四章第十四章 原原 子子 核核最早发觉是一个名叫贝克勒尔人。贝克勒尔发觉天然放射性，标志着原子核物理学开端。所以他和居里夫妇共同取得19诺贝尔物理学奖。19521952年年年年1010月月月月3131日，世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆日，世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆日，世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆日，世界第一枚氢弹在太平洋马绍尔群岛一个环礁上成功爆炸，核当量高达炸，核当量高达炸，核当量高达炸，核当量高达10001000万吨，相当于万吨，相当于万吨，相当于万吨，相当于700700枚广岛原子弹，把一个直径枚广岛原子弹，把一个直径枚广岛原子弹，把一个直径枚广岛原子弹，把一个直径1.61.6公里公里公里公里小岛活生生地炸没了，燃起火球直径就超出了小岛活生生地炸没了，燃起火球直径就超出了小岛活生生地炸没了，燃起火球直径就超出了小岛活生生地炸没了，燃起火球直径就超出了5 5公里。公里。公里。公里。19671967年年年年6 6月月月月1717日，我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。日，我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。日，我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。日，我国第一颗氢弹在罗布泊爆炸成功。19641964年年年年1010月月月月1616日，中国第一次将原子核裂变巨大火球和蘑菇云升上了戈日，中国第一次将原子核裂变巨大火球和蘑菇云升上了戈日，中国第一次将原子核裂变巨大火球和蘑菇云升上了戈日，中国第一次将原子核裂变巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。壁荒漠。壁荒漠。壁荒漠。第2页 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素 核磁共振核磁共振核磁共振核磁共振 本本 章章 要要 点点第十四章第十四章 原原 子子 核核第3页第一节 原子核结构和基本性质一、原子核组成与质量一、原子核组成与质量一、原子核组成与质量一、原子核组成与质量1.原子核电荷数原子核电荷数(nuclear charge)Z:原子序数原子序数(nuclear number)Z：2.核子核子(nucleon):组成原子核质子和中子组成原子核质子和中子.原子质量单位原子质量单位(atomic mass unit)u3.原子核质量和质量数原子核质量和质量数A:质子质子(proton)：中子中子(neutron)：原子核质量近似：原子核质量近似：第4页4.核素核素(nuclide)：一类含有确定质子数、核子数和能量状态中一类含有确定质子数、核子数和能量状态中性原子称为核素。用符号性原子称为核素。用符号 或或 。同位素同位素(isotope)：同一个元素核内能够含有各种核子数，即它同一个元素核内能够含有各种核子数，即它们含有们含有相同质子数而中子数不一样相同质子数而中子数不一样相同质子数而中子数不一样相同质子数而中子数不一样,它们在元素周期表占据同它们在元素周期表占据同一位置一位置,含有相同化学性质。如氢同位素含有相同化学性质。如氢同位素 。同量异位素同量异位素(isobar)：质量数相同，质子数不一样质量数相同，质子数不一样质量数相同，质子数不一样质量数相同，质子数不一样一类核数。一类核数。如如 。同核异能素同核异能素(isomer)：质量数和质子数都相同而处于不一样能质量数和质子数都相同而处于不一样能量状态一类核数。如量状态一类核数。如 。同中子异位素同中子异位素(isotone)：中子数相同，质子数不一样中子数相同，质子数不一样中子数相同，质子数不一样中子数相同，质子数不一样一类核数。一类核数。如如 。第一节第一节 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质第5页1.1.质量亏损质量亏损质量亏损质量亏损(mass defect):(mass defect):2.2.结结结结 合合合合 能能能能(binding energy):(binding energy):二、原子核质量亏损与结合能二、原子核质量亏损与结合能二、原子核质量亏损与结合能二、原子核质量亏损与结合能第一节第一节 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质第6页3.3.比结合能比结合能比结合能比结合能(specific binding energy):(specific binding energy):物理意义：物理意义：若把一个核子放入原子核里，则平均释放能量若把一个核子放入原子核里，则平均释放能量。反。反之若从核内取出一个核子，则需要克服原子查对核子引力平均做之若从核内取出一个核子，则需要克服原子查对核子引力平均做功功 。所以，。所以，越大，表示核子间结合得越紧密，越大，表示核子间结合得越紧密，大小能够作大小能够作为核稳定性量度。为核稳定性量度。自然界中各种核结合能相差甚大，但自然界中各种核结合能相差甚大，但比结合能却相差不大比结合能却相差不大,以以下页图。下页图。重核裂变：重核裂变：重核裂变：重核裂变：原子弹、原子能反应堆等原子弹、原子能反应堆等轻核聚变：轻核聚变：轻核聚变：轻核聚变：氢弹等氢弹等第一节第一节 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质第7页第一节第一节 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质第8页1.1.原子核大小原子核大小原子核大小原子核大小:原子核密度原子核密度:核半径比原子半径小核半径比原子半径小106倍。豌豆粒大小核倍。豌豆粒大小核(mm)，其原子半径，其原子半径约为约为 km。普通物质密度普通物质密度:三、原子核基本性质三、原子核基本性质三、原子核基本性质三、原子核基本性质第一节第一节 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质第9页核力：核子之间存在一个短程强吸引力。核力：核子之间存在一个短程强吸引力。（1）核力是一个短程力；）核力是一个短程力；（2）核力与电荷无关；）核力与电荷无关；（3）核力是含有饱和性交换力。）核力是含有饱和性交换力。2.2.核力核力核力核力(nuclear force)(nuclear force)第一节第一节 原子核结构和基本性质原子核结构和基本性质第10页第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应 有些核素原子核是不稳定，能自发地放出由一些离子组成射线有些核素原子核是不稳定，能自发地放出由一些离子组成射线后变为另一个核素，这类核素称为后变为另一个核素，这类核素称为放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素。如铀，钚等元素周期表中序数较大元素。放射性，核衰变。如铀，钚等元素周期表中序数较大元素。放射性，核衰变。衰变类型衰变类型衰变类型衰变类型 粒子：粒子：核核 粒子：电子；粒子：电子；+粒子：正电子粒子：正电子 光子：能量高于光子：能量高于X射线射线守恒规律：电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律：电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律：电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律：电荷数、质量数、能量、动量和核子数。第11页第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第12页1.1.衰变衰变衰变衰变:(1)衰变：衰变：质量数质量数A209放射性核素自发地放射放射性核素自发地放射 射线而变成射线而变成 另一个核素现象。另一个核素现象。(2)衰变过程式衰变过程式:(3)衰变位移法则：衰变位移法则：子核子核Y比母核比母核X 电荷数降低电荷数降低2，核子数降低，核子数降低4，在，在 元素周期表要前移元素周期表要前移2位。位。(4)(4)衰变纲图：衰变纲图：一、一、一、一、放射性衰变放射性衰变放射性衰变放射性衰变第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第13页2.2.衰变衰变衰变衰变(2)衰变：衰变：(3)+衰变：衰变：(4)电子俘获：电子俘获：(1)衰变：衰变：放射性核素自发地放射放射性核素自发地放射 射线（高速电子）射线（高速电子）或俘获轨道电子而变成另一个核素现象。或俘获轨道电子而变成另一个核素现象。(5)俄歇电子俄歇电子(Auger electron)：一个内层电子被俘获后，外层一个内层电子被俘获后，外层电子会马上填补这一空位，同时释放能量。这个能量能够发电子会马上填补这一空位，同时释放能量。这个能量能够发射标识射标识X射线形式放出，也能够使另一外层电子电离成为自射线形式放出，也能够使另一外层电子电离成为自由电子。这种被电离电子称为俄歇电子。由电子。这种被电离电子称为俄歇电子。第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第14页(6)能谱图：能谱图：因为因为 衰变过程中有中微子参加，衰变所放出能量将在电子、衰变过程中有中微子参加，衰变所放出能量将在电子、中微子和子核之间任意分配，所以中微子和子核之间任意分配，所以 射线能谱是连续射线能谱是连续射线能谱是连续射线能谱是连续。N 粒子动能粒子动能 Emax E峰值峰值 粒粒子子数数第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第15页(1)衰变衰变:同核异能跃迁同核异能跃迁.(2)内转换内转换:在一些情况下在一些情况下,原子核从激发态向低能级激发态或基原子核从激发态向低能级激发态或基态跃迁时态跃迁时,不是经过放出光子不是经过放出光子,而是经过核外电子发生能量交而是经过核外电子发生能量交换把能量交给电子换把能量交给电子,使其脱离原子束缚成为自由电子使其脱离原子束缚成为自由电子内内内内转换电子转换电子转换电子转换电子。(3)内转换过程中内转换过程中,因为释放电子而在原子内壳层出现空位，外因为释放电子而在原子内壳层出现空位，外层电子将会填充这个空位而发射标识层电子将会填充这个空位而发射标识X射线或俄歇电子。射线或俄歇电子。3.3.衰变与内转换衰变与内转换衰变与内转换衰变与内转换第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第16页(4)衰变纲图：衰变纲图：第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第17页1.1.核衰变规律核衰变规律核衰变规律核衰变规律:2.2.半衰期半衰期半衰期半衰期(half life):(half life):积分得：积分得：为衰变常数为衰变常数(decay constant)：表示一个原子核单位时间内发表示一个原子核单位时间内发生衰变概率。生衰变概率。OtN123二、衰变规律二、衰变规律二、衰变规律二、衰变规律第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第18页3 3有效半衰期有效半衰期有效半衰期有效半衰期(effective half life period)(effective half life period)4 4平均寿命平均寿命平均寿命平均寿命(mean life time)(mean life time)半衰期、平均寿命与衰变常数关系：半衰期、平均寿命与衰变常数关系：第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第19页5.5.放射性活度放射性活度放射性活度放射性活度(radioactivity)(radioactivity)单位：单位：1Bq=1核衰变核衰变/秒秒 1Ci(居里居里)=3.7 1010 Bq 放射源单位时间内发生衰变母核数，称为放射性活度。放射源单位时间内发生衰变母核数，称为放射性活度。第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第20页入射粒子入射粒子靶靶 核核反反 冲冲 核核反应能：反应能：Q=EY+Eb Ea反应后质量亏损：反应后质量亏损：m=(mX+ma)(mY+mb)反应能：反应能：E=mc2，m0，放出能量；，放出能量；m0，吸收能量。，吸收能量。三、人工核反应三、人工核反应三、人工核反应三、人工核反应(artificial nuclear reaction(artificial nuclear reaction)第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第21页1.1.中子核反应中子核反应中子核反应中子核反应 (n n,),(),(n n,p p),(),(n n,),),(n n,2n2n)2.2.质子核反应质子核反应质子核反应质子核反应 (p p,),(),(p p,n n),(),(p p,)3.3.氘核核反应氘核核反应氘核核反应氘核核反应 (d d,p p),(),(d d,n n),(),(d d,),(),(d d,3 3HH),(d,),(d,2n2n)4.4.粒子核反应粒子核反应粒子核反应粒子核反应(,p p),(),(,n n)5.5.光致光致光致光致核反应核反应核反应核反应 (,n n)第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第22页照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收能量；照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收能量；照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收能量；照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收能量；测量照射剂量主要依据在标准状态下干燥空气中测量辐射产生测量照射剂量主要依据在标准状态下干燥空气中测量辐射产生电离效应，即测量电离效应，即测量X射线和射线和 射线在单位质量空气中产生正射线在单位质量空气中产生正（或负）离子电量来表征（或负）离子电量来表征X射线和射线和 射线照射量。射线照射量。单位：单位：C/kg或伦琴或伦琴(R)；1R=2.58104 C/kg第三节第三节 放射性核素放射性核素一、放射线剂量一、放射线剂量一、放射线剂量一、放射线剂量(irradiation dose)(irradiation dose)1.1.照射剂量照射剂量照射剂量照射剂量 (exposure dose)(exposure dose)第23页吸收剂量是被照射物质单位质量所吸收电离能量；吸收剂量是被照射物质单位质量所吸收电离能量；它是衡量单位质量受照射物质吸收辐射能量多少一个物理量。它是衡量单位质量受照射物质吸收辐射能量多少一个物理量。单位：单位：J/kg或戈瑞或戈瑞(Gy)；1 Gy=1 J/kg;拉德拉德(rad)；1 Gy=100 rad2.2.吸收剂量吸收剂量吸收剂量吸收剂量 (absorbed dose)(absorbed dose)第三节第三节 放射性核素放射性核素第24页生物体内单位质量组织，从各种射线中吸收一样多能量，生物体内单位质量组织，从各种射线中吸收一样多能量，所产生生物学效应有很大差异，这是因为射线对细胞损所产生生物学效应有很大差异，这是因为射线对细胞损伤，不但与它吸收能量和产生离子相关，还与电离密集伤，不但与它吸收能量和产生离子相关，还与电离密集程度相关。书中程度相关。书中表表14-4 是射线是射线RBE。单位：希沃特单位：希沃特(Sv)3.3.生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量第三节第三节 放射性核素放射性核素第25页 由由表表14-4可可知知,粒粒子子RBE=20,粒粒子子RBE=1,所所以以甲甲肺肺组组织织受到等效剂量为：受到等效剂量为：2 10 3 20=4.0 10 2 Sv 同理同理,乙肺组织受到等效剂量为：乙肺组织受到等效剂量为：1 10 3 20+1 10 3 1=2.1 10 2 Sv 相比之下，甲受到辐射影响比乙大。相比之下，甲受到辐射影响比乙大。例例 有有甲甲、乙乙两两人人,甲甲肺肺组组织织受受 粒粒子子照照射射,吸吸收收剂剂量量为为2mGy.乙乙肺肺组组织织受受 粒粒子子照照射射,吸吸收收剂剂量量为为1mGy，同同时时还还受受到到 粒粒子子照照射射,吸收剂量也为吸收剂量也为1mGy。试比较这两人所受射线影响大小。试比较这两人所受射线影响大小。例例例例例例解解解解解解第三节第三节 放射性核素放射性核素第26页（1）最大允许剂量最大允许剂量(maximum permissible dose)放射线虽可用来诊疗和治疗疾病，但人体正常组织假如受到放射线虽可用来诊疗和治疗疾病，但人体正常组织假如受到过剂量照射，人体将会受到损害。所以，过剂量照射，人体将会受到损害。所以，在应用放射线同时，在应用放射线同时，在应用放射线同时，在应用放射线同时，要注意对它防护。要注意对它防护。要注意对它防护。要注意对它防护。国际上要求了一个最大允许剂量国际上要求了一个最大允许剂量,即经过一次照射成长久积累，即经过一次照射成长久积累，对人体没有损害又不发生遗传危害最大剂量限值。对人体没有损害又不发生遗传危害最大剂量限值。从业人员从业人员从业人员从业人员:50 mSv/a;:50 mSv/a;居居居居 民民民民:5 mSv/a.:5 mSv/a.4.4.辐射防护辐射防护辐射防护辐射防护第三节第三节 放射性核素放射性核素第27页(2)外照射防护外照射防护 因为不一样放射线性质不一样，采取防护办法也不一样。因为不一样放射线性质不一样，采取防护办法也不一样。因为不一样放射线性质不一样，采取防护办法也不一样。因为不一样放射线性质不一样，采取防护办法也不一样。射线电离能力很强射线电离能力很强,但射程短，穿透能力小。但射程短，穿透能力小。由由 射线不可射线不可能由体表深入体内，故对外照射只要戴上手套即可能由体表深入体内，故对外照射只要戴上手套即可;射线和射线和 射线穿透能力强，外照射不容忽略，对射线穿透能力强，外照射不容忽略，对 射线惯射线惯用含有中等原子序效物质作屏蔽材料，如各种塑料和有机玻用含有中等原子序效物质作屏蔽材料，如各种塑料和有机玻璃。璃。射线对重原子序数物质易引发起韧致辐射射线对重原子序数物质易引发起韧致辐射(高速带电高速带电粒子急剧减速时发出电磁辐射粒子急剧减速时发出电磁辐射)，后者对人体健康亦不利，后者对人体健康亦不利，故不宜采取。故不宜采取。射线不存在这一问题，故多用重原子序数物射线不存在这一问题，故多用重原子序数物质如铅、混凝土等来屏蔽。质如铅、混凝土等来屏蔽。第三节第三节 放射性核素放射性核素第28页除采取屏蔽办法外，还应注意保护环境。对于含有放射性物除采取屏蔽办法外，还应注意保护环境。对于含有放射性物除采取屏蔽办法外，还应注意保护环境。对于含有放射性物除采取屏蔽办法外，还应注意保护环境。对于含有放射性物质废物，要妥善处理，不要随便弃置。质废物，要妥善处理，不要随便弃置。质废物，要妥善处理，不要随便弃置。质废物，要妥善处理，不要随便弃置。(3)内照射防护内照射防护用放射性核素注入体内进行照射叫内照射。用放射性核素注入体内进行照射叫内照射。射线源进入体内，射线源进入体内，因为其电离比值高，产生电离作用将对人体造成极大危害。故因为其电离比值高，产生电离作用将对人体造成极大危害。故工作时要待别预防工作时要待别预防 射线源由呼吸道、食管或外伤伤口进入体射线源由呼吸道、食管或外伤伤口进入体内。内。第三节第三节 放射性核素放射性核素第29页放射性核素在诊疗和治疗方面都有主要应用。表达了当代医学放射性核素在诊疗和治疗方面都有主要应用。表达了当代医学发展水平核医学，在医学诊疗中起着越来越主要作用。发展水平核医学，在医学诊疗中起着越来越主要作用。用放射性核素作为示踪原子，以研究其在体内分布、转移和代用放射性核素作为示踪原子，以研究其在体内分布、转移和代谢。并借助它们放出射线，在体外探查该元素行踪，这种方法谢。并借助它们放出射线，在体外探查该元素行踪，这种方法叫叫示踪原子法示踪原子法示踪原子法示踪原子法。另外还有体外标本测量法和放射自显影。另外还有体外标本测量法和放射自显影。二、放射性核素在医药方面应用二、放射性核素在医药方面应用二、放射性核素在医药方面应用二、放射性核素在医药方面应用1.1.示踪原理示踪原理示踪原理示踪原理第三节第三节 放射性核素放射性核素第30页治疗肿瘤一个有效物理疗法，从射线照射方式可分为外照射、治疗肿瘤一个有效物理疗法，从射线照射方式可分为外照射、近距离照射和内照射，临床惯用外照射有近距离照射和内照射，临床惯用外照射有60Co60Co治疗机、医用直治疗机、医用直治疗机、医用直治疗机、医用直线加速器和线加速器和线加速器和线加速器和 -刀等刀等刀等刀等。放射诊疗主要是指核素成像，是一个利用放射性核素示踪方放射诊疗主要是指核素成像，是一个利用放射性核素示踪方法显示人体内部形态结构医学影像技术，常见有法显示人体内部形态结构医学影像技术，常见有 照射机、照射机、照射机、照射机、SPECTSPECT和和和和PETPET等。等。等。等。3.3.放射治疗放射治疗放射治疗放射治疗2.2.放射诊疗放射诊疗放射诊疗放射诊疗第三节第三节 放射性核素放射性核素第31页正电子发射型计算机断层正电子发射型计算机断层正电子发射型计算机断层正电子发射型计算机断层(PET)(PET)原理原理原理原理(1)概念：概念：PET是将发射正电子同位素药品注入人体之后，探是将发射正电子同位素药品注入人体之后，探测正电子在体内被电子俘获产生湮灭反应时沿相反方向发测正电子在体内被电子俘获产生湮灭反应时沿相反方向发出两个能量为出两个能量为0.511 MeV光子，从而取得正电子标识药品在光子，从而取得正电子标识药品在体内三维密度分布，以及这种分布随时间改变信息体内三维密度分布，以及这种分布随时间改变信息.即一个即一个探测注入体内放射性核素放射出探测注入体内放射性核素放射出 +产生湮没光子对而实现产生湮没光子对而实现断层成像。断层成像。例例:13N-13C+Q +-2 (能量为能量为能量为能量为 0.511MeV,0.511MeV,方向相反传输光子方向相反传输光子方向相反传输光子方向相反传输光子 )第三节第三节 放射性核素放射性核素第32页(2)(2)采取自准直符合探测原理采取自准直符合探测原理采取自准直符合探测原理采取自准直符合探测原理 (1)只有只有 a有信号输出；有信号输出；(2)b、c因不符合对称电路因不符合对称电路,无信号输出；无信号输出；(3)湮没光子位置与产生湮没光子位置与产生 +位置靠近位置靠近(12mm)探头探头探头探头符符符符 合合合合 电电电电 路路路路湮湮湮湮 没没没没 区区区区输输输输 出出出出探头探头探头探头断断断断 层层层层 面面面面a a a ac c c cb b b b第三节第三节 放射性核素放射性核素第33页PET正正电电子子同同位位素素由由盘盘旋旋加加速速器器产产生生，如如采采取取加加速速至至9MeV氘氘离离子子束束轰轰击击氖氖气气靶靶产产生生18F，再再经经化化学学合合成成得得到到所所需药品。常见需药品。常见PET标识药品及主要用途为：标识药品及主要用途为：同位素同位素半衰期半衰期示踪剂及用途示踪剂及用途11C20.3 m11C 标识各种氨基酸,肿瘤定界、分级13N9.96 mNH3 测量血流，用于局部心肌灌注显像测量血流，用于局部心肌灌注显像15O123 sCO2 测量局部脑血流量；CO 测量局部脑血容量；O2 测量心肌氧消耗和氧摄取比；H2O用于心肌及脑血流灌注18F110 mFDG 研究葡萄糖代谢,用于神经学、心脏病学和肿瘤学;氟多巴FDOPA 诊疗帕金森症PET PET 示踪药品示踪药品示踪药品示踪药品第三节第三节 放射性核素放射性核素第34页63岁左侧下喉癌岁左侧下喉癌患者患者CT 与与PET图图像融合像融合第三节第三节 放射性核素放射性核素第35页CT 与与PET图图像融合，确定胸像融合，确定胸骨上损伤位置，骨上损伤位置，同时可见右侧腋同时可见右侧腋窝处有一肿大淋窝处有一肿大淋巴结。巴结。第三节第三节 放射性核素放射性核素第36页PETPET扫描揭示悲伤时女性脑部扫描揭示悲伤时女性脑部扫描揭示悲伤时女性脑部扫描揭示悲伤时女性脑部(左左左左)比男性脑部比男性脑部比男性脑部比男性脑部(右右右右)更具代谢活性更具代谢活性更具代谢活性更具代谢活性第三节第三节 放射性核素放射性核素第37页（1）核子（质子和中子）与电子一样含有自旋，核子（质子和中子）与电子一样含有自旋，与之相联络有与之相联络有自旋角动量自旋角动量 和和 自旋磁矩自旋磁矩。第四节第四节 核磁共振核磁共振（2）自旋角动量自旋角动量LI和轨道角动量一样，均服从角动量普和轨道角动量一样，均服从角动量普 遍法则，遍法则，LI大小是量子化大小是量子化I 称为自旋量子数。称为自旋量子数。I 仅有一个值，而且是半整数：仅有一个值，而且是半整数：故故mI称为称为 自旋磁量子数。只能取两个值：自旋磁量子数。只能取两个值：（3）LI在在 Z 轴（外磁场）方向上投影：轴（外磁场）方向上投影：故故一、一、一、一、核子自旋与磁矩核子自旋与磁矩核子自旋与磁矩核子自旋与磁矩第38页质子和中子自旋角动量质子和中子自旋角动量质子和中子自旋角动量质子和中子自旋角动量自旋量子数：自旋量子数：I=1/2自旋磁量子数：自旋磁量子数：mI=1/2自旋角动量大小：自旋角动量大小：L LI I在在在在 Z Z 轴（外磁场）方向上投影轴（外磁场）方向上投影轴（外磁场）方向上投影轴（外磁场）方向上投影(简称简称 自旋自旋)第四节第四节 核磁共振核磁共振第39页原子核内核子固有角动量和轨道角动量矢量和。原子核内核子固有角动量和轨道角动量矢量和。式中式中 I 为自旋量子数为自旋量子数(spin quantum number)偶偶偶偶-偶核偶核偶核偶核,1212C,C,1616OO等等等等,I I=0=0；奇奇奇奇-偶核偶核偶核偶核,1 1H,H,3131P P等等等等,I I=n n/2,(/2,(n n=1,3,5,)=1,3,5,)；奇奇奇奇-奇核奇核奇核奇核,6 6Li,Li,1414N N等等等等,I I=n n,(,(n n=1,2,3,)=1,2,3,)。二、原子核自旋与磁矩二、原子核自旋与磁矩二、原子核自旋与磁矩二、原子核自旋与磁矩1.1.原子核角动量即核自旋原子核角动量即核自旋原子核角动量即核自旋原子核角动量即核自旋(nuclear spin)(nuclear spin)第四节第四节 核磁共振核磁共振第40页2.2.原子核自旋角动量在空间某一选定方向原子核自旋角动量在空间某一选定方向原子核自旋角动量在空间某一选定方向原子核自旋角动量在空间某一选定方向(如如如如z z方向方向方向方向)上上上上投影也是量子化投影也是量子化投影也是量子化投影也是量子化式中式中 m为磁量子数为磁量子数:m=I，I1，I+1，I。共。共2I+1个可能个可能取值，对应该自旋核在外磁场中有取值，对应该自旋核在外磁场中有2I+1个可能取向。个可能取向。第四节第四节 核磁共振核磁共振第41页 式中式中 N=5.050810 27 J/T为核磁子。为核磁子。质子质子g=5.585694772。式中式中 为核自旋磁旋比。为核自旋磁旋比。3.3.原子核磁矩与原子核自旋原子核磁矩与原子核自旋原子核磁矩与原子核自旋原子核磁矩与原子核自旋4.4.原子核总磁矩及其在外磁场分量也都是量子化原子核总磁矩及其在外磁场分量也都是量子化原子核总磁矩及其在外磁场分量也都是量子化原子核总磁矩及其在外磁场分量也都是量子化第四节第四节 核磁共振核磁共振第42页自旋不为零原子核与外磁场相互作用，一方面产生核绕B旋进，其次产生了核附加能量，造成原子核能级劈裂。当频率为10100MHz射频(radio frequency，RF)电磁波对样品照射，若RF电磁波能量刚好等于原子核能级劈裂能级差，就会出现样品中原子核强烈地吸收电磁波能量，从劈裂后低能级向相邻高能级跃迁现象，这就是核磁共振现象中共振吸收。三、三、三、三、核磁共振核磁共振核磁共振核磁共振1.1.自旋核在磁场中能级劈裂自旋核在磁场中能级劈裂自旋核在磁场中能级劈裂自旋核在磁场中能级劈裂第四节第四节 核磁共振核磁共振第43页2.2.劈裂能级间跃迁劈裂能级间跃迁劈裂能级间跃迁劈裂能级间跃迁（1）磁矩在外磁场作用下产生附加能量）磁矩在外磁场作用下产生附加能量 m 只能取只能取2I+1,对对I=1/2氢核氢核 m=1/2、1/2自旋自旋进动进动B自旋自旋进动进动B（2）能级劈裂间距，即裂距：能级劈裂间距，即裂距：第四节第四节 核磁共振核磁共振第44页3.3.核磁（自旋核在磁场中与射频电磁波）共振条件核磁（自旋核在磁场中与射频电磁波）共振条件核磁（自旋核在磁场中与射频电磁波）共振条件核磁（自旋核在磁场中与射频电磁波）共振条件 即双方最大交换能量条件即双方最大交换能量条件即双方最大交换能量条件即双方最大交换能量条件 ：第四节第四节 核磁共振核磁共振第45页RF角频率角频率原子核磁旋比原子核磁旋比,不一样不一样 核不一样核不一样外磁场强度（外磁场强度（T）只有当只有当RF角频率角频率 与外磁场与外磁场B符合拉莫公式，才能发生能符合拉莫公式，才能发生能级级跃跃迁，即共振吸收。迁，即共振吸收。4.4.拉莫（拉莫（拉莫（拉莫（LarmorLarmor）公式）公式）公式）公式第四节第四节 核磁共振核磁共振第46页1.1.核磁共振谱核磁共振谱核磁共振谱核磁共振谱以发生共振吸收强度为纵坐标，发生共振频率（或磁感应强度）以发生共振吸收强度为纵坐标，发生共振频率（或磁感应强度）为横坐标，绘出一条共振吸收强度与发生共振频率（或磁感应为横坐标，绘出一条共振吸收强度与发生共振频率（或磁感应强度）标化曲线，称为强度）标化曲线，称为核磁共振波谱核磁共振波谱核磁共振波谱核磁共振波谱，建立在此原理基础上一，建立在此原理基础上一类分析方法称类分析方法称为核磁共振谱法为核磁共振谱法为核磁共振谱法为核磁共振谱法。应用最普遍、最主要是核磁共振谱，它能够提供质子类型及其应用最普遍、最主要是核磁共振谱，它能够提供质子类型及其应用最普遍、最主要是核磁共振谱，它能够提供质子类型及其应用最普遍、最主要是核磁共振谱，它能够提供质子类型及其化学环境、氢分布和核间关系等信息。化学环境、氢分布和核间关系等信息。化学环境、氢分布和核间关系等信息。化学环境、氢分布和核间关系等信息。四、核磁共振谱四、核磁共振谱四、核磁共振谱四、核磁共振谱(NMRS)(NMRS)第四节第四节 核磁共振核磁共振第47页2.2.化学位移（化学位移（化学位移（化学位移（the chemical shiftthe chemical shift）（1）从公式）从公式 =B0知，同一个核在固定知，同一个核在固定B0中，其共振谱线中，其共振谱线位置是唯一；位置是唯一；实际上，同一个类原子核处于不一样化合物分实际上，同一个类原子核处于不一样化合物分子中，谱线位置不一样。子中，谱线位置不一样。原因：原因：在在B0中样品，其自旋核不是孤立，而是被核外带磁性中样品，其自旋核不是孤立，而是被核外带磁性电子云所包围，即每一个自旋核含有不一样电子环境。使自电子云所包围，即每一个自旋核含有不一样电子环境。使自旋核处于一个磁屏蔽之中，所以旋核处于一个磁屏蔽之中，所以lamour公式变成：公式变成：=(1 )B0，式中，式中 称屏蔽常数称屏蔽常数(screening constant)与化合与化合物结构及性质相关。物结构及性质相关。同类同类同类同类自旋核处于不一样分子之中会有不一样自旋核处于不一样分子之中会有不一样自旋核处于不一样分子之中会有不一样自旋核处于不一样分子之中会有不一样 ，所以它们会有所以它们会有所以它们会有所以它们会有不一样共振频率。不一样共振频率。不一样共振频率。不一样共振频率。第四节第四节 核磁共振核磁共振第48页（2）化学位移：化学位移：同种自旋核在相同外磁场情况下，同种自旋核在相同外磁场情况下，测试样测试样测试样测试样品中自旋核共振频率与标准物质中自旋核共振频率之差。品中自旋核共振频率与标准物质中自旋核共振频率之差。品中自旋核共振频率与标准物质中自旋核共振频率之差。品中自旋核共振频率与标准物质中自旋核共振频率之差。化学位移：化学位移：（3）化学位移也能够发生在同一分子不一样原子集团同一自化学位移也能够发生在同一分子不一样原子集团同一自化学位移也能够发生在同一分子不一样原子集团同一自化学位移也能够发生在同一分子不一样原子集团同一自旋核。旋核。旋核。旋核。比如：比如：乙醇核磁共振谱乙醇核磁共振谱NMRS有三个原子团有三个原子团(OHCH2 CH3)三个不一样位置共振峰。三个不一样位置共振峰。射频频率射频频率OHCH2CH3第四节第四节 核磁共振核磁共振第49页3.3.自旋自旋自旋自旋-自旋偶合（自旋偶合（自旋偶合（自旋偶合（spin-spin couplingspin-spin coupling）（1）基团间核自旋磁矩相互作用引发）基团间核自旋磁矩相互作用引发;（2）与）与B0无关无关;（3）CH3-基团经过结合电子与基团经过结合电子与-CH2-两个氢核发生作用两个氢核发生作用,使其使其 分裂成分裂成3条线条线;（4）-CH2-基团则受到基团则受到CH3-和和-CH2-基团中基团中5个个 氢核作用而氢核作用而 分裂成分裂成6条线条线;CH3-CH2-CH2-NO2ppm（5）-CH2-（靠近（靠近-NO2）只受到左）只受到左 边边-CH2-基团两个氢核作基团两个氢核作 用而分裂成用而分裂成3条线；条线；（6）规律（对于）规律（对于H核谱线条线）：核谱线条线）：某原子核集团谱线条数受到周围某原子核集团谱线条数受到周围某原子核集团谱线条数受到周围某原子核集团谱线条数受到周围原子核集团同种核个数原子核集团同种核个数原子核集团同种核个数原子核集团同种核个数n n，其谱，其谱，其谱，其谱线则为线则为线则为线则为n n+1+1。第四节第四节 核磁共振核磁共振第50页（1）MRS原理原理 （a a）化合物有自己特有特征峰频率位置）化合物有自己特有特征峰频率位置）化合物有自己特有特征峰频率位置）化合物有自己特有特征峰频率位置;（b b）共振峰下面积正比于化合物中自旋核数量）共振峰下面积正比于化合物中自旋核数量）共振峰下面积正比于化合物中自旋核数量）共振峰下面积正比于化合物中自旋核数量;（c c）共振峰形状反应化合物分子结构）共振峰形状反应化合物分子结构）共振峰形状反应化合物分子结构）共振峰形状反应化合物分子结构;（2）取得）取得MRS谱线方法谱线方法 （a）先用）先用MRI取断层图像取断层图像,从中选出欲作从中选出欲作MRI分析部分分析部分;（b）用特制小线圈对检测部位作）用特制小线圈对检测部位作RF激励激励,该频率改变范围该频率改变范围 称作称作扫场范围扫场范围扫场范围扫场范围;（c）在作）在作MRS分析时要采取抑制技术：比如分析时要采取抑制技术：比如 1H-MRS时要时要 对对H2O峰作抑制峰作抑制,作作31P-MRS时要对时要对1H峰作抑制峰作抑制.4.4.磁共振谱分析磁共振谱分析磁共振谱分析磁共振谱分析(MRS)(MRS)第四节第四节 核磁共振核磁共振第51页MRMR质子波谱质子波谱质子波谱质子波谱第四节第四节 核磁共振核磁共振第52页磁共振成像磁共振成像磁共振成像磁共振成像第四节第四节 核磁共振核磁共振第53页第54页