6原子物理基础知识及其在医学中的应用.pptx

第六章第六章 原子物理基础知识原子物理基础知识及其在医学中的应用及其在医学中的应用第一第一节节 原子结构原子结构 18031803年，英国科学家道尔顿提出近代原子学说，他年，英国科学家道尔顿提出近代原子学说，他认为认为原子是微原子是微小的小的不可分割不可分割的的实心球实心球体体。英国化学家道尔顿（17661844)一、原子结构模型的探索一、原子结构模型的探索 1897年汤姆森发现了电子,证实了原子可以再分的事实。英国物理学家汤姆森（18561940）卢卢瑟福原子模型瑟福原子模型:原子是由原子是由原子核原子核和和核外电子核外电子构成构成的。的。1911年年卢瑟福和他的助手做了著名的卢瑟福和他的助手做了著名的粒子轰粒子轰击金箔实验。击金箔实验。1 1、绝大多数、绝大多数 粒粒子穿过金箔后仍沿原来方向前子穿过金箔后仍沿原来方向前进进。2 2、少数、少数 粒子（约粒子（约八千分之一）发生了较大的偏八千分之一）发生了较大的偏转。转。3 3、极少数、极少数 粒子的偏转角度超过粒子的偏转角度超过9090。第一条现象说明，原子中绝大部分是空第一条现象说明，原子中绝大部分是空的。的。第二现象可看出，第二现象可看出，粒粒子受到较大的排斥力作子受到较大的排斥力作用。用。第三条现象可看出，第三条现象可看出，粒子在原子中碰到了比他质量大粒子在原子中碰到了比他质量大的多的东的多的东西。西。二、二、粒子散射实验现象与结论粒子散射实验现象与结论现象结论 原原子中原子中原子核子核体体积很小，积很小，但但原子核原子核几几乎占有全部的质乎占有全部的质量，量，电子电子在在原子核原子核的的外面运动。外面运动。原原子核的结子核的结构模型构模型原子原子原子核原子核核外电子核外电子质子质子中子中子一一+原原子子的的构构成成原子核原子核原子原子原子核比原子小得多原子核比原子小得多 二、氢原子光谱二、氢原子光谱 早在早在1717世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现世纪，牛顿就发现了日光通过三棱镜后的色散现象，并把实验中得到的象，并把实验中得到的彩色光带彩色光带叫做叫做光谱光谱。光谱光谱是电磁辐是电磁辐射的射的波长成分和强度分布的记录波长成分和强度分布的记录。可可分为两类：分为两类：连续光谱连续光谱和和明线光谱明线光谱。连续分布连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱。叫做连续光谱。炽热的固体、液体和高压气体炽热的固体、液体和高压气体的发射的发射光谱是连续光谱。光谱是连续光谱。例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出例如白炽灯丝发出的光、烛焰、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱。的光都形成连续光谱。只含有一些只含有一些不连续的亮线不连续的亮线的光谱叫做明线光谱。明线光的光谱叫做明线光谱。明线光谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。谱中的亮线叫谱线，各条谱线对应不同波长的光。稀薄气体稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱是明线光谱。由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做光谱光谱来鉴别物质和确定的化学组成。这种方法叫做光谱分析。分析。氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。氢原子是最简单的原子，其光谱也最简单。三、波尔模型三、波尔模型1、玻尔原子理论的基本假设：（1）能级）能级（定态）假设：原子只能处于一系列不连续的能（定态）假设：原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然绕核运动，但并不向外辐射能量。这些状态叫但并不向外辐射能量。这些状态叫定态。（2）跃迁）跃迁假设：原子从一种定态（设能量假设：原子从一种定态（设能量为为E初）跃迁到跃迁到另一种定态（另一种定态（设能量设能量为为E终）时，它辐射（或吸收）一定频时，它辐射（或吸收）一定频率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即率的光子，光子的能量由这两种定态的能量差决定，即 （3 3）轨道）轨道量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不量子化假设：原子的不同能量状态跟电子沿不同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，同的圆形轨道绕核运动相对应。原子的定态是不连续的，因此电子的可能轨道的分布也是不连续的因此电子的可能轨道的分布也是不连续的。=E初-E终 h v2、氢原子的能级图-13.6-3.4-1.51-0.85-0.540 eVnE/eV赖曼系赖曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系 （1）能级：氢原子的各个定态的能量值，叫它的能级。（2）基态：在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。（3）激发态：除基态以外的能量较高的其他能级，叫做激发态。（4）原子发光现象：原子从较高的激发态向较低的激发态或基态跃迁的过程，是辐射能量的过程，这个能量以光子的形式辐射出去，这就是原子发光现象。3、能级：第二节第二节 激激 光光激光定义激光定义：激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，意思是“通过受激发射光扩大”。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光是如何产生的呢？为解决这个问题，必须先学习原子发光的两种情况，即自发辐射和受激辐射。E2E1E2E1自发辐射光子自发辐射跃迁自发辐射跃迁 1、自发辐射：粒子受到激发而进入的激发态，不是粒子的稳定状态，如存在着可以接纳粒子的较低能级，即使没有外界作用，粒子也有一定的概率，自发地从高能级激发态（E2）向低能级基态（E1）跃迁，同时辐射出能量为（E2-E1）的光子。这种辐射叫作自发辐射。一、自发辐射一、自发辐射和受激辐射和受激辐射2、受激辐射（激光）:某些原子被激发到高能级时，如果受到能量为 =（E2-E1）的光子入射时，会引发原子迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子完全相同的光子。这种辐射叫作受激辐射。受激辐射跃迁E2E1E2E1入射光子受激辐射光子入射光子 h v二、激光二、激光 受激辐射最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子处于完全相同的状态，它们具有相同的频率和方向，完全无法区分。一个原子受激辐射，将会使一个光子变成两个相同的光子，这样就会一个变两个，两个变四个，以此类推，这样持续下去，就会使光变强。这种由于受激辐射而变强的光叫作激光。能够使受激辐射持续下去形成稳定激光的仪器叫作激光器。可分为气体激光器、固体激光器和液体激光器等。三、激光的特性三、激光的特性1、方向性好：普通光向四面八方辐射，而激光基本沿某一直线传播，激光束的发散角很小，几千米外，其扩展范围只有几厘米。2、高亮度：在单位面积、单位立体角内的输出功率特别大，能量高度集中，有的激光亮度比太阳光亮度高几十亿倍。3、单色性好：激光的频谱宽度非常窄，发出的光颜色纯、单色性好，是世界上发光颜色最纯的光源。四、激光的医学应用四、激光的医学应用临床上激光的用途不外乎切割、分离；汽化、融解；烧灼、止血；凝固、封闭；压电碎石；局部照射等，这些治疗种类就是利用激光对生物体的光热作用、压电作用和光化学作用。压电作用压电作用光化学作用光化学作用B超、压电体外碎石等局部照射切割组织、眼科手术中凝固等光光热热作作用用高功率输出的二氧化碳激光，光点具有200以上的高温和一定的压强，不但能熔融而且具有极强的穿透破坏作用。可极其精确切除细小组织。激光经过聚焦后会产生极大的功率密度，是一种很好的烧灼工具。激光止血方法比目前所应用的电烙法快60倍，失血量大大减少。激光是非常可靠的黏着工具，眼科利用激光凝结视网膜剥离症和眼内封闭止血已经有几十年的历史。1、激光在眼科中的应用 眼睛是接收光信号产生图象的器官，因此不论测定、诊断或治疗哪一种情况下，光（激光）所起的作用都是非常重要的。治疗眼底疾病的激光治疗仪很早已用于临床。在网膜炎和眼底出血等有失明危险的疾病的治疗中，可在眼底的疾病部位上照射激光并加热被剥离的网膜组织，使其黏合（凝固）或进行出血部位的止血。2、激光治疗心血管疾病 心血管疾病是死亡率较高的疾病中发病率最高的一种，因而号称是人类的“头号杀手”，并因此引起世界各国卫生部门及医疗工作者的高度重视。治疗缺血性心脏病的传统方法治疗缺血性心脏病的传统方法:内科：经皮穿刺冠状动脉成形；外科：冠状动脉旁路转移,或称“搭桥”。（1）激光的伤害以眼睛的伤害最为）激光的伤害以眼睛的伤害最为严重严重五、五、激激光对人光对人体的伤害体的伤害（2）激光对皮肤的损害）激光对皮肤的损害激光照到皮肤时,如其能量过大可引起皮肤的损伤；六、使用激光注意事项六、使用激光注意事项（1）激光器最好在密闭室内空间。（2）不要直视激光光束,尤其是大功率红外或紫外光。（3）操作激光时不要戴手表、手饰等反射较强的饰物。（4）不要忘记戴防护镜。（5）保持光路高度在人的视线以下,工作时尽量不要弯腰、低头、或拣地上的东西。（6）在激光工作地点的门口和室内贴上警示标签。（7）所有激光器操作人员必须经过培训。第三第三节节 X射线射线 X射线又名伦琴射线，是德国物理学射线又名伦琴射线，是德国物理学家家伦伦琴于琴于1895年发年发现现的的,并由此获并由此获首届诺贝尔物理学奖首届诺贝尔物理学奖。X射线不仅能穿透书本射线不仅能穿透书本和木板，还能穿过手掌将骨骼的影像显示出来，当时不知道和木板，还能穿过手掌将骨骼的影像显示出来，当时不知道这种射线的本质，所以便将其命名为这种射线的本质，所以便将其命名为X射线。射线。伦伦琴与他拍琴与他拍下下的历史上第一张手的历史上第一张手的的X射线图射线图X射线应用射线应用X X射线安检仪对照图射线安检仪对照图X X射线透视力射线透视力X射线主要用于安射线主要用于安全检查、金属探全检查、金属探伤、医学上的透伤、医学上的透视和拍片等。视和拍片等。一、一、X射线的产生射线的产生老式老式X射线管射线管X射线是由射线是由高速高速电子电子打击某些打击某些物质时产生的。物质时产生的。K为阴极，为阴极，A为为阳极。阳极。接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X射线的产生过程演示射线的产生过程演示二、二、X射线的性质射线的性质（1）穿透性：易穿透纸、木材、脂肪等，不易穿透铁、铅、骨骼等，它们对X射线的吸收能力较强。（2）感光作用：能使底片感光、成片。（3）电离作用：易使气体电离导电。（4）荧光作用：能使磷、硫化锌等物质产生荧光。（5）生物效应：生物细胞受X射线照射后，会受到损害、抑制、甚至坏死，因此，放射工作者必须注意自我防护。三、三、X射线的硬度射线的硬度X射线的硬度表示X射线对物质贯穿本领的大小。四、四、X射线的医学应用射线的医学应用1、在诊断中的应用、在诊断中的应用（1）透视和摄影（2）人工造影（3）X射线计算机断层成像（X-CT）为增大器官间的影像反差，可以选用不同的造影剂，如检查肠胃可用钡盐，检查动脉则需要注射有机碘。2、在治疗中的应用、在治疗中的应用利用分次X光刀可以用来治疗癌症。五、五、X射线的防护射线的防护 1、合理使用铅板、含铅玻璃、含铅橡皮衣服及手套等，并定期做好身体检查。2、由于X射线照射量与距离的平方成反比，所以透视时应使被检查者与X射线管之间保持一定的距离。2、严格掌握检查的次数及时间，患者接受X射线检查的频率一周不要超过一次，力争时间短、准确率高。第四第四节节 放射性同位素在医学中的应用放射性同位素在医学中的应用 1、核医学：又称原子（核）医学，是研究同位素及核辐射的医学应用及理论基础的科学，是核技术和医学相结合的一门新兴学科，也是人类和平利用原子能的一个重要方面。2、同位素：指具有相同质子数但具有不同中子数的核数。一般分为两种，一是同位素性质比较稳定（没有放射性），一是具有放射性。3、衰变：指核素自发的发生结构和能量状态的改变，放射出、射线并转变成另一种核素的过程。一、几个名词一、几个名词4、核衰变：主要有：衰变、衰变、衰变二、二、三种射线各有什么特性？三种射线各有什么特性？射线射线的电离能力最强、穿透能力最弱，一张纸的电离能力最强、穿透能力最弱，一张纸就可以全部把它挡住。就可以全部把它挡住。射线射线的电离能力最弱、穿透力最强，需要适当的电离能力最弱、穿透力最强，需要适当厚度的混凝土或铅板才能有效地阻挡。厚度的混凝土或铅板才能有效地阻挡。射线射线的电离能力和穿透能力介于的电离能力和穿透能力介于射线和射线和射线射线之间，它能穿透普通的纸张，但无法穿透铝板。之间，它能穿透普通的纸张，但无法穿透铝板。半衰期半衰期：放射性核素：放射性核素的原子核数目减少到原来的原子核数目减少到原来的一半所需要的时间。的一半所需要的时间。三、放射性核素的医学应用三、放射性核素的医学应用1、放射治疗（放疗）2、刀刀3、示踪诊断4、放射性核素成像1、碘-131治疗2、钴-60治疗3、中子治疗1、照相机照相机2、单光子放射型断、单光子放射型断层层成像成像3、正电子发射型断、正电子发射型断层成像层成像 用放射性碘破坏甲状腺组织而达到治疗目的，利用甲状腺有浓集碘的能力和碘131能放出射线生物学效应，使亢进的甲状腺滤泡上皮细胞破坏、萎缩，分泌减少，达到治疗目的。碘-131治疗 这是一种外照射治疗方式，主要用于治疗深部肿瘤。医学研究表明，癌细胞生长快、代谢旺盛，对射线的敏感性比正常细胞高，用射线照射时，癌细胞受到的破坏要比正常细胞大。钴-60治疗超热中子射线照射，可以在靶区引起核反应，所释放的高能射线只杀肿瘤细胞而不损伤周围组织。中子治疗“伽玛刀”名为“刀”，但实际上并不是真正的手术刀，它是一个布满直准器的半球形头盔，头盔内能射出201条钴60高剂量的伽玛射线。它经过CT和磁共振等现代影像技术精确地定位于某一部位，从不同位置聚集在一起可摧毁靶点组织。无创伤、不需要全麻、不开刀、不出血和无感染。头部伽玛刀主要用于颅内小肿瘤和功能性疾病的治疗。体部伽玛刀主要用于治疗全身各种肿瘤。伽玛刀伽玛刀伽玛刀分为头部伽玛刀和体部伽玛刀。正电子发射型断层成像PET-CT图示