《放射物理與防護(hù)》第一章

1、曲靖醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校教 案系 部 醫(yī)學(xué)技術(shù)系 教研室（實(shí)驗(yàn)室） 醫(yī)學(xué)影像教研室 課程名稱(chēng) 放射物理與防護(hù) 授課班級(jí) 16影像 授課教師 濮宏積 職 稱(chēng) 講師 使用教材 放射物理與防護(hù)（第3版） 教案編寫(xiě)日期 2017年5月 曲靖醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校教務(wù)處制教 案首頁(yè)授課時(shí)間 2017年 月 日 星期 節(jié)學(xué)時(shí)數(shù)授課章節(jié)第一章 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)授課方式理論課 討論課 實(shí)踐課 習(xí)題課 其它教學(xué)目的（目標(biāo)）1. 掌握盧瑟福粒子散射實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象及重要意義；波爾理論的基本假設(shè)；原子核的結(jié)構(gòu)。2. 熟悉核外電子結(jié)構(gòu)。3. 了解核磁矩在外磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)；磁共振現(xiàn)象及核自旋弛豫；磁共振現(xiàn)象在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)重點(diǎn)：1

2、.散射實(shí)驗(yàn)；原子的結(jié)構(gòu)。2.磁共振現(xiàn)象及原理。難點(diǎn)：磁共振自旋弛豫、波爾理論。教學(xué)方法多媒體+實(shí)驗(yàn)+見(jiàn)習(xí)教材參考文獻(xiàn)教材：王鵬程、李迅茹主編，全國(guó)高職高專(zhuān)院?！笆濉币?guī)劃教材放射物理與防護(hù)，第3版，人民衛(wèi)生出版社，2015年3月參考教材：（1）王鵬程主編，放射物理與防護(hù)（第2版），人民衛(wèi)生出版社，2009年；（2）余建明主編， 放射物理與防護(hù)，高等教育出版社，2005年；（3）吉強(qiáng)、洪洋主編，醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)（第4版），人民衛(wèi)生出版社，2016年；（4）王鵬程主編，放射物理與輻射防護(hù)學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題集人民衛(wèi)生出版社，2016年；教 學(xué) 內(nèi) 容時(shí)間分配板書(shū)或旁注第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)一 揭示原子結(jié)構(gòu)的實(shí)

3、驗(yàn)基礎(chǔ)電子是一切原子的組成部分。但物質(zhì)通常是中性的，足見(jiàn)原子中還有帶正電的部分。(一) 粒子的散射實(shí)驗(yàn)粒子帶兩個(gè)單位的正電荷，后來(lái)證明它就是氦原子核。1911年盧瑟福等進(jìn)行粒子散射實(shí)驗(yàn)，結(jié)論：核式模型結(jié)構(gòu)，質(zhì)量大體積小。(二) 氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律光譜是電磁輻射（不論在可見(jiàn)區(qū)或在可見(jiàn)區(qū)以外）的波長(zhǎng)成分和強(qiáng)度記錄；有時(shí)只是波長(zhǎng)成分的記錄。原子光譜是原子發(fā)射的電磁輻射（包括紅外區(qū)，可見(jiàn)光區(qū)和紫外區(qū)）強(qiáng)度隨著波長(zhǎng)的分布。譜線的間隔和強(qiáng)度都向著短波方向遞減。二 玻爾的原子模型（一） 玻爾假設(shè)按照量子理論，光能量總是一個(gè)單元的整數(shù)倍，而每一單元（稱(chēng)為光量子）是hv ,這里V是光的頻率，h為普朗克常數(shù)。以

4、上實(shí)驗(yàn)事實(shí)推知：1.氫原子中的電子只能在一定大小的，彼此分隔的一系列軌道上運(yùn)動(dòng)；電子在每一這樣的軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，原子具有一定的能量。2.如果氫原子中的電子從一個(gè)大軌道上運(yùn)動(dòng)到小軌道上運(yùn)動(dòng)，原子的能量就從大變小，多余的能量就放出成為1 個(gè)光子的能量。（二）氫原子的玻爾理論和原子能級(jí)電子在不連續(xù)的軌道上運(yùn)動(dòng)，原子所具有的能量也是不連續(xù)的，這種不連續(xù)的能量狀態(tài)稱(chēng)為原子的能級(jí)。當(dāng)原子處于n等于1狀態(tài)時(shí)，能量最低，也最穩(wěn)定，稱(chēng)為基態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子不太穩(wěn)定容易躍遷到低激發(fā)態(tài)或基態(tài)。三 原子核外的電子結(jié)構(gòu)（一） 空間量子化1. 主量子數(shù)2. 角量子數(shù)3. .磁量子數(shù)4. 自旋量子數(shù)（二） 電子的殼層結(jié)構(gòu)原子

5、系統(tǒng)的量子態(tài)分為許多層，每層都有許多量子態(tài)，可以容納許多電子，所以稱(chēng)為電子殼層。（三） 通常把移走原子中某殼層軌道電子所需最小能量，成為該殼層電子在原子中的結(jié)合能。原子能級(jí)室結(jié)核能的負(fù)值，它們的絕對(duì)值相等而符號(hào)相反。第二節(jié) 原子核結(jié)構(gòu)一、 原子核的組成原子核包含兩類(lèi)基本粒子，質(zhì)子和中子，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)為核子。質(zhì)子帶正電，中子不帶電。由于電子帶有負(fù)電荷，質(zhì)子帶有正電荷，且原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)等于核外電子數(shù)，因此原子對(duì)外呈電中性。核素：有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子稱(chēng)為核素。根據(jù)在核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)不同的比例，可以把原子分為：同位素：質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的原子。同中子異核素：中子數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同的原子

6、。同量異位素：有相同核子數(shù)而質(zhì)子數(shù)不同的原子。同質(zhì)異能素：有相同的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)，只是能量狀態(tài)不同。性質(zhì)：1、中子與質(zhì)子之比是1:1，最穩(wěn)定。2、奇偶性：偶偶核最穩(wěn)定，其次奇偶核，最后奇奇核。3、平均結(jié)合能越高，越穩(wěn)定。二、 原子核結(jié)合能質(zhì)量虧損：如果把原子核的質(zhì)量與構(gòu)成原子核的核子的靜止質(zhì)量總和加以比較，發(fā)現(xiàn)原子核的質(zhì)量都小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這個(gè)差值稱(chēng)為原子核的質(zhì)量虧損。原子的結(jié)合能：與質(zhì)量虧損相聯(lián)系的能量，表示這些自由狀態(tài)的單個(gè)核子結(jié)合成原子核時(shí)所釋放出來(lái)的能量。結(jié)合能越大，核子結(jié)合成原子核是放出的能量也愈大，核的結(jié)合狀態(tài)就愈緊密，相應(yīng)的要拆散這個(gè)核就愈困難。平均結(jié)合能：把原子核的

7、結(jié)合能除以核內(nèi)的總核子數(shù)，就得到每個(gè)核子的平均結(jié)合能。三、 原子核能級(jí)當(dāng)一個(gè)核子發(fā)生從高能級(jí)到低能級(jí)躍遷時(shí)，所發(fā)出的光子一般在電磁波譜的射線區(qū)內(nèi)。四、 原子核自旋與核磁距原子核自旋情況you核的自旋量子數(shù)I來(lái)表征，由于自旋量子數(shù)是原子核的固有特性，因而不同的核具有不同的自旋量子數(shù)。自旋量子數(shù)只能取整數(shù)或者半整數(shù)。第三節(jié) 磁共振一、核磁矩在靜磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)自旋核有一定的自旋角動(dòng)量和核磁矩，在靜磁場(chǎng)的作用下，核磁矩將如旋轉(zhuǎn)陀螺在地球引力場(chǎng)中進(jìn)動(dòng)一樣運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為自旋核的進(jìn)動(dòng)或旋進(jìn)。核磁矩在恒定磁場(chǎng)中將繞磁場(chǎng)方向進(jìn)動(dòng)，進(jìn)動(dòng)角頻率歐米伽取決于核的磁旋比與磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度B0的大小。二、磁共振現(xiàn)象磁場(chǎng)中核的能級(jí)數(shù)

8、目決定于自旋量子數(shù)I，能級(jí)總數(shù)為2I+1.磁量子數(shù)m為正值的那些狀態(tài)，核磁矩u與靜磁場(chǎng)方向相同，其能量為負(fù)值，稱(chēng)之為低能態(tài)；磁量子數(shù)m負(fù)值的那些狀態(tài)，核磁矩u與靜磁場(chǎng)方向相反，其能量為正值，稱(chēng)之為高能態(tài)。設(shè)共振激發(fā)所采用的電磁波頻率為v，并在外磁場(chǎng)垂直方向設(shè)置射頻線圈。那么當(dāng)激勵(lì)電磁波的頻率v所決定的能量與兩相鄰能級(jí)之間能量差相等 時(shí)，原子核兩個(gè)能級(jí)之間的躍遷就會(huì)發(fā)生，這就 是磁共振現(xiàn)象。原子核發(fā)生共振吸收時(shí)的射頻場(chǎng)角頻率w等于自旋在磁場(chǎng)中旋進(jìn)的角頻率，這就是磁共振條件。三、核自旋弛豫核磁矩的存在，使得原子核成為一個(gè)小磁體。組成物體的大量原子核磁矩的矢量總和稱(chēng)為磁化強(qiáng)度矢量。射頻脈沖發(fā)射結(jié)束后

9、，處于非熱平衡狀態(tài)的原子核系統(tǒng)將逐漸恢復(fù)為熱平衡狀態(tài)，這一恢復(fù)過(guò)程稱(chēng)為弛豫過(guò)程。原子核系統(tǒng)的弛豫過(guò)程是一個(gè)由高能態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軕B(tài)的釋放能量的過(guò)程。在這一過(guò)程中，系統(tǒng)的磁化強(qiáng)度矢量的兩個(gè)分量將發(fā)生相對(duì)獨(dú)立的變化。Z分量即縱向分量M將逐漸增大，恢復(fù)到平衡狀態(tài)的M0，此過(guò)程稱(chēng)為縱向弛豫。Xy分量即橫向分量M將逐漸漸少，直至M=0，此過(guò)程稱(chēng)為橫向弛豫?？v向磁化強(qiáng)度矢量從零回復(fù)至最大值的63%時(shí)所需要的時(shí)間稱(chēng)之為縱向弛豫時(shí)間。橫向磁化強(qiáng)度矢量從最大值減小至最大值的37%處所需要的時(shí)間稱(chēng)之為橫向弛豫時(shí)間。第四節(jié)、磁共振現(xiàn)象的醫(yī)學(xué)應(yīng)用一、 磁共振波譜分析技術(shù)它是利用分子的化學(xué)位移來(lái)測(cè)定分子組成及空間構(gòu)型的一種

10、檢測(cè)方法。二、 磁共振成像技術(shù)磁共振成像主要是利用人體不同組織之間、正常組織與病變組織之間的氫核密度、縱向馳豫時(shí)間、橫向馳豫時(shí)間、液體流速、液體的擴(kuò)散和灌注、質(zhì)子在不同分子環(huán)境中的化學(xué)位移、局域氧合、局域含鐵以及膜的通透性等參數(shù)進(jìn)行成像。其基本原理是利用一定頻率的電磁波向處于磁場(chǎng)中的人體照射，人體中各種不同組織的氫核在電磁波作用下會(huì)發(fā)生磁共振，吸收電磁波的能量，隨后又發(fā)出電磁波。磁共振現(xiàn)象：當(dāng)激勵(lì)電磁波的能量與原子核相鄰能級(jí)之間能量差相等時(shí)，原子核兩個(gè)能級(jí)之間會(huì)發(fā)生躍遷，稱(chēng)為磁共振現(xiàn)象。導(dǎo)入新課PBL：以問(wèn)題為導(dǎo)向多媒體多媒體多媒體多媒體+ 實(shí)驗(yàn)提問(wèn)學(xué)生導(dǎo)入新課案例討論多媒體+ 實(shí)驗(yàn)多媒體+ 實(shí)驗(yàn)磁共振臨床見(jiàn)習(xí)提問(wèn)學(xué)生章節(jié)習(xí)題作業(yè)課后小結(jié)：粒子散射實(shí)驗(yàn)，提出原子的核式模型結(jié)構(gòu)；波爾在氫原子光譜實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上結(jié)合量子理論，提出了原子能級(jí)的結(jié)構(gòu)：電子只能沿某些特定的軌道運(yùn)動(dòng)，電子在這些軌道上運(yùn)行不放出能量；只有電子從一個(gè)高能態(tài)躍遷到另一個(gè)低能態(tài)時(shí)，原子體系才釋放能量。 只有自旋不為零的原子核具有自旋磁矩，在外磁場(chǎng)作用下發(fā)生進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致原子能級(jí)的分裂。當(dāng)施加于原磁場(chǎng)方向垂直的激勵(lì)（射頻）電磁波能量且與原子相鄰能級(jí)之間能量差相等時(shí)，在磁場(chǎng)力的