核醫(yī)學(xué)教學(xué)課件：醫(yī)用核物理基礎(chǔ)

1、 醫(yī)用核物理基礎(chǔ)一、原子結(jié)構(gòu) 原子核由 質(zhì)子（Proton；P)中子（Neutron；N）組成， 質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)為 核子（Nucleon）。Z & A質(zhì)子帶一個(gè)單位的正電荷，中子不帶電荷。核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)稱(chēng)為原子序數(shù)，用符號(hào)Z表示；核內(nèi)質(zhì)子和中子數(shù)之和即原子質(zhì)量數(shù)，用A表示。 原子核的表示符號(hào)目前通常用AX表示 各種核素，如131I。 2、原子核的能級(jí) 原子核具有一定的能量。最低能量狀態(tài)，即“基態(tài)”；較高的能量狀態(tài)，為激發(fā)態(tài)，這時(shí)用符號(hào)m,即AmX表示。例如99mTC二、元素、同位素、同質(zhì)異能素、核素1、元素 質(zhì)子數(shù)相同的原子稱(chēng)為一種元素，它們的原子序數(shù)相同，但原子核中的中子數(shù)可以不同，例如碘元素

2、中有幾種不同的核。 2、同位素 同一元素中，有些原子質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同， 則稱(chēng)為該元素的同位素， 如上例各種碘互為碘的同位素。3、同質(zhì)異能素 如果原子的質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同， 但是核的能級(jí)狀態(tài)不同，那么它們互為同質(zhì)異能素。例如：99Tc和99mTc 4、核素 把質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同， 核能級(jí)處于同一狀態(tài)的一類(lèi)原子， 稱(chēng)為一種核素。 下面是六種不同的核素 123I, 125I, 127I, 131I, 99mTc, 99Tc 三、穩(wěn)定性核素和放射性核素 穩(wěn)定性核素不穩(wěn)定核素 (放射性核素）四、放射性衰變放射性核素發(fā)生核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)的變化，同時(shí)自發(fā)地放出而變?yōu)槌鲆环N或一種以上的射線(xiàn)而轉(zhuǎn)

3、變成另一種核素的過(guò)程為“核衰變”。核衰變方式核處于不穩(wěn)定狀態(tài)的原因不同，其衰變有不同的方式。 以下介紹5種衰變方式及4種射線(xiàn) 5種衰變方式: 、 k、4種射線(xiàn) : 、核衰變類(lèi)型（nuclear decay) 衰變 核衰變時(shí)放射出粒子的衰變。 AZX-A-4Z-2Y+42He+Q4He粒子特性粒子實(shí)質(zhì)上是He原子核，衰變發(fā)生在原子序數(shù)大于的重元素核素粒子的速度約為光速的1/10，即萬(wàn)km/s，2s繞地球周。在空氣中的射程約為cm，在水中或機(jī)體內(nèi)為0.06-0.16mm。因其質(zhì)量大，射程短，穿透力弱，一張紙即可阻擋但粒子的電離能力很強(qiáng)。2、衰變?cè)雍税l(fā)射出電子的衰變?yōu)樗プ?。衰變發(fā)射的射線(xiàn)分為射線(xiàn)或

4、+射線(xiàn) 衰變 衰變 +衰變衰變核衰變時(shí)放射出粒子或俘獲軌道電子的衰變。衰變后核素的原子序數(shù)可增加或減少但質(zhì)量數(shù)不變。分衰變、衰變和電子俘獲三種類(lèi)型。粒子的速度為20萬(wàn)km/s。 衰變衰變時(shí)放射出粒子。核內(nèi)中子過(guò)多造成的不平衡。中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子的過(guò)程。 np+e-粒子的特性粒子實(shí)質(zhì)是負(fù)電子；衰變后質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)加。能量分布具有連續(xù)能譜，穿透力比a粒子大電離能量比a粒子弱，能被鋁和機(jī)體吸收，粒子在軟組織中的射程為厘米水平。衰變（正電子衰變）衰變時(shí)放射出粒子。核內(nèi)中子過(guò)少致不平衡。質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子過(guò)程p n+e+粒子的特性粒子實(shí)質(zhì)是正電子；衰變后子核質(zhì)量數(shù)不變，但質(zhì)子數(shù)減. 也為連續(xù)能譜； 天然核

5、素不發(fā)生衰變，只有人工核素才發(fā)生。電子俘獲(electron capture,EC)核衰變時(shí)原子核從內(nèi)層軌道（K）俘獲一個(gè)電子，使核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為一個(gè)中子。 它是核內(nèi)中子數(shù)相對(duì)不足所致。P+e- n特征X線(xiàn)Auger 電子衰變衰變是伴隨其它衰變而產(chǎn)生；上述四種衰變形成的子核可能處于激發(fā)態(tài) 核素由激發(fā)態(tài)向基態(tài)或高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出射線(xiàn)的過(guò)程也稱(chēng)為躍遷(transition)；衰變后子核質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)均不變，只是能量改變。內(nèi)轉(zhuǎn)換電子 射線(xiàn)特性射線(xiàn)為光子流，不帶電，穿透力強(qiáng)，電離能力弱；射線(xiàn)在真空中速度為30萬(wàn)km/s。 三種衰變的比較衰變質(zhì)量、質(zhì)子數(shù)都變；衰變質(zhì)子數(shù)變，質(zhì)量數(shù)不變；衰變質(zhì)子

6、、質(zhì)量數(shù)都不變，而能量改變。五、核衰變規(guī)律放射性核素是不穩(wěn)定的，它要自發(fā)地發(fā)生衰變而變成新元素的核。放射性原子核并不是同時(shí)衰變的，對(duì)于某一個(gè)原子核而言，何時(shí)衰變是各自獨(dú)立沒(méi)有規(guī)律的，但對(duì)于某一種原子核的群體而言，它的衰變是有規(guī)律的，即原子核數(shù)目隨時(shí)間增長(zhǎng)按指數(shù)規(guī)律減少。N=N0e-t放射性核素的數(shù)量N及放射性活度A的變化服從指數(shù)衰變規(guī)律N=N0e-tA=A0e-tN為t時(shí)的放射性核素?cái)?shù)量A為t時(shí)的放射性核素活度N0為t=0時(shí)的放射性核素?cái)?shù)量A0為t=0時(shí)的放射性核素活度為衰變常數(shù)衰變常數(shù) Decay constant()衰變常數(shù) : 單位時(shí)間內(nèi)核衰變的數(shù)目(活度）占當(dāng)時(shí)放射性核數(shù)目的比率：=A

7、 / N核素物理特征常數(shù)，與外界環(huán)境無(wú)關(guān)不同核素衰變常數(shù)不同越大，衰變?cè)娇炖?0.02/s=2%/s, 表示1秒鐘內(nèi)有2%的核衰變N=10000，則A=0.02/s10000=200/s, 表明放射性核數(shù)目每秒減少200個(gè)，即每秒有200個(gè)核發(fā)生衰變。放射性活度單位時(shí)間內(nèi)原子核衰變的數(shù)量稱(chēng)為 放射性活度即入N放射性活度的單位 國(guó)際單位專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)是“貝可”( Becqurel, Bq ) 定義是每秒一次衰變。 1Bq=1S-1 派生單位：千貝可，KBq；百萬(wàn)貝可，MBq 以前的專(zhuān)用單位是“居里”（Ci） 1居里是每秒3.71010次衰變，即3.71010 Bq 派生單位有毫居里，mCi , 即1

8、/1000 Ci 微居里，ci, 即1/1000 mCi半衰期因?yàn)樗プ兊脑?，樣品的放射性活度總是隨時(shí)間而減少，半衰期是描述放射性核素衰變速率的指標(biāo)。放射性活度因核衰變而減少到原有的一半所需要的時(shí)間稱(chēng)作“物理半衰期”各種核素的T1/2是不同的。 131I_8.04d; 125I_59d; 99mTc_6.02h長(zhǎng)者可達(dá)1010a，短者僅有10-10s。半衰期10h的核素稱(chēng)為短半衰期核素。生物半衰期（Tb）有效半衰期（Teff）核醫(yī)學(xué)中還用到另外兩種半衰期： “生物半衰期”- 生物體內(nèi)的放射性核素從體內(nèi)排出一半需要的時(shí)間，Tb?！坝行О胨テ凇?指生物體內(nèi)的放射性核素由于從體內(nèi)排出和物理衰變兩個(gè)因

9、素作用，放射性活度減少一半所需要的時(shí)間，Teff。例如：用131I治療甲狀腺疾病時(shí)，要了解該患者的131I Teff。六、核射線(xiàn)對(duì)物質(zhì)的作用核射線(xiàn)可分為帶電粒子與不帶電的光子,它們對(duì)物質(zhì)作用的情況有一定差別。 1、帶電粒子對(duì)物質(zhì)的作用 帶電粒子： 、 、 對(duì)物質(zhì)的作用： 電離、激發(fā)、散射、韌致輻射、湮滅輻射帶電粒子電離與激發(fā)：（ionization and excitation）電離：、物質(zhì)核外電子e-脫離軌道自由電子；失去e-的核帶正電荷，兩者形成一對(duì)離子。自由電子還可使其它原子發(fā)生電離：次級(jí)電離帶電粒子e-正負(fù)離子對(duì)次級(jí)電離33.85eV 激發(fā)：、物質(zhì)軌道電子獲能由低能級(jí)高能級(jí)，使整個(gè)原子

10、處于激發(fā)態(tài)；退激時(shí)可發(fā)射標(biāo)識(shí)X射線(xiàn)和Auger電子。 帶電粒子粒子(退激)軔致輻射 bremsstrahlung高速帶電粒子通過(guò)物質(zhì)原子核電場(chǎng)時(shí)受到突然阻滯，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，部分或全部動(dòng)能以X射線(xiàn)的形式輻射出來(lái)稱(chēng)為軔致輻射；產(chǎn)生幾率隨帶電粒子的能量和物質(zhì)原子序數(shù)增大而增大。 粒子X(jué)散射 scattering入射粒子與粒子或粒子系統(tǒng)碰撞而改變運(yùn)動(dòng)方向與能量的過(guò)程。僅改變運(yùn)動(dòng)方向而能量不變者為彈性碰撞。 粒子的質(zhì)量較大，徑跡基本呈直線(xiàn)，發(fā)生散射較少。粒子輕，運(yùn)動(dòng)為曲線(xiàn)，散射明顯。粒子粒子湮滅輻射粒子穿過(guò)物質(zhì),喪失動(dòng)能后與自由電子e結(jié)合,轉(zhuǎn)化為兩個(gè)方向相反,能量各為0.511MeV的光子，這種現(xiàn)象

11、稱(chēng)為湮滅輻射。 探測(cè)湮滅輻射產(chǎn)生的光子是正電子發(fā)射斷層成像即PET的基礎(chǔ) PET, positron emission tomography 2、光子對(duì)物質(zhì)的作用 光子不帶電，它對(duì)物質(zhì)的作用有以下幾種表現(xiàn)形式（光子能量不同，表現(xiàn)形式發(fā)生機(jī)率不同）（1）光電子效應(yīng)（photo electric effect） （2）康普頓效應(yīng)（Compton effect)（3）電子對(duì)生成(electron pair production) 光子與物質(zhì)的相互作用 光電子效應(yīng)(photoelectric effect)：多發(fā)生在低能量：1.02MeV（兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量）；光子在電場(chǎng)作用下被完全吸收，產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電子；光子能量被正、負(fù)電 子任意分配帶走(超過(guò) 1.02MeVEr轉(zhuǎn)化為正負(fù) 電子動(dòng)能)； 入射e+511keV511keVe-七、幾種射線(xiàn)的基本性質(zhì)及用途、穿透能力 比較八、記錄方式根據(jù)臨床需要來(lái)選擇對(duì)核衰變的記錄方式，主要有三類(lèi)：1、計(jì)數(shù) (放射免疫分析)2、時(shí)間/空間一放射性活度曲線(xiàn)（甲狀腺吸碘率、放射性腎圖、單光子骨密度等）3 、放射性分布圖像 （核素顯像）1、計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器記錄