北京衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院核醫(yī)學(xué)第一章核物理知識(shí)基礎(chǔ)

原子

放射性核衰變

射線與物質(zhì)的相互作用核醫(yī)學(xué)物理基礎(chǔ)第一節(jié)原子核結(jié)構(gòu)第一頁(yè)，共44頁(yè)。原子和原子結(jié)構(gòu)原子（atom）是構(gòu)成元素的基本單位，不同元素的原子具有不同的性質(zhì)，但是原子的基本結(jié)構(gòu)大致相同。

原子結(jié)構(gòu)原子核中子質(zhì)子電子+++第二頁(yè)，共44頁(yè)。原子核結(jié)構(gòu):X為元素符號(hào)Z為質(zhì)子數(shù)N為中子數(shù)A為質(zhì)量數(shù)原子核結(jié)構(gòu)第三頁(yè)，共44頁(yè)。同位素、同質(zhì)異能素、核素同位素

凡原子核具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的元素互為同位素。如125I、131I、132I均有53個(gè)質(zhì)子，但中子數(shù)不同，在元素周期表中處于同一位置，是同一元素-碘元素。一種元素往往有幾種甚至幾十種同位素。一個(gè)元素所有同位素的化學(xué)和生物性質(zhì)幾乎都一樣，但物理性質(zhì)可能有所不同。第四頁(yè)，共44頁(yè)。同位素——凡同一元素的不同核素（質(zhì)子數(shù)同，中子數(shù)不同）在周期表上處于相同位置，互稱為該元素的同位素。4第五頁(yè)，共44頁(yè)。元素、核素、同位素元素——具有相同質(zhì)子數(shù)的原子，化學(xué)性質(zhì)相同，但其中子數(shù)可以不同，如131I和127I；核素——質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同，且具有相同能量狀態(tài)的原子，稱為一種核素。同一元素可有多種核素，如131I、127I、3H、99mTc、99Tc分別為3種元素的5種核素；同質(zhì)異能素——質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都相同，但處于不同的核能狀態(tài)原子，如99mTc、99Tc

。第六頁(yè)，共44頁(yè)。原子核穩(wěn)定，不會(huì)自發(fā)衰變的核素稱為穩(wěn)定核素(stablenuclide);原子核處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需通過(guò)核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)調(diào)整才能趨于穩(wěn)定的核素稱為放射性核素(radionuclide);放射性核素的原子由于核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)調(diào)整，自發(fā)地釋放出一種或一種以上的射線并轉(zhuǎn)化為另一種原子的過(guò)程稱為放射性衰變(radiationdecay)。穩(wěn)定核素與放射性核素第七頁(yè)，共44頁(yè)。第二節(jié)放射性衰變第八頁(yè)，共44頁(yè)。放射性衰變：放射性核素由于核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)調(diào)整，自發(fā)地釋放出一種或一種以上的射線并轉(zhuǎn)化為另一種核素的過(guò)程。第九頁(yè)，共44頁(yè)。一、α衰變（αdecay）α衰變是放出α粒子的放射性衰變。α粒子是由兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成，實(shí)際是氦核42He；α衰變發(fā)生于重元素，其原子序數(shù)＞82。第十頁(yè)，共44頁(yè)。因而α衰變時(shí)，母核放出α粒子后，質(zhì)量數(shù)減少4，原子序數(shù)減少2。第十一頁(yè)，共44頁(yè)。二、β衰變

（一）β-衰變（β-decay）β-衰變發(fā)生在中子過(guò)剩的原子核。衰變時(shí)放出一個(gè)β-粒子（電子）和反中微子。（核內(nèi)一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子）第十二頁(yè)，共44頁(yè)。發(fā)生于富中字核素，實(shí)質(zhì)上是原子核的一個(gè)中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子；因而子核比母核中子數(shù)減少1，原子序數(shù)增加1，原子質(zhì)量數(shù)不變。第十三頁(yè)，共44頁(yè)。

（二）β+衰變（β+decay）β+衰變發(fā)生在中子較少的原子核。衰變時(shí)放出一個(gè)β＋粒子（正電子）和反中微子。核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?。因而子核比母核質(zhì)子數(shù)減少1，原子質(zhì)量數(shù)不變。β+衰變發(fā)生于缺中子核素，但核內(nèi)轉(zhuǎn)變能量必須大于1.02MeV。第十四頁(yè)，共44頁(yè)。正電子衰變由于核內(nèi)中子缺乏致使放射出正電子的衰變，稱為正電子衰變，也叫β+衰變。衰變時(shí)發(fā)射一個(gè)正電子和一個(gè)中微子（υ），原子核中一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?。?衰變時(shí)母核和子核的質(zhì)量數(shù)無(wú)變化，但子核的核電荷數(shù)減少一個(gè)單位，β+衰變可用下式表示：

189F—188O+β＋

++0.66MeV第十五頁(yè)，共44頁(yè)。正電子衰變核素，都是人工放射性核素。正電子射程僅1～2mm，在失去動(dòng)能的同時(shí)與其鄰近的電子（β－）碰撞而發(fā)生湮滅輻射，在二者湮滅的同時(shí)，失去電子質(zhì)量，轉(zhuǎn)變成兩個(gè)方向相反、能量皆為511keV的γ光子。PET顯像原理。第十六頁(yè)，共44頁(yè)。正電子發(fā)射斷層儀（PET）能探測(cè)方向相反的511keV光子，進(jìn)行機(jī)體內(nèi)的定量、定性和代謝顯像。常用藥物：18F-FDG（氟代脫氧葡萄糖）因?yàn)?8FDG可準(zhǔn)確反映體內(nèi)器官/組織的葡萄糖代謝水平，因此被譽(yù)為“世紀(jì)分子”，是目前PET-CT顯像的主要顯像劑。第十七頁(yè)，共44頁(yè)。（三）電子俘獲

電子俘獲：原子核俘獲一個(gè)核外軌道電子使核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成一個(gè)中子和放出一個(gè)中微子的過(guò)程。發(fā)生在缺中子的原子核，與正電子衰變時(shí)核結(jié)構(gòu)的改變相似。電子俘獲也發(fā)生在缺中子核素，但核內(nèi)轉(zhuǎn)變能量小于1.02MeVc。從核外內(nèi)層的電子軌道上俘獲一個(gè)電子，使一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子。第十八頁(yè)，共44頁(yè)。

一個(gè)質(zhì)子俘獲一個(gè)核外軌道電子轉(zhuǎn)變成一個(gè)中子和放出一個(gè)中微子，子核的原子序數(shù)比母核減少一個(gè)單位，在元素周期表向左移一個(gè)位置，質(zhì)量數(shù)不變。第十九頁(yè)，共44頁(yè)。電子俘獲發(fā)生后可發(fā)生次級(jí)輻射：1、當(dāng)內(nèi)層電子被俘入核內(nèi)，外層軌道電子則補(bǔ)缺，兩電子軌道之間的能量差轉(zhuǎn)換成特征X線釋放出來(lái)；2、該能量差或傳給更外層電子使之脫離軌道而釋放，這種電子被稱為俄歇電子。第二十頁(yè)，共44頁(yè)。電子俘獲衰變圖原子核俘獲一個(gè)內(nèi)層電子（1）外層電子向內(nèi)層補(bǔ)充（2）兩層軌道之間能量差轉(zhuǎn)換成特征X射線（3）或俄歇電子釋放（4）。第二十一頁(yè)，共44頁(yè)。

內(nèi)轉(zhuǎn)換電子過(guò)程電子俘獲后，仍處于激發(fā)態(tài)的原子核把能量轉(zhuǎn)給一個(gè)核外電子（1），這個(gè)電子被逐出原子成為內(nèi)轉(zhuǎn)換換電子（2），外層電子填補(bǔ)空穴，原子核回復(fù)到基態(tài)（3），能量由特征X射線（4）或俄歇電子攜走（5）第二十二頁(yè)，共44頁(yè)。三、γ衰變

原子核從激發(fā)態(tài)（excitedstate）回復(fù)到基態(tài)（groundstate）時(shí)，以發(fā)射γ光子釋放過(guò)剩的能量，這一過(guò)程稱為γ衰變。

第二十三頁(yè)，共44頁(yè)。這種激發(fā)態(tài)的原子核常是在α衰變、β衰變或核反應(yīng)之后形成的。γ射線的本質(zhì)是中性的光子流。

第二十四頁(yè)，共44頁(yè)。第二十五頁(yè)，共44頁(yè)。指數(shù)衰減規(guī)律

N=N0e-t

N0:（t=0）時(shí)放射性原子核的數(shù)目N:經(jīng)過(guò)t時(shí)間后未發(fā)生衰變的放射性原子核數(shù)目:放射性原子核衰變常數(shù)大小只與原子核本身性質(zhì)有關(guān)，與外界條件無(wú)關(guān);數(shù)值越大衰變?cè)娇彀胨テ?half-live)：放射性原子核數(shù)從N0衰變到N0的1/2所需的時(shí)間N=N0e-t第三節(jié)核衰變規(guī)律第二十六頁(yè)，共44頁(yè)。放射性核素的另一個(gè)特征性的物理量半衰期，T1/2（half-life），表示原子數(shù)從N0衰變到N0的一半所要的時(shí)間。放射性活度減少至一半所需要的時(shí)間稱作物理半衰期（T1/2）。

重要概念第二十七頁(yè)，共44頁(yè)。生物半排期Tb是指生物體內(nèi)的放射性核素經(jīng)由各種途徑從體內(nèi)排出一半所需要的時(shí)間。有效半衰期Teff是指生物體內(nèi)的放射性核素由于從體內(nèi)排出和物理衰變兩個(gè)因素作用，減少至原有放射性活度一半所需的時(shí)間。第二十八頁(yè)，共44頁(yè)。第四節(jié)放射性活度

放射性活度（radioactivity）是表示單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)。放射性活度的舊制單位是居里（curie），1居里表示每秒3.7×1010次核衰變。新的國(guó)際制單位是貝可（Bq）。1Bq定義為每秒一次衰變。第二十九頁(yè)，共44頁(yè)。常用派生單位千貝可（kBq）=103Bq兆貝可（kBq）=106Bq吉貝可（kBq）=109Bq毫居里（mCi）=3.7*107Bq微居里（mCi）=3.7*104Bq第三十頁(yè)，共44頁(yè)。單位換算1Ci=3.7×1010Bq=37GBq=1000mCi1mCi=3.7×107Bq=37MBq=1000uCi1uCi=3.7×104Bq=37kBq第三十一頁(yè)，共44頁(yè)。比活度與放射性濃度為了表示各種物質(zhì)中的放射性核素含量，通常還采用比活度及放射性濃度。比活度定義為單位質(zhì)量或單位摩爾物質(zhì)中含有的放射性活度，單位是Bq/g，MBq/g、MBq/mol。放射性濃度定義為單位體積溶液中所含的放射性活度，單位是Bq/ml、mCi/ml等。臨床核醫(yī)學(xué)使用放射性濃度較多。第三十二頁(yè)，共44頁(yè)。射線與物質(zhì)的相互作用射線的運(yùn)動(dòng)空間充滿介質(zhì)，射線就會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，射線的能量不斷被物質(zhì)吸收。這種相互作用亦稱射線的物理效應(yīng)，是我們了解輻射生物效應(yīng)、屏蔽防護(hù)以及放射性檢測(cè)、核素顯像和治療的基礎(chǔ)。第三十三頁(yè)，共44頁(yè)。帶電粒子與物質(zhì)的作用電離作用（ionization）入射粒子（α、β）作用于原子（1）使軌道電子成為自由電子（2）而原子成為正離子。第三十四頁(yè)，共44頁(yè)。激發(fā)作用（excitation）能量E作用于內(nèi)層軌道電子（1）使其躍遷到外層軌道（2）外層電子填補(bǔ)空穴（3）原子核從穩(wěn)定狀態(tài)成激發(fā)狀態(tài)，同時(shí)發(fā)射特征X射線（4）或俄歇電子釋放出多余能量。

第三十五頁(yè)，共44頁(yè)。散射作用（scattering）

射線粒子受到原子核靜電場(chǎng)作用，改變?cè)瓉?lái)運(yùn)動(dòng)方向，能量無(wú)損失。第三十六頁(yè)，共44頁(yè)。韌致輻射高速帶電粒子通過(guò)核電磁場(chǎng)使受到突然阻滯，運(yùn)動(dòng)方向和速度都發(fā)生變化，能量減低，多余的能量以X射線的形式輻射出來(lái)，稱為bremsstrahlung。致輻射的強(qiáng)度和β粒子的反向散射的幾率隨屏蔽物質(zhì)的原子序數(shù)增大而增大，隨β粒子的能量增加而增加。β射線的屏蔽要用原子序數(shù)低的材料，如鋁、塑料、有機(jī)玻璃等。α射線由于自身質(zhì)量數(shù)大、運(yùn)行速度慢，較少產(chǎn)生韌致輻射。第三十七頁(yè)，共44頁(yè)。吸收作用帶電粒子使物質(zhì)的原子發(fā)生電離和激發(fā)的過(guò)程中，射線的能量全部耗盡，射線不再存在，稱作吸收。粒子在物質(zhì)中沿運(yùn)動(dòng)軌跡所經(jīng)過(guò)的距離稱為路程，而路程沿入射方向投影的直線距離稱為射程。帶電粒子的能量損失與粒子的動(dòng)能和吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，所以射程能比較直觀地反映帶電粒子貫穿本領(lǐng)的大小。第三十八頁(yè)，共44頁(yè)。光子與物質(zhì)的相互作用γ射線和X射線及軔致輻射等屬于電磁輻射，都是中性光子流，與物質(zhì)相互作用方式相同，只與光子的能量有關(guān)主要產(chǎn)生三個(gè)效應(yīng)：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)生成。第三十九頁(yè)，共44頁(yè)。光電效應(yīng)光子被原子內(nèi)層電子吸收（1），全部能量被電子吸收使之成為自由的光電子（2），其位置由外層電子填補(bǔ)（3），同時(shí)發(fā)射出特征X射線（4）或俄歇電子（5）。第四十頁(yè)，共44頁(yè)?？灯疹D效應(yīng)光子將部分能量傳遞給核外電子，使之成為康普頓電