第一章-核物理基礎

第一章-核物理基礎第一頁，共28頁。一.基本概念1.定態(tài)：電子在軌道上運行既不吸收也不放出能量的狀態(tài)。2.基態(tài)：能量最低的定態(tài)。3.激發(fā)態(tài)：能量較高的定態(tài)。元素：凡核內質子數相同的一類原子，稱之為元素。5.核素(nuclide)

：凡原子核內質子數、中子數和核能態(tài)均相同的一類原子，稱為一種核素?！?核射線及其與物質的相互作用第一頁第二頁，共28頁。6.同位素(isotope）凡原子核內質子數相同,而中子數不同的一類原子，彼此互稱為同位素,比如：

1H、2H、3H互稱為同位素,每種同位素也是一種核素。同位素之間具有完全相同的核外電子結構，宏觀化學性質和體內生物學行為。同質異能素(isomer)核內質子數和質量數均相同，但所處能量狀態(tài)不同的核素。如99Tc與

99mTc；111In與111mIn等。第二頁第三頁，共28頁。8.放射性核素：指原子核不穩(wěn)定,易自發(fā)地發(fā)生核內成分或能態(tài)的變化而轉變?yōu)榱硪缓怂兀瑫r釋放出一種或一種以上的射線。放射性核素按其來源可分為天然和人工兩大類。9.穩(wěn)定性核素：一般不會自發(fā)地發(fā)生核內成分或能態(tài)的變化，或者發(fā)生幾率極小。已知的2700多種核素中，穩(wěn)定性核素不足300種，其余為放射性核素。第三頁第四頁，共28頁。二.放射性核素的原子核不穩(wěn)定因素只有兩種力平衡原子核才是穩(wěn)定的第四頁第五頁，共28頁。三.影響原子核平衡力的因素①中子質子比例不平衡，主要發(fā)生β衰變；②核子總數過多：（Z＞83），均為放射性核素，主要發(fā)生α衰變.第五頁第六頁，共28頁?！?核衰變方式1.α衰變(alphadecay)：指母核放出一個α粒子的過程。發(fā)生條件：A>160或Z>83實質：氦原子核通式：AZX→A-4Z-2Y+42He+Q

實例：22688Ra→22286Rn+α+4.86Mevα特性：質量大，電荷多，射程短，穿透力弱，在空氣中只能穿透幾厘米，一張紙就可屏蔽，因而不適合作核醫(yī)學顯像用。但α粒子對局部的電離作用強，對開展體內惡性組織的放射性核素治療具有潛在的優(yōu)勢。第六頁第七頁，共28頁。2.β衰變(betadecay)(1)

β-衰變：指母核放出一個負電子的過程。發(fā)生條件：中子過剩的原子核。實質：負電子,高速運動的電子流。通式：AZX→AZ+1Y+β-++Q實例：3215P→3216S+0-1e++1.711Mevβ-特性：射程及穿透力較α粒子強，2Mev的β-粒子在軟組織中的射程約為2cm，仍不能用于核醫(yī)學顯像，但某些β-核素可用于核素治療，如：131I用于治療甲亢和甲狀腺癌，32P可用于血液病和皮膚病的治療等。第七頁第八頁，共28頁。(2)β+衰變：指母核放出一個正電子的過程。發(fā)生條件：發(fā)生在中子缺乏的核素，也可認為是質子過剩.發(fā)生β+衰變的核素都是人工放射性核素.實質：由核內產生的,向外發(fā)射的正電子。通式：AZX→AZ-1Y+β++υ+Q實例：

137N→136C+β++υ+1.190Mevβ+特性：質量與電荷數與電子相同，只是電荷性質相反,其射程僅1-2mm即發(fā)生湮滅輻射。第八頁第九頁，共28頁。(3).電子俘獲(electroncapturedecay，EC)：核內的一個質子可以俘獲一個核外電子并發(fā)射一個中微子而轉變?yōu)橐粋€中子.發(fā)生條件：中子相對過少的放射性核素。實質：核內一個質子俘獲一個電子而轉變?yōu)橹凶印Ｍㄊ剑篈ZX+-e→AZ-1Y+υ+Q實例：

12553I+-e→12552Te(碲)+υ+0.0355Mev貧中子核素:Z較小時β+衰變?yōu)橹?Z較大時EC為主;中等Z范圍內,各以一定的概率發(fā)生.第九頁第十頁，共28頁。標識X射線：當發(fā)生電子俘獲時，由于核外電子殼層缺少一個電子，留下一個空位，使外層電子向內層補充，同時將多余的能量以X線形式放出，稱為標識X射線。俄歇電子：如不足以釋放X射線，而是把能量傳給殼層電子，使之脫離軌道，形成自由電子，稱為“俄歇電子”。第十頁第十一頁，共28頁。第十一頁第十二頁，共28頁。3.γ躍遷(γtransition)

又稱同質異能躍遷(isomerictransition)：原子核發(fā)生α衰變、β衰變后的子核吸收衰變能處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的子核向基態(tài)過渡時將多余的能量以電磁輻射或光子流的形式釋放出去，這種電磁輻射或光子流稱為γ射線，這個過程稱為γ衰變。是一種繼發(fā)的核衰變。條件：伴隨其他衰變繼發(fā)的發(fā)生實例：99MOβ-

99mTc

γ99Tc實質：高速運動的光子流γ射線特性：射程極大，極強的穿透力，電離能力相對其他射線最弱;內轉換(internalconversion)：第十二頁第十三頁，共28頁。射線αβγ本質氦原子核電子流光子流穿透力弱較強最強電離能力最強較強弱內照射危害最大較大小外照射危害小較大最大第十三頁第十四頁，共28頁。第十四頁第十五頁，共28頁。第十五頁第十六頁，共28頁?！?核衰變規(guī)律一、核衰變規(guī)律：把放射性核素數目作為一個群體進行研究，發(fā)現放射性核素的數目都隨時間t按指數規(guī)律衰減。

衰變公式：N=Noe-λtN=N0e-t第十六頁第十七頁，共28頁。二、半衰期1、物理半衰期(T1/2)：放射性核素由于衰變,其原子核數目或活度減少到原來一半所需的時間,用T1/2表示2、生物半衰期(Tb)：3、有效半衰期(Te)：引入半衰期概念以后，核衰變的公式可改寫成：N=Noe-0.693t/T1/2或A=A0e-0.693t/T1/2按照這一公式，可根據某種放射性核素的半衰期和其出廠到使用時的間隔時間（t）計算出使用時的放射性活度。第十七頁第十八頁，共28頁。三、放射性活度及其單位(一)放射性活度：單位時間內核衰變的次數，用A來表示。(二)放射性活度單位：在國際單位制(SI)中，放射性活度專名是貝可勒爾(Bequeral)，簡稱貝可，符號是Bq，單位是秒-1(s-1)其派生單位有KBq、MBq、GBq

和TBq。舊有單位:居里(ci)1TBq=103GBq=106MBq=109KBq四、放射性比活度及單位單位質量（摩爾、容積）物質所含放射性的多少,后者常稱為放射性濃度。第十八頁第十九頁，共28頁?！?核射線與物質的相互作用一、帶電粒子與物質的相互作用(一)電離與激發(fā)(ionizationandexcitation)電離：指帶電粒子與物質相互作用,使物質中的中性原子變成離子對的過程。激發(fā)：如果核外電子所獲動能不足以使之成為自由電子，只是從內層躍遷到外層，從低能級躍遷到高能級,這一過程稱之激發(fā)。電離密度：單位路徑上形成的離子對的數目。它表示的是射線電離作用強弱的量。與帶電粒子所帶電荷數、行進速率及被作用物質的密度有關，α>β>γ。第十九頁第二十頁，共28頁。(二)韌致輻射：較高能量的β-可能在行進的過程中到達原子核附近，這時會受到庫倫電場的作用而急劇減速，損失的能量轉變?yōu)殡姶泡椛湟訶射線的形式釋放出去，這種輻射稱為韌致輻射。韌致輻射的發(fā)生幾率與帶電粒子質量的平方成反比,與β-粒子能量及被作用物質的原子序數的平方成正比。因此，韌致輻射應選用原子序數低的材料作為屏蔽材料，比如鋁、有機玻璃等。(三)湮沒輻射：β+通過物質時，在原子核及核外電子的作用下急劇減速直至停止，靜止后的正電子與環(huán)境中的一個負電子結合，生成一對發(fā)射方向相反能量各為0.511Mev的γ光子，這個過程稱為湮沒輻射，湮沒輻射是PET顯像的基礎。(四)吸收和射程第二十頁第二十一頁，共28頁。第二十一頁第二十二頁，共28頁。二、γ射線（X射線）與物質的相互作用(一)

光電效應(photoelectriceffect)：發(fā)射光電子的原子內層電子出現空位，故可發(fā)射特征X射線。發(fā)生條件:多發(fā)生在低能量：＜0.5MeV。第二十二頁第二十三頁，共28頁。（二）康普頓效應(Compton