基礎(chǔ)知識(shí)(第23課) (1)

一、基礎(chǔ)知識(shí)第一節(jié)原子核原子核（nucleus）是由兩種質(zhì)量幾乎相等的基本粒子——帶正電的質(zhì)子（proton，P）和不帶電的中子（neutron，N）組成，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱(chēng)為核子(nucleon)。原子示意圖原子核內(nèi)質(zhì)子和中子數(shù)目之和即為原子質(zhì)量數(shù)，用A表示。原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)（即核電荷數(shù)）稱(chēng)為原子序數(shù)，用Z表示，原子核內(nèi)的中子數(shù)為A減Z。國(guó)際上通常采用AZX表示各種核素，也常簡(jiǎn)化為AX，X為某種元素符號(hào)，如16O、14N等。第二節(jié)元素、核素、同位素和同質(zhì)異能素元素（Element）：原子核內(nèi)具有相同電荷數(shù)的同一類(lèi)原子稱(chēng)為元素核素（Nuclide）：原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)完全相同，并處于同一能量狀態(tài)的原子，稱(chēng)為一種核素，例如，11H、21H、31H、22688Ra、99m43Tc，分別為五種不同的核素同位素（Isotope）：一種元素可以包含多種核素，這些原子核中的質(zhì)子數(shù)都相同，但中子數(shù)不相同。同質(zhì)異能素（Isomer）：兩種核素若中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同，而僅僅是能量狀態(tài)不同，被稱(chēng)為同質(zhì)異能素。例如：99mTc與99Tc是同質(zhì)異能素第三節(jié)穩(wěn)定性核素和放射性核素

按原子核穩(wěn)定與否，核素可分為放射性核素和穩(wěn)定性核素兩類(lèi)，前者如3H、14C、32P及235U等，后者如2H、13C及15N等。據(jù)報(bào)道，已知的核素約2300種，分別屬于100多種元素，其中放射性核素約1500種，農(nóng)業(yè)上應(yīng)用較多的為五六十種。穩(wěn)定性核素約300種，在核農(nóng)學(xué)研究中應(yīng)用的主要是15N為什么放射性核素會(huì)自發(fā)的衰變？輻照后的物品是否具有放射性？第四節(jié)核衰變核衰變方式α衰變（AlphaDecay）β–衰變（BetaDecay）、β+衰變電子俘獲（ElectronCapture;EC）γ躍遷（γ衰變，GammaDecay）作業(yè)本質(zhì)穿透性電離能力速度……α射線(xiàn)β射線(xiàn)γ射線(xiàn)α

粒子是氦原子核β

粒子是高速電子γ

射線(xiàn)是高能光子射線(xiàn)性質(zhì)一、α衰變226Ra發(fā)生α衰變時(shí)，一組Eα為4.6019MeV，伴有Eγ為0.186MeV的γ射線(xiàn)；另一組Eα為4.7846MeV。α射線(xiàn)具有很強(qiáng)的電離作用和照相作用，而穿透作用很弱，因此實(shí)際應(yīng)用中很少使用α衰變體。原子序數(shù)大于82的天然核素絕大部分都作α衰變，如226Ra、210Po等。原子序數(shù)小于82的只有147Sm、144Nd、180W、190Pt可作，它們的半衰期都很長(zhǎng)。從天然放射性核素放射出來(lái)的粒子通常具有4~9MeV的能量，其速度大約為光速的1/20。射線(xiàn)的電離能力很強(qiáng)，一個(gè)粒子在空氣中運(yùn)行1厘米的徑跡上可產(chǎn)生4萬(wàn)粒子對(duì)。射線(xiàn)的貫穿能力很小，在空氣中射程只有10厘米以下，在生物組織中的射程也只有60~100nm。因此粒子很容易被其他物質(zhì)所吸收，如一張薄紙即可把粒子完全吸收掉。二、β-衰變放射線(xiàn)核素自發(fā)地發(fā)射β-粒子的衰變稱(chēng)β-衰變。β-粒子實(shí)質(zhì)上是一個(gè)負(fù)電子。β-衰變發(fā)生于中子數(shù)相對(duì)過(guò)多的放射性核素。這時(shí)核內(nèi)的一個(gè)中子可轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)反中微子。發(fā)生衰變時(shí)，子核的質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)增加1。衰變式為：考古——炭化糧食炭化糧食碳－14宇宙射線(xiàn)大氣層生物體14C定年技術(shù)β-衰變能以動(dòng)能的形式分配給三個(gè)生成物（子體、β-粒子和），由于子體的質(zhì)量遠(yuǎn)大于β-和，實(shí)際上，β-衰變能主要分配給β-和。這種分配是隨機(jī)的。一般所說(shuō)的β-射線(xiàn)能量指的是最大值。最大值正好等于衰變能。各種放射線(xiàn)核素發(fā)射的β-粒子的能量均不相同，但其能譜形狀大致相似。實(shí)際計(jì)算β-射線(xiàn)輻射劑量時(shí)往往要用平均能量，值約為的最大值0.4左右。連續(xù)能譜三、β+衰變發(fā)射β+粒子的衰變稱(chēng)為β+衰變。β+衰變的核素都是人工放射性核素。β+粒子實(shí)質(zhì)上是一個(gè)正電子。β+衰變發(fā)生于核內(nèi)中子數(shù)相對(duì)過(guò)少的放射性核素。三、β+衰變這時(shí)核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子可以發(fā)射一個(gè)中微子ν和一個(gè)正電子β+，并轉(zhuǎn)化為一個(gè)中子。β+衰變的衰變能也是隨機(jī)分配到β+粒子和中微子兩者間，因此β+粒子能譜與β-能譜相似，也是連續(xù)能譜。中微子ν和β-衰變生成的反中微子都是核內(nèi)不帶電的中性基本粒子，質(zhì)量幾乎等于零，穿透力極強(qiáng)而不易測(cè)知。和ν互為粒子和反粒子。-四、電子俘獲原子核先從核外較內(nèi)層的電子軌道上俘獲一個(gè)電子，使之與一個(gè)質(zhì)子結(jié)合轉(zhuǎn)化為中子，同時(shí)發(fā)射出一個(gè)中微子。故子核也是原子序數(shù)減少1，質(zhì)量數(shù)不變。由于K層離核最近，K電子被核俘獲的幾率較其他殼層(L，M，……)為大。所以，電子俘獲又稱(chēng)K俘獲。四、電子俘獲隨后由－個(gè)較外層軌道上的電子躍入內(nèi)層填補(bǔ)空缺。由于外層電子的能量比內(nèi)層電子高，多余的能量就以X射線(xiàn)的形式釋出，該X射線(xiàn)乃成為該子核的特征X射線(xiàn)。多余的能量也可以傳遞給更外層的軌道電子，使之脫離軌道而釋出，稱(chēng)俄歇電子（AugerElectron）。電子俘獲圖示X射線(xiàn)俄歇電子五、γ躍遷放射性核素經(jīng)歷α、β-、β+、EC衰變后所形成的子核，往往處于激發(fā)態(tài)。激發(fā)態(tài)的子核不穩(wěn)定，當(dāng)它回到能級(jí)較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)時(shí)，多余的能量往往以光子的形式從核內(nèi)釋放出來(lái)，即放射γ射線(xiàn)，而核內(nèi)成分不變。這一過(guò)程稱(chēng)為γ躍遷。五、γ躍遷通常原子核處于激發(fā)態(tài)的時(shí)間極其短暫（＜10-11s）,因而躍遷幾乎伴隨α、β-、β+、EC衰變同時(shí)發(fā)生。也有些原子核衰變時(shí)，子體處于激發(fā)態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)，可以把衰變的半衰期單獨(dú)測(cè)量出來(lái)，這種子核其本身可作為母體，通過(guò)躍遷生成質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均相同，只是核能態(tài)不同的子核。如醫(yī)學(xué)上常用的99mTc.有時(shí)，放射線(xiàn)核衰變后所形成的激發(fā)態(tài)并不產(chǎn)生γ光子，而是把由激發(fā)態(tài)躍遷到亞穩(wěn)態(tài)或基態(tài)的能量通過(guò)電磁相互作用傳遞給核外某一殼層（主要是K層電子）的電子，使它脫離原子放射出來(lái)，這種電子稱(chēng)為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。γ光子和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子是激發(fā)態(tài)子核躍遷至較低能級(jí)或基態(tài)時(shí)釋放能量的兩種基本形式。由于內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的發(fā)射，核外電子殼層出現(xiàn)空位，因此，發(fā)射內(nèi)轉(zhuǎn)換電子后，還會(huì)發(fā)射出特征X射線(xiàn)或俄歇電子。內(nèi)轉(zhuǎn)換電子圖示X射線(xiàn)內(nèi)轉(zhuǎn)換電子在α、β-、β+、EC四種衰變類(lèi)型中，對(duì)于某一放射線(xiàn)核素的單個(gè)原子來(lái)說(shuō)，只能以其中的一種衰變方式進(jìn)行衰變，但對(duì)于核素的大量原子而言，可能仍以同一種衰變方式衰變，也可能各有不同的衰變方式，并且各占一定的比例。如32P發(fā)射的是純射線(xiàn)，而64Cu可進(jìn)行三種方式的衰變，其中β-衰變占31%，β+衰變占15%，EC占54%。第五節(jié)核衰變定律核衰變定律放射性原子的衰變并不是同時(shí)發(fā)生的，核衰變的時(shí)間有先有后，從t=0到t=∞都有可能。核衰變是不穩(wěn)定核素的特征。任何一種核素的任何一個(gè)原子核衰變都是隨機(jī)的過(guò)程。大量的原子核來(lái)說(shuō)，其衰變的速度就有一定的規(guī)律，即符合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。核衰變定律圖1-8放射性活度A與半衰期T1/2的關(guān)系（WangC.H.etal.,1975）核衰變定律核素是否衰變、核衰變速度。外界因素（溫度、壓力等）核素本身所處的狀態(tài)（游離態(tài)或化合態(tài)）核衰變定律半衰期

物理半衰期(PhysicalHalfLife;T1/2)生物半排期(BiologicalHalfLife;Tb)有效半減期(EffectivelHalfLife;Teff)核素T1/2沉積部位Teff14C5700±30a脂肪35d14C骨180d32P14.3d骨14d3H12.46a身體19d核衰變定律衰變常數(shù)(λ)--放射性核素在單位時(shí)間內(nèi)衰變的原子核數(shù)與當(dāng)時(shí)存有的原子核總數(shù)呈正比每一種放射核素都有自己固定的單位時(shí)間內(nèi)衰變百分?jǐn)?shù)

核衰變定律At=Aoe-λt

T1/2=0.693/λAo為初始時(shí)間(t=0)時(shí)的放射性活度At為經(jīng)過(guò)時(shí)間t以后的放射性活度e是自然對(duì)數(shù)的底數(shù)(2.718)。單位放射性活度(Radioactivity)--單位時(shí)間內(nèi)原子核衰變的數(shù)量（簡(jiǎn)稱(chēng)活度，過(guò)去慣稱(chēng)放射性強(qiáng)度）國(guó)際制單位：貝可（Becquerel;Bq）定義為每秒一次衰變1Bq＝1S-1居里（Ci），毫居里（mCi）、微居里（μCi）千貝克（kBq）、百萬(wàn)貝可（MBq）1Ci定義為1g的鐳每秒鐘衰變的數(shù)目1950年國(guó)際上共同規(guī)定：1Ci=3.7×1010Bq=2.2×1012dpm1Bq=2.703×10-11Ci發(fā)展歷史——

天然放射性1896年，法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾(U)放射現(xiàn)象。1898年在鈾礦物中發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙和鐳。單位cpmdpm比活性(SpecificRadioactivity)--單位質(zhì)量物質(zhì)的放射性活度，單位是Bq∕g、Bq∕mol放射性濃度(RadioactiveConcentration)--為單位體積溶液內(nèi)所含的放射性活度，單位是Bq∕ml比活度反映了規(guī)定化學(xué)形式的物質(zhì)中放射性核素在其所屬的元素的全部原子中所占比例的大小除放射性核素外，無(wú)穩(wěn)定同位素同時(shí)存在者，稱(chēng)無(wú)載體(Carrier-free)若同時(shí)存有穩(wěn)定同位素則稱(chēng)有載體(Carrier-containing)。完全標(biāo)記不完全標(biāo)記αβγ32P-ATPα-32P-ATP第六節(jié)核射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用帶電粒子與物質(zhì)的相互作用電離作用（Ionization）激發(fā)作用（Excitation）散射作用（Scattering）切倫科夫輻射（CerenkovRadiation）韌致輻射（Bremsstrahlung）湮沒(méi)輻射（AnnihilationRadiation）吸收作用（Absorption）電離作用是指射線(xiàn)使物質(zhì)中的原子失去軌道電子而形成正負(fù)離子對(duì)。電離作用的強(qiáng)弱常用射線(xiàn)在每厘米路程上產(chǎn)生的離子對(duì)數(shù)來(lái)度量即電離密度（IonizationDensity）或比電離（SpecificIonization）。電離作用一般說(shuō)，帶電粒子的電荷量越大，速度越慢，所經(jīng)過(guò)的介質(zhì)的密度越大，則比電離越大。所以，α粒子的比電離較相當(dāng)能量的β–粒子大數(shù)百至數(shù)千倍。（1）電離輻射的發(fā)生：

a.帶電粒子直接使物質(zhì)激發(fā)、電離??????????????激發(fā)?(自由電子，可致間接電離)?電離致電離輻射(2)電離輻射的生物學(xué)效應(yīng)電離輻射生物分子激發(fā)、電離水分子激發(fā)、電離重排重排

生物分子損傷產(chǎn)生自由基生物分子自由基繼發(fā)生物分子損傷生殖細(xì)胞體細(xì)胞代謝損傷異常增殖細(xì)胞死亡遺傳變異個(gè)體疾病、死亡物理階段理化階段化學(xué)階段生物階段散射作用指帶電粒子受到物質(zhì)原子核庫(kù)侖電場(chǎng)作用而發(fā)生方向偏折。散射作用對(duì)測(cè)量及防護(hù)都有一定影響。α粒子由于質(zhì)量大，散射一般不明顯。β–粒子質(zhì)量遠(yuǎn)小于α粒子，所以當(dāng)它引起物質(zhì)電離和激發(fā)的同時(shí)，本身有明顯的散射。激發(fā)作用指射線(xiàn)使某些原子的軌道電子從低能級(jí)躍遷至高能級(jí)。當(dāng)該電子退激時(shí)，能量以光子或熱能形式釋出。輻照后的物品是否具有放射性？

為了確保受輻照的物品不會(huì)產(chǎn)生感生放射性，必須限制輻照的能量水平有試驗(yàn)表明，使用加速器，能量在16MeV以下時(shí)，所引起的感生放射性可忽略不計(jì)，而且放射性的壽命極短。允許食品輻照的最大能量水平是：電子射線(xiàn)為10MeV；γ射線(xiàn)和X射線(xiàn)為5MeV。同位素輻照源60Co和137Cs釋放射線(xiàn)的能量不高于1.33MeV，低于引起感生放射性的能量水平。切倫科夫輻射當(dāng)高速（1MeV）的帶電粒子通過(guò)折光系數(shù)較大（折射率>1）的透明介質(zhì)時(shí)，它的速度有可能大于光在該物質(zhì)中的傳播速度。這時(shí)，帶電粒子的能量會(huì)有一部分以可見(jiàn)光或接近可見(jiàn)光的形式釋放出來(lái)，這種射線(xiàn)稱(chēng)切倫科夫輻射。切倫科夫輻射切倫科夫輻射會(huì)產(chǎn)生波長(zhǎng)為300-700nm的微弱可見(jiàn)光，借助液體閃爍計(jì)數(shù)器測(cè)量其強(qiáng)弱可用以進(jìn)行高能β發(fā)射體(如32P、36Cl、42K、86Rb等核素)試樣的放射性活度的測(cè)定。韌致輻射β–粒子在介質(zhì)中受到阻滯而急劇減速時(shí)能將部分能量轉(zhuǎn)化為電磁輻射，即X射線(xiàn)。它發(fā)生的機(jī)率與β–粒子的能量及介質(zhì)的原子序數(shù)成正比。對(duì)常用β–源（Emax<2MeV）而言，其機(jī)率為總β–粒子數(shù)的1%左右，在防護(hù)上值得注意，即β–粒子的