《放射物理與防護》第一章

1、曲靖醫(yī)學高等?？茖W校教 案系 部 醫(yī)學技術(shù)系 教研室（實驗室） 醫(yī)學影像教研室 課程名稱 放射物理與防護 授課班級 16影像 授課教師 濮宏積 職 稱 講師 使用教材 放射物理與防護（第3版） 教案編寫日期 2017年5月 曲靖醫(yī)學高等?？茖W校教務(wù)處制教 案首頁授課時間 2017年 月 日 星期 節(jié)學時數(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 實踐課 習題課 其它教學目的（目標）1. 掌握盧瑟福粒子散射實驗的現(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中的進動；磁共振現(xiàn)象及核自旋弛豫；磁共振現(xiàn)象在醫(yī)學中的應(yīng)用。教學重點難點重點：1

2、.散射實驗；原子的結(jié)構(gòu)。2.磁共振現(xiàn)象及原理。難點：磁共振自旋弛豫、波爾理論。教學方法多媒體+實驗+見習教材參考文獻教材：王鵬程、李迅茹主編，全國高職高專院校“十二五”規(guī)劃教材放射物理與防護，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（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，高等教育出版社，2005年；（3）吉強、洪洋主編，醫(yī)學影像物理學（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學習指導與習題集人民衛(wèi)生出版社，2016年；教 學 內(nèi) 容時間分配板書或旁注第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)一 揭示原子結(jié)構(gòu)的實

3、驗基礎(chǔ)電子是一切原子的組成部分。但物質(zhì)通常是中性的，足見原子中還有帶正電的部分。(一) 粒子的散射實驗粒子帶兩個單位的正電荷，后來證明它就是氦原子核。1911年盧瑟福等進行粒子散射實驗，結(jié)論：核式模型結(jié)構(gòu)，質(zhì)量大體積小。(二) 氫原子光譜的實驗規(guī)律光譜是電磁輻射（不論在可見區(qū)或在可見區(qū)以外）的波長成分和強度記錄；有時只是波長成分的記錄。原子光譜是原子發(fā)射的電磁輻射（包括紅外區(qū)，可見光區(qū)和紫外區(qū)）強度隨著波長的分布。譜線的間隔和強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，光能量總是一個單元的整數(shù)倍，而每一單元（稱為光量子）是hv ,這里V是光的頻率，h為普朗克常數(shù)。以

4、上實驗事實推知：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動；電子在每一這樣的軌道運動時，原子具有一定的能量。2.如果氫原子中的電子從一個大軌道上運動到小軌道上運動，原子的能量就從大變小，多余的能量就放出成為1 個光子的能量。（二）氫原子的玻爾理論和原子能級電子在不連續(xù)的軌道上運動，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)稱為原子的能級。當原子處于n等于1狀態(tài)時，能量最低，也最穩(wěn)定，稱為基態(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。原子能級室結(jié)核能的負值，它們的絕對值相等而符號相反。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基本粒子，質(zhì)子和中子，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。質(zhì)子帶正電，中子不帶電。由于電子帶有負電荷，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)，因此原子對外呈電中性。核素：有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子稱為核素。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，這個差值稱為原子核的質(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)的單個核子結(jié)合成原子核時所釋放出來的能量。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)，就得到每個核子的平均結(jié)合能。三、 原子核能級當一個核子發(fā)生從高能級到低能級躍遷時，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、核磁矩在靜磁場中的進動自旋核有一定的自旋角動量和核磁矩，在靜磁場的作用下，核磁矩將如旋轉(zhuǎn)陀螺在地球引力場中進動一樣運動，稱為自旋核的進動或旋進。核磁矩在恒定磁場中將繞磁場方向進動，進動角頻率歐米伽取決于核的磁旋比與磁場感應(yīng)強度B0的大小。二、磁共振現(xiàn)象磁場中核的能級數(shù)

8、目決定于自旋量子數(shù)I，能級總數(shù)為2I+1.磁量子數(shù)m為正值的那些狀態(tài)，核磁矩u與靜磁場方向相同，其能量為負值，稱之為低能態(tài)；磁量子數(shù)m負值的那些狀態(tài)，核磁矩u與靜磁場方向相反，其能量為正值，稱之為高能態(tài)。設(shè)共振激發(fā)所采用的電磁波頻率為v，并在外磁場垂直方向設(shè)置射頻線圈。那么當激勵電磁波的頻率v所決定的能量與兩相鄰能級之間能量差相等 時，原子核兩個能級之間的躍遷就會發(fā)生，這就 是磁共振現(xiàn)象。原子核發(fā)生共振吸收時的射頻場角頻率w等于自旋在磁場中旋進的角頻率，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小磁體。組成物體的大量原子核磁矩的矢量總和稱為磁化強度矢量。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)將逐漸恢復為熱平衡狀態(tài)，這一恢復過程稱為弛豫過程。原子核系統(tǒng)的弛豫過程是一個由高能態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍軕B(tài)的釋放能量的過程。在這一過程中，系統(tǒng)的磁化強度矢量的兩個分量將發(fā)生相對獨立的變化。Z分量即縱向分量M將逐漸增大，恢復到平衡狀態(tài)的M0，此過程稱為縱向弛豫。Xy分量即橫向分量M將逐漸漸少，直至M=0，此過程稱為橫向弛豫?？v向磁化強度矢量從零回復至最大值的63%時所需要的時間稱之為縱向弛豫時間。橫向磁化強度矢量從最大值減小至最大值的37%處所需要的時間稱之為橫向弛豫時間。第四節(jié)、磁共振現(xiàn)象的醫(yī)學應(yīng)用一、 磁共振波譜分析技術(shù)它是利用分子的化學位移來測定分子組成及空間構(gòu)型的一種

10、檢測方法。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、縱向馳豫時間、橫向馳豫時間、液體流速、液體的擴散和灌注、質(zhì)子在不同分子環(huán)境中的化學位移、局域氧合、局域含鐵以及膜的通透性等參數(shù)進行成像。其基本原理是利用一定頻率的電磁波向處于磁場中的人體照射，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：當激勵電磁波的能量與原子核相鄰能級之間能量差相等時，原子核兩個能級之間會發(fā)生躍遷，稱為磁共振現(xiàn)象。導入新課PBL：以問題為導向多媒體多媒體多媒體多媒體+ 實驗提問學生導入新課案例討論多媒體+ 實驗多媒體+ 實驗磁共振臨床見習提問學生章節(jié)習題作業(yè)課后小結(jié)：粒子散射實驗，提出原子的核式模型結(jié)構(gòu)；波爾在氫原子光譜實驗基礎(chǔ)上結(jié)合量子理論，提出了原子能級的結(jié)構(gòu)：電子只能沿某些特定的軌道運動，電子在這些軌道上運行不放出能量；只有電子從一個高能態(tài)躍遷到另一個低能態(tài)時，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，在外磁場作用下發(fā)生進動現(xiàn)象，從而導致原子能級的分裂。當施加于原磁場方向垂直的激勵（射頻）電磁波能量且與原子相鄰能級之間能量差相等時，在磁場力的