核醫(yī)學(xué)的核物理基礎(chǔ)

核醫(yī)學(xué)的核物理基礎(chǔ)第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五原子核中子質(zhì)子電子+++第一節(jié)原子的基本結(jié)構(gòu)第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五核素：具有特定質(zhì)量數(shù)、原子序數(shù)與核能態(tài)，其平均壽命長得足以被觀測的一類原子稱為核素。核素及符號表示核素質(zhì)子數(shù)中子數(shù)質(zhì)量數(shù)符號氦-42244He碳-12661212C碳-13671313C碳-14681414C穩(wěn)定核素原子核穩(wěn)定，不會自發(fā)衰變的核素稱為穩(wěn)定核素。放射性核素原子核處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需通過核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級調(diào)整才能趨于穩(wěn)定的核素,稱為放射性核素（radionuclide）。第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五定義：具有相同原子序數(shù)，但質(zhì)量數(shù)不同的核素互為同位素。即質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的核素。同位素圖2-2

氕、氘、氚互為同位素第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五同質(zhì)異能素定義：具有相同質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)，處于不同核能態(tài)的一類核素稱同質(zhì)異能素。基態(tài)的原子和激發(fā)態(tài)的原子互為同質(zhì)異能素(isomer)。同質(zhì)異能素第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五

氚發(fā)生β-衰變，衰變?yōu)楹?/p>

第二節(jié)核衰變定義：放射性核素由于核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級調(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程,稱為核衰變(nucleardecay)。第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五衰變一、核衰變的類型定義：衰變時放射出粒子的衰變稱衰變(decay)。衰變發(fā)生于原子序數(shù)>82的核素。

+

+Q

第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五-衰變定義：釋放出-粒子的衰變稱-衰變(-decay)。

-衰變發(fā)生于富中子核素，實質(zhì)上是原子核的一個中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子。第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五+衰變定義：釋放出＋粒子的衰變方式稱為＋衰變(＋decay)。＋衰變發(fā)生于貧中子核素，實質(zhì)上是原子核的一個質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子。

第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五電子俘獲定義：電子俘獲(electroncapture)是指原子核從核外俘獲一個軌道電子。電子俘獲也發(fā)生在貧中子核素，由于核內(nèi)中子相對不足而從核外內(nèi)層的電子軌道上俘獲一個電子，使其一個質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子。第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五γ衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換定義：原子核由激發(fā)態(tài)向基態(tài)或由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時，放出射線的衰變過程稱為衰變(decay)。原子核的激發(fā)能也可以直接傳遞給核外的內(nèi)層電子，使之脫離軌道成為自由電子，這一過程稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換(internalconversion)。第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五核衰變的基本定律二、核衰變規(guī)律放射性原子數(shù)或放射性活度隨時間呈指數(shù)規(guī)律減少。Nt=N0e-t

或At=A0e-t

衰變常數(shù)放射性核素在單位時間內(nèi)衰變的概率。是反映放射性核素衰變速度的物理量，是放射性核素的一個重要特征參數(shù)。衰變常數(shù)越大，放射性核素衰變速度越大。用λ表示。單位：h-1,min-1,s-1。第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五

99Tcm的衰變曲線第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五半衰期物理半衰期(physicalhalflife)指放射性核素減少一半所需要的時間。是放射性核素的一個重要特征參數(shù)。物理半衰期越短表明放射性核素衰變越快。用T1/2表示。單位：h,min,s。

物理半衰期第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五生物半衰期（biologicalhalflife）指生物體內(nèi)的放射性核素經(jīng)各種途徑從體內(nèi)排出一半所需要的時間。用Tb表示。單位：h,min,s。

生物半衰期第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五有效半減期（effectivehalflife）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因素作用，減少至原有放射性活度的一半所需的時間。

用Teff表示。單位：h,min,s。

有效半衰期Teff=T1/2?Tb/(T1/2+Tb)第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五放射性活度定義：一定量的放射性核素在一個很短的時間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)除以該時間間隔。簡稱活度(radioactivity)。即單位時間內(nèi)原子核的衰變數(shù)量。A=dN/dt國際制單位：Bq（貝克），KBq（103Bq），MBq（106Bq），GBq（109Bq）舊的專用單位：Ci（居里），mCi（10－3Ci），Ci（10－6Ci）1Bq=1s-1

1Ci=3.7×1010Bq第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五第三節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用

一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用電離作用定義：凡原子或原子團(tuán)由于失去電子或得到電子而變成離子的過程稱為電離（ionization）。第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五電離密度(ionization

density)單位路徑上形成離子對的數(shù)目稱為電離密度或比電離。電離密度與帶電粒子的電量、速度以及物質(zhì)密度有關(guān)。激發(fā)作用定義：如果核外電子獲得的能量不足以使其形成自由電子，只能由能量較低的軌道躍遷到能量較高的軌道，使整個原子處于能量較高的激發(fā)態(tài)，稱為激發(fā)(excitation)。激發(fā)的原子不穩(wěn)定，退激后可釋放出光子或熱量。第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五散射

定義：帶電粒子與物質(zhì)的原子核碰撞而改變運(yùn)動方向和/或能量的過程稱為散射(scattering)。僅運(yùn)動方向改變而能量不變者稱為彈性散射。運(yùn)動方向和能量都發(fā)生變化者稱為非彈性散射。散射作用強(qiáng)弱與帶電粒子的質(zhì)量有關(guān)，帶電粒子的質(zhì)量越大，散射作用越弱，所以粒子散射一般不明顯，-粒子散射較為明顯。第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五韌致輻射

定義：帶電粒子受到物質(zhì)原子核電場的作用，運(yùn)動方向和速度都發(fā)生變化，能量減低，多余的能量以X射線的形式輻射出來，稱為韌致輻射(bremsstrahlung)韌致輻射實際上是一種非彈性散射。第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五湮滅輻射(annihilation

radiation)

定義：+衰變產(chǎn)生的正電子可在介質(zhì)中運(yùn)行一定距離，能量耗盡時和物質(zhì)中的自由電子結(jié)合，兩個電子的靜止質(zhì)量（相當(dāng)于1022keV的能量）轉(zhuǎn)化為兩個方向相反、能量各為511keV的光子而自身消失，叫做湮滅輻射。第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五吸收作用定義：帶電粒子通過物質(zhì)時，與物質(zhì)相互作用,能量不斷損失，當(dāng)射線能量耗盡后，帶電粒子就停留在物質(zhì)中，射線則不再存在，稱為吸收(absorption)。

第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五二、光子與物質(zhì)的相互作用光電效應(yīng)定義：光子與物質(zhì)原子的軌道電子（主要是內(nèi)層電子）碰撞，把能量全部交給軌道電子，使之脫離原子，光子消失，這種作用過程稱為光電效應(yīng)(photoelectriceffect)。第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五康普頓效應(yīng)定義：光子與原子的核外電子碰撞，將一部分能量傳遞給電子，使之脫離原子軌道成為自由電子，光子本身能量降低，運(yùn)行方向發(fā)生改變，稱為康普頓效應(yīng)(Comptoneffect)。第25頁，共27頁，2023年，2月20日，星期五電子對生成定義：當(dāng)光子能量>1022keV時（1022keV相當(dāng)于兩個電子的靜質(zhì)量），其中1022keV的能量在物質(zhì)原子核