放射藥理學(xué)概論：第二講

核物理和同位素基本知識(shí)

廖建民

1.原子核（nucleus）結(jié)構(gòu)原子（atom）中子（neutron）質(zhì)子（proton）電子（electron）AZＸNAＸ13153I78131IA是質(zhì)量數(shù)。A=Z+N

基態(tài)（groundstate）

激發(fā)態(tài)（excitedstate）核反應(yīng)、核裂變、放射性衰變AＸAmＸ99Tc99mTc很快放出過(guò)剩能量2、質(zhì)能轉(zhuǎn)換定律、質(zhì)量虧損和結(jié)合能：質(zhì)量和能量都是物質(zhì)必具的屬性，任何物體都同時(shí)具有質(zhì)量和能量，并且它們之間存在著一定關(guān)系:E=mC2這就是著名的愛(ài)因斯坦質(zhì)能相互聯(lián)系定律，它指出：任何m克質(zhì)量的物質(zhì)，一定具有mc2erg的能量。E為物質(zhì)的能量，m為物質(zhì)的質(zhì)量，C為光在真空中的速度。1g靜止質(zhì)量的能量為：E=mC2=1g×(2．99792×lOlOcm／s)2=8.9875×l020erg根據(jù)狹義相對(duì)論，m與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有關(guān)，對(duì)速度為V的物質(zhì)：式中m0為物質(zhì)靜止(V=O)時(shí)的質(zhì)量，C為光在真空中的速度(2.997924×1010cm·s-1)Erg（爾格）：質(zhì)能當(dāng)量單位。1erg=670amu=6.24×105MeV=2.39×10-8cal在核物理中常采用的電子伏(ElectronVolt；eV)作為能量單位。leV是電壓為1伏特的兩點(diǎn)間移動(dòng)一個(gè)電子時(shí)，電場(chǎng)力所作的功。1eV=l.602189×10-12erg

精確實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各種原子的質(zhì)量總是小于組成它的全部中子、質(zhì)子和電子的質(zhì)量總和。這個(gè)差值稱為質(zhì)量虧損(MassDefect)。質(zhì)量虧損與核子(Nucleon)(即中子和質(zhì)子的總和)的結(jié)合能有密切關(guān)系。在原子核中，核子間互相吸引的力很強(qiáng)，而任何兩個(gè)相互吸引的物體在相互靠近時(shí)都放出能量(因?yàn)閯?shì)能變小)。所以核子結(jié)合成原子核時(shí)便釋出大量的能量，這能量稱為結(jié)合能，其量△E與質(zhì)量虧損△m相當(dāng)，變即△E＝△m·C2。3.核素（nuclide）：具有特定質(zhì)量數(shù)、原子序數(shù)與核能態(tài)的一類原子。4.同位素（isotope）：具有相同原子序數(shù)，而質(zhì)量數(shù)不同的核素。5.同質(zhì)異能素(isomer)：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。6.穩(wěn)定核素（stablenuclide)原子核能夠穩(wěn)定存在，不會(huì)自發(fā)地發(fā)生核內(nèi)成份或能級(jí)的變化，或者發(fā)生的幾率非常小，半衰期超過(guò)十億年。這類原子核稱為穩(wěn)定性原子核。相應(yīng)的核素稱為穩(wěn)定核素(StableNuclide)。當(dāng)原子核內(nèi)引力與排斥力平衡時(shí)，原子核穩(wěn)定，不會(huì)自發(fā)衰變的核素

引力

靜電排斥力核子（質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子）之間質(zhì)子之間7.放射性核素(radionuclide)原子核不穩(wěn)定，會(huì)自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)閯e的原子核，或自發(fā)地發(fā)生核能態(tài)變化，變化時(shí)伴有射線的發(fā)射。這類原子核稱為放射性原子核，相應(yīng)的核素稱為放射性核素(RadioactiveNuclide)。如99Tcm、131I、32P、90Sr、153Sm、188Re、125I、60Co等。

引力

靜電排斥力核子（質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子）之間質(zhì)子之間8、放射性：某些核素自發(fā)地放出粒子或γ射線，或在發(fā)生軌道電子俘獲后放出X射線，或發(fā)生自發(fā)裂變的性質(zhì)。9.放射性衰變（radiationdecay）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。

10、人工放射性核素：用人工方法改變穩(wěn)定核素中子與質(zhì)子的組成比例也會(huì)造成核的不穩(wěn)定。這種核素稱為人工放射性核素。核衰變類型（nucleardecay)

衰變（alphadecay）

-衰變（betadecay）正電子衰變電子俘獲（electroncapture）衰變（gammadecay）1）α衰變

AZX--A-4Z-2Y+42He+Q

42Heγ不穩(wěn)定核自發(fā)地從核內(nèi)放射出α粒子(AlphaPharticle)而變成另一種核的過(guò)程稱為α衰變(AlphaDecay)。α粒子實(shí)際上是兩個(gè)質(zhì)子兩個(gè)中子組成的氦原子核。式中X為母核(ParentNucleus)，Y為子核(DaughterNucleus)，Q是衰變時(shí)原子核釋放出的能量。可以看出，子核與母核相比，原子質(zhì)量少4，原子序數(shù)少2。

α粒子特性α粒子實(shí)質(zhì)上是He原子核；α衰變發(fā)生在原子序數(shù)大于８２的重元素核素；在空氣中的射程約為３－８cm，在水中或機(jī)體內(nèi)為0.06-0.16mm；因其射程短，一張紙即可阻擋；但α粒子的電離能力很強(qiáng)。對(duì)開(kāi)展體內(nèi)惡性組織的放射性核素治療具有潛在的優(yōu)勢(shì)。對(duì)α衰變來(lái)說(shuō)，衰變時(shí)的質(zhì)量虧損△mz是：△mz=mz-(mz-2+2me+mα)

其中mz是母體原子質(zhì)量．mz-2是子體原子質(zhì)量，me是電子質(zhì)量，mα是α粒子質(zhì)量。任何衰變都伴有能量釋放，這部分能量Q稱為衰變能(DecayEnergy)，來(lái)自質(zhì)量虧損。若質(zhì)量以amu為單位，Q以MeV為單位，并取1amu=931MeV，則Q＝931×△mzMeV(1—2)衰變能分配給子體核素和發(fā)射的粒子(射線)。有些核素衰變時(shí)還有一部分留在核內(nèi)使子核暫時(shí)處于激發(fā)態(tài)。由于mα和mz-2是既定的，每種放射性核素的衰變能也是固定的，因此可以通過(guò)測(cè)定射線的能量來(lái)判斷是何種核素。226Ra(鐳)的衰變226Ra衰變?yōu)?22Rn（氡）。釋放的α粒子有兩組：一組能量為4．777MeV，占94．3％；另一組能量為4．598MeV，伴有0．1888MeV的γ線，占5．7％。Q值的計(jì)算如下：△mz=mRa-(mRn+2me+mHe-2me)=mRa-mRn-mHe=226.025438-222.017610-4.002603=0.005225amuQ=0.005225×931=4.86MeV該能量按質(zhì)量分配：

QRn=4．86×=0．086MeVQα=4．86×=4．774MeV

此值與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符。226Ra衰變中有5．7％的222Rn先處于激發(fā)態(tài)，退激時(shí)以γ光子形式釋出多余能量，故這部分衰變釋出的α粒子能量稍低。

(二)β-衰變?cè)雍藘?nèi)中子相對(duì)過(guò)多造成不平衡，導(dǎo)致核內(nèi)一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，同時(shí)釋出一個(gè)負(fù)電子的過(guò)程稱為β-衰變(β-Decay，NegatronDecay)。核內(nèi)釋出的負(fù)電子通常稱為β-粒子或β-射線(β-Particleorβ-Ray)。β-衰變時(shí)還同時(shí)形成一個(gè)反中微子

(Anti－neutrino，υ)。υ是一種質(zhì)量極小的中性基本粒子，穿透性極強(qiáng)，一般探測(cè)器不能探測(cè)。

由于核內(nèi)的基本變化是一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)質(zhì)子，故β-衰變的子體與母體相比，其A不變而Z增加1，可用下式表示：β-衰變的變能Q可計(jì)算如下：

Q＝931△mz＝mz-(mz+1-me+mβ+mυ)MeV反中微子的質(zhì)量極小，僅為電子的5/10，000，可忽略不計(jì)，故：

Q＝931△mz

＝931（mz-mz+1）MeVβ-衰變有三個(gè)生成物(Z+1Y、β-和υ)，Q就由這三個(gè)粒子帶走。子核的質(zhì)量遠(yuǎn)大于β-和υ，故帶走的能量相對(duì)很小，實(shí)際上Q主要分配給β-和υ，形成它們的動(dòng)能。這種分配是隨機(jī)的，因此β-粒子的動(dòng)能可從零(Eβ-≈0，Eυ≈Emax)到一最大值Emax(Eβ-≈Emax，Eυ≈0)，形成一個(gè)連續(xù)的能量分布，稱為β-能譜(β-EnergySpectrum).通過(guò)計(jì)算質(zhì)量虧損或檢閱各種手冊(cè)得到的β-線能量常是各核素β-粒子的最大能量Emax。實(shí)際計(jì)算β-線輻射劑量時(shí)往往需用平均能量E，它約等于Emax的l／3。β－粒子的特性β－粒子實(shí)質(zhì)是負(fù)電子；衰變后質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)加１；β－粒子的能量分布從0～最大具有連續(xù)能譜，穿透力比a粒子大；電離能量比a粒子弱，能被鋁和機(jī)體吸收；在軟組織中的射程僅為幾厘米，可用于治療，如碘治療甲亢。(三)β+衰變：核內(nèi)中子相對(duì)缺少時(shí)，一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)中子，同時(shí)從核內(nèi)釋出一個(gè)正電子的過(guò)程，稱為β+衰變(PositronDecay，β+Decay)．正電子亦稱β+粒子或β+線(Positronorβ+Ray)，它的質(zhì)量與負(fù)電子完全相等，但所帶電荷相反。β+衰變時(shí)也同時(shí)發(fā)射一個(gè)穿透性極強(qiáng)、質(zhì)量極小的中性基本粒子，稱為中微子(Neutrino，υ)。

β+衰變的核素都是人工放射性核素。β+衰變的子核與母核相比，A不變而Z減少1，可用下式表示:質(zhì)量虧損△mz：△mz＝mz-(mz-1+me+me++mυ)=mz-mz-1-2meβ+衰變時(shí)質(zhì)量虧損較大。這是因?yàn)橘|(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶訒r(shí)需一個(gè)負(fù)電子，核內(nèi)有如下過(guò)程：部分質(zhì)量虧損轉(zhuǎn)化為1.022MeV能量，該能量轉(zhuǎn)化為一對(duì)正負(fù)電子，負(fù)電子與質(zhì)子中和形成中子，正電子釋出，剩余的質(zhì)量虧損則轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)射粒子的動(dòng)能。β＋衰變的條件是mz>mz-1+2me

。2me的質(zhì)量虧損正好是核內(nèi)形成一對(duì)正負(fù)電子所必須的1．022MeV能量的來(lái)源。β＋粒子的能譜與β－粒子相似，也是連續(xù)的，也有一個(gè)近似等于Q的Emax。β＋粒子全部動(dòng)能損失后，便和周圍物質(zhì)中的自由負(fù)電子結(jié)合，轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)方向相反而能量均為0.5llMeV的γ光子，電子本身的質(zhì)量則消失。這一現(xiàn)象稱為電子湮沒(méi)（Annihilation）,其γ輻射則稱湮沒(méi)輻射。

β＋粒子的特性β＋粒子實(shí)質(zhì)是正電子；衰變后子核質(zhì)量數(shù)不變，但質(zhì)子數(shù)減１；β＋也為連續(xù)能譜；天然核素不發(fā)生β＋衰變，只有人工核素才發(fā)生；應(yīng)用：PET成像。(四)電子俘獲衰變：電子俘獲衰變(ElectronCaptureDecay)是指缺中子核從核外俘獲一個(gè)軌道電子，使核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶拥乃プ冞^(guò)程。電子俘獲衰變常簡(jiǎn)稱EC衰變，它和β＋衰變一樣，子核的原子序數(shù)比母核減少1，原子質(zhì)量數(shù)不變，由于K層電子被俘獲的幾率最高，這種衰變有時(shí)也叫K電子俘獲。該過(guò)程也伴有中微子發(fā)射，可用下式表示：EC衰變時(shí)的衰變能Q除提供υ的動(dòng)能外，主要用于使核處于激發(fā)態(tài)，并隨即發(fā)射γ線。提供衰變能的質(zhì)量虧損△mz是：△mz=mz-mz-1-εi／C2

某一殼層(例如K層)的一個(gè)電子被俘獲后，該殼層就出現(xiàn)一個(gè)空位。于是處于較高能級(jí)的殼層電子就可躍遷到該空位，同時(shí)將多余的能量(相當(dāng)于躍遷前后兩殼層能級(jí)的差)以X線形式輻射出來(lái)。應(yīng)當(dāng)注意，此時(shí)由于核的變化，殼層電子已相當(dāng)?shù)亍案脑臁背勺芋w核素的殼層電子，所以釋出的子體核素的特征X線。

有時(shí)，電子躍遷多余的能量也可不以特征X線的形式釋出，而是傳遞給另一殼層電子，一部分用以克服該電子的結(jié)合能使之成為自由電子，其余部分則成為該電子的動(dòng)能。這樣釋出的電子稱為俄歇電子(AugerElectron)。

Ec衰變時(shí)釋出的X線和俄歇電子都不是直接來(lái)自核內(nèi)，而是次級(jí)輻射。它們?cè)谀芰糠矫娴奶攸c(diǎn)是:1)能量都較低，通常是KeV級(jí)；2)能量都是定值而不是連續(xù)譜，3)能量因被俘獲的電子和躍遷電子所處殼層不同而不同，所以每種核素EC衰變都可發(fā)射幾種不同能量的X線和俄歇電子，各有一定的機(jī)率；4)俄歇電子的能量一般都略低于相應(yīng)的X線．β＋衰變和EC衰變都發(fā)生在缺中子的核素，所以同一種核素有時(shí)可同時(shí)進(jìn)行這兩種衰變。(五)γ躍遷和同質(zhì)異能躍遷；有些核素在進(jìn)行α、β＋、β－或EC等衰變時(shí)，產(chǎn)生的子核可能暫時(shí)處于激發(fā)態(tài)核能級(jí)，再很快過(guò)渡到能量較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)．在這個(gè)過(guò)渡過(guò)程中，多余的能量以光子(Photon)的形式即γ線的形式發(fā)射出來(lái)。這種伴有γ光子發(fā)射的核能級(jí)躍遷稱為γ躍遷(GammaTransition)。激發(fā)態(tài)子體Y·―――Y基態(tài)+hν每一激發(fā)態(tài)的原子核退激時(shí)，可以不只釋出一個(gè)γ光子。大多數(shù)有γ躍遷的核素，子體處于激發(fā)態(tài)的時(shí)間約為10-13秒，因此，γ躍遷常被看作與母體核衰變同時(shí)發(fā)生。

有些核素激發(fā)態(tài)存在時(shí)間較長(zhǎng)，常被看作一種單獨(dú)的核素，稱為同質(zhì)異能素。它本身又作為母體，經(jīng)γ躍遷后變成Z和A都相同，但是能級(jí)不同的子體核。這種特殊的γ躍遷稱為同質(zhì)異能躍遷(IsomericTransition)，其過(guò)程如下：

有時(shí)原子核發(fā)生γ躍遷時(shí)不發(fā)射γ光子，而是把多余的能量交給核外繞行的電子(主要為K層，也有其它殼層電子)，使它脫離原子而放射出來(lái)。這種電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子，能量是固定的，近似于γ光子的能量。γ光子和內(nèi)轉(zhuǎn)換電子都是核從激發(fā)態(tài)躍遷至較低激發(fā)態(tài)或基態(tài)時(shí)可能產(chǎn)生的。由于內(nèi)轉(zhuǎn)換電子的發(fā)射，核外殼層電子出現(xiàn)空位，較高能級(jí)殼層的電子就進(jìn)行填補(bǔ)。因此發(fā)射內(nèi)轉(zhuǎn)換電子后，還會(huì)放射特征X線或俄歇電子，所以γ衰變時(shí)釋出的射線是較復(fù)雜的。

γ射線特性γ射線為光子流，不帶電，穿透力強(qiáng)，電離能力弱；γ射線在真空中速度為30萬(wàn)km/s。應(yīng)用：體外成像。三種衰變的比較α衰變質(zhì)量、質(zhì)子數(shù)都變；β衰變質(zhì)子數(shù)變，質(zhì)量數(shù)不變；γ衰變質(zhì)子、質(zhì)量數(shù)都不變，而能量改變。

射線

-射線正電子電子俘獲

射線氦核（42He）發(fā)生于原子序數(shù)>82的核素粒子質(zhì)量大，帶電核射程短、穿透力弱，不適合顯像射程短、能量單一，對(duì)局部的電離作用強(qiáng)，引入體內(nèi)后，對(duì)其局部的生物組織產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，而不影響遠(yuǎn)處組織。因此對(duì)開(kāi)展體內(nèi)惡性組織的放射性核素治療具有潛在優(yōu)勢(shì)應(yīng)用特征組成高速運(yùn)動(dòng)的電子流穿透力弱治療，如32P-真性紅細(xì)胞增多癥，131I－甲狀腺疾病

+粒子發(fā)生于貧中子核素射程僅1~2mmPET顯像

光子發(fā)生于衰變、衰變或核反應(yīng)之后

不帶電荷，運(yùn)動(dòng)速度快（等于光速），穿透力強(qiáng)，對(duì)組織的局部作用較

-射線和射線弱體外顯像Ｘ射線俄歇電子內(nèi)轉(zhuǎn)換電子發(fā)生于貧中子核素核醫(yī)學(xué)顯像、體外分析、放射性核素治療衰變規(guī)律放射性核素是不穩(wěn)定的，它要自發(fā)地發(fā)生衰變而變成新元素的核。放射性原子核并不是同時(shí)衰變的，對(duì)于某一個(gè)原子核而言，何時(shí)衰變是各自獨(dú)立沒(méi)有規(guī)律的，但對(duì)于某一種原子核的群體而言，它的衰變是有規(guī)律的，即原子核數(shù)目隨時(shí)間增長(zhǎng)按指數(shù)規(guī)律減少。11.半衰期，T1/2(half-life)物理半衰期（physicalhalflife）:放射性核素減少至一半，所需的時(shí)間。越短說(shuō)明核素衰變?cè)娇?。生物半衰期（biologicalhalflife）:生物體內(nèi)的放射性核素由于機(jī)體代謝從體內(nèi)排出一半所需的時(shí)間。有效半衰期（effectivehalflife）:生物體內(nèi)的放射性核素由于機(jī)體代謝從體內(nèi)和物理衰變兩個(gè)因素作用，減少至原有放射性活度的一半所需的時(shí)間。T1/2為每一放射性核素所特有。測(cè)定T1/2可確定核素種類，甚至可推斷放射性核素混合物中核素種類。例如：99mTc6Hr153Sm47Hr

131I8Day186Re90Hr32P14Day125I60day12.放射性活