醫(yī)用物理課件：第17章原子核和放射性

1、第十七章,原子核和放射性,1、原子核的基本性質(zhì) 2、原子核的衰變類型 3、原子核的衰變規(guī)律 4、射線與物質(zhì)的相互作用 5、輻射劑量與防護(hù)及測(cè)量原理 6、放射性核素在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用,教學(xué)基本要求,掌握原子核的衰變規(guī)律和應(yīng)用。 理解射線與物質(zhì)相互作用的幾種形式。 理解射線劑量的定義及射線的防護(hù)方法。 了解原子核的基本性質(zhì)和原子核的衰變類型。放射性核素在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。,引 言,盧瑟福提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型,貝克勒爾,居里夫婦,原子核放射性,1. 原子核的組成,第一節(jié) 原子核的基本性質(zhì),質(zhì)子 p +e Z 中子 n 0 N,核子,A:質(zhì)量數(shù) = 核子總數(shù) A = Z + N,Z：質(zhì)子數(shù) = 核外電子數(shù)

2、= 原子序數(shù),一、原子核的組成、質(zhì)量和大小,N:中子數(shù),2. 原子核的質(zhì)量,原子質(zhì)量單位u,mp=1.0072761.6710-27(kg),mn=1.0086651.6710-27(kg),m =Au,原子核的質(zhì)量,3. 核素：具有確定質(zhì)子數(shù)、核子數(shù)和能量狀態(tài)的中性原子。,核素的符號(hào)表示法,或,X：元素符號(hào)， Z：原子序數(shù)， A：核子數(shù),1）同位素： Z相同、A不同的核素。,2）同中子異位素：N相同、Z不同的核素。,3）同量異位素：A相同、Z不同的核素。,4）同核異能素：A和Z相同而處于不同能量狀態(tài)的核素。,同位素豐度:同位素在自然界中含量的百分比。,A mX、AX表示. 99mTc 99T

3、c m表示能量高。,4. 原子核的大小,R0=1.210-15m。,A：質(zhì)量數(shù),R：原子核半徑,原子核的平均密度,地球平均密度=6 103kg.m-3,8,二、原子核的自旋和磁矩,1. 原子核的自旋,*原子核的角動(dòng)量,*質(zhì)子和中子的自旋角動(dòng)量和軌道運(yùn)動(dòng)角動(dòng)量的矢量和,*自旋大小和方向都量子化,I ：核自旋量子數(shù)，整數(shù)和半整數(shù)。,*核自旋在某方向投影,mI:核自旋磁量子數(shù),mI：- I , - I+1 ,. ,I-1 , I,基態(tài)原子核：偶偶核I為0，奇偶核I為半整數(shù)，奇奇核I為整數(shù)。,2. 原子核的磁矩,*核磁矩在某方向上的投影,*帶電體系自旋,必有磁矩.,N：核磁子。用做核磁矩的單位。,*核

4、磁矩與核自旋的關(guān)系,核磁矩大小和方向都量子化,mp質(zhì)子質(zhì)量, e為電子電量,g朗德因子,三、原子核的結(jié)合能及質(zhì)量虧損,3. 結(jié)合能 : 自由核子結(jié)合成原子核時(shí)釋放的能量。,1、愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系,1）實(shí)驗(yàn)表明：任何一個(gè)原子核的質(zhì)量總是小于構(gòu)成它的所有核子獨(dú)立存在時(shí)的總質(zhì)量.,1 u質(zhì)量相當(dāng)于931.5MeV的能量。,2. 質(zhì)量虧損,2）質(zhì)量虧損: 組成原子核所有核子的質(zhì)量與原子核質(zhì)量之差。,例：質(zhì)子與中子結(jié)合成氘核時(shí)釋放多少能量？,m=mp+mn-md = 1.007276u1.008665u2.013552u = 0.00239 u,*釋放的能量越多，結(jié)合就越緊密，原子核就越穩(wěn)定。,3. 原子

5、核的平均結(jié)合能（比結(jié)合能）, 越大，核子間結(jié)合得越緊密； 核穩(wěn)定性的越高。,中等核比重核和輕核都穩(wěn)定。,獲得核能的兩種途徑：輕核聚變和重核裂變,輕核聚變：氫彈和太陽(yáng)能源,重核裂變：原子彈和原子反應(yīng)堆,4. 核力,1）萬有引力,2）電磁力,3）核力,短程力;,強(qiáng)相互作用力;,具有飽和性;,與電荷無關(guān).,原子核內(nèi)核子之間的作用力,四、原子核的宇稱,1、宇稱是表征微觀粒子運(yùn)動(dòng)特性的一個(gè)物理量。,用波函數(shù)在空間坐標(biāo)反演下的變換性質(zhì)來表示。,當(dāng)(r) = +(- r)時(shí)，稱粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有偶宇稱（宇稱為正）； 當(dāng)(r) = (- r)時(shí)，稱粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有奇宇稱（宇稱為負(fù)）。,2、偶宇稱和奇宇稱,作

6、業(yè)P296 1，3,第二節(jié) 原子核的衰變類型,*核衰變: 放射性（不穩(wěn)定）核素能自發(fā)放出射線（粒子）變?yōu)榱硪环N核素的現(xiàn)象。,*衰變過程滿足的守恒定律,質(zhì)量和能量守恒定律， 動(dòng)量守恒定律， 電荷守恒定律， 核子數(shù)守恒定律.,* 衰變能Q: 核衰變過程中釋放的能量。,2、衰變式（位移法則）,一、衰變,X：母核,Y：子核，Q：衰變能,3、衰變綱圖,1定義：放射性核素放射出一個(gè)粒子（氦核 ）的衰變。,鐳原子核放射出來的粒子具有三種不同的能量。,-衰變式,核素自發(fā)地放射出射線（高速電子）或俘獲軌道電子而變成另一個(gè)核素的現(xiàn)象。,二、衰變,1. - 衰變：母核自發(fā)地放射出一個(gè)-粒子（普通電子e-）和一個(gè)反中

7、微子。,2. + 衰變：母核自發(fā)地放射出一個(gè)+ 粒子（正電子e+）和一個(gè)中微子。,3、電子俘獲（EC）：母核俘獲一個(gè)核外電子，同時(shí)放出一個(gè)中微子。,俄歇電子：電子躍遷時(shí)不輻射標(biāo)識(shí)射線，而將其能量傳給同一能級(jí)的另一電子，使其成為自由電子，此自由電子即為俄歇電子。,3）射線能譜是連續(xù)的。,1）中微子和反中微子：質(zhì)量數(shù)為零，電荷為零。,4. 說明,2）衰變的共同特征：子核與母核的核子數(shù)相同。,4）衰變的實(shí)質(zhì)：,三、衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換,1、衰變：原子核由高能（激發(fā)）態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)釋放光子的現(xiàn)象。,2、內(nèi)轉(zhuǎn)換：原子核從激發(fā)態(tài)向較低能級(jí)躍遷時(shí)不放出光子，把這部分能量直接傳遞給核外的內(nèi)層電子,使其成為自由電子（

8、內(nèi)轉(zhuǎn)換電子）的現(xiàn)象。,99Tc的衰變。,內(nèi)殼層出現(xiàn)空位后產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線或俄歇電子。, 衰變總是伴隨著、衰變。,光子不帶電，靜止質(zhì)量為零。,3、說明,作業(yè)P296 13,dN = Ndt,第三節(jié) 原子核的衰變規(guī)律,1、核衰變是一隨機(jī)過程，服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。,一、衰變規(guī)律,N0是t=0時(shí)原子核個(gè)數(shù)。,3、衰變常數(shù) ,*單位：S-1,*大小由核素決定。,*表示一個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率.,2、衰變規(guī)律,*越大，衰變?cè)娇臁?二、半衰期,1. 半衰期（物理半衰期T ） ：原子核數(shù)目因衰變減少到原來的一半所需的時(shí)間。,單位：s；min；h；d；a,半衰期與衰變常量成反比.,用半衰期表示的衰變規(guī)律,2

9、. 平均壽命,* 平均壽命：放射性核平均生存的時(shí)間,*問題：計(jì)算這10個(gè)人的平均壽命。1人活50歲，2個(gè)人活了90歲，4個(gè)人活了80歲，3個(gè)人活了70歲。,一定量放射性核素中所有核的壽命相加再除以總核數(shù).,Te、T和Tb的關(guān)系,3. 生物半衰期Tb 由于各種排泄作用而使生物體內(nèi)的放射性原子核數(shù)目減少一半所需的時(shí)間。,4. 有效半衰期Te 同時(shí)考慮物理半衰期和生物半衰期，使生物機(jī)體內(nèi)放射性原子核數(shù)目減少一半所需的時(shí)間。,有效衰變常量。,b為生物衰變常量。,生物體內(nèi)衰變規(guī)律,1定義：放射性物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)衰變的原子核數(shù).,三、放射性活度（強(qiáng)度）A,*定義式,t=0時(shí)的放射性活度.,2、單位: 貝可

10、 ( Bq ),常用單位:居里 ( Ci )。,1Bq=1次核衰變/秒,*規(guī)律,3、比活度: 單位質(zhì)量放射源的放射性活度。,比活度越大放射性物質(zhì)的純度越高。,4、物質(zhì)質(zhì)量為M時(shí)原子的個(gè)數(shù)N,例、考古學(xué)上應(yīng)用：木乃伊的存在年代如何計(jì)算?,測(cè)量某木乃伊骨骼所含14C的量是同質(zhì)量有生命骨骼含量的1/4,求此木乃伊死亡的年代?,活著生物體骨骼內(nèi)14C、12C的數(shù)量之比(平衡比)與空氣相同是確定的值(1.310-12),生物體死亡后,14C值將逐漸減少,14C的半衰期T1=5730a由此可求出骨骼存放年代.,解：衰變定律,例：已知某放射性核素在5min內(nèi)減少了43.2%,求它的衰變常量、半衰期和平均壽命

11、.,解： 根據(jù)衰變定律,例：臨床上常用 59Fe 作血液異常檢查。已知 59Fe 的 半衰期為46.3d, 服用9天后測(cè)得體內(nèi)的相對(duì)殘留量為79%，求59Fe的生物半衰期是多少？,解：,例：求 5g鈾鹽(U3O8)的放射性活度 (TU = 4.47109 a)（P296，12）,解：求 U 在 U3O8 中所占的百分比,求 5g 鈾鹽中所含 U 的質(zhì)量,U 的放射性活度,求鈾的原子核數(shù) N,U分子量 = 238 U3O 8分子量 = 2383+168 = 842,m = 584.8% = 4.24(g),例： 3215P 經(jīng)過7.15天后留存的核數(shù)與開始時(shí)的核數(shù)之比為2/2，求：（1） 321

12、5P的半衰期；（2）1.00ug的3215P的活度；（3） 1.00ug的3215P在28.6天中所放出的 _粒子數(shù)。,N=N0 N=1.41 1016個(gè),解：(1)N= N0(1/2)t/T (1/2)7.15/T= 2/2=(1/2)1/2 T=14.3d.,(2)N0=1.0010-6/32 6.02 1023=1.88 1016個(gè) =0.693/T=0.693/14.3=0.0485d-1=5.61 10-7 s-1 活度為：A= N0= 5.61 10-7 1.88 1016 =1.05 1010Bq,四、放射性平衡,1、級(jí)聯(lián)衰變： 放射性核素衰變一次后，其子核仍具有放射性而繼續(xù)衰變

13、，直到穩(wěn)定核素而終止。,2、四個(gè)放射系（級(jí)聯(lián)衰變鏈）,3、放射性平衡,設(shè)t=0時(shí)，NA=NA0，NB0=NC0=0,在tt+dt時(shí)間內(nèi)母核衰變數(shù),(1)母核衰變規(guī)律,(2)子核衰變規(guī)律,在tt+dt時(shí)間內(nèi)子核B的凈增加數(shù),TATB,t,(3)放射性平衡,級(jí)聯(lián)衰變中，各代核的數(shù)量比與時(shí)間無關(guān)的現(xiàn)象。,*放射性平衡,子核每秒衰變的核數(shù)等于它從母核得到補(bǔ)充的核數(shù)，子核數(shù)目保持不變。,*核素發(fā)生器（母牛）：由長(zhǎng)壽命核素制取短壽命核素的分離裝置.,子核與母核衰變規(guī)律相同,作業(yè)P296 4，6，8，11,1. 電離和激發(fā),第四節(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,1） 電離,（1）直接電

14、離：帶電粒子使某個(gè)電子獲得能量脫離原子成為自由電子。,（2）間接電離：從原子中脫離的電子，再與其它原子作用引起的電離。,（3）比電離（電離比值）,*意義：表示帶電粒子電離本領(lǐng)大小,對(duì)生物體而言,表示對(duì)生物體的損傷程度。,*定義：每厘米長(zhǎng)的徑跡上離子對(duì)數(shù)目。,2）激發(fā),*影響因素,Q 帶電粒子電量 v 帶電粒子速度 物質(zhì)密度,帶電粒子使電子由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)的現(xiàn)象。,1Mev帶電粒子,粒子比粒子的電離比值大,激發(fā)的結(jié)果：產(chǎn)生光子。,2、散射與韌致輻射,1）散射：帶電粒子在物質(zhì)中受原子核靜電力的作用而改變方向。,*彈性散射：帶電粒子能量不變。 *非彈性散射：帶電粒子能量有損失。,2）韌致輻射：帶

15、電粒子通過物質(zhì)時(shí)，受到原子核的作用，速度急劇減少，帶電粒子的一部分能量以光子的形式發(fā)射出來。,3. 射程和吸收,2）路程：帶電粒子吸收前在物質(zhì)中沿運(yùn)動(dòng)軌跡所經(jīng)過的距離。,3）射程：路程沿入射方向的投影。,1）吸收：帶電粒子能量完全喪失時(shí)，粒子射線將消失。,*射程總是小于路程。,*粒子比粒子的穿透本領(lǐng)小。,*射程長(zhǎng)，穿透本領(lǐng)大。,4. 正電子與物質(zhì)的相互作用（電子對(duì)湮滅）：正電子與自由電子結(jié)合而轉(zhuǎn)化為兩個(gè)能量相等（都是0.511 MeV)、飛行方向相反的光子。,二 光子與物質(zhì)的相互作用（自學(xué)為主）,1. 光電效應(yīng),X（）光子將全部能量交給殼層電子, 產(chǎn)生光電子飛出。,光電子 標(biāo)識(shí)X射線 俄歇電子

16、,2. 康普頓效應(yīng)（散射）,X（）光子與外層電子發(fā)生非彈性碰撞，使其脫離原子成為反沖電子，光子能量減小，以散射光子的形式改變前進(jìn)方向。,3. 電子對(duì)效應(yīng),X（）光子能量大于電子靜止能量的兩倍時(shí)(1.02Mev), 光子在原子核附近轉(zhuǎn)化為一對(duì)正、負(fù)電子飛出.,4說明：三種作用與光子能量和原子序數(shù)的關(guān)系,低能：原子序數(shù)Z大， 光電效應(yīng)為主； 中能：康普頓散射為主； 高能：電子對(duì)效應(yīng)為主。,放射線的性質(zhì)及其比較,氦核,+2,4,0.1c,最強(qiáng),最弱,電子,-1,1/1840,0.9c,較強(qiáng),較強(qiáng),光子,0,0,c,最弱,最強(qiáng),三、中子與物質(zhì)的相互作用,2. 彈性散射 ：能量低的中子與核的相互作用。,

17、3.非彈性碰撞（核反應(yīng)）：能量高的中子與核的相互作用。,*非彈性散射 ( n , n )中子發(fā)射，能量減小，核處于激發(fā)態(tài) 。,1、許多核衰變中會(huì)產(chǎn)生中子。如鈾核裂變。,23599U + 10n =9038Sr + 13654Xe +10 10n,*中子俘獲 ( n , ) 中子留在核內(nèi)，結(jié)合能以光子形式發(fā)射。,*電荷交換反應(yīng),4、中子的防護(hù),常用含氫較多的水、石蠟使中子減速且吸收中子。,( n , p ) 中子留在核內(nèi)，發(fā)射出一個(gè)質(zhì)子。,（n，）中子留在核內(nèi)，發(fā)射出一個(gè)粒子。,電離輻射： 、粒子，光子和中子通過物質(zhì)時(shí)，能直接和間接產(chǎn)生電離作用。,第五節(jié) 輻射劑量與防護(hù)及測(cè)量原理,輻射效應(yīng)：各種

18、電離輻射通過物質(zhì)時(shí)都將使物質(zhì)發(fā)生變化。,生物效應(yīng)：人體組織吸收電離輻射能量后，會(huì)產(chǎn)生物理、化學(xué)和生物學(xué)的變化，導(dǎo)致生物組織的損傷。,劑量：表示人體接受電離輻射多少的物理量。,1. 照射量E（X或射線）,E=dQ/dm,一、輻射劑量及其單位,1）定義: X或射線在單位質(zhì)量的干燥空氣中形成的同種符號(hào)離子的總電荷量.,(C/kg),2）說明,*直接量度X或光子對(duì)空氣的電離能力,*僅適應(yīng)于X或光子能量在幾個(gè)KeV幾個(gè)MeV范圍內(nèi)。,3）照射率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的照射量.,(C/kg.s)或(R/s),常用單位（R）倫琴,2. 吸收劑量D,1)定義：?jiǎn)挝毁|(zhì)量的物質(zhì)所吸收到的輻射能量。,D=dE/dm,J/kg

19、 ，戈瑞（Gy）,1Gy=1Jkg-1,1 Gy = 100 rad,2）吸收劑量與輻射類型、物質(zhì)種類和照射位置有關(guān),3）吸收劑量率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)的吸收劑量。,單位：Gy/s,3.當(dāng)量劑量HT,1）意義：反映電離輻射對(duì)人體損傷程度的物理量.,常用單位：拉德（rad）,2）引入原因：由于輻射類型等的不同，即使吸收劑量相同,引起的生物效應(yīng)也可能相差很大.,3）輻射權(quán)重因子R：根據(jù)射線生物效應(yīng)的強(qiáng)烈程度引入。,4）當(dāng)量劑量HT,某一組織或器官T所接受的平均吸收劑量DT,R與輻射權(quán)重因子wR 的乘積,HT = wR DT,R,單位：希沃特（Sv)， 1Sv=1Jkg-1。 常用單位：雷姆（rem) 1Sv = 100rem,4、注意：當(dāng)量劑量與吸收劑量的異同。,二、輻射防護(hù),1. 最大容許劑量（MPD）,我國(guó)現(xiàn)行規(guī)定的MPD為每年不超過50 mSv。,國(guó)際上規(guī)定經(jīng)過長(zhǎng)期積累或一次性照射后，對(duì)機(jī)體既無損害又不發(fā)生遺傳危害的最大照射劑量。,人們?cè)谌粘Ｉ钪幸恢笔艿礁鞣N各樣的照射。,2. 外照射防護(hù),放射源在體外對(duì)人體進(jìn)行的照射