1、原子核和放射線原子核和放射線第十三章第十三章Atomic Nucleus and Radioactive Ray 原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì) 原子核的衰變規(guī)律原子核的衰變規(guī)律主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容射線的探測與防護(hù)射線的探測與防護(hù) 磁共振成像磁共振成像 核醫(yī)學(xué)成像與放射治療核醫(yī)學(xué)成像與放射治療重點(diǎn)重點(diǎn) 原子核的衰變規(guī)律原子核的衰變規(guī)律難點(diǎn)難點(diǎn) 磁共振成像磁共振成像原子核的基本性質(zhì)原子核的基本性質(zhì)(basic properties of atomic nucleus ) 一、一、概況概況1.1.組成組成XAZXA2.2.符號表示符號表示質(zhì)子、中子質(zhì)子、中子為元素的化學(xué)符號為元素的化學(xué)符號 X

2、為原子序數(shù)為原子序數(shù) Z為核子數(shù)為核子數(shù) A原子質(zhì)量單位原子質(zhì)量單位ukg101.66054021u27 u007276. 1mpu008665. 1mn質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的一組核。質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的一組核。氫）(H1氘）(H2氚）(H3氫的同位素有：氫的同位素有：310R AR m102 . 1150R317mkg102.33.3.質(zhì)量質(zhì)量4.4.同位素同位素(isotope)5.5.尺度與密度尺度與密度 短程力短程力； 強(qiáng)相互作用；強(qiáng)相互作用；與電荷無關(guān)；與電荷無關(guān)； 6.6.核力核力二、平均結(jié)合能二、平均結(jié)合能）質(zhì)量虧損（核的質(zhì)量分離核子的質(zhì)量合m的質(zhì)量虧損H21）（u0.00

3、23892.0135522.015941m核子結(jié)合成原子核所釋放出來的能量稱為結(jié)合能核子結(jié)合成原子核所釋放出來的能量稱為結(jié)合能 AE平均結(jié)合能2mEc 2cmE重核分裂成中等重核分裂成中等質(zhì)量的核為裂變。質(zhì)量的核為裂變。輕核聚合成較重輕核聚合成較重的核為聚變。的核為聚變。原子核的衰變規(guī)律原子核的衰變規(guī)律(decay law of atomic nucleus) 一、一、衰變類型衰變類型 放射性核素自發(fā)地放出某種射線而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌派湫院怂刈园l(fā)地放出某種射線而轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌怂氐默F(xiàn)象稱為衰變。核素的現(xiàn)象稱為衰變。 1. 1. 衰變衰變QHeY X424A2ZAZ4.78MeVHeRnRa4222286

4、226882. 2. 衰變衰變衰變包括衰變包括 衰變、衰變、 衰變和電子俘獲。衰變和電子俘獲。QeYX) 1 (0001 -A1ZAZ1.71MeVeS P000-132163215 QeYX)2(0001A1ZAZ只有人工放射性核素才能進(jìn)行只有人工放射性核素才能進(jìn)行 衰變衰變正、負(fù)電子碰撞消失轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶泡椛浞Q為湮滅。正、負(fù)電子碰撞消失轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶泡椛浞Q為湮滅。原子核俘獲一個核外電子稱為電子俘獲原子核俘獲一個核外電子稱為電子俘獲QYeX)3(00A1Z01 -AZ3. 3. 衰變衰變原子核發(fā)出原子核發(fā)出 射線的過程射線的過程衰變成衰變成 需經(jīng)過幾次需經(jīng)過幾次和幾次和幾次衰變衰變？Rn22286P

5、b20682例例衰變次數(shù)衰變次數(shù)次）(44206222衰變次數(shù)衰變次數(shù)82886n次）(4n二、二、衰變規(guī)律衰變規(guī)律1.1.衰變常數(shù)衰變常數(shù)tNNdd tNNdd衰變常數(shù)表示衰變常數(shù)表示單位時間原子單位時間原子核衰變的幾率核衰變的幾率 為衰變常數(shù)。為衰變常數(shù)。0N0t 表示表示 時原子核的數(shù)目，時原子核的數(shù)目， tNN e02.2.半衰期半衰期原子核數(shù)量衰減到原數(shù)量一半所對應(yīng)的時間原子核數(shù)量衰減到原數(shù)量一半所對應(yīng)的時間 TNN e2000.693ln2 TtTeNN2ln0TtNN)21(0 60Co的半衰期為的半衰期為5.27y人體代謝使原子核數(shù)目減少一半所需要的時間人體代謝使原子核數(shù)目減少

6、一半所需要的時間（1）生物半衰期生物半衰期原子核實(shí)際數(shù)目減少一半所需要的時間原子核實(shí)際數(shù)目減少一半所需要的時間)T(b（2 2）有效半衰期有效半衰期)T(eTTTbe111 eTtNN)21(0 3.3.平均壽命平均壽命)(原子核在衰變前存在時間的平均值原子核在衰變前存在時間的平均值 TNtNt4411d00. 三、放射線強(qiáng)度三、放射線強(qiáng)度放射源在單位時間內(nèi)衰變的原子核個數(shù)放射源在單位時間內(nèi)衰變的原子核個數(shù) -111Bq秒次核衰變SI-110107 . 31Ci秒次核衰變1 1克鐳每秒的核衰變數(shù)目克鐳每秒的核衰變數(shù)目 放射性強(qiáng)度只是指放射源單位時間內(nèi)衰變的原放射性強(qiáng)度只是指放射源單位時間內(nèi)衰變

7、的原子核數(shù)，而不是指發(fā)出射線的數(shù)量或能量。子核數(shù)，而不是指發(fā)出射線的數(shù)量或能量。 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用(interaction of radiation with matters) 射線分類射線分類作用：作用：產(chǎn)生熒光；底片感光；電子電離；貫穿本領(lǐng)。產(chǎn)生熒光；底片感光；電子電離；貫穿本領(lǐng)。重的帶電粒子，重的帶電粒子，粒子；粒子；輕的帶電粒子，電子和正電子；輕的帶電粒子，電子和正電子；光子組成的射線，光子組成的射線，射線和射線和射線；射線；中性粒子，中子。中性粒子，中子。一、帶電粒子一、帶電粒子每厘米路徑上電離的離子對數(shù)。每厘米路徑上電離的離子對數(shù)。1.1.電離比值電離比值電

8、量電量速度速度密度密度電離比值電離比值2.2.射程和吸收規(guī)律射程和吸收規(guī)律帶電粒子在物質(zhì)中所通過的最大厚度。帶電粒子在物質(zhì)中所通過的最大厚度。粒子粒子粒子在空氣中的吸收曲線粒子在空氣中的吸收曲線 粒子在空氣中的吸收曲線粒子在空氣中的吸收曲線 二、二、 射線射線hhhhe e光電子反沖電子三、中子三、中子1.1.俘獲：中子被原子核俘俘獲：中子被原子核俘獲后引起核反應(yīng)，常伴有獲后引起核反應(yīng)，常伴有射線的產(chǎn)生。射線的產(chǎn)生。 中子中子核子核子中子中子反沖核反沖核2.2.散射：中子碰到原子核散射：中子碰到原子核使原子核形成反沖核，而使原子核形成反沖核，而中子則被散射。中子則被散射。 中子容易被含氫原子的

9、物質(zhì)吸收中子容易被含氫原子的物質(zhì)吸收中子中子核子核子中子中子四、輻射劑量四、輻射劑量照射劑量照射劑量（ ）EmQEdd 14kgC102.581R吸收劑量吸收劑量( )( )DmEDdd -1kg1J=Gy( 1戈瑞）)rad( 100Gy 1拉德當(dāng)量劑量當(dāng)量劑量( )( )THRRTTDH 1kg1J)1Sv(希沃特)100rem(1Sv雷姆RTD(平均吸收劑量平均吸收劑量) R(輻射權(quán)重因子輻射權(quán)重因子) 射線的探測與防護(hù)射線的探測與防護(hù)(radiation detection and radiation protection ) 一、探測方法及探測器一、探測方法及探測器1.1.方法：電離

10、、熒光和感光等。方法：電離、熒光和感光等。 2.2.探測器：探測器：MG 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器二、防護(hù)二、防護(hù)射線紙能將其線吸收；射線紙能將其線吸收；射線鋁片能將它擋住；射線鋁片能將它擋?。簧渚€鉛板防護(hù)；射線鉛板防護(hù)；中子含氫物質(zhì)防護(hù)。中子含氫物質(zhì)防護(hù)。 紙紙鋁片鋁片鉛板鉛板磁共振成像磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI) 多核信號的診斷。多核信號的診斷。無放射損害；無放射損害；能獲得器官和組織的功能信息；能獲得器官和組織的功能信息；20032003年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎P.Mansfield （1933）一、磁共振原理一、磁共振原理1.1.核

11、磁共振核磁共振BBEmN cos-BgEN211 BgEN212 BgEhN 當(dāng)射頻場頻率符合當(dāng)射頻場頻率符合 時，能級躍時，能級躍遷，遷，稱為核磁共振稱為核磁共振。掃頻法：掃頻法： 掃場法：掃場法： 2.2.核磁共振波譜儀核磁共振波譜儀固定外磁場，連續(xù)改變射頻的頻率。固定外磁場，連續(xù)改變射頻的頻率。 固定射頻頻率，連續(xù)改變外磁場。固定射頻頻率，連續(xù)改變外磁場。 二、核磁共振成像方法及其成像系統(tǒng)二、核磁共振成像方法及其成像系統(tǒng)1.1.成像方法成像方法怎樣標(biāo)記受檢體共振核的空間位置怎樣標(biāo)記受檢體共振核的空間位置 h BgN共振頻率與磁場強(qiáng)度成正比共振頻率與磁場強(qiáng)度成正比頻率分布決定共振核的空間分

12、布頻率分布決定共振核的空間分布強(qiáng)度分布決定共振核的密度分布強(qiáng)度分布決定共振核的密度分布（2 2）在此層面內(nèi)施加旋轉(zhuǎn)梯度場在此層面內(nèi)施加旋轉(zhuǎn)梯度場 ；lBlBBdd0（1 1）定義出欲觀察的層面定義出欲觀察的層面 ；0B（3 3）掃頻法獲得一維投影值，進(jìn)而重建圖像。掃頻法獲得一維投影值，進(jìn)而重建圖像。2.2.成像系統(tǒng)成像系統(tǒng)梯度、射頻場的控制和信號的接收梯度、射頻場的控制和信號的接收數(shù)據(jù)處理與顯示圖像數(shù)據(jù)處理與顯示圖像磁體系統(tǒng)磁體系統(tǒng)譜儀系統(tǒng)譜儀系統(tǒng)圖像重建系統(tǒng)圖像重建系統(tǒng)（常規(guī)、超導(dǎo)、永磁）（常規(guī)、超導(dǎo)、永磁）主磁體主磁體梯度線圈梯度線圈射頻線圈（頻率范圍由磁場決定）射頻線圈（頻率范圍由磁場決

13、定）)mT105(-13T)310(1梯度線圈梯度線圈主磁體主磁體射頻線圈射頻線圈磁體系統(tǒng)磁體系統(tǒng)孔孔數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理顯示與操作顯示與操作能源能源磁共振成像的醫(yī)學(xué)應(yīng)用磁共振成像的醫(yī)學(xué)應(yīng)用核醫(yī)學(xué)成像與放射治療核醫(yī)學(xué)成像與放射治療(nuclear medicine imaging and radiation therapy) 一、核醫(yī)學(xué)成像一、核醫(yī)學(xué)成像 利用放射性核素作標(biāo)記，使用探測器記錄在臟利用放射性核素作標(biāo)記，使用探測器記錄在臟器和組織中的放射性核素濃度分布及其隨時間的變器和組織中的放射性核素濃度分布及其隨時間的變化?；?1. 1. 照相機(jī)照相機(jī)2.2.單光子發(fā)射型單光子發(fā)射型CT CT

14、single photon emission computed tomography (SPECT) 3.3.正電子發(fā)射型正電子發(fā)射型CTCTpositron emission tomography (PET)二、放射治療裝置二、放射治療裝置 利用放射性核素在衰變過程中所產(chǎn)生的射線或利用放射性核素在衰變過程中所產(chǎn)生的射線或通過被加速器加速的某些射線束，對腫瘤等疾病進(jìn)通過被加速器加速的某些射線束，對腫瘤等疾病進(jìn)行治療的裝置。行治療的裝置。 Co601. 1. 治療機(jī)治療機(jī) 既可做深部也可做表淺部位腫瘤治療。既可做深部也可做表淺部位腫瘤治療。 該機(jī)具有經(jīng)濟(jì)、可靠、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)該機(jī)具有經(jīng)濟(jì)

15、、可靠、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前放射治療的主要設(shè)備之一。點(diǎn)，是目前放射治療的主要設(shè)備之一。產(chǎn)生兩種能量的產(chǎn)生兩種能量的 射線射線MeV)33. 1MeV,17. 1 (2.2.加速器加速器 電子感應(yīng)加速器電子感應(yīng)加速器 電子直線加速器電子直線加速器 3. 3. 刀刀、 刀刀 X帶電粒子可旋轉(zhuǎn)百萬圈，能量達(dá)到幾十帶電粒子可旋轉(zhuǎn)百萬圈，能量達(dá)到幾十 。MeV 融立體定向和放射外科技術(shù)于一體，以治療顱腦融立體定向和放射外科技術(shù)于一體，以治療顱腦疾病為主。疾病為主。 19501950年提出設(shè)想年提出設(shè)想 19681968年第一臺伽馬刀年第一臺伽馬刀無創(chuàng)傷、不出血、不需麻醉、不需要特殊術(shù)前準(zhǔn)備。無創(chuàng)傷、不