1、第一章第一章 核醫(yī)學(xué)的核物理基礎(chǔ)核醫(yī)學(xué)的核物理基礎(chǔ)原子核中子質(zhì)子電子+ +第一節(jié)第一節(jié) 原子的基本結(jié)構(gòu)原子的基本結(jié)構(gòu)核素核素 ：具有特定質(zhì)量數(shù)、原子序數(shù)與核能態(tài)，其平均壽命：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。長得足以被觀測的一類原子稱為核素。核素及符號(hào)表示核素及符號(hào)表示核核 素素質(zhì)子數(shù)質(zhì)子數(shù)中子數(shù)中子數(shù)質(zhì)量數(shù)質(zhì)量數(shù)符符 號(hào)號(hào)氦氦-4-42 22 24 44 4HeHe碳碳-12-126 66 612121212C C碳碳-13-136 67 713131313C C碳碳-14-146 68 814141414C C穩(wěn)定核素穩(wěn)定核素 原子核穩(wěn)定，不會(huì)自

2、發(fā)衰變的核素稱為穩(wěn)定核素。放射性核素放射性核素 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(jí)調(diào)整才能趨于穩(wěn)定的核素,稱為放射性核素（radionuclide）。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。位素。即質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的核素。同位素同位素圖2-2氕、氘、氚互為同位素同質(zhì)異能素同質(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。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)異能素基態(tài)的原子和激發(fā)態(tài)的原子互為同質(zhì)

3、異能素(isomer)(isomer)。 Tcm9943Tc9943m9943Tc同質(zhì)異能素同質(zhì)異能素 氚發(fā)生-衰變，衰變?yōu)楹?第第二二節(jié)節(jié) 核衰變核衰變定義：放射性核素由于核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級(jí)調(diào)整，自發(fā)地釋定義：放射性核素由于核內(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)化為另一種核素的過程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, , 稱為核衰變稱為核衰變(nuclear decay)(nuclear decay)。 一、核衰變的類型一、核衰變的類型定義：衰變時(shí)放射出定義：衰變時(shí)放射出 粒子的衰變稱粒子的衰變稱 衰變衰變( ( decay) decay) 。 衰變發(fā)生于原子序數(shù)

4、衰變發(fā)生于原子序數(shù) 82 82的核素。的核素。+ + Q MeV937. 4HeRnRa422228622688-定義：釋放出定義：釋放出 - -粒子的衰變稱粒子的衰變稱 - -衰變衰變( ( - decay) - decay) 。 - -衰變發(fā)生于富中子核素，實(shí)質(zhì)上是原子核的一個(gè)衰變發(fā)生于富中子核素，實(shí)質(zhì)上是原子核的一個(gè)中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子。中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子。 QYXA1ZAZMeV71. 1SP32163215+定義：定義：釋放出釋放出 粒子的粒子的衰變方式衰變方式稱為稱為 衰變衰變( ( decay)decay)。 衰變發(fā)生于貧中子核素，實(shí)質(zhì)上是原子核的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)衰變發(fā)生于貧中子核素，實(shí)質(zhì)上是原

5、子核的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子?；癁橹凶?。 QYXA1ZAZMeV66. 0OF188189定義：電子俘獲定義：電子俘獲(electron capture)(electron capture)是指原子核從是指原子核從核外俘獲一個(gè)軌道電子。核外俘獲一個(gè)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(duì)電子俘獲也發(fā)生在貧中子核素，由于核內(nèi)中子相對(duì)不足而從核外內(nèi)層的電子軌道上俘獲一個(gè)電子，使不足而從核外內(nèi)層的電子軌道上俘獲一個(gè)電子，使其一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子。其一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子。 YeXA1Z01AZMneFe5525015526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)躍定義：原子核由激發(fā)態(tài)向基態(tài)或

6、由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)，放出遷時(shí)，放出 射線的衰變過程稱為射線的衰變過程稱為 衰變衰變 ( ( decay) 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，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)換使之脫離軌道成為自由電子，這一過程稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換(internal conversion)(internal conversion)。 YXAZAmZ TcTc9943m9943二、核衰變規(guī)律二、核衰變規(guī)律放射性原子數(shù)或放射性活度隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律減少。Nt= N0e-t 或 At=A0e-t放射性核素在單位時(shí)間內(nèi)衰變的概率。是反映放射性核素放

7、射性核素在單位時(shí)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(gè)重要特征參數(shù)。衰變速度的物理量，是放射性核素的一個(gè)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。衰變常數(shù)越大，放射性核素衰變速度越大。 用用表示。表示。單位：單位：h-1, min-1, s-1。99Tcm的衰變曲線物理半衰期物理半衰期(physical half life)指放射性核素減少一半所需指放射性核素減少一半所需要的時(shí)間。是放射性核素的一個(gè)重要特征參數(shù)。物理半衰要的時(shí)間。是放射性核素的一個(gè)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。期越短表明放射性核素衰變越快。用用T1/2表示。表示。單

8、位：單位：h, min, s。物理半衰期物理半衰期生物半衰期生物半衰期（biological half lifebiological half life）指指生物體內(nèi)的生物體內(nèi)的放射放射性核素性核素經(jīng)各種途徑從體內(nèi)排出一半所需要的時(shí)間。經(jīng)各種途徑從體內(nèi)排出一半所需要的時(shí)間。用用T Tb b表示。表示。單位：單位：h, min, s。生物半衰期生物半衰期有效半減期（有效半減期（effective half lifeeffective half life）指指生物體內(nèi)的生物體內(nèi)的放射放射性核素性核素由于從體內(nèi)排出和物理衰變兩個(gè)因素作用，減少至由于從體內(nèi)排出和物理衰變兩個(gè)因素作用，減少至原有原有放射

9、性活度的一半所需的時(shí)間放射性活度的一半所需的時(shí)間。用用T Teffeff 表示。表示。單位：單位：h, min, s。有效半衰期有效半衰期T Teffeff = T = T1/21/2 T Tb b/( T/( T1/21/2+ T+ Tb b) ) 定義：一定量的放射性核素在一個(gè)很短的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生定義：一定量的放射性核素在一個(gè)很短的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的核衰變數(shù)除以該時(shí)間間隔。簡稱活度的核衰變數(shù)除以該時(shí)間間隔。簡稱活度(radioactivity)。即即單位時(shí)間內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)原子核的衰變數(shù)量。原子核的衰變數(shù)量。A=dN/dt國際制單位：國際制單位：BqBq（貝克貝克），KBqKBq（10103 3

10、 Bq Bq），），MBqMBq（10106 6BqBq），），GBqGBq（10109 9 BqBq）舊的專用單位：舊的專用單位：CiCi（居里居里），），mCimCi（10103 3 Ci Ci），）， CiCi（10106 6CiCi） 1Bq=1s 1Bq=1s-1-1 1 1CiCi=3.7=3.710101010Bq Bq n吸收劑量n劑量當(dāng)量n比放射性n放射性純度第第三三節(jié)節(jié) 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用定義：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

11、稱為電離（子的過程稱為電離（ionization）。）。電離密度電離密度( (ionization density)ionization density) 單位路徑上形成離子對(duì)的數(shù)目稱為電離密度或單位路徑上形成離子對(duì)的數(shù)目稱為電離密度或比電離。比電離。 電離密度與帶電粒子的電量、速度以及物質(zhì)密電離密度與帶電粒子的電量、速度以及物質(zhì)密度有關(guān)。度有關(guān)。定義：如果核外電子獲得的能量不足以使其形成自由電子，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(gè)原只能由能量較低的軌道躍遷到能量較高的軌道，使整個(gè)原子處于能量較高的激發(fā)態(tài)，稱為激發(fā)子處于能量較高

12、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。激發(fā)的原子不穩(wěn)定，退激后可釋放出光子或熱量。定義：定義：帶電粒子與物質(zhì)的原子核碰撞而改變運(yùn)動(dòng)方向和帶電粒子與物質(zhì)的原子核碰撞而改變運(yùn)動(dòng)方向和/ /或或能量的過程稱為散射能量的過程稱為散射( (scattering)scattering)。僅運(yùn)動(dòng)方向改變而能量不變者稱為彈性散射。運(yùn)動(dòng)方向僅運(yùn)動(dòng)方向改變而能量不變者稱為彈性散射。運(yùn)動(dòng)方向和能量都發(fā)生變化者稱為非彈性散射。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

13、越弱，所以越大，散射作用越弱，所以 粒子散射一般不明顯，粒子散射一般不明顯， - -粒粒子散射較為明顯。子散射較為明顯。定義：定義：帶電粒子受到物質(zhì)原子核電場的作用，運(yùn)動(dòng)方向和帶電粒子受到物質(zhì)原子核電場的作用，運(yùn)動(dòng)方向和速度都發(fā)生變化，能量減低，多余的能量以速度都發(fā)生變化，能量減低，多余的能量以X X射線的形式輻射線的形式輻射出來，稱為韌致輻射射出來，稱為韌致輻射( (bremsstrahlungbremsstrahlung) )韌致輻射實(shí)際上是一種非彈性散射。韌致輻射實(shí)際上是一種非彈性散射。定義：定義： + +衰變產(chǎn)生的正電子可在介質(zhì)中運(yùn)行一定距離，能衰變產(chǎn)生的正電子可在介質(zhì)中運(yùn)行一定距離，

14、能量耗盡時(shí)和物質(zhì)中的自由電子結(jié)合，兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量量耗盡時(shí)和物質(zhì)中的自由電子結(jié)合，兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量（相當(dāng)于（相當(dāng)于10221022keVkeV的能量）轉(zhuǎn)化為兩個(gè)方向相反、能量各為的能量）轉(zhuǎn)化為兩個(gè)方向相反、能量各為511511keVkeV的的 光子而自身消失，叫做湮滅輻射。光子而自身消失，叫做湮滅輻射。定義：定義：帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)相互作用帶電粒子通過物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)相互作用, , 能量不斷能量不斷損失，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，稱為吸收線則不再存在，稱為吸收( (absorption)absorpti

15、on)。 二、光子與物質(zhì)的相互作用二、光子與物質(zhì)的相互作用定義：定義：光子與物質(zhì)原子的軌道電子（主要是內(nèi)層電子）碰光子與物質(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，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)這種作用過程稱為光電效應(yīng)( (photoelectric effect) photoelectric effect) 。定義：定義：光子與原子的核外電子碰撞，將一部分能量傳遞給電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，子，使之脫離原子軌道成為自由電子， 光子本身能量降低，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)運(yùn)行方向發(fā)生改變，稱為康普頓效應(yīng)( (Compton effect)Compton effect)。定義：定義：當(dāng)當(dāng) 光子能量光子能量10221022keVkeV時(shí)（時(shí)（10221022keVkeV相當(dāng)于兩個(gè)電子的相當(dāng)于兩個(gè)電子的靜質(zhì)