1、原子核核歷史點滴瑪麗居里以自己的勤奮和天賦，在物理學和化學領(lǐng)域，都作出了杰出的貢獻，是唯一一位在兩個不同學科領(lǐng)域、兩次獲得諾貝爾獎的著名科學家。發(fā)現(xiàn)放射性元素釙(Po)和鐳(Ra)。第十四章 原 子 核最早發(fā)現(xiàn)是一個名叫貝克勒爾的人。貝克勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性，標志著原子核物理學的開端。因此他和居里夫婦共同獲得1903年的諾貝爾物理學獎。 1952年10月31日，世界第一枚氫彈在太平洋馬紹爾群島一個環(huán)礁上成功爆炸，核當量高達1000萬噸，相當于700枚廣島原子彈，把一個直徑1.6公里的小島活生生地炸沒了，燃起火球直徑就超過了5公里。1967年6月17日，我國第一顆氫彈在羅布泊爆炸成功。1964年1

2、0月16日，中國第一次將原子核裂變的巨大火球和蘑菇云升上了戈壁荒漠。 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì) 放射性、衰變規(guī)律、核反應 放射性核素 核磁共振 本 章 要 點第十四章 原 子 核第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)一、原子核的組成與質(zhì)量1. 原子核的電荷數(shù)(nuclear charge)Z: 原子序數(shù)(nuclear number) Z：2. 核子(nucleon): 組成原子核的質(zhì)子和中子.原子質(zhì)量單位(atomic mass unit) u3. 原子核的質(zhì)量和質(zhì)量數(shù)A: 質(zhì)子(proton)：中子(neutron)：原子核的質(zhì)量的近似：4. 核素(nuclide)：一類具有確定的質(zhì)子數(shù)、核子數(shù)和能

3、量狀態(tài)的中性原子稱為核素。用符號 或 。同位素(isotope)：同一種元素的核內(nèi)可以含有多種核子數(shù)，即它們具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同, 它們在元素周期表占據(jù)同一位置, 具有相同的化學性質(zhì)。如氫的同位素 。同量異位素(isobar)：質(zhì)量數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同的一類核數(shù)。如 。同核異能素(isomer)：質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同而處在不同能量狀態(tài)的一類核數(shù)。如 。同中子異位素(isotone)：中子數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)不同的一類核數(shù)。如 。第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)1. 質(zhì)量虧損(mass defect):2. 結(jié) 合 能(binding energy):二、原子核的質(zhì)量虧損與結(jié)合能第一節(jié) 原子核的結(jié)

4、構(gòu)和基本性質(zhì)3. 比結(jié)合能(specific binding energy):物理意義：若把一個核子放入原子核里，則平均釋放能量。反之若從核內(nèi)取出一個核子，則需要克服原子核對核子的引力平均做功 。因此， 越大，表示核子間結(jié)合得越緊密， 的大小可以作為核穩(wěn)定性的量度。自然界中各種核的結(jié)合能相差甚大，但比結(jié)合能卻相差不大, 如下頁圖。重核裂變：原子彈、原子能反應堆等輕核聚變：氫彈等第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)1. 原子核的大小: 原子核的密度: 核半徑比原子半徑小106倍。豌豆粒大小的核( mm)，其原子半徑約為 km 。普通物質(zhì)的密度

5、: 三、原子核的基本性質(zhì)第一節(jié) 原子核的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)核力：核子之間存在的一種短程強吸引力。（1）核力是一種短程力；（2）核力與電荷無關(guān)；（3）核力是具有飽和性的交換力。2. 核力(nuclear force)第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應 有些核素的原子核是不穩(wěn)定的，能自發(fā)地放出由某些離子組成的射線后變?yōu)榱硪环N核素，這類核素稱為放射性核素。 如鈾，钚等元素周期表中序數(shù)較大的元素。放射性，核衰變。衰變的類型粒子： 核粒子：電子； +粒子：正電子光子：能量高于X射線守恒規(guī)律：電荷數(shù)、質(zhì)量數(shù)、能量、動量和核子數(shù)。第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應1. 衰變:(1) 衰變：質(zhì)量數(shù)A209的放射性核素

6、自發(fā)地放射 射線而變成 另一種核素的現(xiàn)象。(2) 衰變過程式:(3) 衰變位移法則：子核Y比母核X 電荷數(shù)減少2，核子數(shù)減少4，在 元素周期表要前移2位。(4) 衰變綱圖：一、 放射性衰變第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應2. 衰變(2) 衰變：(3) +衰變：(4) 電子俘獲：(1) 衰變：放射性核素自發(fā)地放射射線（高速電子） 或俘獲軌道電子而變成另一種核素的現(xiàn)象。(5) 俄歇電子(Auger electron)：一個內(nèi)層電子被俘獲后，外層電子會立即填補這一空位，同時釋放能量。這個能量可以發(fā)射標識X射線的形式放出，也可以使另一外層電子電離成為自由電子。這種被電離的電子稱為俄歇電子。第二節(jié) 放射

7、性、衰變規(guī)律、核反應(6) 能譜圖：由于衰變過程中有中微子參與，衰變所放出的能量將在電子、中微子和子核之間任意分配，因此射線的能譜是連續(xù)的。N粒子動能 Emax E峰值粒子數(shù)第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(1) 衰變: 同核異能躍遷.(2) 內(nèi)轉(zhuǎn)換: 在某些情況下, 原子核從激發(fā)態(tài)向低能級的激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷時, 不是通過放出光子, 而是通過核外電子發(fā)生能量交換把能量交給電子, 使其脫離原子的束縛成為自由電子內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。(3) 內(nèi)轉(zhuǎn)換過程中, 由于釋放電子而在原子的內(nèi)殼層出現(xiàn)空位，外層電子將會填充這個空位而發(fā)射標識X射線或俄歇電子。3. 衰變與內(nèi)轉(zhuǎn)換第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應(4) 衰變

8、綱圖：第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應1. 核衰變規(guī)律: 2. 半衰期(half life): 積分得：為衰變常數(shù)(decay constant)：表示一個原子核單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的概率。OtN123二、衰變規(guī)律第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應3有效半衰期(effective half life period)4平均壽命(mean life time)半衰期、平均壽命與衰變常數(shù)的關(guān)系：第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應5. 放射性活度(radioactivity)單位：1Bq=1核衰變/秒 1Ci(居里)=3.71010 Bq 放射源單位時間內(nèi)發(fā)生衰變的母核數(shù)，稱為放射性活度。第二節(jié) 放射性、衰

9、變規(guī)律、核反應入射粒子靶 核反 沖 核反應能：Q = EY+EbEa反應后質(zhì)量虧損：m =(mX+ma)(mY+mb)反應能：E=mc2，m0，放出能量；m0，吸收能量。三、人工核反應(artificial nuclear reaction )第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應1. 中子核反應 (n,), (n,p), (n,), (n,2n)2. 質(zhì)子核反應 (p,), (p,n), (p,)3. 氘核的核反應 (d, p), (d,n), (d,), (d, 3H), (d,2n)4. 粒子的核反應(, p), (, n)5. 光致核反應 (, n)第二節(jié) 放射性、衰變規(guī)律、核反應第三節(jié) 放

10、射性核素照射劑量就是單位體積或單位質(zhì)量被照射物質(zhì)所吸收的能量；測量照射劑量主要依據(jù)在標準狀態(tài)下干燥空氣中測量輻射產(chǎn)生的電離效應，即測量X射線和射線在單位質(zhì)量空氣中產(chǎn)生的正（或負）離子電量來表征X射線和射線的照射量。單位：C/kg或倫琴(R)；1R=2.58104 C/kg一、放射線劑量(irradiation dose)1. 照射劑量 (exposure dose)第三節(jié) 放射性核素吸收劑量是被照射物質(zhì)單位質(zhì)量所吸收的電離能量；它是衡量單位質(zhì)量受照射物質(zhì)吸收輻射能量多少的一個物理量。單位：J/kg或戈瑞(Gy)；1 Gy = 1 J/kg; 拉德(rad) ； 1 Gy = 100 rad2.

11、 吸收劑量 (absorbed dose)第三節(jié) 放射性核素生物體內(nèi)單位質(zhì)量的組織，從各種射線中吸收同樣多能量，所產(chǎn)生的生物學效應有很大差別，這是因為射線對細胞的損傷，不但與它吸收的能量和產(chǎn)生的離子有關(guān)，還與電離的密集程度有關(guān)。書中表14-4 是射線的RBE。單位：希沃特(Sv)3. 生物相對有效倍數(shù)和生物等效劑量第三節(jié) 放射性核素 由表14-4可知, 粒子的RBE=20, 粒子的RBE=1, 所以甲的肺組織受到的等效劑量為：210 320=4.010 2 Sv 同理,乙的肺組織受到等效劑量為： 110 320+110 31=2.110 2 Sv 相比之下，甲受到的輻射影響比乙大。 例 有甲、

12、乙兩人, 甲的肺組織受粒子照射, 吸收劑量為2mGy. 乙的肺組織受粒子照射, 吸收劑量為1mGy，同時還受到粒子照射, 吸收劑量也為1mGy。試比較這兩人所受射線影響的大小。例解第三節(jié) 放射性核素（1） 最大容許劑量(maximum permissible dose) 放射線雖可用來診斷和治療疾病，但人體正常組織如果受到過劑量的照射，人體將會受到損害。因此，在應用放射線的同時，要注意對它的防護。 國際上規(guī)定了一個最大的容許劑量,即經(jīng)過一次照射成長期積累，對人體沒有損害又不發(fā)生遺傳危害的最大劑量限值。 從業(yè)人員: 50 mSv/a; 居 民: 5 mSv/a .4. 輻射的防護第三節(jié) 放射性核

13、素(2) 外照射防護因為不同放射線的性質(zhì)不同，采取的防護措施也不一樣。 射線的電離能力很強, 但射程短，穿透能力小。 由 射線不可能由體表深入體內(nèi)，故對外照射只要戴上手套即可; 射線和 射線穿透能力強，外照射不容忽視，對 射線常用含有中等原子序效的物質(zhì)作屏蔽材料，如各種塑料和有機玻璃。 射線對重原子序數(shù)物質(zhì)易引起起韌致輻射(高速帶電粒子急劇減速時發(fā)出的電磁輻射)，后者對人體健康亦不利，故不宜采用。射線不存在這一問題，故多用重原子序數(shù)物質(zhì)如鉛、混凝土等來屏蔽。除采用屏蔽措施外，還應注意保護環(huán)境。對于含有放射性物質(zhì)的廢物，要妥善處理，不要隨便棄置。(3) 內(nèi)照射防護用放射性核素注入體內(nèi)進行的照射叫

14、內(nèi)照射。 射線源進入體內(nèi)，由于其電離比值高，產(chǎn)生電離作用將對人體造成極大危害。故工作時要待別防止 射線源由呼吸道、食管或外傷傷口進入體內(nèi)。第三節(jié) 放射性核素第三節(jié) 放射性核素放射性核素在診斷和治療方面都有重要應用。體現(xiàn)了現(xiàn)代醫(yī)學發(fā)展水平的核醫(yī)學，在醫(yī)學診療中起著越來越重要的作用。用放射性核素作為示蹤原子，以研究其在體內(nèi)的分布、轉(zhuǎn)移和代謝。并借助它們放出的射線，在體外探查該元素的行蹤，這種方法叫示蹤原子法。此外還有體外標本測量法和放射自顯影。二、放射性核素在醫(yī)藥方面的應用1. 示蹤的原理治療腫瘤的一種有效的物理療法，從射線照射方式可分為外照射、近距離照射和內(nèi)照射，臨床常用的外照射有60Co治療機

15、、醫(yī)用直線加速器和-刀等。放射診斷主要是指核素成像，是一種利用放射性核素示蹤方法顯示人體內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)的醫(yī)學影像技術(shù)，常見有照射機、SPECT和PET等。3. 放射治療2. 放射診斷第三節(jié) 放射性核素正電子發(fā)射型計算機斷層(PET)原理(1) 概念： PET是將發(fā)射正電子的同位素藥物注入人體之后，探測正電子在體內(nèi)被電子俘獲產(chǎn)生湮滅反應時沿相反方向發(fā)出的兩個能量為0.511 MeV的光子，從而獲得正電子標記藥物在體內(nèi)的三維密度分布，以及這種分布隨時間變化的信息. 即一種探測注入體內(nèi)的放射性核素放射出的 +產(chǎn)生湮沒光子對而實現(xiàn)斷層成像。 例: 13N-13C+ + + +Q + -2 (能量為 0.

16、511MeV, 方向相反傳播的光子 )第三節(jié) 放射性核素(2) 采用自準直符合探測原理 (1) 只有 a有信號輸出；(2) b、c因不符合對稱電路,無信號輸出；(3) 湮沒光子位置與產(chǎn)生 +位置接近(12mm) 探頭符 合 電 路湮 沒 區(qū)輸 出探頭斷 層 面acb第三節(jié) 放射性核素第三節(jié) 放射性核素PET正電子同位素由回旋加速器產(chǎn)生，如采用加速至9MeV的氘離子束轟擊氖氣靶產(chǎn)生18F，再經(jīng)化學合成得到所需藥物。常見PET標記藥物及主要用途為：同位素半衰期示蹤劑及用途11C20.3 m11C 標記的各種氨基酸, 腫瘤定界、分級13N9.96 mNH3 測量血流，用于局部心肌灌注顯像15O123

17、 sCO2 測量局部腦血流量；CO 測量局部腦血容量；O2 測量心肌氧消耗和氧攝取比；H2O用于心肌及腦的血流灌注18F110 mFDG 研究葡萄糖代謝, 用于神經(jīng)學、心臟病學和腫瘤學; 氟多巴FDOPA 診斷帕金森癥PET 示蹤藥物63歲左側(cè)下喉癌患者的CT 與PET圖像的融合第三節(jié) 放射性核素CT 與PET圖像融合，確定胸骨上損傷的位置，同時可見右側(cè)腋窩處有一腫大的淋巴結(jié)。第三節(jié) 放射性核素PET掃描揭示悲哀時女性腦部(左)比男性腦部(右)更具代謝活性第三節(jié) 放射性核素（1） 核子（質(zhì)子和中子）與電子一樣具有自旋， 與之相聯(lián)系的有自旋角動量 和 自旋磁矩。第四節(jié) 核磁共振（2） 自旋角動量

18、LI和軌道角動量一樣，均服從角動量的普 遍法則，LI的大小是量子化的I 稱為自旋量子數(shù)。I 僅有一個值，而且是半整數(shù)：故mI稱為 自旋磁量子數(shù)。只能取兩個值：（3） LI在 Z 軸（外磁場）方向上的投影：故一、 核子的自旋與磁矩質(zhì)子和中子自旋角動量zL23h0h21h21自旋量子數(shù)：I=1/2自旋磁量子數(shù)：mI=1/2自旋角動量大?。?LI在 Z 軸（外磁場）方向上的投影(簡稱 自旋)第四節(jié) 核磁共振原子核內(nèi)核子的固有角動量和軌道角動量的矢量和。 式中 I 為自旋量子數(shù)(spin quantum number) 偶-偶核, 12C, 16O等, I =0； 奇-偶核, 1H, 31P等, I

19、=n/2, (n=1,3,5, )； 奇-奇核, 6Li, 14N等, I =n, (n=1,2, 3, )。二、原子核的自旋與磁矩1. 原子核的角動量即核自旋(nuclear spin)第四節(jié) 核磁共振2. 原子核的自旋角動量在空間某一選定方向(如z方向)上的投影也是量子化的式中 m為磁量子數(shù): m =I， I1， I+1，I。共2I+1個可能取值，對應該自旋核在外磁場中有2I+1個可能的取向。第四節(jié) 核磁共振 式中 N = 5.05081027 J/T為核磁子。 質(zhì)子的g = 5.585694772。式中 為核自旋磁旋比。3. 原子核的磁矩與原子核的自旋4. 原子核的總磁矩及其在外磁場的分

20、量也都是量子化的第四節(jié) 核磁共振自旋不為零的原子核與外磁場的相互作用，一方面產(chǎn)生核繞B的旋進，另一方面產(chǎn)生了核的附加能量，造成原子核能級的劈裂。當頻率為10100MHz的射頻(radio frequency，RF)電磁波對樣品照射， 若RF電磁波的能量剛好等于原子核能級劈裂的能級差，就會出現(xiàn)樣品中的原子核強烈地吸收電磁波的能量，從劈裂后的低能級向相鄰的高能級躍遷的現(xiàn)象，這就是核磁共振現(xiàn)象中的共振吸收。三、 核磁共振1. 自旋核在磁場中的能級劈裂第四節(jié) 核磁共振2. 劈裂能級間的躍遷（1）磁矩在外磁場作用下產(chǎn)生附加能量 m 只能取2I+1, 對I=1/2的氫核 m =1/2、1/2自旋進動B自旋

21、進動B（2） 能級劈裂的間距，即裂距：第四節(jié) 核磁共振3. 核磁（自旋核在磁場中與射頻電磁波）共振的條件 即雙方最大的交換能量的條件 ：第四節(jié) 核磁共振RF角頻率原子核的磁旋比,不同的核不同外磁場強度（T）只有當RF的角頻率與外磁場B符合拉莫公式，才能發(fā)生能級躍遷，即共振吸收。4. 拉莫（Larmor）公式第四節(jié) 核磁共振1. 核磁共振譜以發(fā)生共振吸收的強度為縱坐標，發(fā)生共振的頻率（或磁感應強度）為橫坐標，繪出一條共振吸收的強度與發(fā)生共振的頻率（或磁感應強度）標化的曲線，稱為核磁共振波譜，建立在此原理基礎(chǔ)上的一類分析方法稱為核磁共振譜法。應用最普遍、最重要的是核磁共振譜，它能夠提供質(zhì)子類型及其化學環(huán)境、氫分布和核間關(guān)系等信息。 四、核磁共振譜(NMRS)第四節(jié) 核磁共振2. 化學位移（the chemical shift）（1）從公式 =B0知，同一種核在固定的B0中，其共振譜線的位置是唯一的； 實際上，同一種類原子核處于不同的化合物分子中，譜線位置不同。原因：在B0中的樣品，其自旋核不是孤立的，而是被核外帶磁性的電子云所包圍，即每一個自旋核具有不同的電子環(huán)境。使自旋核處于一個磁屏蔽之中，所以lamour公式變成： =(1)B0 ，式中 稱屏蔽常數(shù)(screening constant)與化合物的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)有關(guān)。同類自旋