1清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件NucleusandRadioactivity第十四章原子核和放射性清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件2

原子核和放射性原子核的基本性質(zhì)

原子核的衰變放射性核素的衰變規(guī)律放射性核素在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件3

第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)目錄1896年，法國(guó)物理化學(xué)家貝克勒爾在研究鈾礦石時(shí)發(fā)現(xiàn)，鈾礦能使包在黑紙內(nèi)的感光膠片感光。即鈾和含鈾的礦物能夠發(fā)出看不見的射線,這種射線可以穿透黑紙使照相底片感光,物質(zhì)發(fā)射射線的性質(zhì)稱為放射性.具有發(fā)射性的元素稱為放射性元素．元素這種自發(fā)的放出射線的現(xiàn)象叫做天然放射現(xiàn)象．這是人類第一次發(fā)現(xiàn)了放射現(xiàn)象。原子核還能分割嗎？1898年，居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了其他放射性元素：釙(Po)、鐳(Ra)。1903年，居里和貝克勒爾獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1911年，居里夫人獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1901年，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)從鈾原子中發(fā)射出的高速電子流（β射線），這表明原子核不是一個(gè)不可分割的基本粒子。射線到底是什么?

放射性不是少數(shù)幾種元素才有的,研究發(fā)現(xiàn),原子序數(shù)大于82的所有元素，都能自發(fā)的放出射線,原子序數(shù)小于83的元素,有的也具有放射性．放射性元素發(fā)出的射線包含三種射線：射線――帶兩個(gè)正電荷的氦核;射線――高速運(yùn)動(dòng)的電子流;射線――高能光子流質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)放射性現(xiàn)象中放出的三種射線都是從放射性元素的原子核內(nèi)釋放出來(lái)的，這表明原子核也有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

原子核內(nèi)究竟還有什么結(jié)構(gòu)？1919年,盧瑟福用α粒子轟擊氮核，得到了質(zhì)子。經(jīng)過(guò)研究證明，質(zhì)子帶正電荷，其電量和一個(gè)電子的電量相同，它的質(zhì)量等于一個(gè)電子質(zhì)量的1836倍。進(jìn)一步研究表明，質(zhì)子的性質(zhì)和氫原子核的性質(zhì)完全相同，所以質(zhì)子就是氫原子核.

同樣的方法，從氟、鈉、鋁的原子核中打出了質(zhì)子------質(zhì)子是原子核的組成部分。原子核是否只是由質(zhì)子組成呢？

盧瑟福進(jìn)而猜想原子核內(nèi)存在不帶電的中子,這一猜想被他的學(xué)生查德威克用實(shí)驗(yàn)證實(shí),并得到公認(rèn)．核的質(zhì)量質(zhì)子質(zhì)量核的電量質(zhì)子電量>中子的發(fā)現(xiàn)1932年英國(guó)物理學(xué)家查德威克又發(fā)現(xiàn)了中子,通過(guò)研究證明中子的質(zhì)量和質(zhì)子的質(zhì)量基本相同,但是不帶電，是中性粒子.在對(duì)各種原子核進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和電子是組成原子核的兩種基本粒子.清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件9

第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)一原子核的組成

1原子核的成分原子核（atomicnucleus）由質(zhì)子（proton）和中子（neutron）組成。質(zhì)子帶有正電荷，中子不帶電荷。原子核用或標(biāo)記，X為相應(yīng)原子的元素符號(hào)，A為核子數(shù)（質(zhì)量數(shù)），Z為質(zhì)子數(shù)（原子序數(shù)，電荷數(shù)），中子數(shù)量用N表示。

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第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)一原子核的組成

2核素、同位素、同量異位素和同質(zhì)異能素的概念核素（nuclide）：核子組分不同的各種原子核（Z，N都不同）同位素（isotope）：質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的核素，在元素周期表中處于同一位置，其化學(xué)性質(zhì)相同，但物理性質(zhì)不同，如16O、17O、18O

.同量異位素（isobar）：質(zhì)量數(shù)相同而質(zhì)子數(shù)不同的核素，如14C和14N。同質(zhì)異能素（nuclearisomer）：質(zhì)量數(shù)相同，質(zhì)子數(shù)也相同，僅能量狀態(tài)不相同的核素目錄清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件11在原子核物理學(xué)中,原子核的質(zhì)量常用原子質(zhì)量單位u表示,常把12C原子質(zhì)量的1/12作為質(zhì)量單位，叫做原子質(zhì)量單位，記作u，它與SI質(zhì)量單位的關(guān)系是：質(zhì)子質(zhì)量mn=1.008665u中子質(zhì)量mp=1.007276u二原子核的質(zhì)量清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件12

第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)三原子核的質(zhì)量虧損及結(jié)合能

1原子核的質(zhì)量虧損如果把原子核的質(zhì)量與構(gòu)成原子核的核子（Z個(gè)質(zhì)子和N個(gè)中子）的質(zhì)量總和加以比較，發(fā)現(xiàn)原子核的質(zhì)量都小于組成它的核子質(zhì)量之和，這個(gè)差值稱為原子核的質(zhì)量虧損。

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第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)三原子核的質(zhì)量虧損及結(jié)合能

2原子核的結(jié)合能與質(zhì)量虧損相聯(lián)系的能量，表示這些自由狀態(tài)的單個(gè)核子結(jié)合成原子核時(shí)所釋放出來(lái)的能量，稱為原子核的結(jié)合能。

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第一節(jié)原子核的基本性質(zhì)四原子核的穩(wěn)定性

常用每核子的平均結(jié)合能，來(lái)反映原子核的穩(wěn)定程度。如果把原子核的結(jié)合能除以此核內(nèi)的總核子數(shù)A，就得到每個(gè)核子的平均結(jié)合能，它表示從核內(nèi)取出一個(gè)核子平均所需從外界獲得的能量。

目錄獲得的能量越多,結(jié)合就越緊密,原子核就越穩(wěn)定.自然界中天然存在的核素300多種.其中60多種是不穩(wěn)定的放射性核素,他們會(huì)自發(fā)放出各種射線變成另一種核素,這種現(xiàn)象稱為原子核的放射性衰變(radioactivedecay),簡(jiǎn)稱核衰變(decay).人工方法制造了1600多種放射性核素.核衰變類型主要有三種：衰變、衰變和衰變.核衰變過(guò)程嚴(yán)格遵守電荷、質(zhì)量、能量、動(dòng)量和核子數(shù)守恒定律。

第二節(jié)原子核的衰變清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件16

第二節(jié)原子核的衰變一α衰變

α衰變：放射性核素的原子核（母核）放出一個(gè)α粒子而變?yōu)榱硪环N原子核（子核）的過(guò)程。

α衰變的過(guò)程可寫為目錄清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件17

第二節(jié)原子核的衰變二β衰變

β衰變：放射性核素自發(fā)地放射出β離子或俘獲軌道電子而變成另一個(gè)核素的現(xiàn)象稱為β衰變，它主要包括β-衰變、β+衰變和電子俘獲三種類型。目錄清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件18第二節(jié)原子核的衰變二β衰變

1β-衰變

β-粒子實(shí)際上是電子。

β-衰變可表示為

目錄清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件19第二節(jié)原子核的衰變二β衰變

2β+衰變?chǔ)?粒子實(shí)際上是正電子。

β-衰變可表示為

目錄清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件20第二節(jié)原子核的衰變二β衰變

3電子俘獲

放射性核素俘獲核外電子，使核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子變?yōu)橐粋€(gè)中子，產(chǎn)生新核素。

電子俘獲過(guò)程為

目錄清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件21第二節(jié)原子核的衰變?nèi)盟プ?/p>

γ衰變：α和β衰變后的子核大部分處于激發(fā)態(tài)，并以射線的形式釋放能量，躍遷到較低的能態(tài)或基態(tài)，這種躍遷叫γ衰變。

γ射線，是從原子核內(nèi)部反射出來(lái)的電磁波，不帶電，無(wú)靜止質(zhì)量。它的放出不改變?cè)雍说碾姾?，?duì)質(zhì)量的影響亦極微小。目錄清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件22第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律一衰變規(guī)律設(shè)t=0時(shí)原子核的數(shù)目為N0，則對(duì)上式進(jìn)行積分，可得到t時(shí)刻原子核數(shù)為

λ稱為衰變常數(shù)，其值反映放射性核素隨時(shí)間衰變的快慢，單位是秒-1。目錄清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件23第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律二半衰期

如果經(jīng)過(guò)一段時(shí)間T，放射性核素的數(shù)目因衰變減少到原來(lái)的一半，則稱T為半衰期，它也是用來(lái)表示放射性核數(shù)衰變快慢的物理量。單位用秒（s），對(duì)半衰期長(zhǎng)的核素可用分（min）、小時(shí)（h）、天（d）和年（a）表示。目錄清華版《醫(yī)學(xué)物理學(xué)》課件24第三節(jié)放射性核素的衰變規(guī)律三放射性活度

放射性活度：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)，用A表示。目錄一、示蹤原子法同位素的化學(xué)性質(zhì)是完全相同的，摻入適量的放射性同位素，體外測(cè)量它放出的射線，實(shí)現(xiàn)體外探測(cè)該核素參與生理活動(dòng)過(guò)程的蹤跡，此即示蹤原子法。引入的放射性同位素素稱為示蹤原子。若將放射性核素標(biāo)記的藥物引入體內(nèi)，然后探測(cè)其分布、聚集和流通量，就可以作為某些疾病的診斷依據(jù)。第六節(jié)放射性核素在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

探測(cè)、跟蹤示蹤原子的方法直接探測(cè)：用探測(cè)儀在體外直接探測(cè)示蹤原子由體內(nèi)發(fā)出的射線。外標(biāo)本測(cè)量：將放射性藥物引入體內(nèi)，然后取其血、尿、便或活體組織等樣品，測(cè)量其放射性活度。放射自顯影：放射性核素發(fā)出的射線能使膠片感光，故可利用膠片來(lái)探測(cè)和記錄其放射性。二、放射性治療原理：因射線對(duì)正在分裂增殖的細(xì)胞具有很顯著的破壞作用，尤其是對(duì)癌細(xì)胞的作用比正常細(xì)胞更大，故利用射線對(duì)生物組織的破壞作用可起到治療的作用。三、放射診斷、核素成像原理：人體不同組織和臟器對(duì)某些化合物具有選擇吸收的特點(diǎn)，因此選擇不同的放射性核素所制成的化合物注入人體后，根據(jù)不同組織、器官內(nèi)放射性核素的密度不同，在體外對(duì)放射性核素發(fā)射的射線進(jìn)行跟蹤，就可以探測(cè)到放射性核素在體內(nèi)的濃度分布圖及隨時(shí)間的變化圖，此即核素成像。γ照相機(jī)：一種快速成像裝置，主要用于腫瘤和循環(huán)系統(tǒng)疾病的診斷。γ照相機(jī)不僅能提供人體組織和器官形態(tài)的靜態(tài)圖像，還可以提供動(dòng)態(tài)圖像。發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層成像（ECT）：通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像重建來(lái)顯示已經(jīng)進(jìn)入人體內(nèi)的放射性核素在斷層上的分布。分為單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層（SPECT)、正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層(PET)。ECT所提供的是放射性藥物分布的三維圖像，實(shí)現(xiàn)反映病人代謝和生理狀況的功能性顯像，它的本質(zhì)是在體外測(cè)量發(fā)自體內(nèi)的γ射線來(lái)確定在體內(nèi)的放射性核素的活度。臨床上常用的核素成像裝置PET正電子發(fā)射斷層成像(PositronEmissionTomography)

系統(tǒng)是利用正電子同位素衰變產(chǎn)生出的正電子與人體內(nèi)負(fù)電子發(fā)生湮滅效應(yīng)這一現(xiàn)象,通過(guò)向人體內(nèi)注射帶有正電子同位素標(biāo)記的化合物,探測(cè)湮滅效應(yīng)所產(chǎn)生的γ射線,得到人體內(nèi)同位素的分布信息,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行重建組合運(yùn)算,從而得到人體內(nèi)標(biāo)記化合物分布的三維斷層圖像.PET是核醫(yī)學(xué)發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù),代表了當(dāng)代最先進(jìn)的無(wú)創(chuàng)傷性高品質(zhì)影像診斷的新技術(shù),是高水平核醫(yī)學(xué)診斷的標(biāo)志,也是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)必不可少的高技術(shù).GEDISCOVERY-LSPETPET的應(yīng)用PE