醫(yī)用核物理基礎(chǔ)重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科王進(jìn)軍

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電話：63693337一、原子核結(jié)構(gòu)原子核由

質(zhì)子（Proton；P)

中子（Neutron；N）組成，

質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為

核子（Nucleon）。

Z&A質(zhì)子帶一個(gè)單位的正電荷，中子不帶電荷。核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)稱為原子序數(shù)，用符號Z表示；核內(nèi)質(zhì)子和中子數(shù)之和即原子質(zhì)量數(shù)，用A表示。

原子核的表示符號目前通常用AX表示各種核素，如131I。

2、原子核的能級

原子核具有一定的能量。最低能量狀態(tài)，即“基態(tài)”；較高的能量狀態(tài)，為激發(fā)態(tài)，這時(shí)用符號m,即AmX表示。例如99mTC二、元素、同位素、同質(zhì)異能素、核素1、元素質(zhì)子數(shù)相同的原子稱為一種元素，它們的原子序數(shù)相同，但原子核中的中子數(shù)可以不同，例如碘元素中有幾種不同的核。

2、同位素同一元素中，有些原子質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同，則稱為該元素的同位素，如上例各種碘互為碘的同位素。3、同質(zhì)異能素如果原子的質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同，但是核的能級狀態(tài)不同，那么它們互為同質(zhì)異能素。例如：99Tc和99mTc

4、核素把質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)也相同，

核能級處于同一狀態(tài)的一類原子，

稱為一種核素。

下面是六種不同的核素

123I,125I,127I,131I,99mTc,99Tc

三、穩(wěn)定性核素和放射性核素穩(wěn)定性核素不穩(wěn)定核素

(放射性核素）四、放射性衰變放射性核素發(fā)生核內(nèi)結(jié)構(gòu)或能級的變化，同時(shí)自發(fā)地放出而變?yōu)槌鲆环N或一種以上的射線而轉(zhuǎn)變成另一種核素的過程為“核衰變”。核衰變方式核處于不穩(wěn)定狀態(tài)的原因不同，其衰變有不同的方式。以下介紹5種衰變方式及4種射線

5種衰變方式:α、β─、β╋、k、γ4種射線:α、β─、β╋、γ核衰變類型（nucleardecay)α衰變

核衰變時(shí)放射出α粒子的衰變。

AZX--A-4Z-2Y+42He+Q

4Heγα粒子特性α粒子實(shí)質(zhì)上是He原子核，α衰變發(fā)生在原子序數(shù)大于８２的重元素核素α粒子的速度約為光速的1/10，即２萬km/s，2s繞地球１周。在空氣中的射程約為３－８cm，在水中或機(jī)體內(nèi)為0.06-0.16mm。因其質(zhì)量大，射程短，穿透力弱，一張紙即可阻擋但α粒子的電離能力很強(qiáng)。2、β衰變原子核發(fā)射出電子的衰變?yōu)棣滤プ?。β衰變發(fā)射的射線分為β━射線或β+射線

β━衰變

β衰變

β+衰變β衰變核衰變時(shí)放射出β粒子或俘獲軌道電子的衰變。β衰變后核素的原子序數(shù)可增加或減少但質(zhì)量數(shù)不變。分β－衰變、β＋衰變和電子俘獲三種類型。β粒子的速度為20萬km/s。β－衰變衰變時(shí)放射出β－粒子。核內(nèi)中子過多造成的不平衡。中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子的過程。

np+e-β－γβ－粒子的特性β－粒子實(shí)質(zhì)是負(fù)電子；衰變后質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)加１。能量分布具有連續(xù)能譜，穿透力比a粒子大電離能量比a粒子弱，能被鋁和機(jī)體吸收，β－粒子在軟組織中的射程為厘米水平。β＋衰變（正電子衰變）衰變時(shí)放射出β＋粒子。核內(nèi)中子過少致不平衡。質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子過程β＋γpn+e+β＋粒子的特性β＋粒子實(shí)質(zhì)是正電子；衰變后子核質(zhì)量數(shù)不變，但質(zhì)子數(shù)減１.

β＋也為連續(xù)能譜；天然核素不發(fā)生β＋衰變，只有人工核素才發(fā)生。電子俘獲(electroncapture,EC)核衰變時(shí)原子核從內(nèi)層軌道（K）俘獲一個(gè)電子，使核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為一個(gè)中子。它是核內(nèi)中子數(shù)相對不足所致。P+e-n特征X線Auger電子γγ衰變γ衰變是伴隨其它衰變而產(chǎn)生；上述四種衰變形成的子核可能處于激發(fā)態(tài)核素由激發(fā)態(tài)向基態(tài)或高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出γ射線的過程也稱為γ躍遷(γtransition)；γ衰變后子核質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)均不變，只是能量改變。內(nèi)轉(zhuǎn)換電子γ

γ射線特性γ射線為光子流，不帶電，穿透力強(qiáng)，電離能力弱；γ射線在真空中速度為30萬km/s。三種衰變的比較α衰變質(zhì)量、質(zhì)子數(shù)都變；β衰變質(zhì)子數(shù)變，質(zhì)量數(shù)不變；γ衰變質(zhì)子、質(zhì)量數(shù)都不變，而能量改變。五、核衰變規(guī)律放射性核素是不穩(wěn)定的，它要自發(fā)地發(fā)生衰變而變成新元素的核。放射性原子核并不是同時(shí)衰變的，對于某一個(gè)原子核而言，何時(shí)衰變是各自獨(dú)立沒有規(guī)律的，但對于某一種原子核的群體而言，它的衰變是有規(guī)律的，即原子核數(shù)目隨時(shí)間增長按指數(shù)規(guī)律減少。N=N0e-λt衰變常數(shù)λ:單位時(shí)間內(nèi)核衰變的數(shù)目(活度）占當(dāng)時(shí)放射性核數(shù)目的比率：λ=A/N核素物理特征常數(shù)，與外界環(huán)境無關(guān)不同核素衰變常數(shù)不同λ越大，衰變越快放射性活度單位時(shí)間內(nèi)原子核衰變的數(shù)量稱為"放射性活度"即入N放射性活度的單位

國際單位專門名稱是“貝可”(Becqurel,Bq)

定義是每秒一次衰變。1Bq=1S-1

派生單位：千貝可，KBq；百萬貝可，MBq

以前的專用單位是“居里”（Ci）1居里是每秒3.7×1010次衰變，即3.7×1010

Bq

派生單位有毫居里，mCi,即1/1000Ci

微居里，μci,即1/1000mCi半衰期因?yàn)樗プ兊脑?，樣品的放射性活度總是隨時(shí)間而減少，半衰期是描述放射性核素衰變速率的指標(biāo)。放射性活度因核衰變而減少到原有的一半所需要的時(shí)間稱作“物理半衰期”各種核素的T1/2是不同的。131I__8.04d;

125I__59d;

99mTc__6.02h長者可達(dá)1010a，短者僅有10-10s。半衰期<10h的核素稱為短半衰期核素。生物半衰期（Tb）

有效半衰期（Teff）核醫(yī)學(xué)中還用到另外兩種半衰期：“生物半衰期”----生物體內(nèi)的放射性核素從體內(nèi)排出一半需要的時(shí)間，Tb?！坝行О胨テ凇?-指生物體內(nèi)的放射性核素由于從體內(nèi)排出和物理衰變兩個(gè)因素作用，放射性活度減少一半所需要的時(shí)間，Teff。例如：用131I治療甲狀腺疾病時(shí)，要了解該患者的131ITeff。六、核射線對物質(zhì)的作用核射線可分為帶電粒子與不帶電的γ光子,它們對物質(zhì)作用的情況有一定差別。

1、帶電粒子對物質(zhì)的作用

帶電粒子：α、β━、β╋對物質(zhì)的作用：電離、激發(fā)、散射、韌致輻射、湮滅輻射、吸收帶電粒子電離與激發(fā)：（ionizationandexcitation）電離：α、β→物質(zhì)→核外電子→e-脫離軌道→自由電子；失去e-的核帶正電荷，兩者形成一對離子。自由電子還可使其它原子發(fā)生電離：次級電離帶電粒子e-正負(fù)離子對次級電離33.85eV

激發(fā)：α、β→物質(zhì)→軌道電子獲能→由低能級→高能級，使整個(gè)原子處于激發(fā)態(tài)；退激時(shí)可發(fā)射標(biāo)識X射線和Auger電子。

帶電粒子粒子γ(退激)軔致輻射

bremsstrahlung高速帶電粒子通過物質(zhì)原子核電場時(shí)受到突然阻滯，運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，部分或全部動能以X射線的形式輻射出來稱為軔致輻射；產(chǎn)生幾率隨帶電粒子的能量和物質(zhì)原子序數(shù)增大而增大。

粒子X散射

scattering入射粒子與粒子或粒子系統(tǒng)碰撞而改變運(yùn)動方向與能量的過程。僅改變運(yùn)動方向而能量不變者為彈性碰撞。

α粒子的質(zhì)量較大，徑跡基本呈直線，發(fā)生散射較少。β粒子輕，運(yùn)動為曲線，散射明顯。粒子粒子湮滅輻射β╋粒子穿過物質(zhì),喪失動能后與自由電子e結(jié)合,轉(zhuǎn)化為兩個(gè)方向相反,能量各為0.511MeV的γ光子，這種現(xiàn)象稱為湮滅輻射。

探測湮滅輻射產(chǎn)生的γ光子是正電子發(fā)射斷層成像即PET的基礎(chǔ)（PET,positronemissiontomography）

入射帶電粒子經(jīng)電離、激發(fā)和韌致輻射等失去能量后，留在物質(zhì)內(nèi)---吸收α粒子俘獲周圍原子的兩個(gè)電子成為氦原子β-粒子成為自由電子β+粒子與電子產(chǎn)生湮滅反應(yīng)后消失吸收2、γ光子對物質(zhì)的作用

γ光子不帶電，它對物質(zhì)的作用有以下幾種表現(xiàn)形式（γ光子能量不同，表現(xiàn)形式發(fā)生機(jī)率不同）（1）光電子效應(yīng)（photoelectriceffect）

（2）康普頓效應(yīng)（Comptoneffect)（3）電子對生成(electronpairproduction)

光子與物質(zhì)的相互作用

光電子效應(yīng)(photoelectriceffect)：多發(fā)生在低能量：<0.5MeV；光子被物質(zhì)原子完全吸收后發(fā)射軌道電子；脫離軌道的電子稱光電子，還可產(chǎn)生次級電離；原子因電子空位處于激發(fā)態(tài),退激時(shí)發(fā)射標(biāo)識X線或俄歇電子。X,俄歇e光電子γKL康普頓效應(yīng)

Comptoneffect多發(fā)生在中等能量：0.5-1.0MeV入射光子將部分能量轉(zhuǎn)移給物質(zhì)核外電子,其余部分能量被散射光子帶走；入射光子多為與外層軌道電子彈性碰撞，光子與電子的相互作用。入射γ康普頓e散射γ電子對生產(chǎn)效應(yīng)

electronpairproduction發(fā)生在能量足夠大的光子：>1.02MeV（兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量）；光子在電場作用下被完全吸收，產(chǎn)生一對正負(fù)電子；光子能量被正、負(fù)電子任意分配帶走(超過1.02MeVEr轉(zhuǎn)化為正負(fù)電子動能)；

入射γe+511keV511keVe-七、幾種射線的基本性質(zhì)及用途八、記錄方式根據(jù)臨床需要來選擇對核衰變的記錄方式，主要有三類：1、計(jì)數(shù)(放射免疫分析)2、時(shí)間/空間一放射性活度曲線（甲狀腺吸碘率、放射性腎圖、單