核醫(yī)學(xué)物理基礎(chǔ)

1、核物理2核醫(yī)學(xué)物理基礎(chǔ)基本概念核衰變射線與物質(zhì)的相互作用3KLMAtomneutrons protonsnucleon +electrons -原子結(jié)構(gòu)AtomNucleusProtonQuark10-8 cm 10-12 cm 10-13 cm 10-16 cmshell原子核核子：質(zhì)子 中子核能級：基態(tài) 不同激發(fā)態(tài)能量單位： 電子伏特 eV keV MeV45核 符 號 核符號以AZXN表示，一般簡為AX X 元素符號 A 質(zhì)量數(shù) Z 質(zhì)子數(shù) N 中子數(shù) A=Z+N 如131I 133Xe, 99Mo6核素與同位素核素(nuclide)：具有相同的質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)和核能態(tài)的一類原子核素可表示

2、某種原子固有的特征同一種元素可包括若干種核素同位素(isotope)：是表示核素間相互關(guān)系的名稱，凡具有相同的原子序數(shù)（質(zhì)子數(shù)）的核素互稱為同位素，或稱為該元素的同位素在元素周期表中同位素處于同一位置，如1H、2H、3H7兩種同位素比較74中子8同質(zhì)異能素 同質(zhì)異能素(isomer)：具有相同質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)，處于不同核能態(tài)的核素互稱為同質(zhì)異能素 核激發(fā)態(tài)用m表示，如99mTc與99Tc9穩(wěn)定性核素與放射性核素 核素按其穩(wěn)定程度（一般以半衰期109年為計(jì)）分為：穩(wěn)定性核素(stable nuclide)：原子核極為穩(wěn)定而不會自發(fā)地發(fā)生核內(nèi)成分或能態(tài)的變化或者變化的幾率極小放射性核素(radion

3、uclide)：原子核不穩(wěn)定，會自發(fā)地發(fā)生核內(nèi)成分或能態(tài)的變化，而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，同時釋放出一種或一種以上的射線10中 質(zhì) 比核素是否穩(wěn)定取決于核內(nèi)中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)的比例，即中質(zhì)比（N/Z）Z20 穩(wěn)定性核素 N/Z120Z1Z83 均為放射性核素最新112號元素Cn在已知的2000多種核素中，穩(wěn)定性核素僅274種11核衰變的類型核衰變(nuclear decay)：放射性核素自發(fā)地釋放出一種或一種以上的射線并轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素的過程，核衰變實(shí)質(zhì)上就是放射性核素趨于穩(wěn)定的過程核衰變的速度、方式以及釋放出的射線種類和能量取決于原子核內(nèi)的特征，不受周圍環(huán)境如溫度、濕度以及壓力等因素的影響分為、 、

4、、 EC、五種衰變12衰變23892U 23490Th 42He4.27MeV 4He13衰變的特點(diǎn)粒子實(shí)質(zhì)上是He原子核，衰變發(fā)生在原子序數(shù)大于82的重元素核3MeV 射線 在空氣中的射程約為16mm，在水中或機(jī)體內(nèi)為0.02mm。因其射程很短，一張紙即可阻擋但粒子的電離能力極強(qiáng)，故重點(diǎn)防護(hù)內(nèi)照射14- 衰變AZXAZ+1Y + - + - + Q - 為反中微子n p + +Q15-衰變的特點(diǎn)-衰變是釋放-粒子的放射性衰變，它發(fā)生在中子過剩的原子核 ，衰變時釋放一個-粒子（電子）和反中微子，核內(nèi)一個中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，子核原子序數(shù)增加1-粒子的射程較短，穿透力較弱，而電離能力較強(qiáng)，因此不能用來

5、作顯像，但可用作核素內(nèi)照射治療16 衰變AZXAZ-1Y + + + + Q ( 為中微子)p n+e+189F188O + + + 0.66MeV 17 衰變特點(diǎn)正電子衰變：釋放粒子的放射性衰變衰變時釋放一個粒（正電子）和中微子，核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶?，子核原子序?shù)減少1正電子的射程僅12mm即發(fā)生湮滅輻射（annihilation radiation），即失去電子質(zhì)量，轉(zhuǎn)變成兩個能量為511keV、方向相反的光子18Electron capture,ECAZX + 0-1eAZ-1Y + ( 為中微子)P+e- nCharacteristic X-rayAuger electron19電子

6、俘獲衰變特點(diǎn)電子俘獲衰變：一個質(zhì)子俘獲一個核外軌道電子轉(zhuǎn)變成一個中子和放出一個中微子電子俘獲時，因核外內(nèi)層軌道缺少了電子，外層電子躍遷到內(nèi)層去補(bǔ)充，外層電子比內(nèi)層電子的能量大，躍遷中將多余的能量，以光子形式放出，稱其為特征x射線，若不放出特征x射線，而把多余的能量傳給更外層的電子，使其成為自由電子放出，此電子稱為俄歇電子EC衰變發(fā)生在中子數(shù)相對過少的放射性核，衰變后子核原子序數(shù)減少120Gamma decay and internal conversion AmZX AZY + Internal conversionelectronray21衰變 衰變（ decay）：放射核由激發(fā)態(tài)向基態(tài)或由

7、高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時發(fā)射出射線的衰變過程，也稱為躍遷（ transition） 衰變只是能量狀態(tài)改變， 射線的本質(zhì)是中性的光子流 激發(fā)態(tài)的原子核常是在衰變、衰變或核反應(yīng)之后形成的22內(nèi)轉(zhuǎn)換 內(nèi)轉(zhuǎn)換（internal conversation）核素由激發(fā)態(tài)向基態(tài)或由高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時，除發(fā)射射線外也可將多余的能量直接傳給核外電子（主要是K層電子），使軌道電子獲得足夠能量后脫離軌道成為自由電子，此過程稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換，這種自由電子叫做內(nèi)轉(zhuǎn)換電子 內(nèi)轉(zhuǎn)換后形成的電子空穴可被外層電子回補(bǔ)，釋放的能量又可產(chǎn)生俄歇電子或特征性X射線衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換激發(fā)態(tài)核基態(tài)核釋放能量衰變內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換電子俄歇電子或特征X射線23

8、24同質(zhì)異能素核從激發(fā)態(tài)回復(fù)到基態(tài)的時間極短 （10-11s ），故可認(rèn)為射線伴隨、射線同時發(fā)生少數(shù)核衰變時停留在激發(fā)態(tài)的時間較長，以致可以單獨(dú)測量，視為一獨(dú)立核素，即同質(zhì)異能素如： 25各種衰變的比較衰變類型產(chǎn)生原因核射線種類與特征核內(nèi)成分質(zhì)量數(shù)過大粒子氦核P-2n-2-中子數(shù)相對過多粒子 負(fù)電子P+1中子數(shù)相對過少粒子 正電子P-1EC中子數(shù)相對過少P-1衰變后激發(fā)態(tài)核回到基態(tài)核光子 中性不變26核衰變規(guī)律 放射性原子核并不是同時衰變的，對于某一個原子核而言，何時衰變是各自獨(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)目隨時間增長按指數(shù)規(guī)律減少tNlogNt2

9、7衰變常數(shù)(decay constant )衰變公式： Nt=No e-t衰變常數(shù)：某種放射性核素的核在單位時間內(nèi)自發(fā)衰變的幾率它反映該核素衰變的速度和特性；值大衰變快，小則衰變慢，不受任何影響不同的放射性核素有不同的28放射性活度一定量的放射性核素在一很短的時間間隔內(nèi)發(fā)生核衰變數(shù)除以該時間間隔，即單位時間的核衰變次數(shù)； A=dN/dt單位：s-1專用名：貝可（Bq） 1Bq=1S-1 舊單位為Ci, 1Ci=3.7X1010Bq衍生單位：kBq、MBq、GBq(10億)、TBq，Ci、mCi、Ci2829放射性活度放射性活度相同的放射性核素，僅表示它們每秒鐘的衰變次數(shù)相同并不表示它們所發(fā)射的

10、粒子數(shù)目、種類、能量都相同更不表示其輻射生物效應(yīng)一定相同30物理半衰期 Physical half life，(T1/2) 在單一的放射性核素衰變過程中，放射性活度降至原來一半所需的時間長者可達(dá)1010a，短者僅有10-10s半衰期 event along line between detectors.nb+b-1-3mm511KeV511KeVPET : Mechanism37帶電粒子使物質(zhì)的原子發(fā)生電離和激發(fā)的過程中，射線的能量全部耗盡，射線不再存在，稱為吸收。路程沿入射方向投影的直線距離稱為射程，與粒子的動能和吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。吸收作用373839 （X）射線與物質(zhì)相互作用光電效應(yīng) (

11、photoelectric effect)康普頓效應(yīng) (Compton effect)電子對生成 (electron pair production）40X rayAuger electronphotoelectronKLElectron vacancy filledMe-Incident photon指光子被原子吸收后發(fā)射軌道電子的現(xiàn)象光電效應(yīng)41康普頓效應(yīng) 指X、 光子與自由電子相互作用而產(chǎn)生散射的一種效應(yīng)Incidence Compton e-scatteringElastic collisionKLM42電子對生成 指一個具有足夠能量（1.02 MeV）的光子在原子核或其他粒子的電場作用下產(chǎn)生一個正電子和一個負(fù)電子的過程incidence511keV511keV+e- free el