核醫(yī)學物理基礎(chǔ)

核醫(yī)學物理基礎(chǔ)第一頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/161幾個基本概念或定義Nuclide:具有特定質(zhì)量數(shù)、原子序數(shù)與核能態(tài),且半衰期足以能被觀測的一類原子。Isotope:具有相同原子序數(shù)，而質(zhì)量數(shù)不同的核素。Isomer: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。第二頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/162Stable&radionuclide★前者穩(wěn)定存在，不會自發(fā)地變化★后者不穩(wěn)定，自發(fā)放射出射線，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，是否穩(wěn)定取決于核內(nèi)中子與質(zhì)子比率。P<20的核素，n:p＝１才能穩(wěn)定。P>20的核素,n:p>１才能穩(wěn)定。P>83的核素，核力不能與質(zhì)子間的斥力保持平衡，故全是不穩(wěn)定的放射性核素。

P<82的核素，天然的放射性核素很少，多由人工生產(chǎn)。

第三頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/163核衰變類型（nucleardecay)α衰變

核衰變時放射出α粒子的衰變。

AZX--A-4Z-2Y+42He+Q4Heγ第四頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/164α粒子特性α粒子實質(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，mm。因其射程短，一張紙即可阻擋但α粒子的電離能力很強。第五頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/165β衰變核衰變時放射出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。

第六頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/166β－衰變衰變時放射出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－γ第七頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/167β－粒子的特性β－粒子實質(zhì)是負電子；衰變后質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)加１。β－粒子的能量分布從0～最大具有連續(xù)能譜，穿透力比a粒子大；電離能量比a粒子弱，能被鋁和機體吸收。第八頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/168β＋衰變衰變時放射出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+第九頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/169β＋粒子的特性β＋粒子實質(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。第十頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1610電子俘獲(electroncapture,EC)核衰變時俘獲一個軌道電子。它是核內(nèi)中子數(shù)相對不足所致。從內(nèi)層軌道（K）俘獲一個電子，使核內(nèi)一個質(zhì)子轉(zhuǎn)化為一個中子。P+e-n特征X線Auger電子γ第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1611γ衰變與內(nèi)轉(zhuǎn)換γ衰變是伴隨其它衰變而產(chǎn)生；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第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1612γ射線特性γ射線為光子流，不帶電，穿透力強，電離能力弱；γ射線在真空中速度為30萬km/s。

第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1613三種衰變的比較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。第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1614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衰變的，對于某一個原子核而言，何時衰變是各自獨立沒有規(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。第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1615Decayconstant(λ)衰變常數(shù)：某種放射性核素的核在單位時間內(nèi)自發(fā)衰變的比率；它反映該核素衰變的速度和特性；λ值大衰變快，小則衰變慢，不受任何影響。第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1616衰變公式衰變公式：Nt=Noe-λt特性：不同的放射性核素有不同的λ；共性：任何放射性核素的衰變原子核數(shù)目隨時間增長按指數(shù)規(guī)律減少；

tNlogNt第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1617半衰期

halflife

物理半衰期（physicalhalflife，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1010a，短者僅有10-10s。半衰期<10h的核素稱為短半衰期核素。

第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1618

0.6930.693-0.693tλ=------T1/2=----A=Aoe------T1/2λT1/2

生物半衰期(biologicalhalflife)在某生物體系中，某種指定化學元素的排出速率近似地按指數(shù)規(guī)律減少時，由于生物過程使其在此系統(tǒng)中減少至一半所需時間。第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1619

有效半衰期(effectivehalflife)：當某生物系統(tǒng)中，某種指定的放射性核素的量，由于放射性衰變和生物排出的綜合作用，而近似地按指數(shù)規(guī)律減少時，該核素的量減少一半所需時間。

Te=T1/2*Tb/(T1/2+Tb)例：I-131在甲狀腺的Te計算，I-131物理T1/2為8.1天，設(shè)Tb為７天；

Te=(8.1x7)/(8.1+7)=3.75天。第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1620放射性活度

radioactivity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數(shù)目；A=dN/dt單位：s-1，專用名：貝可（Becquerel，Bq）1Bq=1S-1衍生單位：KBq、MBq、GBq(10億)、TBq。第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1621比放射性與放射性濃度比放射性(specificactivity)指單位質(zhì)量的放射性制劑中的放射性活度，

Bq/mol,Bq/g；放射性濃度：單位容積的放射性制劑中的放射性活度,Bq/L；第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1622

射線與物質(zhì)的相互作用

第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1623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-正負離子對次級電離33.85eV第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1624

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

帶電粒子粒子γ(退激)第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1625電離密度單位路徑形成的離子對數(shù)目稱為:

ionizationdensity。表示帶電離子電離能力大?。浑婋x密度取決于帶電粒子能量、速度與物質(zhì)密度。帶電粒子能量大、速度慢、物質(zhì)密度低，電離密度則大。第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1626軔致輻射

bremsstrahlung高速帶電粒子通過物質(zhì)原子核電場時受到突然阻滯，運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，部分或全部動能轉(zhuǎn)化為具有連續(xù)能譜的軔致輻射；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第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1627散射

scattering入射粒子與粒子或粒子系統(tǒng)碰撞而改變運動方向與能量的過程。僅改變運動方向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，運動為曲線，散射明顯。粒子粒子第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1628光子與物質(zhì)的相互作用

光電效益(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),退激時發(fā)射標識X線或俄歇電子。X,俄歇e光電子γKL第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1629康普頓效益

ComptoneffectMeV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第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1630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)生一對正負電子；光子能量被正、負電子任意分配帶走(超過1.02MeVEr轉(zhuǎn)化為正負電子動能)；

入射γγγ511keV511keVe++e-自由e第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1631中子與物質(zhì)中子通過物質(zhì)時與原子核相互作用，中子不直接使物質(zhì)電離。彈性散射：中子將部分能量傳給被碰撞的原子核，使其脫離電子層而運動形成反沖核,反沖核使物質(zhì)的其它原子發(fā)生電離和激發(fā)，而中子本身速度減慢,方向改變,這種現(xiàn)象稱為彈性碰撞。中子與質(zhì)量相近的原子核碰撞時損失的能量最多,而反沖核獲得的能量大,故應(yīng)用水或石蠟作屏蔽，使其減速或吸收。

n→原子核→p,n第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1632核反應(yīng)NuclearReaction快中子作用于物質(zhì)的原子核時，放出帶電粒子而形成新的核，新核可能是穩(wěn)定的核素，也可能是放射性核素，如果是放射性核素，則可繼續(xù)衰變放出βγ射線，使物質(zhì)產(chǎn)生電離或激發(fā)，這種現(xiàn)象稱為感生放射性。

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Na+nNaβ－Mg+Q第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1633輻射量及其單位我國的法定計量單位是以國際制單位為基礎(chǔ)，同時選用了一些非國際制的單位。常用單位：照射量、吸收劑量、劑量當量和有效劑量當量。第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1634照射量

exposure直接度量X、γ射線對空氣的電離能力的量。間接反映X、γ輻射場的強弱；定義：光子在單位質(zhì)量(dm)的空氣中釋放出來的全部電子（正、負電子）完全被空氣所阻止時，在空氣中產(chǎn)生任一種符號的離子總電荷的絕對值（dQ）與空氣質(zhì)量dm的比值。

X=dQ/dm

第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日2023/3/1635

適用光子能量在幾keV-3MeV。單位：庫侖.千克(C.kg-1)。照射量率(X)：單位時間的照射量γXγ第三