核医学的核物理基础.pptx

原子核中子质子电子+第一节第一节 原子的基本结构原子的基本结构核素核素 ：具有特定质量数、原子序数与核能态，其平均寿命：具有特定质量数、原子序数与核能态，其平均寿命长得足以被观测的一类原子称为核素。长得足以被观测的一类原子称为核素。核素及符号表示核素及符号表示核核 素素质子数质子数中子数中子数质量数质量数符符 号号氦氦-4-42 22 24 44 4HeHe碳碳-12-126 66 612121212C C碳碳-13-136 67 713131313C C碳碳-14-146 68 814141414C C稳定核素稳定核素原子核稳定，不会自发衰变的核素称为稳定核素。放射性核素放射性核素原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级调整才能趋于稳定的核素,称为放射性核素（radionuclide）。定义：具有相同原子序数，但质量数不同的核素互为同定义：具有相同原子序数，但质量数不同的核素互为同位素。即质子数相同而中子数不同的核素。位素。即质子数相同而中子数不同的核素。同位素同位素图2-2氕、氘、氚互为同位素同质异能素同质异能素定义：具有相同质量数和原子序数，处于不同核能态的定义：具有相同质量数和原子序数，处于不同核能态的一类核素称同质异能素。一类核素称同质异能素。基态的原子和激发态的原子互为同质异能素基态的原子和激发态的原子互为同质异能素(isomer)(isomer)。同质异能素同质异能素氚发生-衰变，衰变为氦第二节第二节 核衰变核衰变定义：放射性核素由于核内结构或能级调整，自发地释定义：放射性核素由于核内结构或能级调整，自发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种核素的过程放出一种或一种以上的射线并转化为另一种核素的过程,称为核衰变称为核衰变(nuclear decay)(nuclear decay)。衰变衰变衰变衰变一、核衰变的类型一、核衰变的类型定义：衰变时放射出定义：衰变时放射出 粒子的衰变称粒子的衰变称 衰变衰变(decay)decay)。衰变发生于原子序数衰变发生于原子序数 82 82的核素。的核素。+Q -衰变衰变衰变衰变定义：释放出定义：释放出-粒子的衰变称粒子的衰变称-衰变衰变(-decay)-decay)。-衰变发生于富中子核素，实质上是原子核的一个衰变发生于富中子核素，实质上是原子核的一个中子转化为质子。中子转化为质子。+衰变衰变衰变衰变定义：定义：释放出释放出 粒子的粒子的衰变方式衰变方式称为称为 衰变衰变(decay)decay)。衰变发生于贫中子核素，实质上是原子核的一个质子衰变发生于贫中子核素，实质上是原子核的一个质子转化为中子。转化为中子。电子俘获电子俘获电子俘获电子俘获定义：电子俘获定义：电子俘获(electron capture)(electron capture)是指原子核从是指原子核从核外俘获一个轨道电子。核外俘获一个轨道电子。电子俘获也发生在贫中子核素，由于核内中子相对电子俘获也发生在贫中子核素，由于核内中子相对不足而从核外内层的电子轨道上俘获一个电子，使不足而从核外内层的电子轨道上俘获一个电子，使其一个质子转化为中子。其一个质子转化为中子。衰变和内转换衰变和内转换衰变和内转换衰变和内转换定义：原子核由激发态向基态或由高能态向低能态跃定义：原子核由激发态向基态或由高能态向低能态跃迁时，放出迁时，放出 射线的衰变过程称为射线的衰变过程称为 衰变衰变 (decay)decay)。原子核的激发能也可以直接传递给核外的内层电子，原子核的激发能也可以直接传递给核外的内层电子，使之脱离轨道成为自由电子，这一过程称为内转换使之脱离轨道成为自由电子，这一过程称为内转换(internal conversion)(internal conversion)。核衰变的基本定律核衰变的基本定律核衰变的基本定律核衰变的基本定律 二、核衰变规律二、核衰变规律放射性原子数或放射性活度随时间呈指数规律减少。Nt=N0e-t 或 At=A0e-t衰变常数衰变常数衰变常数衰变常数放射性核素在单位时间内衰变的概率。是反映放射性核素放射性核素在单位时间内衰变的概率。是反映放射性核素衰变速度的物理量，是放射性核素的一个重要特征参数。衰变速度的物理量，是放射性核素的一个重要特征参数。衰变常数越大，放射性核素衰变速度越大。衰变常数越大，放射性核素衰变速度越大。用用表示。表示。单位：单位：h-1,min-1,s-1。99Tcm的衰变曲线半衰期半衰期半衰期半衰期 物理半衰期物理半衰期(physicalhalflife)指放射性核素减少一半所需指放射性核素减少一半所需要的时间。是放射性核素的一个重要特征参数。物理半衰要的时间。是放射性核素的一个重要特征参数。物理半衰期越短表明放射性核素衰变越快。期越短表明放射性核素衰变越快。用用T1/2表示。表示。单位：单位：h,min,s。物理半衰期物理半衰期生物半衰期生物半衰期（biological half lifebiological half life）指指生物体内的生物体内的放射放射性核素性核素经各种途径从体内排出一半所需要的时间。经各种途径从体内排出一半所需要的时间。用用T Tb b表示。表示。单位：单位：h,min,s。生物半衰期生物半衰期有效半减期（有效半减期（effective half lifeeffective half life）指指生物体内的生物体内的放射性放射性核素核素由于从体内排出和物理衰变两个因素作用，减少至原由于从体内排出和物理衰变两个因素作用，减少至原有有放射性活度的一半所需的时间放射性活度的一半所需的时间。用用T Teff eff 表示。表示。单位：单位：h,min,s。有效半衰期有效半衰期T Teffeff=T=T1/21/2 T Tb b/(T/(T1/21/2+T+Tb b)放射性活度放射性活度放射性活度放射性活度 定义：一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生定义：一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔。简称活度的核衰变数除以该时间间隔。简称活度(radioactivity)。即即单位时间内单位时间内原子核的衰变数量。原子核的衰变数量。A=dN/dt国际制单位：国际制单位：BqBq（贝克贝克），KBqKBq（10103 3 Bq Bq），），MBqMBq（10106 6BqBq），），GBqGBq（10109 9 Bq Bq）旧的专用单位：旧的专用单位：CiCi（居里居里），），mCimCi（10103 3 Ci Ci），），CiCi（10106 6CiCi）1Bq=1s 1Bq=1s-1-1 1 1Ci=3.710Ci=3.7101010Bq Bq 第三节第三节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用电离作用电离作用电离作用电离作用 定义：凡原子或原子团由于失去电子或得到电子而变成离定义：凡原子或原子团由于失去电子或得到电子而变成离子的过程称为电离（子的过程称为电离（ionization）。）。电离密度电离密度(ionizationionizationdensity)density)单位路径上形成离子对的数目称为电离密度或单位路径上形成离子对的数目称为电离密度或比电离。比电离。电离密度与带电粒子的电量、速度以及物质密电离密度与带电粒子的电量、速度以及物质密度有关。度有关。激发作用激发作用激发作用激发作用 定义：如果核外电子获得的能量不足以使其形成自由电子，定义：如果核外电子获得的能量不足以使其形成自由电子，只能由能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，使整个原只能由能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，使整个原子处于能量较高的激发态，称为激发子处于能量较高的激发态，称为激发(excitation)。激发的原子不稳定，退激后可释放出光子或热量。激发的原子不稳定，退激后可释放出光子或热量。散射散射散射散射 定义：定义：带电粒子与物质的原子核碰撞而改变运动方向和带电粒子与物质的原子核碰撞而改变运动方向和/或或能量的过程称为散射能量的过程称为散射(scattering)scattering)。仅运动方向改变而能量不变者称为弹性散射。运动方向仅运动方向改变而能量不变者称为弹性散射。运动方向和能量都发生变化者称为非弹性散射。和能量都发生变化者称为非弹性散射。散射作用强弱与带电粒子的质量有关，带电粒子的质量散射作用强弱与带电粒子的质量有关，带电粒子的质量越大，散射作用越弱，所以越大，散射作用越弱，所以 粒子散射一般不明显，粒子散射一般不明显，-粒粒子散射较为明显。子散射较为明显。韧致辐射韧致辐射韧致辐射韧致辐射 定义：定义：带电粒子受到物质原子核电场的作用，运动方向和带电粒子受到物质原子核电场的作用，运动方向和速度都发生变化，能量减低，多余的能量以速度都发生变化，能量减低，多余的能量以X X射线的形式辐射线的形式辐射出来，称为韧致辐射射出来，称为韧致辐射(bremsstrahlung)bremsstrahlung)韧致辐射实际上是一种非弹性散射。韧致辐射实际上是一种非弹性散射。湮灭辐射湮灭辐射湮灭辐射湮灭辐射(annihilationannihilationannihilationannihilation radiation)radiation)radiation)radiation)定义：定义：+衰变产生的正电子可在介质中运行一定距离，能衰变产生的正电子可在介质中运行一定距离，能量耗尽时和物质中的自由电子结合，两个电子的静止质量量耗尽时和物质中的自由电子结合，两个电子的静止质量（相当于（相当于10221022keVkeV的能量）转化为两个方向相反、能量各为的能量）转化为两个方向相反、能量各为511511keVkeV的的 光子而自身消失，叫做湮灭辐射。光子而自身消失，叫做湮灭辐射。吸收作用吸收作用吸收作用吸收作用 定义：定义：带电粒子通过物质时，与物质相互作用带电粒子通过物质时，与物质相互作用,能量不断能量不断损失，当射线能量耗尽后，带电粒子就停留在物质中，射损失，当射线能量耗尽后，带电粒子就停留在物质中，射线则不再存在，称为吸收线则不再存在，称为吸收(absorption)absorption)。二、光子与物质的相互作用二、光子与物质的相互作用光电效应光电效应光电效应光电效应 定义：定义：光子与物质原子的轨道电子（主要是内层电子）碰光子与物质原子的轨道电子（主要是内层电子）碰撞，把能量全部交给轨道电子，使之脱离原子，光子消失，撞，把能量全部交给轨道电子，使之脱离原子，光子消失，这种作用过程称为光电效应这种作用过程称为光电效应(photoelectric effect)photoelectric effect)。康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应 定义：定义：光子与原子的核外电子碰撞，将一部分能量传递给电光子与原子的核外电子碰撞，将一部分能量传递给电子，使之脱离原子轨道成为自由电子，子，使之脱离原子轨道成为自由电子，光子本身能量降低，光子本身能量降低，运行方向发生改变，称为康普顿效应运行方向发生改变，称为康普顿效应(Compton effect)Compton effect)。电子对生成电子对生成电子对生成电子对生成 定义：定义：当当 光子能量光子能量10221022keVkeV时（时（10221022keVkeV相当于两个电子的相当于两个电子的静质量），其中静质量），其中10221022keVkeV的能量在物质原子核电场作用下转的能量在物质原子核电场作用下转化为一个正电子和一个负电子，称为电子对生成化为一个正电子和一个负电子，称为电子对生成(electron electron pair production)pair production)。余下的能量变成电子对的动能。余下的能量变成电子对的动能。作业n1核衰变的类型有哪些？简述各衰变过程。n2射线与物质的相互作用过程有哪些？简述光电效应、康普顿效应及电子对效应产生的过程。