1、第一章第一章 核射線及其與物質的相互作用核射線及其與物質的相互作用原子構造表示圖原子構造表示圖1 根本概念根本概念一、原子構造一、原子構造 原子是由原子核和核外電子組成的，原子核帶正電，核外電子帶負電，整個原子呈電中性的。核外電子在軌道上運動時不吸收也不輻射能量的形狀稱為定態Stationary state；能量最低的定態稱為基態Ground state；能量較高的定態稱為激發態Excited state。 原子核是由質子p和中子(n)組成的，質子和中子統稱為核子nucleon，質子帶正電，其電量與電子的電量相等，中子不帶電。質子數和中子數之和稱為原子核的質量數(A)。(也就是化學里的原子量二

2、、核素二、核素(nuclide) (nuclide) 具有特定的質量數、具有特定的質量數、原子序數和核能態的原子，統稱為核素。原子序數和核能態的原子，統稱為核素。可用通式可用通式AXAX表示表示, ,目前知的元素雖僅目前知的元素雖僅100100多多種，但知的核素卻有種，但知的核素卻有27002700多種。核素可分多種。核素可分為穩定性核素與放射性核素二種，其中絕為穩定性核素與放射性核素二種，其中絕大多數為放射性核素。大多數為放射性核素。三、同位素三、同位素isotopeisotope 凡原子核內質凡原子核內質子數一樣子數一樣( (原子序數一樣原子序數一樣),),而中子數不同而中子數不同的一類原

3、子，彼此互稱為同位素的一類原子，彼此互稱為同位素, , 比如：比如：1H1H、2H2H、3H3H互稱為同位素。每種同位素也互稱為同位素。每種同位素也是一種核素。是一種核素。四、同質異能素四、同質異能素 isomer isomer 核內質子數核內質子數和中子數均一樣，但所處能量形狀不同的和中子數均一樣，但所處能量形狀不同的核素。如核素。如99Tc99Tc與與99mTc99mTc，99mTc99mTc是處于激是處于激發態的原子核，激發態向基態過渡時將放發態的原子核，激發態向基態過渡時將放出多余的能量。出多余的能量。2 核的穩定性和放射性衰變核的穩定性和放射性衰變 一、原子核的穩定性：取決核子之間的

4、引力和短程核力。只需當中子數和質子數的比例在一定的范圍內才干使這兩種力平衡原子核一、原子核的穩定性：取決核子之間的引力和短程核力。只需當中子數和質子數的比例在一定的范圍內才干使這兩種力平衡原子核才是穩定的。才是穩定的。二、衰變類型二、衰變類型 ( (一一)衰變衰變(alpha decay)(alpha decay)：指母核放：指母核放出一個出一個粒子氦原子核的過程。粒子氦原子核的過程。 比如比如226Ra(226Ra(鐳鐳) )衰變式如下：衰變式如下： 226Ra222Rn+4.86Mev 226Ra222Rn+4.86Mev粒子的質量大且帶電荷，故射程短，粒子的質量大且帶電荷，故射程短，穿透

5、力弱，在空氣中只能穿透幾厘米，一穿透力弱，在空氣中只能穿透幾厘米，一張紙就可屏蔽，因此不適宜作核醫學顯像張紙就可屏蔽，因此不適宜作核醫學顯像用。但用。但粒子對部分的電離作用強，對開粒子對部分的電離作用強，對開展體內惡性組織的放射性核素治療具有潛展體內惡性組織的放射性核素治療具有潛在的優勢。在的優勢。 二二衰變衰變(beta decay)(beta decay) (1)- (1)-衰變：指母核放出一個負電子的過程。衰變：指母核放出一個負電子的過程。-衰變發生在中子過剩的原子核。衰變發生在中子過剩的原子核。比如：比如：33P(33P(磷磷) )衰變式如下：衰變式如下： 32P32S+e-1+ +1

6、.711 Mev 32P32S+e-1+ +1.711 Mev - -衰變時放出一個衰變時放出一個-粒子和反中微子，粒子和反中微子，核內一個中子轉變為質子，因此子核比母核核內一個中子轉變為質子，因此子核比母核中子數減少中子數減少1 1，原子序數添加，原子序數添加1 1，原子質量數，原子質量數不變。不變。-射線的本質是高速運動的電子流，射線的本質是高速運動的電子流，-衰變時，衰變能隨機分配給衰變時，衰變能隨機分配給-粒子和反粒子和反中微子，因此中微子，因此-粒子的能量分布構成延續能粒子的能量分布構成延續能譜。譜。 -粒子穿透力弱，例如粒子穿透力弱，例如2Mev2Mev的的-粒子在軟粒子在軟組織中

7、的射程約為組織中的射程約為2cm2cm，不能用于核醫學顯像。，不能用于核醫學顯像。某些某些-核素可用于核素治療，例如：核素可用于核素治療，例如：131I131I用用于治療甲亢和甲狀腺癌，于治療甲亢和甲狀腺癌，32P32P可用于血液和皮可用于血液和皮膚病的治療。膚病的治療。(2)+(2)+衰變：指母核放出一個正電子的衰變：指母核放出一個正電子的過程。發生在中子缺乏的核素，也可以為過程。發生在中子缺乏的核素，也可以為是質子過剩。比如：是質子過剩。比如：13N(13N(氮氮) )衰變式如下：衰變式如下： 13N13C+1.190 Mev 13N13C+1.190 Mev 衰變時放出一個衰變時放出一個

8、+粒子和中微子，核內粒子和中微子，核內一個質子轉變為中子。正電子的射程僅一個質子轉變為中子。正電子的射程僅1-1-2mm2mm即發生湮滅輻射。即發生湮滅輻射。(3)(3)電子俘獲電子俘獲(electron capture decay(electron capture decay，EC)EC)核內的一個質子可以俘獲一個核外電子核內的一個質子可以俘獲一個核外電子并發射一個中微子而轉變為一個中子，所并發射一個中微子而轉變為一個中子，所構成的子核質量數不變，原子序數少構成的子核質量數不變，原子序數少1 1。 比如比如125I(125I(碘碘) )衰變式如下：衰變式如下： 125I+e-125Te( 1

9、25I+e-125Te(碲碲)+0.0355 )+0.0355 MevMev。 原子核發生電子俘獲后，外層電子留原子核發生電子俘獲后，外層電子留下一個空軌道，更外層電子填補空軌道，下一個空軌道，更外層電子填補空軌道，將多余的能量以電磁輻射或光子流的方式將多余的能量以電磁輻射或光子流的方式釋放出去，這種電磁輻射或光子流稱為釋放出去，這種電磁輻射或光子流稱為“標識標識X X線線 。三三躍遷躍遷( transition)( transition)1 1、同質異能躍遷、同質異能躍遷(isomeric transition)(isomeric transition)：原子核發生原子核發生衰變、衰變、衰變

10、后的子核吸收衰衰變后的子核吸收衰變能處于激發態，激發態的子核向基態過渡變能處于激發態，激發態的子核向基態過渡時將多余的能量以電磁輻射或光子流的方式時將多余的能量以電磁輻射或光子流的方式釋放出去，這種電磁輻射或光子流稱為釋放出去，這種電磁輻射或光子流稱為射射線，這個過程稱為線，這個過程稱為衰變。衰變。99mTc(99mTc(锝锝) )衰變式衰變式如下：如下： 99mTc99Tc+ 99mTc99Tc+2 2、內轉換、內轉換(internal conversion)(internal conversion)：激發態：激發態的原子核從激發態躍遷到基態時不放出的原子核從激發態躍遷到基態時不放出射射線，

11、而將多余的能量直接交給核外殼層電子，線，而將多余的能量直接交給核外殼層電子，使軌道上的電子獲得足夠能量后脫離軌道成使軌道上的電子獲得足夠能量后脫離軌道成為自在電子稱之為內轉換，該自在電子稱為為自在電子稱之為內轉換，該自在電子稱為內轉換電子。內轉換電子。 3 3 核衰變規律核衰變規律一、衰變規律：對大量放射性核的群體進一、衰變規律：對大量放射性核的群體進展研討，發現其衰變遵照一種普遍的衰減展研討，發現其衰變遵照一種普遍的衰減規律，即各種放射性核的群體樣品其規律，即各種放射性核的群體樣品其總的放射性核的數目總的放射性核的數目N N都隨時間都隨時間t t按指數規按指數規律衰減。律衰減。 衰變公式：衰

12、變公式： N=Noe-t N=Noe-t 該式是表示核衰變的根本公式，適用該式是表示核衰變的根本公式，適用于任何一種單一存在的放射性核素。于任何一種單一存在的放射性核素。 二、半衰期二、半衰期一物理半衰期一物理半衰期(T1/2)(T1/2)：放射性核素由：放射性核素由于衰變于衰變, ,其原子核數目或活度減少到原來一其原子核數目或活度減少到原來一半所需的時間半所需的時間, ,用用T 1/2T 1/2表示。表示。二生物半衰期二生物半衰期(Tb)(Tb)： 放射性核素由放射性核素由于生物代謝于生物代謝, ,其原子核數目或活度減少到原其原子核數目或活度減少到原來一半所需的時間。來一半所需的時間。三有效

13、半衰期三有效半衰期(Te)(Te)：放射性核素由于：放射性核素由于生物代謝和衰變的共同作用生物代謝和衰變的共同作用, ,其原子核數目其原子核數目或活度減少到原來一半所需的時間。或活度減少到原來一半所需的時間。三者的關系可用下式表示：三者的關系可用下式表示：Te=Te=T1/2TbT1/2TbT1/2+TbT1/2+Tb 引入半衰期概念以后，核衰變的公式可改寫成： N=Noe-0.693t/T1/2 或A=A0e-0.693t/T1/2 按照這一公式，可根據某種放射性核素的半衰期和其出廠到運用時的間隔時間t計算出運用時的放射性活度。三、放射性活度及其單位 (一)放射性活度 單位時間內核衰變的次數

14、，用dps或dpm來表示。( (二二) )放射性活度單位：在國際單位制放射性活度單位：在國際單位制(SI)(SI)中 ， 放 射 性 活 度 專 名 是 貝 可 勒 爾中 ， 放 射 性 活 度 專 名 是 貝 可 勒 爾(Bequeral)(Bequeral)，簡稱貝可，符號是，簡稱貝可，符號是BqBq，單位，單位是秒是秒-1(s-1)-1(s-1)其派生單位有其派生單位有KBqKBq、MBqMBq、GBqGBq和和TBqTBq。 1TBq=103GBq=106MBq=109KBq 1TBq=103GBq=106MBq=109KBq四、放射性比活度：單位質量摩爾、容四、放射性比活度：單位質量

15、摩爾、容積物質所含放射性的多少。積物質所含放射性的多少。 單位分別是：單位分別是：MBq/mgMBq/mg、GBq/mgGBq/mg、TBq/gTBq/g或或MBq/mmolMBq/mmol、GBq/mmolGBq/mmol、MBq/mlMBq/ml。后者常稱為放射性濃度。后者常稱為放射性濃度。 4 4 射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用一、帶電粒子與物質的相互作用一、帶電粒子與物質的相互作用( (一一) )電離與激發電離與激發(ionization and (ionization and excitation)excitation)電離：指帶電粒子與物質相互作用使物質中電離：指帶電粒子

16、與物質相互作用使物質中的中性原子變成離子對的過程。的中性原子變成離子對的過程。激發：假設核外電子所獲動能缺乏以使之成激發：假設核外電子所獲動能缺乏以使之成為自在電子，只是從內層躍遷到外層，從低為自在電子，只是從內層躍遷到外層，從低能級躍遷到高能級。能級躍遷到高能級。電離密度：單位途徑上構成的離子對的數目。電離密度：單位途徑上構成的離子對的數目。它表示的是射線電離作用強弱的量。它表示的是射線電離作用強弱的量。二韌致輻射：二韌致輻射：-與物質相互作與物質相互作用會遭到原子核電場的排斥，將部分用會遭到原子核電場的排斥，將部分能量以電磁輻射或光子流的方式釋放能量以電磁輻射或光子流的方式釋放出去，這種電

17、磁輻射或光子流稱為韌出去，這種電磁輻射或光子流稱為韌致輻射。韌致輻射的發生幾率與致輻射。韌致輻射的發生幾率與-的能量及被作用物質的原子序數成正的能量及被作用物質的原子序數成正比。在實踐任務中，為了盡能夠地減比。在實踐任務中，為了盡能夠地減少少射線產生的韌致輻射，應該選用射線產生的韌致輻射，應該選用原子序數低的資料作為屏蔽資料，比原子序數低的資料作為屏蔽資料，比如鋁、有機玻璃等。如鋁、有機玻璃等。 ( (三三) ) 湮沒輻射：湮沒輻射：+與物質相互作用會遭與物質相互作用會遭到原子核電場的吸引，正負電子結合成為到原子核電場的吸引，正負電子結合成為一對能量各為一對能量各為0.511Mev0.511M

18、ev的光子，這個過程的光子，這個過程稱為湮沒輻射，湮沒輻射是稱為湮沒輻射，湮沒輻射是PETPET顯像的根底。顯像的根底。四吸收和射程四吸收和射程 ：吸收：帶電粒子引起電離和激發的同時逐吸收：帶電粒子引起電離和激發的同時逐漸損失能量，當其動能全部或接近全部消漸損失能量，當其動能全部或接近全部消逝時，原來的射線不在存在，這一景象稱逝時，原來的射線不在存在，這一景象稱為射線的吸收。為射線的吸收。射程：射線從入射到完全消逝所經過的直射程：射線從入射到完全消逝所經過的直線間隔稱為射線的射程。線間隔稱為射線的射程。 二、二、射線射線X X射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用( (一一) ) 光電效應光

19、電效應(photoelectric effect)(photoelectric effect)：光子與物質相互作用，將一切的能量都傳光子與物質相互作用，將一切的能量都傳給被作用物質原子核的核外電子，使其脫給被作用物質原子核的核外電子，使其脫離原子核的束縛成為自在電子，這個自在離原子核的束縛成為自在電子，這個自在電子稱為光電子，這個過程稱為光電效應電子稱為光電子，這個過程稱為光電效應由光子到電子。發射光電子的原子內由光子到電子。發射光電子的原子內層電子出現空位，故可發射特征層電子出現空位，故可發射特征X X射線。射線。二康普頓效應二康普頓效應(Compton effect)(Compton ef

20、fect)： 當光子的能量遠大于殼層電子的當光子的能量遠大于殼層電子的結合能時，結合能時，光子將其部分能量傳給光子將其部分能量傳給被作用物質原子核的核外電子，使其被作用物質原子核的核外電子，使其脫離原子核的束縛成為自在電子，這脫離原子核的束縛成為自在電子，這個自在電子稱為康普頓電子，個自在電子稱為康普頓電子，射線射線失去部分能量改動運動方向射出，稱失去部分能量改動運動方向射出，稱為康普頓散射光子，這個過程稱為康為康普頓散射光子，這個過程稱為康普頓效應。普頓效應。( ( 三三 ) ) 電 子 對 生 效 果 應電 子 對 生 效 果 應 ( p a i r ( p a i r productio

21、n)production)： 能量超越能量超越1.02Mev1.02Mev的的射線與物質相射線與物質相互作用，互作用，光子在原子核電場的作用下光子在原子核電場的作用下產生一對正負電子，這種作用稱為電子產生一對正負電子，這種作用稱為電子對生效果應。對生效果應。1.02Mev1.02Mev的能量是產生一對的能量是產生一對正負電子的最低極限值。正負電子的最低極限值。 射線與物質相互作用時產生的光射線與物質相互作用時產生的光電效應、康普頓效應和電子對生效果應電效應、康普頓效應和電子對生效果應的幾率，隨的幾率，隨光子的能量和物質原子序光子的能量和物質原子序數的不同而不同。數的不同而不同。 普通而言，低能射線經過高原子序數物質時以光電效應為主；中能射線經過低原子序數物質時以康普頓效應為主；而高能射線經過高原子序數物質時