1、第一章第一章 核射線及其與物質(zhì)的相互作用核射線及其與物質(zhì)的相互作用原子構(gòu)造表示圖原子構(gòu)造表示圖1 根本概念根本概念一、原子構(gòu)造一、原子構(gòu)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(fù)電，整個(gè)原子呈電中性的。核外電子在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)不吸收也不輻射能量的形狀稱為定態(tài)Stationary state；能量最低的定態(tài)稱為基態(tài)Ground state；能量較高的定態(tài)稱為激發(fā)態(tài)Excited state。 原子核是由質(zhì)子p和中子(n)組成的，質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子nucleon，質(zhì)子帶正電，其電量與電子的電量相等，中子不帶電。質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和稱為原子核的質(zhì)量數(shù)(A)。(也就是化學(xué)里的原子量二

2、、核素二、核素(nuclide) (nuclide) 具有特定的質(zhì)量數(shù)、具有特定的質(zhì)量數(shù)、原子序數(shù)和核能態(tài)的原子，統(tǒng)稱為核素。原子序數(shù)和核能態(tài)的原子，統(tǒng)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(wěn)定性核素與放射性核素二種，其中絕為穩(wěn)定性核素與放射性核素二種，其中絕大多數(shù)為放射性核素。大多數(shù)為放射性核素。三、同位素三、同位素isotopeisotope 凡原子核內(nèi)質(zhì)凡原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)一樣子數(shù)一樣( (原子序數(shù)一樣原子序數(shù)一樣),),而中子數(shù)不同而中子數(shù)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(zhì)異能素四、同質(zhì)異能素 isomer isomer 核內(nèi)質(zhì)子數(shù)核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均一樣，但所處能量形狀不同的和中子數(shù)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(fā)態(tài)的原子核，激發(fā)態(tài)向基態(tài)過渡時(shí)將放發(fā)態(tài)的原子核，激發(fā)態(tài)向基態(tài)過渡時(shí)將放出多余的能量。出多余的能量。2 核的穩(wěn)定性和放射性衰變核的穩(wěn)定性和放射性衰變 一、原子核的穩(wěn)定性：取決核子之間的

4、引力和短程核力。只需當(dāng)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)的比例在一定的范圍內(nèi)才干使這兩種力平衡原子核一、原子核的穩(wěn)定性：取決核子之間的引力和短程核力。只需當(dāng)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)的比例在一定的范圍內(nèi)才干使這兩種力平衡原子核才是穩(wěn)定的。才是穩(wěn)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(gè)出一個(gè)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(zhì)量大且?guī)щ姾桑噬涑潭蹋Ｗ拥馁|(zhì)量大且?guī)щ姾桑噬涑潭蹋┩?/p>

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(yī)學(xué)顯像張紙就可屏蔽，因此不適宜作核醫(yī)學(xué)顯像用。但用。但粒子對(duì)部分的電離作用強(qiáng)，對(duì)開粒子對(duì)部分的電離作用強(qiáng)，對(duì)開展體內(nèi)惡性組織的放射性核素治療具有潛展體內(nèi)惡性組織的放射性核素治療具有潛在的優(yōu)勢(shì)。在的優(yōu)勢(shì)。 二二衰變衰變(beta decay)(beta decay) (1)- (1)-衰變：指母核放出一個(gè)負(fù)電子的過程。衰變：指母核放出一個(gè)負(fù)電子的過程。-衰變發(fā)生在中子過剩的原子核。衰變發(fā)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(shí)放出一個(gè)衰變時(shí)放出一個(gè)-粒子和反中微子，粒子和反中微子，核內(nèi)一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，因此子核比母核核內(nèi)一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，因此子核比母核中子數(shù)減少中子數(shù)減少1 1，原子序數(shù)添加，原子序數(shù)添加1 1，原子質(zhì)量數(shù)，原子質(zhì)量數(shù)不變。不變。-射線的本質(zhì)是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，射線的本質(zhì)是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，-衰變時(shí)，衰變能隨機(jī)分配給衰變時(shí)，衰變能隨機(jī)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(gòu)成延續(xù)能粒子的能量分布構(gòu)成延續(xù)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(yī)學(xué)顯像。，不能用于核醫(yī)學(xué)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(gè)正電子的衰變：指母核放出一個(gè)正電子的過程。發(fā)生在中子缺乏的核素，也可以為過程。發(fā)生在中子缺乏的核素，也可以為是質(zhì)子過剩。比如：是質(zhì)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(shí)放出一個(gè)衰變時(shí)放出一個(gè)

8、+粒子和中微子，核內(nèi)粒子和中微子，核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶印Ｕ娮拥纳涑虄H一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶印Ｕ娮拥纳涑虄H1-1-2mm2mm即發(fā)生湮滅輻射。即發(fā)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(nèi)的一個(gè)質(zhì)子可以俘獲一個(gè)核外電子核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子可以俘獲一個(gè)核外電子并發(fā)射一個(gè)中微子而轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)中子，所并發(fā)射一個(gè)中微子而轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)中子，所構(gòu)成的子核質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)少構(gòu)成的子核質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)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(fā)生電子俘獲后，外層電子留原子核發(fā)生電子俘獲后，外層電子留下一個(gè)空軌道，更外層電子填補(bǔ)空軌道，下一個(gè)空軌道，更外層電子填補(bǔ)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(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí)X X線線 。三三躍遷躍遷( transition)( transition)1 1、同質(zhì)異能躍遷、同質(zhì)異能躍遷(isomeric transition)(isomeric transition)：原子核發(fā)生原子核發(fā)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(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的子核向基態(tài)過渡變能處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的子核向基態(tài)過渡時(shí)將多余的能量以電磁輻射或光子流的方式時(shí)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(gè)過程稱為線，這個(gè)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(nèi)轉(zhuǎn)換、內(nèi)轉(zhuǎn)換(internal conversion)(internal conversion)：激發(fā)態(tài)：激發(fā)態(tài)的原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)不放出的原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)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(nèi)轉(zhuǎn)換，該自在電子稱為為自在電子稱之為內(nèi)轉(zhuǎn)換，該自在電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。 3 3 核衰變規(guī)律核衰變規(guī)律一、衰變規(guī)律：對(duì)大量放射性核的群體進(jìn)一、衰變規(guī)律：對(duì)大量放射性核的群體進(jìn)展研討，發(fā)現(xiàn)其衰變遵照一種普遍的衰減展研討，發(fā)現(xiàn)其衰變遵照一種普遍的衰減規(guī)律，即各種放射性核的群體樣品其規(guī)律，即各種放射性核的群體樣品其總的放射性核的數(shù)目總的放射性核的數(shù)目N N都隨時(shí)間都隨時(shí)間t t按指數(shù)規(guī)按指數(shù)規(guī)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(shù)目或活度減少到原來一其原子核數(shù)目或活度減少到原來一半所需的時(shí)間半所需的時(shí)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(shù)目或活度減少到原其原子核數(shù)目或活度減少到原來一半所需的時(shí)間。來一半所需的時(shí)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(shù)目其原子核數(shù)目或活度減少到原來一半所需的時(shí)間。或活度減少到原來一半所需的時(shí)間。三者的關(guān)系可用下式表示：三者的關(guān)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(jù)某種放射性核素的半衰期和其出廠到運(yùn)用時(shí)的間隔時(shí)間t計(jì)算出運(yùn)用時(shí)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(shí)間內(nèi)核衰變的次數(shù)

14、，用dps或dpm來表示。( (二二) )放射性活度單位：在國(guó)際單位制放射性活度單位：在國(guó)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(jiǎn)稱貝可，符號(hào)是，簡(jiǎn)稱貝可，符號(hào)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：?jiǎn)挝毁|(zhì)量摩爾、容四、放射性比活度：?jiǎn)挝毁|(zhì)量

15、摩爾、容積物質(zhì)所含放射性的多少。積物質(zhì)所含放射性的多少。 單位分別是：?jiǎn)挝环謩e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(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用( (一一) )電離與激發(fā)電離與激發(fā)(ionization and (ionization and excitation)excitation)電離：指帶電粒子與物質(zhì)相互作用使物質(zhì)中電離：指帶電粒子

16、與物質(zhì)相互作用使物質(zhì)中的中性原子變成離子對(duì)的過程。的中性原子變成離子對(duì)的過程。激發(fā)：假設(shè)核外電子所獲動(dòng)能缺乏以使之成激發(fā)：假設(shè)核外電子所獲動(dòng)能缺乏以使之成為自在電子，只是從內(nèi)層躍遷到外層，從低為自在電子，只是從內(nèi)層躍遷到外層，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。能級(jí)躍遷到高能級(jí)。電離密度：?jiǎn)挝煌緩缴蠘?gòu)成的離子對(duì)的數(shù)目。電離密度：?jiǎn)挝煌緩缴蠘?gòu)成的離子對(duì)的數(shù)目。它表示的是射線電離作用強(qiáng)弱的量。它表示的是射線電離作用強(qiáng)弱的量。二韌致輻射：二韌致輻射：-與物質(zhì)相互作與物質(zhì)相互作用會(huì)遭到原子核電場(chǎng)的排斥，將部分用會(huì)遭到原子核電場(chǎng)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(fā)生幾率與致輻射。韌致輻射的發(fā)生幾率與-的能量及被作用物質(zhì)的原子序數(shù)成正的能量及被作用物質(zhì)的原子序數(shù)成正比。在實(shí)踐任務(wù)中，為了盡能夠地減比。在實(shí)踐任務(wù)中，為了盡能夠地減少少射線產(chǎn)生的韌致輻射，應(yīng)該選用射線產(chǎn)生的韌致輻射，應(yīng)該選用原子序數(shù)低的資料作為屏蔽資料，比原子序數(shù)低的資料作為屏蔽資料，比如鋁、有機(jī)玻璃等。如鋁、有機(jī)玻璃等。 ( (三三) ) 湮沒輻射：湮沒輻射：+與物質(zhì)相互作用會(huì)遭與物質(zhì)相互作用會(huì)遭到原子核電場(chǎng)的吸引，正負(fù)電子結(jié)合成為到原子核電場(chǎng)的吸引，正負(fù)電子結(jié)合成為一對(duì)能量各為一對(duì)能量各為0.511Mev0.511M

18、ev的光子，這個(gè)過程的光子，這個(gè)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(fā)的同時(shí)逐吸收：帶電粒子引起電離和激發(fā)的同時(shí)逐漸損失能量，當(dāng)其動(dòng)能全部或接近全部消漸損失能量，當(dāng)其動(dòng)能全部或接近全部消逝時(shí)，原來的射線不在存在，這一景象稱逝時(shí)，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(jīng)過的直射程：射線從入射到完全消逝所經(jīng)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(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用( (一一) ) 光電效應(yīng)光

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

20、fect)： 當(dāng)光子的能量遠(yuǎn)大于殼層電子的當(dāng)光子的能量遠(yuǎn)大于殼層電子的結(jié)合能時(shí)，結(jié)合能時(shí)，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(zhì)原子核的核外電子，使其被作用物質(zhì)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(gè)自在電子稱為康普頓電子，個(gè)自在電子稱為康普頓電子，射線射線失去部分能量改動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向射出，稱失去部分能量改動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向射出，稱為康普頓散射光子，這個(gè)過程稱為康為康普頓散射光子，這個(gè)過程稱為康普頓效應(yīng)。普頓效應(yīng)。( ( 三三 ) ) 電 子 對(duì) 生 效 果 應(yīng)電 子 對(duì) 生 效 果 應(yīng) ( 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(zhì)相射線與物質(zhì)相互作用，互作用，光子在原子核電場(chǎng)的作用下光子在原子核電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電子，這種作用稱為電子產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電子，這種作用稱為電子對(duì)生效果應(yīng)。對(duì)生效果應(yīng)。1.02Mev1.02Mev的能量是產(chǎn)生一對(duì)的能量是產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電子的最低極限值。正負(fù)電子的最低極限值。 射線與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的光射線與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)生效果應(yīng)電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)生效果應(yīng)的幾率，隨的幾率，隨光子的能量和物質(zhì)原子序光子的能量和物質(zhì)原子序數(shù)的不同而不同。數(shù)的不同而不同。 普通而言，低能射線經(jīng)過高原子序數(shù)物質(zhì)時(shí)以光電效應(yīng)為主；中能射線經(jīng)過低原子序數(shù)物質(zhì)時(shí)以康普頓效應(yīng)為主；而高能射線經(jīng)過高原子序數(shù)物質(zhì)時(shí)