1、核核 医医 学学（核物理基础）首都医科大学潞河教学医院影像教研室首都医科大学潞河教学医院影像教研室 姚姚 剑剑 一、原子结构一、原子结构 二、放射性核衰变二、放射性核衰变 三、射线与物质的相互作用三、射线与物质的相互作用核物理核物理原子（atom）是构成元素的基本单位，不同元素的原子具有不同的性质，但是原子的基本结构大致相同。地球上的所有物质都是由已经发现的一百多种元素构成的。原子由原子核和核外电子构成原子核由质子和中子组成，它们统称为核子。核外电子围绕原子核在特定轨道旋转。原子结构原子结构质子带一个正电荷，中子呈电中性，核外电子带负电荷，原子本身呈电中性（正负电荷相等）。l基态基态：核外电子
2、或核子优先占据能量低的轨道或位置的状态。l激发态激发态：低能量的电子或核子获得能量而跳跃到能量较高的轨道或位置上。l退激：退激：处于激发态的原子或原子核不稳定，会通过放射光子释放能量，使整个原子从激发态退回到基态。原子的能量状态原子的能量状态基本概念基本概念l元素：元素：是具有相同质子数的一类原子的集是具有相同质子数的一类原子的集合。合。l核素核素：原子核的质子数、中子数和所处的原子核的质子数、中子数和所处的能量能量状态均相同的原子属于同一种核素。状态均相同的原子属于同一种核素。表示表示方法：方法：(A A为原子质量数，为原子质量数，Z Z为质子数，为质子数，m为激发态标志为激发态标志)同同一
3、种核素化学性质和核性质均相同，是某一原子一种核素化学性质和核性质均相同，是某一原子固有的特征固有的特征。AmZX基本概念基本概念l同位素同位素 凡原子核具有的质子数相同而中子数不同的核素互为同位素。如125I、131I、132I均有53个质子，但中子数各不相同，在元素周期表中处于同一位置，是同一元素-碘元素。一种元素可以有几种甚至几十种同位素。一个元素所有同位素的化学和生物性质几乎都一样，但物理性质可能有所不同。l同质异能素同质异能素 核内中子数和质子数都相同但能量状态不同的核素彼此称为同质异能素。例如99mTc 是99Tc 的激发态，99mTc 与99Tc 互为同质异能素。基本概念基本概念放
4、射性核衰变放射性核衰变原子核的稳定性取决于核子之间的核力（稳定效应）和质子之间的电荷斥力等（不稳定效应）的相对强弱，与核子数及质子与中子的比例有关。质量数较小的核素，Z/N=1 时原子核是稳定的。当质子数较多时（一般为Z20），质子数多了，斥力增大，必须有更多的中子使核力增强，才足以克服斥力，保持核稳定。原子核中质子数过多或过少，或者中子数过少或过多，原子核便不稳定。放射性核衰变放射性核衰变l放射性核素放射性核素：原子核原子核不稳定不稳定，能自发地放出，能自发地放出各种射线变成另一种原子核的核素。各种射线变成另一种原子核的核素。l稳定性核素稳定性核素：原子核能稳定地存在，不会自原子核能稳定地存
5、在，不会自发地发生变化的核素。发地发生变化的核素。放射性核衰变放射性核衰变l核衰变核衰变：放射性核素的原子核自发地放出射线，放射性核素的原子核自发地放出射线，同时转变成别同时转变成别的的原子核的过程原子核的过程。不稳定不稳定的的母核母核（X）相对稳定的相对稳定的子核子核（Y）射线射线粒子粒子（RP）衰变衰变能能（Q）一、一、衰变衰变不稳定原子核自发地放射出粒子而变成另一个核素的过程称为衰变。粒子是由两个质子和两个中子组成，实际上就是氦原子核He。4 4HeHeQHeYXAZAZ4242不稳定原子核放射出射线的衰变方式称为衰变。衰变时放出一个粒子（电子）和反中微子，核内一个中子转变为质子。因而子
6、核比母核中子数减少1，原子序数增加1，原子质量不变。二、二、衰变衰变QYXAZAZ1_三、正电子衰变三、正电子衰变 由于核内中子缺乏致使放射出正电子的衰变，称为正电子衰变，也叫+衰变。衰变时发射一个正电子和一个中微子（），原子核中一个质子转变为中子。+衰变时母核和子核的质量数无变化，但子核的核电荷数减少一个单位，+衰变可用下式表示：QYXAZAZ1正电子衰变核素，都是人工放射性核素。正电子射程仅12mm，在失去动能的同时与其邻近的电子（）碰撞而发生湮灭辐射，在二者湮灭的同时，失去电子质量，转变成两个方向相反、能量皆为511 keV的光子。正电子发射断层仪（PET）能探测方向相反的511 keV
7、光子，进行机体内的定量、定性和代谢显像。三、正电子衰变三、正电子衰变 四、电子俘获衰变四、电子俘获衰变 原子核俘获一个核外轨道电子使核内一个质子转变成一个中子和放出一个中微子的过程称为电子俘获衰变。发生在缺中子的原子核，与正电子衰变时核结构的改变相似。一个质子俘获一个核外轨道电子转变成一个中子和放出一个中微子，子核的原子序数比母核减少一个单位，在元素周期表向左移一个位置，质量数不变。电子俘获衰变图（1）原子核俘获一个内层轨道电子（2）外层轨道电子向内层补充（3）两层轨道之间能量差转换成特征X射线（4）或俄歇电子释放。四、电子俘获衰变四、电子俘获衰变 五、五、衰变衰变 激发态或高能态的原子核以放
8、出射线（光子）的形式释放能量而跃迁到较低能量级的过程称衰变。放射性核素在发生衰变、衰变或核反应之后，核仍处于不稳定的激发态，并即刻向基态或低能态跃迁，并以光子的形式放出多余的能量。射线的本质是中性的光子流，电离能力很小，穿透能力强。又称为同质异能跃迁。衰变核素99Mo（钼），半衰期为66 h经衰变后产生子体放射性核素99mTc（锝）99mTc发射射线回复到基态99Tc，半衰期6.02h。放出的射线能量为140keV，适合单光子发射显像。99mTc是目前临床SPECT显像最常用的核素。五、五、衰变衰变)140(994369943669942keVTcTcMohmh 内转换电子过程（1）处于激发态
9、的原子核把能量转给一个核外内层电子，（2）这个电子被逐出原子成为内转换电子，（3）外层电子填补空穴，原子核回复到基态，（4）能量由特征X射线（5）或俄歇电子携走五五、内转换内转换 放射性核衰变规律放射性核衰变规律放射性核素的衰变是一种自发的过程，不同放射性核素每个原子核在单位时间内发生衰变的几率不同，即有不同的衰变常数，以表示。对整个放射源，表示发生衰变的原子核数占当时总核数的百分数。对单个原子核，表示原子核发生衰变的几率，即可能性。半衰期半衰期放射性核素的衰变速率常以物理半衰期（T1/2）表示，T1/2系指放射性核素数目因衰变减少到原来的一半所需的时间。则与T1/2之间的关系为：核素衰变速度
10、与半衰期成反比核素衰变速度与衰变常数成正比两者都是描述放射性核素衰变速率的特征量。2/1693.0TT T1/21/2=0.693/=0.693/bbTTTTTe2/12/1三者关系公式：放射性核素由于自身的物理衰变其原子核数目减少到原来一半所需时间称为物理半衰期（T1/2）。进入生物体内的放射性核素或其化合物，由于生物代谢从体内排出到原来的一半所需的时间，称为生物半衰期(Tb)。由于物理衰变与生物的代谢共同作用而使体内放射性核素减少一半所需要的时间，称有效半衰期（Te）。半衰期半衰期放射性活度放射性活度放射性活度（A）是表示单位时间内发生衰变的原子核数。过去惯称放射性强度。放射性活度与放射性
11、核数目N之间的关系为：在新的国际制单位（SI）中，放射性活度的单位是贝可（Bq），定义为每秒一次衰变。即1Bq=1/S A=dN/dt放射性活度的旧制单位是居里（Curie，Ci），1居里表示每秒3.71010次核衰变。居里与贝可的换算关系是 1Ci=3.71010 Bq 1Bq2.71011 Ci核医学通常使用的放射源的活度，居里的单位较大，为方便使用，通常采用较小的单位，如毫居里（mCi，1mCi=103 Ci）、微居里（Ci，1Ci=10-3 mCi）等，贝可相对太小，通常用kBq（103Bq），MBq（106Bq），GBq（109Bq）等。1mCi=37 MBq 1Ci=37 kBq放
12、射性活度放射性活度比活度与放射性浓度比活度与放射性浓度为了表示各种物质中的放射性核素含量，通常还采用比活度及放射性浓度。比活度定义为单位质量或单位摩尔物质中含有的放射性活度，单位是Bq/g，MBq/g、MBq/mol。放射性浓度定义为单位体积溶液中所含的放射性活度，单位是Bq/ml、mCi/ml等。临床核医学使用放射性浓度较多。射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线的运动空间充满介质，射线就会与物质发生相互作用，射线的能量不断被物质吸收。这种相互作用亦称射线的物理效应，是我们了解辐射生物效应、屏蔽防护以及放射性检测、核素显像和治疗的基础。带电粒子与物质的带电粒子与物质的作用作用一、一、电
13、离作用电离作用（ionizationionization）电离过程（1）入射粒子（、）作用于原子（2）使轨道电子成为自由电子，而原子成为正离子。二、激发二、激发作用作用（excitationexcitation）（1）能量E作用于内层轨道电子（2）使其跃迁到外层轨道（3）外层电子填补空穴（4）原子核从稳定状态成激发状态，同时发射特征X射线（5）或俄歇电子释放出多余能量。三、三、散射散射作用作用（scatteringscattering）散射过程射线粒子受到原子核静电场作用，改变原来运动方向，若能量无损失，称为弹性散射。四、四、韧韧致致辐射辐射（bremsstrahlungbremsstrahl
14、ung）快速运动的电子通过物质时，在原子核电场作用下，改变运动方向，急剧减低速度，电子的一部分或全部动能转化为连续能谱的X射线发射出来，这种现象称为韧致辐射。韧致辐射的强度和粒子的反向散射的几率随屏蔽物质的原子序数增大而增大，随粒子的能量增加而增加。射线的屏蔽要用原子序数低的材料，如铝、塑料、有机玻璃等。射线由于自身质量数大、运行速度慢，较少产生韧致辐射。五、湮灭辐射五、湮灭辐射（annihilationannihilation）+衰变产生的正电子射程仅12mm，在介质中失去动能的同时与其邻近的电子（）碰撞而发生湮灭辐射，在二者湮灭的同时，失去电子质量，转变成两个方向相反、能量皆为511 ke
15、V的光子。六、六、吸收作用吸收作用（absorptionabsorption）带电粒子使物质的原子发生电离和激发的过程中，射线的能量全部耗尽，射线不再存在，称作吸收。粒子在物质中沿运动轨迹所经过的距离称为路程，而路程沿入射方向投影的直线距离称为射程。带电粒子的能量损失与粒子的动能和吸收物质的性质有关，所以射程能比较直观地反映带电粒子贯穿本领的大小。射线与射线与物质的相互作用物质的相互作用射线和X射线及轫致辐射等属于电磁辐射，都是中性光子流，与物质相互作用方式相同，只与光子的能量有关主要产生三个效应：光电效应、康普顿效应和电子对生成。光电效应光电效应（photo electric effectp
16、hoto electric effect）（1）光子被原子内层电子吸收，（2）全部能量被电子吸收使之成为自由的光电子，（3）其位置由外层电子填补，（4）同时发射出特征X射线（5）或俄歇电子。康普顿效应康普顿效应(Compton effect)(Compton effect)光子将部分能量传递给核外电子，使之成为康普顿电子发射出来，而光子能量减少，改变方向运行。电子对生成电子对生成(electron pair production)(electron pair production)能量大于1.022MeV光子穿过物质时，光子与原子核电场的相互作用过程中，突然消失而产生一对正、负电子，其能量转变
17、为电子对的质量和动能。辐射剂量学基础辐射剂量学基础由于射线能引起人体组织的电离和激发，可能导致辐射损伤，因此需要对不同辐射在不同空间部位的辐射量以及可能产生的生物效应进行度量，这些反应辐射效应相关的量即电离辐射剂量。照射量照射量单指X射线或射线在单位质量空气中的电离作用所产生的电荷数。（反映射线的电离能力）X=dQ/dm。单位是C/kg，库伦/千克，老单位R，伦琴，1C/kg=3.876103R单位时间的照射量称为照射量率。吸收剂量吸收剂量单位质量的被照射物质吸收电离辐射的平均能量大小。（反映物质的辐射吸收量）D=d/dm 单位是Gy（戈瑞），1Gy=1J/kg旧单位rad（拉德）1Gy=10
18、0rad单位时间内的吸收剂量为吸收剂量率。当量剂量当量剂量因射线种类差异与生物效应强弱有关，其反映不同射线被组织器官吸收后引起的生物效应强弱的电离辐射量。即在吸收剂量基础上引入辐射权重因子R。HT,R=RDT,R。单位是Sv（希沃特），1Sv=1 J/kg，旧单位rem（雷姆），1Sv=100rem单位时间内当量剂量为当量剂量率。有效剂量有效剂量由于受照射者在体内的放射性分布不均匀，在当量剂量的基础上，引入组织器官对辐射敏感度的权重因子WT，得到有效剂量。它用于评价发生随机效应的几率。组织权重因子WT表示受照组织的相对危险度E=HTWT电离辐射生物效应及防护急性效应和晚期效应急性效应和晚期效应
19、（时间关系）急性效应：大剂量全身照射后，数小时或数天内发生的效应晚期效应：急性效应恢复后或长期小剂量照射者，数年或数十年后发生的效应，如癌症和遗传效应。确定性效应和随机效应确定性效应和随机效应（剂量效应关系）确定性效应指辐射损伤的严重程度与所受剂量正相关，有明显的剂量阈值，若剂量不超阈值则不会发生的有害效应。一般指针对个体的急性损伤。随机效应是指以群体为对象，辐射效应的发生几率与剂量相关，而损伤程度与剂量无关，不存在具体的剂量阈值。主要是致癌和遗传效应。放射卫生防护原则放射卫生防护原则l实践的正当化l防护的最优化l个人剂量限值思考题思考题l何谓同位素、同质异能素、核素？l带电粒子、射线与物质的哪些作用是放射线探测和放射性核素治疗的基础？哪种效应对单光子显像有不利作用？l何谓放射性强度、放射性比活度、放射性浓度？
