1、中南大学 梁昌华 第1章 核医学物理基础 临床医学八年制核医学教学课件 核医学 第一节第一节 原子原子 放射性核衰变放射性核衰变 第二节第二节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 第三节第三节 核医学核医学 物理基础物理基础 原子和原子结构原子和原子结构 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。 核外电子首先占据着能量低的状态，即称 为基态基态。 原子在加热或受射线照射时，内层电子就 可能获得能量而跳跃到能量较高的外层上， 这样的状态称为激发态。 处于激发态的原子不稳定，会通过放出光 子释放能量，使外层电子跃迁到内层、整 个原子即
2、从激发态回到基态。 原子核由质子和中子组成，它们统称为核子。 通常采用 XN表示原子的结构，其中X代表元素符号， Z代表质子数，N代表中子数，A代表原子的质量数， 因为元素符号本身就确定了质子数，N= A Z, 故 原子结构亦可简便地只记元素符号和质量数AX，如 131I、18F。 质子带一个正电荷，中子呈电中性，核外电子带负 电荷，原子核的正电荷数目与核外电子数相等，所 以原子本身呈电中性。 A Z 同位素、同位素、同质异能素同质异能素、核素核素 同位素同位素 凡原子核具有相同的质子数而中子数不同 的元素互为同位素。 如125I、131I、132I均有53个质子，但中子数 不同，在元素周期表
3、中处于同一位置，是 同一元素-碘元素。一种元素往往有几种甚 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。 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。 核素核素 原子核的质子数、中子数和原子核所处 的能量状态均相同的原子属于同一种核素。 例如198Au表示不同的核素。同一种核素化 学性质和核性质均相同，是某一原子固有 的特性征。 放射性核衰变放射性核衰变 原子核中子和质子的数目保持一定的比例才能稳定，不会 自发地发生变化而稳定地存在
4、。 原子量较小的核素，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 不稳定核素的原子核能自发地放出各种射 线变成另一种核素，称为放射性核素。 原子核能稳定地存在，不会自发地发生变 化的核素称为稳定性核素。 放射性核素的原子核自发地放出射线，同 时转变成别的原子核的过程称为放射性核 衰变，简称核衰变核衰变。 放射性衰变的类型放射性衰变的类型 不稳定的原子核能自发地放出射线，转变 成另一种核素。 不稳定的核
5、素常被称为母核，其产物称为 子核。 有的子核也是不稳定的，将继续衰变，直 至转变成稳定性核素。 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。 4He MeV93. 4HeRnRa 4 2 222 86 226 88 QHeYX 4 2 4A 2Z A Z 放射性核素的核内放射出射线的衰变方式称 为 衰变 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。因而子核比母核中子 数减少1，原子序数增加1，原子质量不变。 例如：32P衰变可表示为： 衰变 衰变 QYX A Z A Z 1 Me
6、V71. 1SP 32 16 32 16 正电子衰变正电子衰变 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： A Z 189F188O + + + 0.66MeV 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
7、511 keV光子，进行机体内的定量、定性 和代谢显像。 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 原子核俘获一个内层电子（1）外层电子 向内层补充（2）两层轨道之间能量差转 换成特征X射线（3）或俄歇电子释放 （4）。 衰变衰变 激发态或高能态的原子核以放出射线（光子）的 形式释放能量而跃迁到较低能量级的过程
8、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。 如99mTc衰变可表示为： )140( 99 43 6 99 43 66 99 42 keVTcTcMo h m h 衰变核素99Mo，半衰期为66 h 经衰变后产生子体放射性核素99mTc 99mTc发射射线回复到基态99Tc，半衰期6.02h。 放出能量为140keV的射线，适合单光子发射显像。 99Tc是目前临床SPECT显像最常用的核素。 内转换电子过程 电子俘获后，仍处于激发
9、态的原子核把能量转给 一个核外电子（1），这个电子被逐出原子成为内 转换换电子（2），外层电子填补空穴，原子核回 复到基态（3），能量由特征X射线（4）或俄歇电 子携走（5） 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
10、关系为： 半衰期较长的核素衰变得慢，半衰期较短的核素衰变得快； 衰变常数大的放射性核素衰变得快，衰变常数小的衰变慢。 两者都是描述放射性核素衰变速率的特征量。 2/1 693. 0 T T1/2=0.693/ b b TT TT Te 2/1 2/1 三者关系如下： 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。 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）。 放射性活度放射性活度 放射
11、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=1S-1 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=10 3 Ci）、微居里（Ci，1Ci=10-3 mCi）等，贝可相对 太小，通常用k
12、Bq（103Bq），MBq（106Bq），GBq（109Bq） 等。 1mCi=37 MBq 1Ci=37 kBq 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
13、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。 带电粒子与物质的作用带电粒子与物质的作用 电离作用（ionization） 入射粒子（、） 作用于原子（1）使 轨道电子成为自由电 子（2）而原子成为 正离子。 激发作用（excitation） 能量E作用于内层轨道电子（1）使其跃迁到 外层轨道（2）外层电子填补空穴（3）原子 核从稳定状态成激发状态，同时发射特征X射 线（4）或俄歇电子释放出多余能量。 散射作用（scattering） 射线粒子受到原子核静电场 作用，改变原来运动方向， 能量无损失。 韧致辐射 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
14、速度，电子的一部分或全部动能转化 为连续能量的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。 吸收作用 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。 光子
15、与物质的相互作用光子与物质的相互作用 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 光子被原子内层电子吸收（1），全部能 量被电子吸收使之成为自由的光电子 （2），其位置由外层电子填补（3）， 同时发射出特征X射线（4）或俄歇电子 （5）。 康普顿效应康普顿效应 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 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，其能量转变为电子对的动能。 思考题 何谓同位素、同质异能素、核素？ 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？ 何谓放射性强度、放射性比活度、放射性 浓度？
