核医学第1章-核医学物理基础

安徽医科大学易启毅第1章核医学物理基础2014-2-17核医学第一节核物理基本概念核衰变方式第二节射线与物质的相互作用第四节核医学物理基础放射性核衰变的基本规律第三节第一节•核物理基本概念原子和原子结构•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。每层能容纳的电子数为2n2（n代表第几壳层）原子和原子结构氢原子只有一个电子，其质量为9.108*10-28g，它的原子核（只有1个质子）质量为1.672*10-24g，原子核的质量是核外电子的1836倍。一般用原子核的质量数代表整个原子的质量。国际上统一规定将126C的1/12作为原子质量单位（atomicmassunit,u）。质子、中子和电子的静止质量分别为1.007276470u、1.008665012u，0.00054858026u电子质子中子•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(质子)数目与核外电子数相等，所以原子本身呈电中性。AZ原子核•原子核的能级：原子核中的核子在不断运动，原子核因核子运动状态不同而处于不同的能量状态。•一般情形下，原子核都处于能量最低的状态，称为基态。•在一定条件下(如核衰变)，原子核可暂时处于较高能量的状态，称为激发态。•处于激发态的核都不稳定，会释放出过剩的能量而回到基态。原子核的能量状态•核外电子首先占据能量低的状态，即称为基态。•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，会释放能量使外层电子跃迁到内层、整个原子即从激发态回到基态。核外电子的能量状态元素:凡原子核内的质子数相同的一类原子称为一种元素。现已发现100多种元素。元素、核素、同位素、同质异能素元素凡原子核内的质子数相同的一类原子称为一种元素。现已发现100多种元素。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。现在已知有2000多种核素。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。元素、核素、同位素、同质异能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，其物理性质可能有所不同，但都具有完全相同的核外电子结构，大部分同位素化学和生物性质基本相同。因此，医学上才能利用核探测的高灵敏性，以放射性同位素标记生物活性物质或药物等进行实验研究和诊断疾病。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。在核素右上角加上一个字母m，表示处于激发态（excitedstate）或亚稳态（metastablestate）。如99Tcm，也常写成99mTc99mTc与99Tc互为同质异能素。放射性核衰变•不稳定核素的原子核能自发地发生核内成分或能态的改变而转变成另一种核素，同时释放一种或一种以上的射线。•这种变化过程称为放射性核衰变，简称核衰变。•这种不稳定的核素称为放射性核素。放射性核素按其来源可分为天然和人工两大类。•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。（一般以半衰期109年为界）放射性核衰变226Ra放出的三种射线在电场中的表现核稳定性的影响因素核稳定性的影响因素1.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。2.原子量较小的核素，N/Z=1时原子核是稳定的。3.当质子数较多时（一般为Z＞20），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，N/Z可达1.5左右。4.如果质子数太多，无论怎样改变中子质子比例，也无法使核保持稳定，故天然存在的原子序数大于82的核素均为放射性核素。（如83号元素Bi在2003年被发现有极其微弱的放射性）5.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。①中子质子比例不平衡，主要发生β衰变；②核子总数过多：（Z＞82），均为放射性核素，主要发生α衰变。核稳定性的影响因素总结质量亏损•原子核的质量总是小于组成它的核子的质量之和，这一差值称为原子核的质量亏损。•自由核子结合成原子核的时候，有能量释放出来，这种能量称为原子核的结合能。•广义的质量亏损：体系变化前后静止质量之差。•放射性核素衰变前后的静止质量总是有差异的，且衰变产物的全部质量小于放射性核素母体原有的质量，故所有核衰变存在质量亏损。衰变能•质量亏损按爱因斯坦的质能联系定量（也称质能守恒定律）转化为能量，即E=mc2（其中c为真空中的光速），转变产生的能量称为衰变能。•核科学中常用的能量电子单位为电子伏特(eV)。1eV是在电压为1V的两点间移动一个电子时电场力所做的功。1eV=1.6021892×10-10J。•1u物质转化为相应的能量为931.478Mev，一个电子相应的能量为0.511006MeV衰变能衰变能的去向：1.为α，β-，β+衰变时发射的α，β-，β+粒子提供动能；2.β+衰变时核内需要1.022MeV的能量来形成一个电子使质子转化成中子，并释放出一个正电子。3.在为电子俘获衰变时吸引核外电子进入核内提供能量，间接为X射线和俄歇电子提供动能；4.提供能量使衰变的核处于激发态，这是γ跃迁的前提。第二节•核衰变方式放射性衰变的类型•不稳定核素的原子核能自发地发生核内成分或能态的改变而转变成另一种核素，同时释放一种或一种以上的射线，这种变化过程称为放射性核衰变。•衰变类型：α衰变，β-衰变，β+衰变（正电子衰变），电子俘获（EC），γ跃迁（γ衰变）•不稳定的核素常被称为母核，其产物称为子核。•有的子核也不稳定，将继续衰变，直至转变成稳定性核素，这种连续衰变的过程称为级联衰变。α衰变(αdecay)•定义：不稳定原子核自发地放射出α粒子而变成另一个核素的过程称为α衰变。•常见于：重核，质子数82•α粒子实质：氦原子核He•通式：•实例：MeVHeRnRa86.4422228622688QHeYX424A2ZAZα衰变(αdecay)•衰变基本特点：•放射性核素一般为重核，质子数82•衰变放出的粒子能量在4～9MeV范围•衰变半衰期范围很宽，10-7s～1015a•α粒子特性：质量大，电荷多，射程短，穿透力弱，在空气中只能穿透几厘米，一张纸就可屏蔽，因而不适合作核医学显像用。但α粒子对局部的电离作用强，引入体内后，对其附近的生物组织可产生严重损伤而不影响远处组织，故其在放射性核素治疗上具有潜在的优势。α衰变：衰变模式图；衰变纲图MeVHeRnRa86.4422228622688α衰变模式图α(4.777)94.3%α(4.589)5.7%γ(0.188)Ra22688Rn22286226镭的衰变纲图母核X衰变为子核Y和一个粒子.衰变能XAZ衰变前，母核X静止，根据能量守恒定律：YAZ42TYTYYXTTcmcmcm222衰变前静止质量衰变后静止质量衰变后动能衰变能E0为子核Y和粒子的动能之和，也就是衰变前后静止质量之差即：20)]([cmmmTTEYXY衰变前后静止质量的质量亏损衰变过程中粒子的动能XAZYAZ42TYT衰变前，母核X静止，根据动量守恒定律：vmvmYY那么：TmmvmmmmvmmvmvmTYYYYYYYYY)21(212121222222TmmTYY•定义：放射性核素的核内自发地放射出β－粒子的衰变方式称为β－衰变。•常见于：中子数过多的核素,即富中子核素•β－粒子实质：负电子(核内产生，向外发射)•通式：•实例：QYXAZAZ1MeV71.1SP32163216β－衰变(β－decay)β－衰变(β－decay)•β-粒子特性：射程及穿透力较α粒子强，2Mev的β-粒子在软组织中的射程约为2cm，仍不能用于核医学显像，但某些β-衰变核素可用于核素治疗，如：131I用于治疗甲亢和甲状腺癌，32P可用于血液病和皮肤病的治疗等。β－衰变：衰变模式图；衰变纲图β－衰变模式图β-(0.0186)100%H31He323H的β－衰变纲图(T1/2=12.33年)β－衰变能QYXAZAZ1衰变能Q分配给三个生成物：子核、β-粒子、反中微子。由于子核的质量远大于β-粒子、反中微子，所以实际上衰变能主要分配给β-粒子、反中微子。这种分配是随机的。因而，β-粒子的动能是从零到最大值的一个连续能谱。一般所说的β-射线能量指的是最大值，也等于衰变能。β-射线的平均能量Eavg约为Emax的0.4左右。Eavg=0.4Emax•定义：放射性核素的核内自发地放射出β+粒子的衰变方式称为β+衰变。•常见于：中子数相对较少的核素,即贫中子核素。正电子衰变核素，都是人工放射性核素。•β+粒子实质：正电子(核内产生，向外发射)•通式：•实例：QvYXAZAZ1MeVvSF66.0188189β+衰变(β+decay)β+衰变•β+粒子特性：质量与电荷数与电子(即β-粒子)相同，只是电荷性质相反。正电子射程仅1～2mm，在失去动能的同时与其邻近的电子（β－）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511keV的γ光子。•正电子发射断层仪（PET）能探测方向相反的511keV光子，进行机体内的定量、定性和代谢显像。β+衰变：衰变模式图；衰变纲图β+衰变模式图β+(1.190)100%N137C136的β+衰变纲图(T1/2=9.96min)N1371.022β+衰变能β+衰变能Q能量分配与β-衰变类似，主要随机分配给β+粒子、反中微子。β+粒子的能谱也与β-能谱相似，也是从零到最大值的一个连续能谱。一般所说的β+射线能量指的是最大值，也等于衰变能。β+射线的平均能量Emean约为Emax的0.4左右。QvYXAZAZ1Eavg=0.4Emax电子俘获衰变(electroncapture,EC)•定义：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。•常见于：中子数相对较少的核素,即贫中子核素。•通式：•实例：QvYXAZAZ1X射线，俄歇电子QvTeI1255212553X射线，俄歇电子电子俘获衰变：衰变模式图；衰变纲图电子俘获衰变模式图原子核俘获一个内层电子，外层电子向内层补充。两层轨道之间能量差转换成特征X射线或俄歇电子。EC100%I12553Te12552的电子俘获衰变纲图(T1/2=60.2d)35.46keVI12553垂直线表示γ跃迁(γ射线6.8%，内转换电子93.2%)•电子俘获衰变时形成的标识X射线和俄歇电子，都不是来自核内，但是其初始能量来源于核内质子转化为中子的过程。•标识X射线和俄歇电子的能量来自于轨道电子从外向内的跃迁，其能量取决于两层电子能级的差异，因此具有相对固定的能量，不像β粒子那样形成连续分布的能谱。能量通常从几个到几十个keV。电子俘获衰变能电子俘获衰变vs.β+衰变电子俘获衰变和β+衰变都发生在贫中子核素：1.原子序数Z较小时，β+衰变为主;2.原子序数Z较大时，电子俘获衰变为主;3.中等原子序数Z，可能各以一定的概率发生。γ跃迁•定义：激发态或高能态的原子核以放出γ射线（光子）的形式释放能量，或者将能量交给核外电子，使之有足够的动能发射出去成为内转化电子（内转化），而跃迁到较低能量级的过程统称γ跃迁。又称为