第一章、放射性衰变基本知识

第一章放射性衰变基本知识一、原子结构原子结构示意图§1基本概念原子是由原子核和核外电子组成的，原子核带正电，核外电子带负电，整个原子呈电中性的。核外电子在轨道上运动时不吸收也不辐射能量的状态称为定态（Stationarystate）；能量最低的定态称为基态（Groundstate）；能量较高的定态称为激发态（Excitedstate）。原子核是由质子（p）和中子(n)组成的，质子和中子统称为核子（nucleon），质子带正电，其电量与电子的电量相等，中子不带电。质子数和中子数之和称为原子核的质量数(A)。二、核素(nuclide)具有特定的质量数、原子序数和核能态的原子，统称为核素。可用通式AX表示,目前已知的元素虽仅100多种，但已知的核素却有2700多种。核素可分为稳定性核素与放射性核素二种，其中绝大多数为放射性核素。三、同位素（isotope）凡原子核内质子数相同(原子序数相同),而中子数不同的一类原子，彼此互称为同位素,比如：1H、2H、3H互称为同位素。每种同位素也是一种核素。同位素四、同质异能素（isomer）核内质子数和中子数均相同，但所处能量状态不同的核素。如99Tc与99mTc，99mTc是处于激发态的原子核，激发态向基态过渡时将放出多余的能量。§2核的稳定性和放射性衰变一、原子核的稳定性：取决核子之间的引力和短程核力。只有当核子总数以及中子数和质子数的比例在一定的范围内才能使这两种力平衡，原子核才是稳定的。二、衰变类型(一)α衰变(alphadecay)：指母核放出一个α粒子（氦原子核）的过程。比如226Ra(镭)衰变式如下：226Ra→222Rn+α+4.86Mevα粒子的质量大且带电荷，故射程短，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，对开展体内恶性组织的放射性核素治疗具有潜在的优势。（二）β衰变(betadecay)(1)β-衰变：指母核放出一个负电子的过程。β-衰变发生在中子过剩的原子核。比如：32P(磷)衰变式如下：32P→32S+e-1+υe+1.711Mevβ-衰变时放出一个β-粒子和反中微子，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，原子质量数不变。β-射线的本质是高速运动的电子流，β-衰变时，衰变能随机分配给β-粒子和反中微子，因而β-粒子的能量分布形成连续能谱。β-粒子穿透力弱，例如2Mev的β-粒子在软组织中的射程约为2cm，不能用于核医学显像。某些β-核素可用于核素治疗，例如：131I用于治疗甲亢和甲状腺癌，32P可用于血液和皮肤病的治疗。(2)β+衰变：指母核放出一个正电子的过程。发生在中子相对缺乏的核素，也可认为是质子过剩。比如：13N(氮)衰变式如下：13N→13C+β++υ+1.190Mev衰变时放出一个β+粒子和中微子，核内一个质子转变为中子。正电子的射程仅1-2mm即发生湮灭辐射。(3)电子俘获(electroncapturedecay，EC)核内的一个质子可以俘获一个核外电子并发射一个中微子而转变为一个中子，所形成的子核质量数不变，原子序数少1。比如125I(碘)衰变式如下：125I+e-→125Te(碲)+υ+0.0355Mev。原子核发生电子俘获后，外层电子留下一个空轨道，更外层电子填补空轨道，将多余的能量以电磁辐射或光子流的形式释放出去，这种电磁辐射或光子流称为“标识X线”。（三）γ跃迁(γtransition)1、同质异能跃迁(isomerictransition)：原子核发生α衰变、β衰变后的子核吸收衰变能处于激发态，激发态的子核向基态过渡时将多余的能量以电磁辐射或光子流的形式释放出去，这种电磁辐射或光子流称为γ射线，这个过程称为γ衰变。99mTc(锝)衰变式如下：99mTc→99Tc+γ2、内转换(internalconversion)：激发态的原子核从激发态跃迁到基态时不放出γ射线，而将多余的能量直接交给核外壳层电子，使轨道上的电子获得足够能量后脱离轨道成为自由电子称之为内转换，该自由电子称为内转换电子。§3核衰变规律一、衰变规律：对大量放射性核的群体进行研究，发现其衰变遵循一种普遍的衰减规律，即各种放射性核的群体（样品）其总的放射性核的数目N都随时间t按指数规律衰减。衰变公式：N=Noe-λt该式是表示核衰变的基本公式，适用于任何一种单一存在的放射性核素。二、半衰期（一）物理半衰期(T1/2)：放射性核素由于衰变,其原子核数目或活度减少到原来一半所需的时间,用T1/2表示。（二）生物半衰期(Tb)：放射性核素由于生物代谢,其原子核数目或活度减少到原来一半所需的时间。（三）有效半衰期(Te)：放射性核素由于生物代谢和衰变的共同作用,其原子核数目或活度减少到原来一半所需的时间。三者的关系可用下式表示：Te=（T1/2·Tb）／（T1/2+Tb）引入半衰期概念以后，核衰变的公式可改写成：N=Noe-0.693t/T1/2或A=A0e-0.693t/T1/2按照这一公式，可根据某种放射性核素的半衰期和其出厂到使用时的间隔时间（t）计算出使用时的放射性活度。三、放射性活度及其单位(一)放射性活度单位时间内核衰变的次数，用dps或dpm来表示。(二)放射性活度单位：在国际单位制(SI)中，放射性活度专名是贝可勒尔(Bequeral)，简称贝可，符号是Bq，单位是秒-1(s-1)其派生单位有KBq、MBq、GBq和TBq。1TBq=103GBq=106MBq=109KBq四、放射性比活度：单位质量（摩尔、容积）物质所含放射性的多少。单位是MBq/mg、GBq/mg、TBq/g或MBq/mmol、GBq/mmol、MBq/ml。后者常称为放射性浓度。§4射线与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用(一)电离与激发(ionizationandexcitation)电离：指带电粒子与物质相互作用使物质中的中性原子变成离子对的过程。激发：如果核外电子所获动能不足以使之成为自由电子，只是从内层跃迁到外层，从低能级跃迁到高能级。电离密度：单位路径上形成的离子对的数目。它表示的是射线电离作用强弱的量。αβγ。（二）韧致辐射：β-与物质相互作用会受到原子核电场的排斥，将部分能量以电磁辐射或光子流的形式释放出去，这种电磁辐射或光子流称为韧致辐射。韧致辐射的发生几率与β-的能量及被作用物质的原子序数成正比。在实际工作中，为了尽可能地减少β射线产生的韧致辐射，应该选用原子序数低的材料作为屏蔽材料，比如铝、有机玻璃等。(三)湮没辐射：β+与物质相互作用会受到原子核电场的吸引，正负电子结合成为一对能量各为0.511Mev的光子，这个过程称为湮没辐射，湮没辐射是PET显像的基础。（四）吸收和射程：吸收：带电粒子引起电离和激发的同时逐步损失能量，当其动能全部或接近全部消失时，原来的射线不在存在，这一现象称为射线的吸收。射程：射线从入射到完全消失所经过的直线距离称为射线的射程。α﹤β﹤γ二、γ射线（X射线）与物质的相互作用(一)光电效应(photoelectriceffect)：光子与物质相互作用，将所有的能量都传给被作用物质原子核的核外电子，使其脱离原子核的束缚成为自由电子，这个自由电子称为光电子，这个过程称为光电效应（由光子到电子）。发射光电子的原子内层电子出现空位，故可发射特征X射线。（二）康普顿效应(Comptoneffect)：当光子的能量远大于壳层电子的结合能时，γ光子将其部分能量传给被作用物质原子核的核外电子，使其脱离原子核的束缚成为自由电子，这个自由电子称为康普顿电子，γ射线失去部分能量改变运动方向射出，称为康普顿散射光子，这个过程称为康普顿效应。(三)电子对生成效应(pairproduction)：能量超过1.02Mev的γ射线与物质相互作用，γ光子在原子核电场的作用下产生一对正负电子，这种作用称为电子对生成效应。1.02Mev的能量是产生一对正负电子的最低极限值。γ射线与物质相互作用时产生的光电效应、康普顿效应和电子对生成效应的几率，随γ光子的能量和物质原子序数的不同而不同。一般而言，低能γ射线通过高原子序数物质时以光电效应为主；中能γ射线通过低原子序数物质时以康普顿效应为主；而高能γ射线通过高原子序数物质时以电子对生成效应为主。γ射线与物质相互作用产生的光电子、康普顿电子、生成电子对等次级电子可以进一步引起物质的电离和激发。三、中子与物质的相互作用（一）弹性散射（碰撞）：中子将一部分能量传给被碰撞的原子核，使其脱离电子层而运动形成反冲核，反冲核使物质的其他原子发生电离和激发，而中子本身速度减慢，方向改变，这种现象称为弹性散射。实验表明：中子与其质量相近的原子核碰撞时损失的能量最多（如氢核），所以，中子易于被含氢多的物质如水、石蜡等减速吸收，这在中子防护上具有重要意义。（二）核反应：快中子与物质的原子核作用放出带电粒子而形成新核的过程称为核反应。形成的新核如果是放射性核素则继续衰变放射出β、γ射线，使物质原子产生电离或激发，称为感生放射性。中子与物质相互作用产生核反应是中子反应堆工作的基础，也是中子弹的杀伤因素。比如23Na+10n→24Na+γ可写成23Na(n、γ)24Na等。§5常用辐射量及其单位一、照射量(exposure)：是直接度量X、γ射线对空气电离能力的量，可间接反映X、γ辐射场的强弱的一种物理量，其定义是：X或γ射线在单位质量为dm的空气中与原子核相互作用，释放出来的全部正负电子完全被阻止时，所产生的同一种符号的离子总电荷的绝对值dQ与dm之比，即X=dQ/dm。照射量的SI单位为库仑·千克-1。照射量仅适用于能量在10Kev-3Mev范围内的X、γ射线。二、吸收剂量(absorbeddose)：单位质量(dm)被照射物质所吸收的任何电离辐射的平均能量dE，用D表示：D=dE/dm吸收剂量的SI单位为J·kg-1，SI单位专名为戈瑞，符号Gy，Gy=1J·kg-1。三、当量剂量(equivalemtdose)：是衡量各种辐射对生物机体危害程度的物理量。它是修正后的吸收剂量，即吸收剂量与辐射权重因子的乘积。用H表示，即HT·R=WR·DT·R。当量剂量的SI单位是焦耳·千克-1(J·Kg-1)。专名为希沃特，符号Sv，当量剂量专门用于放射防护。不同种类射线的品质因数（权重因子）射线种类品质因数χ、γ射线β射线、电子质子α射线热中子（慢中子）快中子(能量大于100kev)111020310四、有效当量剂量（effectiveequivalemtdose）大多数放射性核素所产生的内照射是非均匀性的，必须用有效当量剂量来评价，用HE表示。其含义为：在全身受到非均匀照射情况下，受到危险的组织或器官的当量剂量与相应的权重因子乘积的总和。该权重因子表示受照组织或器官的相对危险度。单位（1Sv）当量剂量在受照组织或器官中引起随机效应的几率称为危险度。