1、医用核物理基础,一、原子结构,原子核由 质子（Proton；P) 中子（Neutron；N）组成， 质子和中子统称为核子（Nucleon）。,Z & A,质子带一个单位的正电荷，中子不带电荷。 核内的质子数称为原子序数，用符号Z表示； 核内质子和中子数之和即原子质量数，用A表示。,原子核的表示符号,目前通常用AX表示 各种核素，如131I。,2、原子核的能级,原子核具有一定的能量。 最低能量状态，即“基态”； 较高的能量状态，为激发态，这时用符号m,即AmX表示。 例如99mTC,二、元素、同位素、同质异能素、核素,1、元素质子数相同的原子称为一种元素，它们的原子序数相同，但原子核中的中子数可
2、以不同，例如碘元素中有几种不同的核。,2、同位素,同一元素中，有些原子质子数相同而中子数不同，则称为该元素的同位素，如上例各种碘互为碘的同位素。,3、同质异能素,如果原子的质子数相同，中子数也相同，但是核的能级状态不同，那么它们互为同质异能素。 例如： 99Tc和99mTc,4、核素,把质子数相同，中子数也相同，核能级处于同一状态的一类原子，称为一种核素。下面是六种不同的核素 123I, 125I, 127I, 131I, 99mTc, 99Tc,三、稳定性核素和放射性核素,稳定性核素 不稳定核素 (放射性核素）,四、放射性衰变,放射性核素发生核内结构或能级的变化，同时自发地放出而变为出一种或
3、一种以上的射线而转变成另一种核素的过程为“核衰变”。,核衰变方式,核处于不稳定状态的原因不同，其衰变有不同的方式。以下介绍5种衰变方式及4种射线 5种衰变方式: 、 k、 4种射线 : 、,核衰变类型（nuclear decay),衰变 核衰变时放射出粒子的衰变。AZX-A-4Z-2Y+42He+Q,4He,粒子特性,粒子实质上是He原子核， 衰变发生在原子序数大于的重元素核素 粒子的速度约为光速的1/10，即万km/s，2s绕地球周。 在空气中的射程约为cm，在水中或机体内为0.06-0.16mm。 因其质量大，射程短，穿透力弱，一张纸即可阻挡 但粒子的电离能力很强。,2、衰变,原子核发射出
4、电子的衰变为衰变。 衰变发射的射线分为射线或+射线衰变衰变+衰变,衰变,核衰变时放射出粒子或俘获轨道电子的衰变。 衰变后核素的原子序数可增加或减少但质量数不变。 分衰变、衰变和电子俘获三种类型。 粒子的速度为20万km/s。,衰变,衰变时放射出粒子。核内中子过多造成的不平衡。中子转化为质子的过程。,np+e-,粒子的特性,粒子实质是负电子； 衰变后质量数不变，原子序数加。 的能量分布具有连续能谱，穿透力比a粒子大； 电离能量比a粒子弱，能被铝和机体吸收， 粒子在软组织中的射程为厘米水平。,衰变（正电子衰变）,衰变时放射出粒子。核内中子过少致不平衡。质子转化为中子过程,p n+e+,粒子的特性,
5、粒子实质是正电子； 衰变后子核质量数不变，但质子数减. 也为连续能谱； 天然核素不发生衰变，只有人工核素才发生。,电子俘获(electron capture,EC),核衰变时原子核从内层轨道（K）俘获一个电子，使核内一个质子转化为一个中子。 。它是核内中子数相对不足所致。,P+e- n,特征X线,Auger 电子,衰变,衰变是伴随其它衰变而产生；上述四种衰变形成的子核可能处于激发态 核素由激发态向基态或高能态向低能态跃迁时放出射线的过程也称为跃迁(transition)；衰变后子核质量数和原子序数均不变，只是能量改变。,内转换电子,射线特性,射线为光子流，不带电，穿透力强，电离能力弱； 射线在
6、真空中速度为30万km/s。,三种衰变的比较,衰变质量、质子数都变； 衰变质子数变，质量数不变； 衰变质子、质量数都不变，而能量改变。,五、核衰变规律,放射性核素是不稳定的，它要自发地发生衰变而变成新元素的核。 放射性原子核并不是同时衰变的，对于某一个原子核而言，何时衰变是各自独立没有规律的，但对于某一种原子核的群体而言，它的衰变是有规律的，即原子核数目随时间增长按指数规律减少。,N=N0e-t,Decay constant(),衰变常数：某种放射性核素的核在单位时间内自发衰变的比率； 它反映该核素衰变的速度和特性；值大衰变快，小则衰变慢，不受任何影响 不同的核素其值不同。,放射性活度,单位时
7、间内原子核衰变的数量称为“放射性活度“即入N 放射性活度的单位国际单位专门名称是“贝可”( Becqurel, Bq )定义是每秒一次衰变。 1Bq=1S-1派生单位：千贝可，KBq；百万贝可，MBq以前的专用单位是“居里”（Ci）1居里是每秒3.71010次衰变，即3.71010 Bq派生单位有毫居里，mCi , 即1/1000 Ci微居里，ci, 即1/1000 mCi,半衰期,因为衰变的原因，样品的放射性活度总是随时间而减少，半衰期是描述放射性核素衰变速率的指标。 放射性活度因核衰变而减少到原有的一半所需要的时间称作“物理半衰期” 各种核素的T1/2是不同的。 131I_8.04d; 1
8、25I_59d; 99mTc_6.02h 长者可达1010a，短者仅有10-10s。 半衰期10h的核素称为短半衰期核素。,生物半衰期（Tb） 有效半衰期（Teff）,核医学中还用到另外两种半衰期：“生物半衰期”- 生物体内的放射性核素从体内排出一半需要的时间，Tb。 “有效半衰期”-指生物体内的放射性核素由于从体内排出和物理衰变两个因素作用，放射性活度减少一半所需要的时间，Teff。 例如：用131I治疗甲状腺疾病时，要了解该患者的131I Teff。,六、核射线对物质的作用,核射线可分为带电粒子与不带电的光子,它们对物质作用的情况有一定差别。,1、带电粒子对物质的作用,带电粒子： 、 、
9、对物质的作用：电离、激发、散射、韧致辐射、湮灭辐射,带电粒子,电离与激发：（ionization and excitation） 电离：、物质核外电子e-脱离轨道自由电子；失去e-的核带正电荷，两者形成一对离子。 自由电子还可使其它原子发生电离：次级电离,带电粒子,e-,正负离子对,次级电离,33.85eV,激发：、物质轨道电子获能由低能级高能级，使整个原子处于激发态；退激时可发射标识X射线和Auger电子。,带电粒子,粒子,(退激),轫致辐射 bremsstrahlung,高速带电粒子通过物质原子核电场时受到突然阻滞，运动方向发生偏转，部分或全部动能以X射线的形式辐射出来称为轫致辐射；产生几
10、率随带电粒子的能量和物质原子序数增大而增大。,粒子,X,散射 scattering,入射粒子与粒子或粒子系统碰撞而改变运动方向与能量的过程。仅改变运动方向而能量不变者为弹性碰撞。 粒子的质量较大，径迹基本呈直线，发生散射较少。粒子轻，运动为曲线，散射明显。,粒子,粒子,湮灭辐射,粒子穿过物质,丧失动能后与自由电子e结合,转化为两个方向相反,能量各为0.511MeV的光子，这种现象称为湮灭辐射。探测湮灭辐射产生的光子是正电子发射断层成像即PET的基础 PET, positron emission tomography,2、光子对物质的作用,光子不带电，它对物质的作用有以下几种表现形式（光子能量不
11、同，表现形式发生机率不同） （1）光电子效应（photo electric effect） （2）康普顿效应（Compton effect) （3）电子对生成(electron pair production),光子与物质的相互作用,光电子效应(photoelectric effect)： 多发生在低能量：0.5MeV； 光子被物质原子完全吸收后发射轨道电子； 脱离轨道的电子称光电子，还可产生次级电离； 原子因电子空位处于激发态,退激时发射标识X线或俄歇电子。,X,俄歇e,光电子,K,L,康普顿效应 Compton effect,多发生在中等能量：0.5-1.0MeV 入射光子将部分能量转移给
12、物质核外电子,其余部分能量被散射光子带走；入射光子多为与外层轨道电子弹性碰撞，光子与电子的相互作用。,入射,康普顿e,散射,电子对生产效应 electron pair production,发生在能量足够大的光子：1.02MeV（两个电子的静止质量）； 光子在电场作用下被完全吸收，产生一对正负电子； 光子能量被正、负电子任意分配带走(超过1.02MeVEr转化为正负电子动能)；,入射,e+,511keV,511keV,e-,七、几种射线的基本性质及用途,、穿透能力 比较,八、记录方式,根据临床需要来选择对核衰变的记录方式，主要有三类： 1、计数 (放射免疫分析) 2、时间/空间一放射性活度曲线（甲状腺吸碘率、放射性肾图、单光子骨密度等） 3 、放射性分布图像 （核素显像）,1、计数，计数器,记录单位时间（通常是60秒）的射线计数。 放射免疫分析仪，甲状腺吸碘率仪,2、时间/空间一放射性活度曲线， 脏器功能测定仪,时间/空间一放射性活度曲线方式，记录放射性活度变化的曲线。 放射性肾图仪，单光子骨密度仪,核素显像仪器， 放射性分布图像,
