核射線及其與物質(zhì)的相互作用

1、第一章 核射線及其與物質(zhì)的相互作用,原子結(jié)構(gòu)示意圖,§1 基本概念一、原子結(jié)構(gòu),原子是由原子核和核外電子組成的，原子核帶正電，核外電子帶負(fù)電，整個(gè)原子呈電中性的。核外電子在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)不吸收也不輻射能量的狀態(tài)稱為定態(tài)（Stationary state）；能量最低的定態(tài)稱為基態(tài)（Ground state）；能量較高的定態(tài)稱為激發(fā)態(tài)（Excited state）。 原子核是由質(zhì)子（p）和中子(n)組成的，質(zhì)子和中

2、子統(tǒng)稱為核子（nucleon），質(zhì)子帶正電，其電量與電子的電量相等，中子不帶電。質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和稱為原子核的質(zhì)量數(shù)(A)。(也就是化學(xué)里的原子量）,二、核素(nuclide) 具有特定的質(zhì)量數(shù)、原子序數(shù)和核能態(tài)的原子，統(tǒng)稱為核素。可用通式AX表示,目前已知的元素雖僅100多種，但已知的核素卻有2700多種。核素可分為穩(wěn)定性核素與放射性核素二種，其中絕大多數(shù)為放射性核素。三、同位素（isotope） 凡原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同(原子序

3、數(shù)相同),而中子數(shù)不同的一類原子，彼此互稱為同位素, 比如：1H、2H、3H互稱為同位素。每種同位素也是一種核素。,四、同質(zhì)異能素（ isomer） 核內(nèi)質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均相同，但所處能量狀態(tài)不同的核素。如99Tc與99mTc，99mTc是處于激發(fā)態(tài)的原子核，激發(fā)態(tài)向基態(tài)過渡時(shí)將放出多余的能量。,§2 核的穩(wěn)定性和放射性衰變 一、原子核的穩(wěn)定性：取決核子之間的引力和短程核力。只有當(dāng)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)的比例在一定的范圍內(nèi)才能

4、使這兩種力平衡原子核才是穩(wěn)定的。,二、衰變類型 (一)α衰變(alpha decay)：指母核放出一個(gè)α粒子（氦原子核）的過程。 比如226Ra(鐳)衰變式如下： 226Ra→222Rn+α+4.86Mevα粒子的質(zhì)量大且?guī)щ姾桑噬涑潭?，穿透力弱，在空氣中只能穿透幾厘米，一張紙就可屏蔽，因而不適合作核醫(yī)學(xué)顯像用。但α粒子對(duì)局部的電離作用強(qiáng)，對(duì)開展體內(nèi)惡性組織的放射性核素治療具有潛在的優(yōu)勢(shì)。,（二）β衰變(

5、beta decay) (1)β-衰變：指母核放出一個(gè)負(fù)電子的過程。β-衰變發(fā)生在中子過剩的原子核。比如：33P(磷)衰變式如下： 32P→32S+e-1+ υ +1.711 Mev β-衰變時(shí)放出一個(gè)β-粒子和反中微子，核內(nèi)一個(gè)中子轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)子，因而子核比母核中子數(shù)減少1，原子序數(shù)增加1，原子質(zhì)量數(shù)不變。β-射線的本質(zhì)是高速運(yùn)動(dòng)的電子流，β-衰變時(shí)，衰變能隨機(jī)分配給β-粒子和反中微子，因而β-粒子的能量分布形

6、成連續(xù)能譜。,β-粒子穿透力弱，例如2Mev的β-粒子在軟組織中的射程約為2cm，不能用于核醫(yī)學(xué)顯像。某些β-核素可用于核素治療，例如：131I用于治療甲亢和甲狀腺癌，32P可用于血液和皮膚病的治療。,(2)β+衰變：指母核放出一個(gè)正電子的過程。發(fā)生在中子缺乏的核素，也可認(rèn)為是質(zhì)子過剩。比如：13N(氮)衰變式如下： 13N→13C+β++υ+1.190 Mev 衰變時(shí)放出一個(gè)β+粒子和中微子，核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶印Ｕ?/p>

7、電子的射程僅1-2mm即發(fā)生湮滅輻射。,(3)電子俘獲(electron capture decay，EC)核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子可以俘獲一個(gè)核外電子并發(fā)射一個(gè)中微子而轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)中子，所形成的子核質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)少1。 比如125I(碘)衰變式如下： 125I+e-→125Te(碲)+υ+0.0355 Mev。 原子核發(fā)生電子俘獲后，外層電子留下一個(gè)空軌道，更外層電子填補(bǔ)空軌道，將多余的能量以電磁輻射或光子流的形式

8、釋放出去，這種電磁輻射或光子流稱為“標(biāo)識(shí)X線” 。,（三）γ躍遷(γ transition)1、同質(zhì)異能躍遷(isomeric transition)：原子核發(fā)生α衰變、β衰變后的子核吸收衰變能處于激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的子核向基態(tài)過渡時(shí)將多余的能量以電磁輻射或光子流的形式釋放出去，這種電磁輻射或光子流稱為γ射線，這個(gè)過程稱為γ衰變。99mTc(锝)衰變式如下： 99mTc→99Tc+γ2、內(nèi)轉(zhuǎn)換(internal c

9、onversion)：激發(fā)態(tài)的原子核從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)不放出γ射線，而將多余的能量直接交給核外殼層電子，使軌道上的電子獲得足夠能量后脫離軌道成為自由電子稱之為內(nèi)轉(zhuǎn)換，該自由電子稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換電子。,§3 核衰變規(guī)律一、衰變規(guī)律：對(duì)大量放射性核的群體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其衰變遵循一種普遍的衰減規(guī)律，即各種放射性核的群體（樣品）其總的放射性核的數(shù)目N都隨時(shí)間t按指數(shù)規(guī)律衰減。 衰變公式： N=Noe-λt 該式是

10、表示核衰變的基本公式，適用于任何一種單一存在的放射性核素。,二、半衰期（一）物理半衰期(T1/2)：放射性核素由于衰變,其原子核數(shù)目或活度減少到原來一半所需的時(shí)間,用T 1/2表示。（二）生物半衰期(Tb)： 放射性核素由于生物代謝,其原子核數(shù)目或活度減少到原來一半所需的時(shí)間。（三）有效半衰期(Te)：放射性核素由于生物代謝和衰變的共同作用,其原子核數(shù)目或活度減少到原來一半所需的時(shí)間。三者的關(guān)系可用下式表示：Te=（T1/2&

11、#183;Tb）／（T1/2+Tb）,引入半衰期概念以后，核衰變的公式可改寫成： N=Noe-0.693t/T1/2 或A=A0e-0.693t/T1/2 按照這一公式，可根據(jù)某種放射性核素的半衰期和其出廠到使用時(shí)的間隔時(shí)間（t）計(jì)算出使用時(shí)的放射性活度。三、放射性活度及其單位 (一)放射性活度 單位時(shí)間內(nèi)核衰變的次數(shù)，用dps或dpm來表示。,(二)放射性

12、活度單位：在國(guó)際單位制(SI)中，放射性活度專名是貝可勒爾(Bequeral)，簡(jiǎn)稱貝可，符號(hào)是Bq，單位是秒-1(s-1)其派生單位有KBq、MBq、GBq和TBq。 1TBq=103GBq=106MBq=109KBq四、放射性比活度：?jiǎn)挝毁|(zhì)量（摩爾、容積）物質(zhì)所含放射性的多少。 單位分別是：MBq/mg、GBq/mg、TBq/g或MBq/mmol、GBq/mmol、MBq/ml。后者常稱為放射性濃度。,§

13、4 射線與物質(zhì)的相互作用一、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用(一)電離與激發(fā)(ionization and excitation)電離：指帶電粒子與物質(zhì)相互作用使物質(zhì)中的中性原子變成離子對(duì)的過程。激發(fā)：如果核外電子所獲動(dòng)能不足以使之成為自由電子，只是從內(nèi)層躍遷到外層，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。電離密度：?jiǎn)挝宦窂缴闲纬傻碾x子對(duì)的數(shù)目。它表示的是射線電離作用強(qiáng)弱的量。α>β>γ。,（二）韌致輻射：β-與物質(zhì)相互作用會(huì)受到原子核電

14、場(chǎng)的排斥，將部分能量以電磁輻射或光子流的形式釋放出去，這種電磁輻射或光子流稱為韌致輻射。韌致輻射的發(fā)生幾率與β-的能量及被作用物質(zhì)的原子序數(shù)成正比。在實(shí)際工作中，為了盡可能地減少β射線產(chǎn)生的韌致輻射，應(yīng)該選用原子序數(shù)低的材料作為屏蔽材料，比如鋁、有機(jī)玻璃等。,(三) 湮沒輻射：β+與物質(zhì)相互作用會(huì)受到原子核電場(chǎng)的吸引，正負(fù)電子結(jié)合成為一對(duì)能量各為0.511Mev的光子，這個(gè)過程稱為湮沒輻射，湮沒輻射是PET顯像的基礎(chǔ)。（四）吸收和射程

15、 ：吸收：帶電粒子引起電離和激發(fā)的同時(shí)逐步損失能量，當(dāng)其動(dòng)能全部或接近全部消失時(shí)，原來的射線不在存在，這一現(xiàn)象稱為射線的吸收。射程：射線從入射到完全消失所經(jīng)過的直線距離稱為射線的射程。α﹤β﹤γ,二、γ射線（X射線）與物質(zhì)的相互作用(一)  光電效應(yīng)(photoelectric effect)：光子與物質(zhì)相互作用，將所有的能量都傳給被作用物質(zhì)原子核的核外電子，使其脫離原子核的束縛成為自由電子，這個(gè)自由電子稱為光電子，這

16、個(gè)過程稱為光電效應(yīng)（由光子到電子）。發(fā)射光電子的原子內(nèi)層電子出現(xiàn)空位，故可發(fā)射特征X射線。,（二）康普頓效應(yīng)(Compton effect)： 當(dāng)光子的能量遠(yuǎn)大于殼層電子的結(jié)合能時(shí)，γ光子將其部分能量傳給被作用物質(zhì)原子核的核外電子，使其脫離原子核的束縛成為自由電子，這個(gè)自由電子稱為康普頓電子，γ射線失去部分能量改變運(yùn)動(dòng)方向射出，稱為康普頓散射光子，這個(gè)過程稱為康普頓效應(yīng)。,(三)電子對(duì)生成效應(yīng)(pair production)：

17、 能量超過1.02Mev的γ射線與物質(zhì)相互作用，γ光子在原子核電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電子，這種作用稱為電子對(duì)生成效應(yīng)。1.02Mev的能量是產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電子的最低極限值。 γ射線與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)生成效應(yīng)的幾率，隨γ光子的能量和物質(zhì)原子序數(shù)的不同而不同。,一般而言，低能γ射線通過高原子序數(shù)物質(zhì)時(shí)以光電效應(yīng)為主；中能γ射線通過低原子序數(shù)物質(zhì)時(shí)以康普頓效應(yīng)為主；而高能γ射線通過高原子序數(shù)物質(zhì)

18、時(shí)以電子對(duì)生成效應(yīng)為主。 γ射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的光電子、康普頓電子、生成電子對(duì)等次級(jí)電子可以進(jìn)一步引起物質(zhì)的電離和激發(fā)。,三、中子與物質(zhì)的相互作用（一）彈性散射（碰撞）：中子將一部分能量傳給被碰撞的原子核，使其脫離電子層而運(yùn)動(dòng)形成反沖核，反沖核使物質(zhì)的其他原子發(fā)生電離和激發(fā)，而中子本身速度減慢，方向改變，這種現(xiàn)象稱為彈性散射。實(shí)驗(yàn)表明：中子與其質(zhì)量相近的原子核碰撞時(shí)損失的能量最多（如氫核），所以，中子易于被含氫多的物質(zhì)如