核醫(yī)學(xué)物理基礎(chǔ)

1、2024/3/14,1,幾個(gè)基本概念或定義,Nuclide:具有特定質(zhì)量數(shù)、原子序數(shù)與核能態(tài),且半衰期足以能被觀測(cè)的一類原子。Isotope:具有相同原子序數(shù)，而質(zhì)量數(shù)不同的核素。Isomer: 有相同質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)，處于不同核能態(tài)的一類核素。,2024/3/14,2,Stable & radionuclide,★前者穩(wěn)定存在，不會(huì)自發(fā)地變化★后者不穩(wěn)定，自發(fā)放射出射線，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，是否穩(wěn)定取決于核內(nèi)中子與質(zhì)子比率

2、。P20的核素, n:p> １才能穩(wěn)定。P>83的核素，核力不能與質(zhì)子間的斥力保持平衡，故全是不穩(wěn)定的放射性核素。 P<82的核素，天然的放射性核素很少，多由人工生產(chǎn)。,2024/3/14,3,核衰變類型（nuclear decay),α衰變 核衰變時(shí)放射出α粒子的衰變。 AZX--A-4Z-2Y+42

3、He+Q,,,,,,?,4He,,γ,2024/3/14,4,α粒子特性,α粒子實(shí)質(zhì)上是He原子核，α衰變發(fā)生在原子序數(shù)大于８２的重元素核素。α粒子的速度約為光速的1/10，即２萬km/s，2s繞地球１周。在空氣中的射程約為３－８cm，在水中或機(jī)體內(nèi)為0.06-0.16mm。因其射程短，一張紙即可阻擋但α粒子的電離能力很強(qiáng)。,2024/3/14,5,β衰變,核衰變時(shí)放射出β粒子或俘獲軌道電子的衰變。β衰變后核素的原子序數(shù)可增

4、加或減少，但質(zhì)量數(shù)不變。分β－衰變、β＋衰變和電子俘獲三種類型。β粒子的速度為20萬km/s。,2024/3/14,6,β－衰變,衰變時(shí)放射出β－粒子。核內(nèi)中子過多造成的不平衡。中子轉(zhuǎn)化為質(zhì)子的過程。,,,n?p+e-,,β－,,γ,2024/3/14,7,β－粒子的特性,β－粒子實(shí)質(zhì)是負(fù)電子；衰變后質(zhì)量數(shù)不變，原子序數(shù)加１。β－粒子的能量分布從0～最大具有連續(xù)能譜，穿透力比a粒子大；電離能量比a粒子弱，能被鋁和機(jī)體吸收。,2

5、024/3/14,8,β＋衰變,衰變時(shí)放射出β＋粒子。核內(nèi)中子過少致不平衡。質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子過程,,,,β＋,,γ,p n+e+,,2024/3/14,9,β＋粒子的特性,β＋粒子實(shí)質(zhì)是正電子；衰變后子核質(zhì)量數(shù)不變，但質(zhì)子數(shù)減１； β＋也為連續(xù)能譜； 天然核素不發(fā)生β＋衰變，只有人工核素才發(fā)生。,2024/3/14,10,電子俘獲(e

6、lectron capture,EC),核衰變時(shí)俘獲一個(gè)軌道電子。它是核內(nèi)中子數(shù)相對(duì)不足所致。從內(nèi)層軌道（K）俘獲一個(gè)電子，使核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)化為一個(gè)中子。,,,,,,,,,P+e- n,,,,特征X線,,,,Auger 電子,,γ,2024/3/14,11,γ衰變與內(nèi)轉(zhuǎn)換,γ衰變是伴隨其它衰變而產(chǎn)生；核素由激發(fā)態(tài)向基態(tài)或高能態(tài)向低能態(tài)躍遷時(shí)放出γ射線的過程也稱為γ躍遷(γtransition)；γ衰變后子核質(zhì)量數(shù)和原子序數(shù)均不變

7、，只是能量改變。,,,,,,,內(nèi)轉(zhuǎn)換電子,,γ,2024/3/14,12,γ射線特性,γ射線為光子流，不帶電，穿透力強(qiáng)，電離能力弱；γ射線在真空中速度為30萬km/s。,2024/3/14,13,三種衰變的比較,α衰變質(zhì)量、質(zhì)子數(shù)都變；β衰變質(zhì)子數(shù)變，質(zhì)量數(shù)不變；γ衰變質(zhì)子、質(zhì)量數(shù)都不變，而能量改變。,2024/3/14,14,核衰變規(guī)律,放射性核素是不穩(wěn)定的，它要自發(fā)地發(fā)生衰變而變成新元素的核。放射性原子核并不是同時(shí)衰變的，對(duì)

8、于某一個(gè)原子核而言，何時(shí)衰變是各自獨(dú)立沒有規(guī)律的，但對(duì)于某一種原子核的群體而言，它的衰變是有規(guī)律的，即原子核數(shù)目隨時(shí)間增長按指數(shù)規(guī)律減少。,2024/3/14,15,Decay constant(λ),衰變常數(shù)：某種放射性核素的核在單位時(shí)間內(nèi)自發(fā)衰變的比率；它反映該核素衰變的速度和特性；λ值大衰變快，小則衰變慢，不受任何影響。,2024/3/14,16,衰變公式,衰變公式：Nt=Noe-λt特性：不同的放射性核素有不同的λ；共性：

9、任何放射性核素的衰變?cè)雍藬?shù)目隨時(shí)間增長按指數(shù)規(guī)律減少；,,,,t,N,,,,,,,,logN,t,2024/3/14,17,半衰期 half life,物理半衰期（physical half life，T1/2） 在單一的放射性核素衰變過程中，放射性活度降至原來一半所需的時(shí)間；長者可達(dá)1010a，短者僅有10-10s。半衰期<10h的核素稱為短半衰期核素。,2024/3/14,18,,0.693

10、 0.693 -0.693tλ= ------ T1/2= ---- A=Aoe ------ T1/2 λ T1/2 生物半衰期(biological half life)在某生物體系中，某種指定化學(xué)元素的排出速率近似地按指數(shù)規(guī)律減少時(shí)，由于生物過程使其在此系統(tǒng)中減少至一半所需時(shí)間。,2024/3/14,19,,有效半衰期(effective half li

11、fe)：當(dāng)某生物系統(tǒng)中，某種指定的放射性核素的量，由于放射性衰變和生物排出的綜合作用，而近似地按指數(shù)規(guī)律減少時(shí)，該核素的量減少一半所需時(shí)間。 Te=T1/2*Tb/(T1/2+Tb)例：I-131在甲狀腺的Te計(jì)算，I-131物理T1/2為8.1天，設(shè)Tb為７天； Te=(8.1x7)/(8.1+7)=3.75天。,2024/3/14,20,放射性活度 radioactivity,一定量的放射性核素在一很短的

12、時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生核衰變數(shù)除以該時(shí)間間隔。即單位時(shí)間的核衰變數(shù)目； A=dN/dt單位：s-1，專用名：貝可（Becquerel，Bq） 1Bq=1S-1衍生單位：KBq、MBq、GBq(10億)、TBq。,2024/3/14,21,比放射性與放射性濃度,比放射性(specific activity)指單位質(zhì)量的放射性制劑中的放射性活度， Bq/mol,Bq/g；放射性濃度：?jiǎn)挝蝗莘e的放射性制劑中的放射性活度,Bq/L；,202

13、4/3/14,22,射線與物質(zhì)的相互作用,,2024/3/14,23,帶電粒子,電離與激發(fā)：（ionization and excitation）電離：α、β→物質(zhì)→核外電子→e-脫離軌道→自由電子；失去e-的核帶正電荷，兩者形成一對(duì)離子。自由電子還可使其它原子發(fā)生電離：次級(jí)電離,,,帶電粒子,,,,e-,正負(fù)離子對(duì),,次級(jí)電離,33.85eV,2024/3/14,24,,激發(fā)：α、β→物質(zhì)→軌道電子獲能→由低能級(jí)→高能級(jí)，使整個(gè)原子

14、處于激發(fā)態(tài)；退激時(shí)可發(fā)射標(biāo)識(shí)X射線和Auger電子。,,,,,帶電粒子,,,,粒子,,γ(退激),2024/3/14,25,電離密度,單位路徑形成的離子對(duì)數(shù)目稱為: ionization density。表示帶電離子電離能力大小；電離密度取決于帶電粒子能量、速度與物質(zhì)密度。帶電粒子能量大、速度慢、物質(zhì)密度低，電離密度則大。,2024/3/14,26,軔致輻射 bremsstrahlung,高速帶電粒子通過物質(zhì)原子核電場(chǎng)時(shí)受到突

15、然阻滯，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，部分或全部動(dòng)能轉(zhuǎn)化為具有連續(xù)能譜的軔致輻射；產(chǎn)生幾率隨帶電粒子的能量和物質(zhì)原子序數(shù)增大而增大。,,,,,粒子,X,2024/3/14,27,散射 scattering,入射粒子與粒子或粒子系統(tǒng)碰撞而改變運(yùn)動(dòng)方向與能量的過程。僅改變運(yùn)動(dòng)方向能量不變者為彈性碰撞。 α粒子的質(zhì)量較大，徑跡基本呈直線，發(fā)生散射較少。β粒子輕，運(yùn)動(dòng)為曲線，散射明顯。,,,,,,,,,,,粒子,粒子,2024/3/1

16、4,28,光子與物質(zhì)的相互作用,光電效益(photoelectric effect)：多發(fā)生在低能量：<0.5MeV；光子被物質(zhì)原子完全吸收后發(fā)射軌道電子；脫離軌道的電子稱光電子，還可產(chǎn)生次級(jí)電離；原子因電子空位處于激發(fā)態(tài),退激時(shí)發(fā)射標(biāo)識(shí)X線或俄歇電子。,,,,,,,,,,,X,俄歇e,光電子,γ,K,L,2024/3/14,29,康普頓效益 Compton effect,多發(fā)生在中等能量：0.5-1.0MeV入射光子將

17、部分能量轉(zhuǎn)移給物質(zhì)核外電子,其余部分能量被散射光子帶走；入射光子多為與外層軌道電子彈性碰撞，光子與電子的相互作用。,,,,入射γ,,,,康普頓e,,,,散射γ,2024/3/14,30,電子對(duì)生產(chǎn)效應(yīng)electron pair production,發(fā)生在能量足夠大的光子：>1.02MeV（兩個(gè)電子的靜止質(zhì)量）；光子在電場(chǎng)作用下被完全吸收，產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電子；光子能量被正、負(fù)電 子任意分配帶走(超過 1.02MeVEr

18、轉(zhuǎn)化為正負(fù) 電子動(dòng)能)；,,,,,,入射γ,,,,,,γ,γ,511keV,511keV,e++e-,自由e,,2024/3/14,31,中子與物質(zhì),中子通過物質(zhì)時(shí)與原子核相互作用，中子不直接使物質(zhì)電離。彈性散射：中子將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)的其它原子發(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)象稱為彈性碰撞。中子與質(zhì)量相近的原子核碰撞時(shí)損失的能量最多,而反沖核獲得的能量大

19、,故應(yīng)用水或石蠟作屏蔽，使其減速或吸收。 n→原子核→p,n,2024/3/14,32,核反應(yīng) Nuclear Reaction,快中子作用于物質(zhì)的原子核時(shí)，放出帶電粒子而形成新的核，新核可能是穩(wěn)定的核素，也可能是放射性核素，如果是放射性核素，則可繼續(xù)衰變放出βγ射線，使物質(zhì)產(chǎn)生電離或激發(fā)，這種現(xiàn)象稱為感生放射性。 23 24 24

20、Na+n Na β－ Mg+Q,,,,2024/3/14,33,輻射量及其單位,我國的法定計(jì)量單位是以國際制單位為基礎(chǔ)，同時(shí)選用了一些非國際制的單位。常用單位：照射量、吸收劑量、劑量當(dāng)量和有效劑量當(dāng)量。,2024/3/14,34,照射量 exposure,直接度量X、γ射線對(duì)空氣的電離能力的量。間接反映X、γ輻射場(chǎng)的強(qiáng)弱；定義：光子在單位質(zhì)量(dm)的空氣中釋放出來的全部電子（正、負(fù)電子）完全被空氣所阻止時(shí)，在空氣

21、中產(chǎn)生任一種符號(hào)的離子總電荷的絕對(duì)值（dQ）與空氣質(zhì)量dm的比值。 X=dQ/dm,2024/3/14,35,,適用光子能量在幾keV-3MeV。單位：庫侖.千克(C.kg-1)。照射量率(X)：?jiǎn)挝粫r(shí)間的照射量 X=dx/dt C.kg-1.S-1,,γ,X,γ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2024/3/14,36,吸收劑量 absorbed dose,單位質(zhì)量被照射物質(zhì)吸收任何

22、電離輻射的平均能量。 D=dE/dm單位:J.kg-1 單位名稱：Gy1Gy=1J.kg-1吸收劑量率：?jiǎn)挝粫r(shí)間的吸收劑量(Gy/s) D=dD/dt。,2024/3/14,37,劑量當(dāng)量 dose equivalent,組織中某點(diǎn)處的劑量當(dāng)量是吸收劑量(D)、品質(zhì)因素Q以及其它修正因數(shù)的乘積。 H=D.Q.N專用名：Sv（Sievert）劑量當(dāng)量率：Sv/sICRP 60號(hào)出版

23、物改為“ 當(dāng)量劑量”,2024/3/14,38,有效劑量當(dāng)量effective dose equivalent,修正后的劑量當(dāng)量。 HE =ΣT WT HT 當(dāng)受到非均勻性照射時(shí)，各組織或器官受到的危險(xiǎn)劑量當(dāng)量與相應(yīng)的權(quán)重因子乘積的總和。ICRP 60號(hào)出版物改為“ 有效劑量”,2024/3/14,39,精品課件！,2024/3/14,40,精品課件！,2024/3/14,41,See you to Thursd