核醫(yī)學(xué)第1章 核醫(yī)學(xué)物理基礎(chǔ)

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1、安徽醫(yī)科大學(xué)易啟毅第1章核醫(yī)學(xué)物理基礎(chǔ)2014-2-17核醫(yī)學(xué)第一節(jié)核物理基本概念核衰變方式第二節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用第四節(jié)核醫(yī)學(xué)物理基礎(chǔ)放射性核衰變的基本規(guī)律第三節(jié)第一節(jié)核物理基本概念原子和原子結(jié)構(gòu)原子（atom）是構(gòu)成元素的基本單位，不同元素的原子具有不同的性質(zhì)，但是原子的基本結(jié)構(gòu)大致相同。每層能容納的電子數(shù)為2n2（n代表第幾殼層）原子和原子結(jié)構(gòu)氫原子只有一個(gè)電子，其質(zhì)量為9.108*10-28g，它的原子核（只有1個(gè)質(zhì)子）質(zhì)量為1.672*10-24g，原子核的質(zhì)量是核外電子的1836倍。一般用原子核

2、的質(zhì)量數(shù)代表整個(gè)原子的質(zhì)量。國(guó)際上統(tǒng)一規(guī)定將126C的1/12作為原子質(zhì)量單位（atomicmassunit,u）。質(zhì)子、中子和電子的靜止質(zhì)量分別為1.007276470u、1.008665012u，0.00054858026u原子核由質(zhì)子和中子組成，它們統(tǒng)稱為核子。通常采用XN表示原子的結(jié)構(gòu)，其中X代表元素符號(hào)，Z代表質(zhì)子數(shù)，N代表中子數(shù)，A代表原子的質(zhì)量數(shù)，因?yàn)樵胤?hào)本身就確定了質(zhì)子數(shù)，N=A–Z,故原子結(jié)構(gòu)亦可簡(jiǎn)便地只記元素符號(hào)和質(zhì)量數(shù)AX，如131I、18F。質(zhì)子帶一個(gè)正電荷，中子呈電中性，核外電子

3、帶負(fù)電荷，原子核的正電荷(質(zhì)子)數(shù)目與核外電子數(shù)相等，所以原子本身呈電中性。原子核原子核的能級(jí)：原子核中的核子在不斷運(yùn)動(dòng)，原子核因核子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同而處于不同的能量狀態(tài)。一般情形下，原子核都處于能量最低的狀態(tài)，稱為基態(tài)。在一定條件下(如核衰變)，原子核可暫時(shí)處于較高能量的狀態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的核都不穩(wěn)定，會(huì)釋放出過剩的能量而回到基態(tài)。原子核的能量狀態(tài)核外電子首先占據(jù)能量低的狀態(tài)，即稱為基態(tài)。原子在加熱或受射線照射時(shí)，內(nèi)層電子就可能獲得能量而跳躍到能量較高的外層上，這樣的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子不

4、穩(wěn)定，會(huì)釋放能量使外層電子躍遷到內(nèi)層、整個(gè)原子即從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)。核外電子的能量狀態(tài)元素:凡原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)相同的一類原子稱為一種元素?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)100多種元素。元素、核素、同位素、同質(zhì)異能素元素凡原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)相同的一類原子稱為一種元素?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)100多種元素。核素原子核的質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)和原子核所處的能量狀態(tài)均相同的原子屬于同一種核素?，F(xiàn)在已知有2000多種核素。同一種核素化學(xué)性質(zhì)和核性質(zhì)均相同，是某一原子固有的特性征。元素、核素、同位素、同質(zhì)異能素同位素凡原子核具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的元素互為同位素

5、。如125I、131I、132I均有53個(gè)質(zhì)子，但中子數(shù)不同，在元素周期表中處于同一位置，是同一元素-碘元素。一種元素往往有幾種甚至幾十種同位素。一個(gè)元素所有同位素，其物理性質(zhì)可能有所不同，但都具有完全相同的核外電子結(jié)構(gòu)，大部分同位素化學(xué)和生物性質(zhì)基本相同。因此，醫(yī)學(xué)上才能利用核探測(cè)的高靈敏性，以放射性同位素標(biāo)記生物活性物質(zhì)或藥物等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和診斷疾病。同質(zhì)異能素核內(nèi)中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)都相同但能量狀態(tài)不同的核素彼此稱為同質(zhì)異能素。在核素右上角加上一個(gè)字母m，表示處于激發(fā)態(tài)（excitedstate）或亞穩(wěn)態(tài)（m

6、etastablestate）。如99Tcm，也常寫成99mTc99mTc與99Tc互為同質(zhì)異能素。放射性核衰變不穩(wěn)定核素的原子核能自發(fā)地發(fā)生核內(nèi)成分或能態(tài)的改變而轉(zhuǎn)變成另一種核素，同時(shí)釋放一種或一種以上的射線。這種變化過程稱為放射性核衰變，簡(jiǎn)稱核衰變。這種不穩(wěn)定的核素稱為放射性核素。放射性核素按其來源可分為天然和人工兩大類。原子核能穩(wěn)定地存在，不會(huì)自發(fā)地發(fā)生變化的核素稱為穩(wěn)定性核素。（一般以半衰期109年為界）放射性核衰變226Ra放出的三種射線在電場(chǎng)中的表現(xiàn)核穩(wěn)定性的影響因素核穩(wěn)定性的影響因素原子核中子和

7、質(zhì)子的數(shù)目保持一定的比例才能穩(wěn)定，不會(huì)自發(fā)地發(fā)生變化而穩(wěn)定地存在。原子量較小的核素，N/Z=1時(shí)原子核是穩(wěn)定的。當(dāng)質(zhì)子數(shù)較多時(shí)（一般為Z＞20），質(zhì)子數(shù)多了，斥力增大，必須有更多的中子使核力增強(qiáng)，才足以克服斥力，保持核穩(wěn)定，N/Z可達(dá)1.5左右。如果質(zhì)子數(shù)太多，無論怎樣改變中子質(zhì)子比例，也無法使核保持穩(wěn)定，故天然存在的原子序數(shù)大于82的核素均為放射性核素。（如83號(hào)元素Bi在2003年被發(fā)現(xiàn)有極其微弱的放射性）原子核中質(zhì)子數(shù)過多或過少，或者中子數(shù)過少或過多，原子核便不穩(wěn)定。①中子質(zhì)子比例不平衡，主要發(fā)生β衰變

8、；②核子總數(shù)過多：（Z＞82），均為放射性核素，主要發(fā)生α衰變。核穩(wěn)定性的影響因素總結(jié)質(zhì)量虧損原子核的質(zhì)量總是小于組成它的核子的質(zhì)量之和，這一差值稱為原子核的質(zhì)量虧損。自由核子結(jié)合成原子核的時(shí)候，有能量釋放出來，這種能量稱為原子核的結(jié)合能。廣義的質(zhì)量虧損：體系變化前后靜止質(zhì)量之差。放射性核素衰變前后的靜止質(zhì)量總是有差異的，且衰變產(chǎn)物的全部質(zhì)量小于放射性核素母體原有的質(zhì)量，故所有核衰變存在質(zhì)量虧損。衰