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1、原子核与放射性,原子核衰变,核物理基础,基本概念（1）,原子 Atom 构成元素的最基本单位 原子核 Nucleus 原子核由质子和中子构成，原子核带正电荷,基本概念（2）,核素 Nuclide 具有特定质量数、原子序数与核能态，而且其平均寿命长得足以被观测的一类原子称为“核素” 同位素 Isotope 具有相同原子序数，但质量数不同的核素称为“同位素” 同质异能素 Isomer 具有相同质量数和原子序数，但处于不同核能态的一类核素称同质异能数,核衰变方式,衰变 不稳定的原子核自发地从核内放出粒子的过程为衰变 衰变 核衰变时放射出粒子或俘获轨道电子的衰变称为衰变 -衰变 、衰变 、电子俘获（E
2、C）又称K俘获 辐射 处于激发态的原子核，通过放出光子而回到基态这个过程称辐射 其他衰变,1 放射性衰变的位移定则,衰变,衰变,2天然放射系,，称始祖元素。,其中 称为母核， 称为子核。,某种元素X，经放射性衰变，变成B，如果B还是放射性的，又变为C，依次下去， 直到变为一种稳定元素，就不再变了，则一系列元素构成一个放射系。,衰变及其统计规律,:,上一页,下一页,首页,三种射线的比较, 带电 电子流 电子流 光流 能谱 单能 连续能谱 单能 射程 （空气） 34cm 1020cm 无限大 电离能力（空气） 1万7万对/cm 607千对/cm 很小 穿透力 弱 中 大 内照射危害 大 中 小 外
3、照射危害 无 中 大,2019/11/3,衰变基本规律,核衰变是一个量子跃迁过程。对一个特定的放射性核素，其衰变的精确时间是无法预测的； 但对足够多的放射性核素的集合，其衰变规律是确定的，并服从量子力学的统计规律。,指数衰变规律,衰变常数：一个原子核在单位时间内发生衰变的几率衰变常数与外界条件（温度、压力、磁场等）几乎无关,60Co的半衰期为5.27a; 238U的半衰期为4.5109a,半衰期,衰变规律也可表示为：,平均寿命,平均寿命表示：经过一定时间以后，剩下的核素数目为初始核素数目的37,放射性活度：,单位时间内物质发生衰变的原子核数,放射性强度单位：1贝克勒（Bq）=1次核衰变/秒,2
4、)半衰期,根据的,定义，可以导出其表达式，在式,中，,， 则 t=,，即,解得,可见,与,期越短 不同放射性核素的半衰期是大不相同的,原子核数目减半所经历的时间称半衰期，记作,成反比，衰变常数越大 ，半衰,。,比如,。,令,衰变及其统计规律,上一页,下一页,首页,3)平均寿命对某种放射物来说，有些核早衰变，有些核晚衰变，即有的寿命长，有的寿命短，平均寿命定义为,而,故,亦即,将 代入衰变表达式得 时刻未衰变核数目为：,衰变及其统计规律,上一页,下一页,首页,可见，核的平均寿命比它的半衰期略长一点 ，它表示，未衰变核为原来核数目的37%，所经历的时间。,4)放射性活度,为了表示某放射源的放射性强
5、弱，人们引入放射性活度A，定义为：,放射物在单位时间内发生衰变的原子核数目，,依此定义有,衰变及其统计规律,:,上一页,下一页,首页,A的单位是：,可见，放射物的放射性活度也是按指数规律衰减的， ，某放射物的A ，不仅与它的半衰期有关，还与t时刻的N 有关。可见，A反映了放射源的强弱。,次核衰变/秒,1贝克勒尔（Bq）=1次核衰变/秒,1居里,定义：,衰变及其统计规律,上一页,下一页,首页,定义：某放射源的放射性活度A与其质量的比，即,表示了放射源样品的纯度，因为当A一定时, 越小，纯度越高，而 越大，纯度越低。,的放射性活度约为,，而目前生产的,的比活度为,，因此这是不纯的,要想达到,的放射
6、性活度，至少需要1.714克。,比活度,比如，1克纯的,衰变及其统计规律,上一页,下一页,首页,6)半衰期,的测定,作为它的“手印“，,通过的测量可以求得它的,先测某一时刻的它的，再测,所经历的时间t，该t就是它的,，但是对于,特别长的放射物，这种方法是行不通的，,对放射性核素来说，,是一个很重要的量，由,知，,。,方法,衰变及其统计规律,:,上一页,下一页,首页,，取 ,可得,故,我们可以用如下的方法进行测量。,例如，对于,测它的，,衰变及其统计规律,上一页,下一页,首页,比如质子半衰期,解：,依题意,次衰变/月次衰变/,年，假设每月测到,一个质子衰变，需要多少水呢？,A=1,衰变及其统计规
7、律,上一页,下一页,首页,个水分子，而每一个,含有10个质子，所以18克水中含有,个质子，所以N个质子对应的水质量为?,可见，要50多吨水，每月才能观察到1次核衰变。,我们知道，,的分子量是18，即18克,水中含有,衰变及其统计规律,上一页,下一页,首页,该系从,（钍）开始经6次 衰变,，4次,衰变成,(铅) ;,该系从 (镎)开始经7次 ，4次 衰变成 （硼）;,该系从 (铀)开始经8次 ，6次 衰 变成 （铅）；,研究发现，自然界的放射性元素分成四个 放射系，它们分别是,2）镎系（A=4n+1系）,1）钍系（A=4n系）,3）铀系（A=4n+2系）,衰变及其统计规律,:,上一页,下一页,首
8、页,该系从 (铀)开始经7次 ，4次 衰变成 （铅）。,由上面的讨论我们看到，衰变从始祖元素开始，是连续发生的，取一个衰变系中任一元素来看，它一方面从它的母体中得到补充，另一方面又向它的子体衰变。我们定义 的过程是一个级联衰变。,4）锕系（A=4n+3系）,以上各系中，4n+x系表示所有核素的A均可表为4的整数倍加x。,注：,3.简单级联衰变的规律,衰变及其统计规律,:,上一页,下一页,首页,在级联衰变中，每一级向下的衰变都满足上述指数规律,因此,故t时刻,A的减少量为,B的减少量为,考虑到A不断向B补充，所以B的纯“增量”为,式中,是包括得到补充后，尚未衰变的B核数目。,(1),衰变及其统计
9、规律,上一页,下一页,首页,的一阶非齐次,上式中,我们设上式的特解为,该方程是关于,线性方程.根据微分方程理论，它的通解可看成方 程的一个特解和相应齐次方程的通解的迭加。,代入得,即特解为：,衰变及其统计规律,上一页,下一页,首页,齐次方程 ，,当子核寿命远小于母核寿命时，,它的通解为：,所以式 的通解可以表示为,为了满足初始条件,故原方程的通解是,此时近似有：,衰变及其统计规律,:,上一页,下一页,首页,即子核与母核有相同的衰变规律，这为我们保存短寿命子核提供了一个有效方法-母、子同存。,上式化为：,在二千多种核素中，有1600多种是人工方法制造的，人们在生产放射性核素时，生产的同时，衰变也
10、在发生，怎样达到一个最佳的产出率呢？一方面，某种核素由于生产在增加，另一方面它也在衰变。,4.同位素生产,设某时刻未衰变的核为，则 式中P是人工生产率.,衰变及其统计规律,:,上一页,下一页,首页,这是一阶非齐次常微分方程，设方程的一个特解是 ，,代入得，,齐次方程的通解为:,故上面方程的解为 ，,代入初始条件,解得,生产出的放射性同位素的放射性活度为,由此式可见， 时， 时，,放射性活度A并不随核反应的继续而增加。,当 后，,衰变及其统计规律,上一页,下一页,首页,A= 4n,A= 4n+2,钍系,铀系,级联衰变规律,放射系,锕系,镎系,A= 4n+3,A= 4n+1,分类,核医学 实验核医
11、学 临床核医学 核药学 核仪器和核电子学,核医学的发展史（1）,1934年 Enrico Fermi发明核反应堆，生产第一个碘的放射性同位素。 1936年 John Lawrence 首先用32P治疗白血病，这是人工放射性同位素治疗疾病的开始。 1937年Herz首先在兔进行碘128I半衰期（半衰期T1/2 25分）的甲状腺试验，以后被131I（8.4天）替代。 1942年Joseph Hamilton首先应用131I测定甲状腺功能和治疗甲状腺功能亢进症 1943年至1946年用131I治疗甲状腺癌转移,核医学发展史（2）,1946年7月14日，美国宣布放射性同位素可以进行临床应用，开创了核医
12、学的新纪元 1951年Benedict Cassen 发明线性扫描机 1958年Hal O.Anger发明Anger照相机 1959年Solomon A.Berson 和Rosalyn S. Yalow发明放射免疫分析等对影像核医学和体外测定的发展都起到了很大的推动作用 50年代，钼99Mo-锝99mTc (99Mo-99mTc)发生器的出现 70年代单光子断层仪的应用和80年代后期正电子断层仪进入临床应用，使影像核医学在临床医学中的地位有了显著提高,反应堆,最早的扫描机,最早的伽玛相机,最早的摄碘试验,钼99Mo-锝99mTc (99Mo-99mTc)发生器,放射性衰变规律与半衰期（T1/2
13、）,通常以物理半衰期（T1/2）来表示放射性核素的衰变速率，物理半衰期是指在单一的衰变方式中，放射性强度减弱一半所需要的时间 生物半衰期（Tb）指生物体内的放射性核素由于生物代谢过程，减少到原来的一半所需要的时间 有效半衰期（Teff）指放射性核素由于放射性衰变和生物代谢过程共同的作用，减少到原来的一半所需的时间,常用的放射性核素的T1/2,射线和物质的相互作用,带电粒子和物质的相互作用 电离作用、韧致辐射和散射 射线和物质的相互作用 光电效应 、康普顿吴有训效应和电子 对生成效应 中子与物质的相互作用 弹性散射和核反应,辐射量与单位,放射性药物,放射性药物,放射性核素及其化合物 Na131I
14、、Na99mTcO4 Na2H32PO4 放射性标记化合物 99mTc-HMPAO 99mTc-MIBI,放射性药物的要求,合适的半衰期 高纯度（化学和放化纯） 高比度 无毒、安全 合适的射线和能量,放射性药物的来源,反应堆 裂变产物、分离纯化 131Te(n, ) 131I,加速器 15O（, d）18F,放射性药物的来源,发生器（“母牛”） 99mMo-99mTc（钼-锝） 113Sn-113In（锡-铟）,放射性药物的来源,核医学仪器,基本原理,核医学仪器探测的基本原理是以射线与物质的相互作用 为基础，并根据实际使用需要而设计的 电离作用 荧光现象 感光作用,基本结构,射线探测器 分析和
15、记录脉冲信号的电子测量装置 质量控制,不同类型的核医学仪器,检测和诊断用的核医学仪器,闪烁计数器（ scintillation counter） 液体闪烁计数器（liquid scintillation countetr） 放射性活度计 脏器功能测定仪 脏器显像仪器 其它,闪烁计数器,放射性活度计,脑血流测定仪r-CBF,同位素扫描机,双探头SPECT,PET,自动免疫测定仪,骨密度仪,放射防护用的仪器,个人监测仪 袖珍剂量仪 胶片剂量仪 热释光剂量仪 表面污染及场所剂量监测仪,热释光剂量仪,袖珍剂量仪,哇！ 没有污染,闪烁探测器和气体探测器,气体探测器使用粒子和气体分子的作用，产生的电离电子在气体中收集并放大而设计的探测器。 闪烁探测器则使用粒子和固体分子的作用，产生的光子在透明介质中传播并被收集，再进行电子学放大。 固体介质的分子间距只相当于气体分子间距 的10%左右，电子的漂移变得十分困难。因此只有光子可以比较有效的传播。闪烁探测器也可以使用气体作介质但是光产额不足。,闪烁探测器,探测器介质：闪烁体,无机闪烁体 简
