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1、核物理基础核物理基础陈英茂中国人民解放军总医院核医学科2008-11-242008年核医学大型设备上岗证技师培训分子是能保持物质化学性质的最小单位原子是用化学方法不能再分割的物质存在的最小单位核物理基础核物理基础l原子核l 原子核的放射衰变l放射性活度和活度单位l 放射性核素的衰变规律l 射线与物质的相互作用l 电离辐射量及其单位第一节第一节 原子核原子核 l l原子结构原子结构l l原子核结构原子核结构l l放射性与放射性核素放射性与放射性核素20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训物质、分子和原子l物质由分子组成，分子由原子组成l
2、分子是能保持物质化学性质的最小单位l原子是用化学方法不能再分割的物质存在的最小单位l原子质量单位(amu或u)碳-12为标准：12.0001个原子质量单位为碳-12 的1/12 如：1H原子量：1.0081u=1.66056510-27gl原子的大小：半径的数量级为10-10米(m)。l元素：原子序数相同的一类原子总称原子具有元素的一切性质。如：氢元素的三种原子1H、 2H、 3H目前元素有110多种20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训原子结构原 子=原子核+电子结 构太阳系相似原子核太阳电 子行星轨
3、; 道 运 行20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训带电情况l原子序数=Z，核外有Z个电子l电子 一个电子单位的负电荷（e）e=1.602210-19库仑（C）l负电总量 = Z el原子核 Z个正电荷。l整个原子为电中性。20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训受力情况l静电吸引力: 核外电子 原子核l离心力: 电子 绕核 高速旋转l原子稳定：二力大小相等，方向相反20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训质量
4、分配情况l原子质量的绝大部分集中在原子核内l电子的质量=9.1 x 1028 gl氢原子：核的质量=电子的1836倍l铀原子（Z=92）：核的质量=核外电子总质量的4714倍。20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训空间分配情况l原子核占据原子空间的极小部分。原子直径 1010 m，原子核直径 1015 1014 m原子核直径只有整个原子直径的万分之一到十万分之一原子核的体积只占整个原子体积的万亿分之一l原子核与绕行电子之间的绝大部分空间是空虚无物的20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训原子与太阳系结构的相似l太阳系有
5、9个行星(9个电子)太阳直径: 1.392x106公里, 缩 小1023倍后为: 1.392x10-14 m （原子核直径10-14 m）太阳系(冥王星轨道)直径: 1.182x1010公里,缩小1023倍 后为: 1.182x10-10m（原子直 径 1010 m）l太阳直径/太阳系直径=1.18 x10-4 (近万分之一)原子核直径/原子直径=10-4地球轨道直径缩小1023倍后 为: 3x10-12m20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训 光子还会与原子碰撞吗l光子以光速(30万公里/秒)穿过太阳系需11个小时 (39600秒
6、)l光子穿过一个原子仅需10-18秒(万亿亿分之一秒)l光子在10纳秒(10-8秒)内可穿过3米(10亿个原子厚 度)lBGO晶体30mm(1千万个原子厚度;10-10秒)即可吸收 92%的511keV的 光子lNaI晶体16mm即可吸收94%的140keV的 光子20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训电子轨道壳层l电子的轨道： 分布在不同的壳层上分布在不同的壳层上。l用拉丁字母K，L，M，N，O，P，Q.分别代表 第1,2,3,4n 壳层。l每个壳层上能容纳的轨道数是一定的，从里向外 依次为1，4，9，16n2。l每个轨道上的电子不能超过2个。l最外层
7、轨道数不能超过4个；电子数不能超过8个 。20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训电子轨道能级l电子总能量 = 势能 + 动能l轨道确定了，电子的能量也就确定了l第1壳层轨道上的电子受的束缚最大，能量最低，称为基态基态；越往外层，轨道电子能量越高。l轨道能量量子化：轨道不连续电子 的能量不连续。20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训 氢氢 原原 子子 结结 构构20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训 电子轨道跃迁l跃迁：电子可瞬间从所在轨道跳到另一轨道，放 出或吸收能量E=E末E初。
8、l激发：电子吸收 恰好E能量时，从低能级轨 道跃进到高能级轨道上。l若给电子提供的能量不恰好为E，电子则不予 理睬，跃进也就不会发生。l退激：低能级轨道有空位时，高能级轨道上的电 子自发跳到该轨道，发出能量为E的光子。20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训电子轨道跃迁电子轨道跃迁E激发态E基态E激发态E基态Eh激发吸收能量E=E激发-E基态退级发射能量h=E的光子20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训电子轨道跃迁电子在外层轨道间跃迁l 可见光，紫外光电子跃迁到内层轨道l X线射线（核能级间跃
9、迁）， X线，紫外光，可见光，红外光（分子能级间跃迁）l 本质电磁波，E=hX线与射线能量已没有界限20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训电磁波的波长和能量的分布电磁波的波长和能量的分布 20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训原子核的结构人类对原子核的结构的认识是从放射性的发现开始的20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训原子核的组成原子核的组成l原子核=质子(p) +中子(n) 。lp和n的质量基本相等质子mp=1.67261410-27kg
10、中子mn=1.67492010-27kg质子和中子统称为核子。l质量数：核子的总数A=Z+Nlp+np+p+p+p+nn nn p+C11 6Carbon-11n p+ np+np+p+ np+nnp+ p+ p+p+ nnn F18 9Fluorine-1820082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训原子核表示法原子核表示法lX为元素符号l简化为131I18F99mTc，m表示核能态处在激发态20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训放射性及放射性核素放射性及放射性核素l放射性：原子核能自发放射出看不见的具有一定穿透力的射线，
11、核发生转变衰变。1896年贝可勒尔（H. Becquerel）发现铀的放射现象纪念贝可勒尔，活度国际单位：Bq射线：、射线20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训放射线的本质放射线的本质l射线射线的本质为带正电的粒子流，该粒子粒子粒子由两个质子和两个中子组成（氦原子核）穿透能力 和、射线比较，射线的穿透能力最 弱一张薄纸就能将射线挡住，空气中只能穿透几个 厘米电离本领 和、射线比较，射线的电离本领最 强20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训放射线的本质放射线的本质l射线射线本质为高速运动的电子流l
12、负电子、正电子：-和+射线穿透能力 射线的穿透能力比射线强，但比 射线弱。它很容易穿透黑纸，甚至可以穿透几个毫 米的铝板。电离本领 射线的电离本领比射线弱，但比 射线强。20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训放射线的本质放射线的本质l射线射线的本质为光子流，属于电磁辐射。它的性质 和X射线很相似。穿透能力 和射线、射线比较，射线的穿透 能力最强， 2MeV的射线空气中可穿透上百米电离本领 射线的电离本领很小，和射线、 射线比较最弱。20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训三
13、种射线的性质三种射线的性质l都能引起生物和化学变化l都能产生荧光l都能使周围的介质升温l都能使胶片感光l20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训 元素、同位素元素、同位素l元素： 质子数相同的一类原子。111种，例如：Hl同位素：质子数相同，而中子数不同的原子互称为同位素。例如： 1H、2H 、3H20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训同质异能素、核素同质异能素、核素l同质异能素相同的质子数和中子数，而核能量状态不同的核素 。例如：99Tc 、99mTcl同中异荷素（也称同中素）中子数相同，质子数不同的一类原
14、子。比如：21H和32He。l同量异位素（也称异质素）质量数A相同，质子数不同的一类原子。比如：3215P和3216S。l核素质子数Z、中子数N、原子核能量状态都相同。例如 ：99Tc 、99mTc 两种核素2000多种20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训放射性核素放射性核素l稳定核素：天然存在，有300多种l放射性核素：有2000多种天然放射性核素，60余种，半衰期较长原生放射性核素：地球形成时存在于地壳内的放射性核素 钍232、铀238、铀235、钾 40及其子核 食物中的钾 40； 空气中的氡222和它的子核等等宇生放射性核素：宇宙射线与大气作用产
15、生放射性核素3H、14C 存在于大气、土壤、岩石、动植物体内人工放射性核素，2000余种，因需而制造加速器、反应堆、核素发生器第二节第二节 核的放射性衰变核的放射性衰变l衰变: 发射射线l衰变：发射电子l衰变：发射正电子l电子俘获(electron capture, EC)l衰变：发射射线l内转换(internal conversion, IC)20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训原子核衰变l放射性衰变：原子核自发的放射出各种射线而变为 另一种核素的现象。与原子的化学状态、化学性质无关不受外界因素影响放射性核素本身的物理特性20
16、082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训 衰变衰变l射线（ 粒子）：本质为氦核42He ，由两个质子和两个中子组成l子核质量数减少4，原子序数减少2lAZXA-4Z-2Y+Q A ZX：母核，A-4 Z-2Y：子核，Q：衰变能重核（Z>82）20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训 - -衰变衰变 （ 衰变衰变 ）l发射出一个-粒子和一个反中微子-l-射线（ 射线）的本质为电子l一个中子转变成一个质子，l子核的原子序数增加1lAZXAZ+1Y+-+-+Q富中子核素（贫质子）治疗用核素（治疗用89Sr、153Sm、90Y，敷贴32P)20082008年核医学大型设备上岗证技师培训年核医学大型设备上岗证技师培训+衰变衰变 发射出一个正电子(+粒子)和一个中微子 一个质子转变成一个中子 子核的原子序数减1 A ZXA Z-1Y+Q PET用核素 富质子核素189F188O + 20082008年核医学大型设备
