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1、核物理和同位素基本知识,廖建民,1. 原子核（nucleus）结构,原子（atom）,中子（neutron）,质子（proton）,电子（electron）,AZN,A,13153I78,131I,A是质量数。 A=Z+N,基态 （ground state）,激发态 （excited state）,核反应、核裂变、放射性衰变,A,Am,99Tc,99mTc,很快放出过剩能量,2、质能转换定律、质量亏损和结合能： 质量和能量都是物质必具的属性，任何物体都同时具有质量和能量，并且它们之间存在着一定关系: E=mC2 这就是著名的爱因斯坦质能相互联系定律，它指出：任何m克质量的物质，一定具有mc2
2、erg的能量。 E为物质的能量，m为物质的质量，C为光在真空中的速度 。1g静止质量的能量为： E=mC2=1g(299792lOlOcms)2 =8.9875l020 erg 根据狭义相对论，m与物质的运动有关，对速度为V的物质：,式中m0为物质静止(V=O)时的质量，C为光在真空中的速度(2.9979241010cms-1) Erg（尔格）：质能当量单位。 1 erg = 670 amu= 6.24 105 MeV = 2.39 10-8 cal 在核物理中常采用的电子伏(Electron Volt；eV)作为能量单位。leV是电压为1伏特的两点间移动一个电子时，电场力所作的功。 1eV=
3、l.60218910-12 erg,精确实验测得的各种原子的质量总是小于组成它的全部中子、质子和电子的质量总和。这个差值称为质量亏损(Mass Defect)。 质量亏损与核子(Nucleon)(即中子和质子的总和)的结合能有密切关系。在原子核中，核子间互相吸引的力很强，而任何两个相互吸引的物体在相互靠近时都放出能量(因为势能变小)。所以核子结合成原子核时便释出大量的能量，这能量称为结合能，其量E与质量亏损m相当，变即EmC2。,3.核素（nuclide） ：具有特定质量数、原子序数与核能态的一类原子。,4. 同位素（isotope） ：具有相同原子序数，而质量数不同的核素。,5.同质异能素(
4、isomer) ：有相同质量数和原子序数，处于不同核能态的一类核素。,6. 稳定核素（stable nuclide) 原子核能够稳定存在，不会自发地发生核内成份或能级的变化，或者发生的几率非常小，半衰期超过十亿年。这类原子核称为稳定性原子核。相应的核素称为稳定核素(Stable Nuclide)。 当原子核内引力与排斥力平衡时，原子核稳定，不会自发衰变的核素,引力 静电排斥力 核子（质子和中子统称为核子）之间 质子之间,7.放射性核素 (radionuclide) 原子核不稳定，会自发地转变为别的原子核，或自发地发生核能态变化，变化时伴有射线的发射。这类原子核称为放射性原子核，相应的核素称为放
5、射性核素(Radioactive Nuclide)。如 99Tcm、131I、32P、90Sr、153Sm、188Re、125I、60Co等。,引力 静电排斥力 核子（质子和中子统称为核子）之间 质子之间,8、放射性： 某些核素自发地放出粒子或射线，或在发生轨道电子俘获后放出X射线，或发生自发裂变的性质。,9.放射性衰变（radiation decay） 放射性核素的原子由于核内结构或能级调整，自发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种原子的过程称为放射性衰变。,10、人工放射性核素 ： 用人工方法改变稳定核素中子与质子的组成比例也会造成核的不稳定。这种核素称为人工放射性核素。,核衰变类型
6、（nuclear decay),衰变（alpha decay） -衰变（beta decay ） 正电子衰变 电子俘获（ electron capture ） 衰变（gamma decay ）,1）衰变 AZX-A-4Z-2Y+42He+Q,42He,不稳定核自发地从核内放射出粒子(Alpha Pharticle)而变成另一种核的过程称为衰变(Alpha Decay)。 粒子实际上是两个质子两个中子组成的 氦原子核。式中X为母核(Parent Nucleus)，Y为子核(Daughter Nucleus)，Q是衰变时原子核释放出的能量。可以看出，子核与母核相比，原子质量少4，原子序数少2。,粒
7、子特性,粒子实质上是He原子核； 衰变发生在原子序数大于的重元素核素； 在空气中的射程约为cm，在水中或机体内为0.06-0.16mm； 因其射程短，一张纸即可阻挡； 但粒子的电离能力很强。 对开展体内恶性组织的放射性核素治疗具有潜在的优势。,对衰变来说，衰变时的质量亏损mz是： mz=mz-(mz-2+2me+m) 其中mz是母体原子质量mz-2是子体原子质量，me是电子质量，m是粒子质量。 任何衰变都伴有能量释放，这部分能量Q称为衰变能(Decay Energy)，来自质量亏损。若质量以amu为单位，Q以MeV为单位，并取1amu=931 MeV，则 Q931mz MeV (12) 衰变能
8、分配给子体核素和发射的粒子(射线)。有些核素衰变时还有一部分留在核内使子核暂时处于激发态。由于m和mz-2是既定的，每种放射性核素的衰变能也是固定的，因此可以通过测定射线的能量来判断是何种核素。,226Ra(镭)的衰变,226Ra衰变为222Rn（氡）。释放的粒子有两组：一组能量为4777MeV，占943；另一组能量为4598MeV，伴有01888MeV的线，占57。 Q值的计算如下： mz=mRa-(mRn+2me+mHe-2me) =mRa-mRn-mHe =226.025438-222.017610-4.002603 =0.005225amu Q=0.005225931=4.86MeV,
9、该能量按质量分配： QRn=486 =0086 MeV Q=486 =4774 MeV,此值与实测结果基本相符。226Ra衰变中有57的222Rn先处于激发态，退激时以光子形式释出多余能量，故这部分衰变释出的粒子能量稍低。,(二)-衰变 原子核内中子相对过多造成不平衡，导致核内一个中子转变为质子，同时释出一个负电子的过程称为-衰变(- Decay，Negatron Decay)。核内释出的负电子通常称为-粒子或-射线(- Particle or - Ray)。 -衰变时还同时形成一个反中微子 (Antineutrino，)。是一种质量极小的中性基本粒子，穿透性极强，一般探测器不能探测。,由于核
10、内的基本变化是一个中子转变为一个质子，故-衰变的子体与母体相比，其A不变而Z增加1，可用下式表示： -衰变的变能Q可计算如下： Q931mzmz- (mz+1-me+m+m) MeV 反中微子的质量极小，仅为电子的5/10，000，可忽略不计 ，故： Q931mz 931（mz- mz+1 ） MeV,-衰变有三个生成物(Z+1Y 、-和)，Q就由这三个粒子带走。子核的质量远大于-和，故带走的能量相对很小，实际上Q主要分配给-和，形成它们的动能。这种分配是随机的，因此-粒子的动能可从零(E-0，EEmax)到一最大值Emax(E-Emax，E0)，形成一个连续的能量分布，称为-能谱(- Ene
11、rgy Spectrum). 通过计算质量亏损或检阅各种手册得到的-线能量常是各核素-粒子的最大能量Emax。实际计算-线辐射剂量时往往需用平均能量E，它约等于Emax的l3。,粒子的特性,粒子实质是负电子； 衰变后质量数不变，原子序数加； 粒子的能量分布从0最大具有连续能谱，穿透力比a粒子大； 电离能量比a粒子弱，能被铝和机体吸收； 在软组织中的射程仅为几厘米，可用于治疗，如碘治疗甲亢。,(三) +衰变：核内中子相对缺少时，一个质子转变为一个中子，同时从核内释出一个正电子的过程，称为+衰变(Positron Decay，+ Decay)正电子亦称+粒子或+线 (Positron or + R
12、ay)，它的质量与负电子完全相等，但所带电荷相反。+衰变时也同时发射一个穿透性极强、质量极小的中性基本粒子，称为中微子(Neutrino，)。 +衰变的核素都是人工放射性核素。 +衰变的子核与母核相比，A不变而Z减少1，可用下式表示:,质量亏损mz： mzmz-( mz-1 +me+me+ m) = mz- mz-1-2 me +衰变时质量亏损较大。这是因为质子转变为中子时需一个负电子，核内有如下过程：部分质量亏损转化为1.022MeV能量，该能量转化为一对正负电子，负电子与质子中和形成中子，正电子释出，剩余的质量亏损则转变为发射粒子的动能。 衰变的条件是mz mz-1+2 me 。2 me的
13、质量亏损正好是核内形成一对正负电子所必须的1022MeV能量的来源。,粒子的能谱与粒子相似，也是连续的，也有一个近似等于Q的Emax。 粒子全部动能损失后，便和周围物质中的自由负电子结合，转变为两个方向相反而能量均为0.5ll MeV的光子，电子本身的质量则消失。这一现象称为电子湮没（Annihilation）,其辐射则称湮没辐射。,粒子的特性,粒子实质是正电子； 衰变后子核质量数不变，但质子数减； 也为连续能谱； 天然核素不发生衰变，只有人工核素才发生； 应用：PET成像。,(四)电子俘获衰变：电子俘获衰变(Electron Capture Decay)是指缺中子核从核外俘获一个轨道电子，使
14、核内一个质子转变为中子的衰变过程。电子俘获衰变常简称EC衰变，它和衰变一样，子核的原子序数比母核减少1，原子质量数不变，由于K层电子被俘获的几率最高，这种衰变有时也叫K电子俘获。该过程也伴有中微子发射，可用下式表示：,EC衰变时的衰变能Q除提供的动能外，主要用于使核处于激发态，并随即发射线。提供衰变能的质量亏损mz是： mz =mz-mz-1- iC2 某一壳层(例如K层)的一个电子被俘获后，该壳层就出现一个空位。于是处于较高能级的壳层电子就可跃迁到该空位，同时将多余的能量(相当于跃迁前后两壳层能级的差)以X线形式辐射出来。应当注意，此时由于核的变化，壳层电子已相当地“改造”成子体核素的壳层电
15、子，所以释出的子体核素的特征X线。,有时，电子跃迁多余的能量也可不以特征X线的形式释出，而是传递给另一壳层电子，一部分用以克服该电子的结合能使之成为自由电子，其余部分则成为该电子的动能。这样释出的电子称为俄歇电子(Auger Electron)。 Ec衰变时释出的X线和俄歇电子都不是直接来自核内，而是次级辐射。它们在能量方面的特点是: 1)能量都较低，通常是KeV级；2)能量都是定值而不是连续谱，3)能量因被俘获的电子和跃迁电子所处壳层不同而不同，所以每种核素EC衰变都可发射几种不同能量的X线和俄歇电子，各有一定的机率；4)俄歇电子的能量一般都略低于相应的X线 衰变和EC衰变都发生在缺中子的核素，所以同一种核素有时可同时进行这两种衰变。,(五)跃迁和同质异能跃迁；有些核素在进行、或EC等衰变时，产生的子核可能暂时处于激发态核能级，再很快过渡到能量较低的激发态或基态在这个过渡过程中，多余的能量以光子(Photon)的形式即线的形式发射出来。这种伴有光子发射的核能级跃迁称为跃迁(Gamma Transition)。 激发态子体YY基态+h 每一激发态的原子核退激时，可以不只释出一个
