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医用物理学:CHAP14_原子核和放射性

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医用物理学:CHAP14_原子核和放射性_第1页
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第十四章第十四章 原子核和放射性原子核和放射性14-1 原子核的结构和性质原子核的结构和性质一、一、原子核的组成原子核的组成: 质子质子(proton), 中子中子(neutron) ,统称核子统称核子原子核质量单位:原子核质量单位:1u =1.660 538 921(73)  10-27kgmp=1.672 621 777(74) 10-27kgmn=1.674 927 351(74) 10-27kgme=9.109 382 91(40) 10-31kg==1.007 276 466 812(90)u==1.008 664 916 00(43)u==0.000 548 579 909 46(22)u原子核的质量数:原子核的质量数:A==Z++N(1) 核的组成核的组成(2) 核的质量(核的质量(2010年,年,CODATA)) 二、原子核的性质二、原子核的性质(1) 大小大小实验测得:实验测得:RH/r0 ~ 104,月球公转轨道半径/地球半径月球公转轨道半径/地球半径 ~ 60地球公转轨道半径/太阳半径地球公转轨道半径/太阳半径 ~ 200水星公转轨道半径/太阳半径水星公转轨道半径/太阳半径 ~ 80R =r0 A1/3, r0=1.2 10-15m ,   =2.3 1017kg/m3(2) 密度密度(3) 核子之间存在核力核子之间存在核力(i) 强相互作用力强相互作用力(ii) 短程力短程力(5) 原子核具有电矩和磁矩原子核具有电矩和磁矩 (6) 核能级核能级, RH =0.53A= 5.3 10-11m质子质子 r0~1.20 10-15m原子核的符号:原子核的符号:(4) 原子核带电量原子核带电量 q==Ze 三、放射性核素和同位素三、放射性核素和同位素 (1) 核素核素: Z同同 A同的同一类原子核同的同一类原子核(2) 同位素同位素: Z同同, (3) 同量异位素同量异位素: A同同Z不同不同, (4) 同质异能素同质异能素: Z 同同 A 同同, 能态不同能态不同, 放射性同位素:结构不稳的、能自发放出射线的同位素。

放射性同位素:结构不稳的、能自发放出射线的同位素如如如如如如天然放射性核素:天然放射性核素:Z>83, 有有58种,种,                         等人工放射性核素:有人工放射性核素:有1300多种如11C,,13N,,15O,,18F等 四、结合能 四、结合能 原子核的稳定性原子核的稳定性1.结合能和质量亏损.结合能和质量亏损(1) 结合能结合能: 核子与核子结合成原子核时核子与核子结合成原子核时, 释放出来的能量.释放出来的能量.mp+ mn= 2.015 941 uM=0.002 388 u根据相对论根据相对论, E=M c2(2) 质量亏损质量亏损 : 原子核的质量与组成它的所有核子的质量差原子核的质量与组成它的所有核子的质量差1u=931.5MeV结合能结合能 E = 931.5 M (MeV/u) 2. 原子核的稳定性原子核的稳定性(1) 平均结合能平均结合能 E/A中等质量核最稳定中等质量核最稳定(2) 奇偶搭配奇偶搭配(3) 中质比中质比不稳定重核不稳定重核 (A>209):衰变或裂变,:衰变或裂变,不稳定轻核:聚变,不稳定轻核:聚变,偶偶偶偶 ( 166 )奇偶奇偶 ( 110 )奇奇奇奇 ( 9 )Z<20: N:Z=1Z>20: N:Z>1 14-2 原子核的放射性衰变原子核的放射性衰变核衰变核衰变(nuclear decay): 不稳定的放射性核素能够自发地以不稳定的放射性核素能够自发地以各种方式转变成另外的核。

各种方式转变成另外的核 衰变前的核称为母核,衰变生成的新核称为子核衰变前的核称为母核,衰变生成的新核称为子核放放射射性性核核素素::包包括括天天然然放放射射性性核核素素,,人人工工放放射射性性核核素素((人人造核素、人工核素)都会发生核衰变造核素、人工核素)都会发生核衰变核衰变类型核衰变类型:  衰变、衰变、  衰变衰变、、 衰变衰变.核衰变遵守核衰变遵守:(1) 质量能量守恒质量能量守恒, (2) 动量守恒动量守恒,(3) 核子数守恒核子数守恒, (4) 电荷守恒电荷守恒. 一、一、   衰变衰变 (  decay)放射性核素放射出放射性核素放射出 射线而转变成另一种核素的现象叫射线而转变成另一种核素的现象叫做做 衰变,衰变,  射线就是高速运动的射线就是高速运动的4He原子核原子核 衰变方程衰变方程: X母核,母核,Y子核子核  衰变的位移定则:子核在衰变的位移定则:子核在元素周期表中向前移动两位元素周期表中向前移动两位 二、二、 衰变衰变 (  decay)和电子俘获和电子俘获(electron capture) 衰变包括:衰变包括: -衰变、衰变、  +衰变衰变和电子俘获和电子俘获1.  - 衰变衰变放射性核素的原子核放射出放射性核素的原子核放射出 -射线变为另一种核素的现象射线变为另一种核素的现象衰变方程衰变方程:  -衰变本质:衰变本质: -衰变的位移定则:衰变的位移定则: 后移后移1位位 。

2.  +衰变衰变放射性核素的原子核放射出放射性核素的原子核放射出 +射线而变成原子序数减少射线而变成原子序数减少1的核素的过程的核素的过程衰变方程衰变方程:  +衰变本质:衰变本质: 衰变能谱衰变能谱 +衰变的位移定则:前移衰变的位移定则:前移1位位 3. 电子俘获电子俘获 (electron capture,EC)原子核俘获一个核外电子,使核内一个质子转变为一个原子核俘获一个核外电子,使核内一个质子转变为一个中子,同时放出一个中微子而变为原子序数减中子,同时放出一个中微子而变为原子序数减1的核素衰变方程衰变方程: 电子俘获过程中产生电子俘获过程中产生:(1) X射线射线 或或 (2) 俄歇电子俄歇电子当高能级当高能级(外壳层外壳层) 的电子跃迁至的电子跃迁至低能级低能级(内壳层内壳层) 时,把多余的能时,把多余的能量直接转移给同一能级的另一个量直接转移给同一能级的另一个电子,接受这份能量的电子脱离电子,接受这份能量的电子脱离轨道成为自由电子轨道成为自由电子—俄歇电子俄歇电子 三、三、  衰变衰变(  decay) 和内转换和内转换 (internal conversion)(1)   衰变:衰变:处于激发状态的核,跃迁到较低的激发态直至处于激发状态的核,跃迁到较低的激发态直至基态,发射出基态,发射出   射线.射线.  衰变又叫衰变又叫   跃迁.跃迁.衰变方程衰变方程: (2) 内转换内转换::在某些情况下,在某些情况下,原子核从激发态向较低能态跃原子核从激发态向较低能态跃迁时不辐射出了光子,而是把这部分能量直接交给迁时不辐射出了光子,而是把这部分能量直接交给内层电子,使该电子脱离原子束缚,成为自由电子内层电子,使该电子脱离原子束缚,成为自由电子. .{{   射线占射线占89% 内转换内转换占占11%内转换过程中产生内转换过程中产生:(1) X射线射线 或或 (2) 俄歇电子俄歇电子 14 --3 核衰变的规律核衰变的规律一、一、指数衰变规律指数衰变规律理论和实验证明,单位时间内衰变掉的母核数量理论和实验证明,单位时间内衰变掉的母核数量dN /dt (即衰变率即衰变率)与现有的母核数与现有的母核数 N 在数量上成正比.在数量上成正比.tt+dt, dN / dt= - N ,或或 dN / N = -  dtN=N0e- t衰变常数衰变常数( decay constant )  ::单位时间内衰变掉的母核数单位时间内衰变掉的母核数dN /dt与该时刻存在的母核与该时刻存在的母核总数总数 N 之比,单位是之比,单位是 s-1..如果一种核素能够同时进行如果一种核素能够同时进行 n 种类型的核衰变,种类型的核衰变, =  1+  2+ …+  nt=0, N=N0 二、二、半衰期和平均寿命半衰期和平均寿命1. 半衰期半衰期 ( half life )放射性核素在数量上衰变掉一半所经历的时间,放射性核素在数量上衰变掉一半所经历的时间,T (或或T1/2)..N=N0exp(- t)N=N0/2=N0exp(- T)T= ln2/  = 0.693/ N=N0 (1/2)t/T2. 有效有效半衰期半衰期 ( effective half life )dN = - ( + b)Ndt = -  e Ndt  e= + b e = ln2/Te  = ln2/T b = ln2/TbN=N0 (1/2)t/Te 3. 平均寿命平均寿命 ( mean life )tt+dt, dN= -  N dt, dN总寿命总寿命: dT=(-d N ) t =  N t dt 平均寿命平均寿命:总寿命总寿命:>T= ln2/ =1.44T 三、放射性强度三、放射性强度 ( radioactivity )单位时间内衰变的原子核数单位时间内衰变的原子核数, 也叫放射性活度。

也叫放射性活度 tt+dt, dN= -  N dt, A= -dN/ dt = NN=N0exp(- t) , A=   N0exp(- t) = A0exp(- t) N=N0 (1/2)t/T, A=   N0 (1/2)t/T = A0(1/2)t/T 单位单位: : 1Bq=1s-1, 1Ci=3.7 1010Bq 放射性核素中每个原子核的平均存活时间放射性核素中每个原子核的平均存活时间常用单位:常用单位:mCi、、 Ci 四、放射平衡四、放射平衡 ( radioactive equilibrium )1. 放射系放射系放射性核素的子核也是放射性核素,这一现象可延续几放射性核素的子核也是放射性核素,这一现象可延续几代,形成一个放射性核素家族代,形成一个放射性核素家族三大天然放射系:三大天然放射系:钍系:钍系:锕系:锕系:铀系:铀系: 2. 放射平衡放射平衡A↓B↓C衰变率衰变率dNA / dt = -  ANAdNB / dt = -  BNB+  ANA…………………经过一段时间后,子体每秒衰变的核数将等于它从母经过一段时间后,子体每秒衰变的核数将等于它从母体衰变而得到补充的核数,子体的核数就不再增加,体衰变而得到补充的核数,子体的核数就不再增加,达到放射平衡.此时,子核和母核放射性活度相等。

达到放射平衡.此时,子核和母核放射性活度相等同位素发生器同位素发生器 ( isotope generator ), “母牛母牛”(cow)意义:短半衰期核素的保存及医学应用意义:短半衰期核素的保存及医学应用 14-6 放射性核素的医学应用放射性核素的医学应用一、放射治疗一、放射治疗   光刀光刀1. 碘碘131 ( 131I ) 治疗治疗利用利用 131I 发出的发出的   射线,射线, 治疗甲亢和甲状腺癌治疗甲亢和甲状腺癌2. 钴钴60 ( 60Co ) 治疗治疗利用利用 60Co 发出的发出的   射线,射线,杀死癌细胞或抑制其生长杀死癌细胞或抑制其生长 (2) 硼中子俘获疗法:把含硼元素的肿瘤亲和药物注入人硼中子俘获疗法:把含硼元素的肿瘤亲和药物注入人体,该种药物能迅速浓聚于病灶部分,此时用超热中体,该种药物能迅速浓聚于病灶部分,此时用超热中子射线照射,可以在靶区引起核反应,所释放的高能子射线照射,可以在靶区引起核反应,所释放的高能射线只杀死肿瘤细胞而不损伤周围组织.该疗法被认射线只杀死肿瘤细胞而不损伤周围组织.该疗法被认为是目前治疗脑胶质瘤的最好方法.为是目前治疗脑胶质瘤的最好方法.3. 中子治疗中子治疗以往主要是用快中子治疗唾液腺癌、前列腺癌等恶性肿以往主要是用快中子治疗唾液腺癌、前列腺癌等恶性肿瘤,适用范围有限.瘤,适用范围有限.(1) 中中子子刀刀: 利利用用遥遥控控后后装装技技术术将将中中子子源源送送进进肿肿瘤瘤内内部部,,借借助助中中子子射射线线近近距距杀杀死死癌癌细细胞胞..中中子子射射线线的的生生物物作作用用比比X、、 射射线线强强2~8倍倍(? 5~20倍倍),,适适用用于于敏敏感感性性较较差的肿瘤或复发性肿瘤.差的肿瘤或复发性肿瘤. 4.   光刀光刀 光刀 是一种立体定向是一种立体定向放射外科技术,它将高放射外科技术,它将高能量的能量的   射线聚焦于某射线聚焦于某一局部靶组织,使之发一局部靶组织,使之发生放射性坏死,其治疗生放射性坏死,其治疗效果与效果与X光刀类似。

光刀类似1) 优点:无手术创伤,不需要麻醉,优点:无手术创伤,不需要麻醉, 手术精确手术精确, 治疗治疗简便、省时;简便、省时;(2) 缺点:设备庞大,治疗费用较高缺点:设备庞大,治疗费用较高. 二、示踪技术当放射性同位素与它的稳定同位素混在一起时,可以当放射性同位素与它的稳定同位素混在一起时,可以借此测出稳定同位素在各种过程中的动态变化,这种借此测出稳定同位素在各种过程中的动态变化,这种方法称为示踪原子法,被引入的放射性同位素叫做示方法称为示踪原子法,被引入的放射性同位素叫做示踪原子.踪原子.1.  照相机照相机2. 单光子发射型断层成像单光子发射型断层成像 (SPECT)3. 正电子发射型断层成像正电子发射型断层成像 (PET)三、放射性核素成像三、放射性核素成像 三、放射性核素成像三、放射性核素成像1.  照相机照相机2. 单光子发射型断层成像单光子发射型断层成像 (SPECT) 使用核素:使用核素: 99m43Tc 201Tl 131I 67Ga 3. 正电子发射型断层成像正电子发射型断层成像 (PET)使用核素:使用核素:11C,, 13N,, 15O,,18F 等。

等 习题十四习题十四 P364 3, 8, 10, 14, 15 第十四章第十四章 原子核和放射性原子核和放射性 种类与能量范围种类与能量范围辐射权重因子辐射权重因子WR X射线射线,  射线射线1 电子电子1 中子中子, 能量能量<10keV 10~100 kev >100 keV~2 MeV >2 MeV ~20 MeV >20 MeV51020105质子质子, 能量能量>2MeV5 粒子粒子, 重离子重离子20表 1 辐射权重因子 99mTc-MIBI心心肌肌血血流流灌灌注注SPECT显显像像 18F-FDG葡葡萄萄糖糖代代谢谢PET显像显像 血血流流--代代谢谢显显像像三三种种模模型型:: ①①血血流流与与代代谢谢显显像像中中,,心心肌肌显显像像剂剂都都分分布布均均匀匀,,提提示示为为正正常常;;②②血血流流灌灌注注减减低低,,葡葡萄萄糖糖利利用用正正常常或或相相对对增增加加,,这这种种血血流流--代代谢谢不不匹匹配配模模型型对对于于心心室室功功能能障障碍碍患患者者来来说说,,是是心心肌肌存存活活的的有有力力证证据据;;③③局局部部心心肌肌血血流流与与葡葡萄萄糖糖的的利利用用呈呈一一致致性性减减低低,,二二者者呈呈匹配图像,为心肌瘢痕和不可逆损伤的标志。

匹配图像,为心肌瘢痕和不可逆损伤的标志SPECT 和和 PET 成像技术的应用成像技术的应用 。

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