核医学第1章-核医学物理基础讲解学习.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,单击此处编辑母版标题样式,第一章 绪论：沈洪,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,安徽医科大学 易启毅,第,1,章 核医学物理基础,2014-2-17,核医学,第一节,核物理基本概念,核衰变方式,第二节,射线与物质的相互作用,第四节,核医学,物理基础,放射性核衰变的基本规律,第三节,原子和原子结构,原子（,atom,）是构成元素的基本单位，不同元素的原子具有不同的性质，但是原子的基本结构大致相同。,每层能容纳的电子数为,2n,2,（,n,代表第几壳层）,原子和原子结构,氢原子只有一个电子，其质量为,9.108*10,-28,g,，它的原子核（只有,1,个质子）质量为,1.672*10,-24,g,，原子核的质量是核外电子的,1836,倍,。,一般用原子核的质量数代表整个原子的质量。,国际上统一规定将,12,6,C,的,1/12,作为原子质量单位（,atomic mass unit,u,）。,质子,、,中子,和,电子,的静止质量分别为,1.007276470u,、,1.008665012u,，,0.00054858026u,原子核由,质子,和,中子,组成，它们统称为,核子,。,通常采用,X,N,表示原子的结构，其中,X代表元素符号，Z代表质子数，N代表中子数，A代表原子的质量数，因为元素符号本身就确定了质子数，N=A,Z,故原子结构亦可简便地只记,元素符号,和,质量数,A,X，如,131,I、,18,F。,质子,带一个正电荷，,中子,呈电中性，,核外电子,带负电荷，原子核的正电荷,(,质子,)数目与核外电子数相等，所以原子本身呈电中性。,原子核,原子核,的能级：原子核中的核子在不断运动，原子核因核子运动状态不同而处于不同的能量状态。,一般情形下，原子核都处于能量最低的状态，称为,基态,。,在一定条件下,(,如核衰变,),，原子核可暂时处于较高能量的状态，称为,激发态,。,处于激发态的核都不稳定，会释放出过剩的能量而回到基态。,原子核的能量状态,核外电子首先占据能量低的状态，即称为,基态,。,原子在加热或受射线照射时，内层电子就可能获得能量而跳跃到能量较高的外层上，这样的状态称为,激发态,。,处于激发态的原子不稳定，会释放能量使外层电子跃迁到内层、整个原子即从激发态回到基态。,核外电子的能量状态,元,素,:,凡,原子核,内,的,质子数相同,的一类原子称为一种元素。现已发现,100,多种元素。,元素、,核素,、同位素、同质异能素,元,素,凡,原子核,内,的,质子数,相同,的一类原子称为一种元素。现已发现,100,多种元素。,核素,原子核的,质子数,、,中子数,和,原子核所处的能量状态,均相同,的原子属于同一种核素。,现在已知有,2000,多种核素。,同一种核素,化学,性质和,核,性质均相同，是某一原子固有的特性征。,元素、,核素,、同位素、同质异能素,同位素,凡原子核具有,相同的质子数,而,中子数不同,的元素互为同位素。,如,125,I、,131,I、,132,I均有53个质子，但中子数不同，在元素周期表中处于同一位置，是同一元素,-碘元素。,一种元素往往有几种甚至几十种同位素。一个元素所有同位素,，其,物理性质,可能,有所不同,，但都具有完全相同的核外电子结构，大部分同位素,化学,和,生物性质,基本相同,。,因此，医学上才能利用核探测的高灵敏性，以放射性同位素标记生物活性物质或药物等进行实验研究和诊断疾病。,同质异能素,核内,中子数和质子数都相同,但,能量状态不同,的核素彼此称为同质异能素,。,在核素右上角加上一个字母,m,，表示处于激发态（,excited state,）或亚稳态（,m,etastable state,）。如,99,Tc,m,，也常写成,99m,Tc,99m,Tc,与,99,Tc,互为同质异能素。,放射性核衰变,不稳定核素的原子核能自发地,发生,核内,成分,或,能态,的改变而转变成另一种核素，同时释放一种或一种以上的射线。,这种变化过程,称为,放射性核衰变,，简称,核衰变,。,这种不稳定的核素称为,放射性核素,。,放射性核素按其来源可分为,天然,和,人工,两大类。,原子核能稳定地存在，不会自发地发生变化的核素称为,稳定性核素,。,（一般以半衰期,10,9,年为界）,放射性核衰变,226,Ra,放出的三种射线在电场中的表现,核稳定性的影响因素,核稳定性的影响因素,原子核中子和质子的数目保持一定的比例才能稳定，不会自发地发生变化而稳定地存在。,原子量较小的核素，N,/,Z,=1时原子核是稳定的。,当质子数较多时（一般为,Z20），质子数多了，斥力增大，必须有更多的中子使核力增强，才足以克服斥力，保持核稳定,，,N/Z,可达,1.5,左右。,如果质子数太多，无论怎样改变中子质子比例，也无法使核保持稳定，故天然存在的原子序数大于,82,的核素均为放射性核素。（,如,83,号元素,Bi,在,2003,年被发现有极其微弱的放射性,）,原子核中质子数过多或过少，或者中子数过少或过多，原子核便不稳定。,中子质子比例不平衡，,主要发生,衰变；,核子总数过多：,（,Z,82,），均为放射性,核素，主要发生,衰变。,核稳定性的影响因素总结,质量亏损,原子核的质量总是小于组成它的核子的质量之和，这一差值称为,原子核的质量亏损,。,自由核子结合成原子核的时候，有能量释放出来，这种能量称为,原子核的结合能,。,广义的质量亏损,：体系变化前后静止质量之差。,放射性核素衰变前后的静止质量总是有差异的，且衰变产物的全部质量小于放射性核素母体原有的质量，故,所有核衰变存在质量亏损,。,衰变能,质量亏损按爱因斯坦的,质能联系定量,（也称质能守恒定律）转化为能量，即,E=mc,2,（其中,c,为真空中的光速），转变产生的能量称为,衰变能,。,核科学中常用的能量电子单位为电子伏特,(eV),。,1eV,是在电压为,1V,的两点间移动一个电子时电场力所做的功。,1eV=1.602189210,-10,J,。,1u,物质转化为相应的能量为,931.478Mev,，一个电子相应的能量为,0.511006MeV,衰变能,衰变能的去向：,为,，,-,，,+,衰变,时发射的,，,-,，,+,粒子提供,动能,；,+,衰变,时核内需要,1.022MeV,的能量来形成,一个电子,使质子转化成中子，并释放出,一个正电子,。,在为,电子俘获衰变,时吸引核外电子进入核内提供能量，间接为,X,射线和俄歇电子提供动能；,提供能量使衰变的核处于激发态，这是,跃迁的前提。,放射性衰变的类型,不稳定核素的原子核能自发地,发生,核内,成分,或,能态,的改变而转变成另一种核素，同时释放一种或一种以上的射线，这种变化过程,称为,放射性核衰变,。,衰变类型,：,衰变，,-,衰变，,+,衰变（正电子衰变），电子俘获（,EC,），,跃迁（,衰变）,不稳定的核素常被称为母核，其产物称为子核。,有的子核也不稳定，将继续衰变，直至转变成稳定性核素，这种连续衰变的过程称为,级联衰变,。,衰变,(decay),定义：,不稳定原子核自发地放射出,粒子而变成另一个核素的过程称为衰变,。,常见于：,重核，质子数,82,粒子实质：,氦原子核,He,通式：,实例：,衰变,(decay),衰变,基本特点,：,放射性核素,一般为重核，质子数,82,衰变放出的,粒子能量在,4,9 MeV,范围,衰变半衰期,范围很宽，,10,-7,s,10,15,a,粒子特性：,质量大，电荷多，射程短，穿透力弱，在空气中只能穿透几厘米，一张纸就可屏蔽，因而,不适合作核医学显像用,。但,粒子对局部的电离作用强，引入体内后，对其附近的生物组织可产生严重损伤而不影响远处组织，故其在,放射性核素治疗,上具有潜在的优势,。,衰变,：衰变模式图；衰变纲图,衰变模式图,(4.777)94.3%,(4.589)5.7%,(0.188),226,镭的衰变纲图,母核,X,衰变为,子核,Y,和 一个,a,粒子,.,衰变能,衰变前，母核,X,静止，根据,能量守恒定律,：,T,Y,a,T,衰变前,静止质量,衰变后,静止质量,衰变后,动能,衰变能,E,0,为,子核,Y,和,a,粒子的动能之和，也就是衰变前后静止质量之差,即：,衰变前后静止质量的,质量亏损,衰变过程中,粒子的动能,a,T,Y,T,衰变前，母核,X,静止,，根据,动量守恒定律,：,那么：,定义：,放射性核素的核内自发地放射出,粒子的衰变方式称为,衰变。,常见于：,中子数过多的核素,即,富中子核素,粒,子实质：,负电子,(,核内,产生，向外发射,),通式：,实例：,衰变,(,decay),衰变,(,decay),-,粒子特性：,射程及,穿透力较,粒子强，,2Mev,的,-,粒子在软组织中的射程约为,2cm,，仍,不能用于核医学显像,，但某些,-,衰变,核素,可用于核素治疗,，如：,131,I,用于治疗甲亢和甲状腺癌，,32,P,可用于血液病和皮肤病的治疗等。,衰变,：衰变模式图；衰变纲图,衰变模式图,-,(0.0186)100%,3,H,的,衰变纲图,(T,1/2,=12.33,年,),衰变能,衰变能,Q,分配给三个生成物：子核、,-,粒子、反中微子。由于子核的质量远大于,-,粒子、反中微子，所以实际上衰变能主要分配给,-,粒子、反中微子。这种分配是随机的。因而，,-,粒子的动能是从零到最大值的一个连续能谱。,一般所说的,-,射线能量指的是最大值，也等于衰变能。,-,射线的平均能量,E,avg,约为,E,max,的,0.4,左右。,Eavg=0.4 Emax,定义：,放射性核素的核内自发地放射出,+,粒子的衰变方式称为,+,衰变。,常见于：,中子数相对较少的核素,即,贫中子核素,。,正电子衰变核素，都是人工放射性核素。,+,粒,子实质：,正电子,(,核内,产生，向外发射,),通式：,实例：,+,衰变,(,+,decay),+,衰变,+,粒子特性：,质量与电荷数与电子,(,即,-,粒子,),相同，只是电荷性质相反。,正电子射程仅12mm，在失去动能的同时与其邻近的电子（,）碰撞而发生,湮灭辐射,，在二者湮灭的同时，失去电子质量，转变成两个方向相反、能量皆为511 keV的光子。,正电子发射断层仪（PET）能探测方向相反的511 keV光子，进行机体内的定量、定性和代谢显像。,+,衰变,：衰变模式图；衰变纲图,+,衰变模式图,+,(1.190)100%,的,+,衰变纲图,(T,1/2,=9.96min),1.022,+,衰变能,+,衰变能,Q,能量分配与,-,衰变类似，主要随机分配给,+,粒子、反中微子。,+,粒子的能谱也与,-,能谱相似，也是从零到最大值的一个连续能谱。,一般所说的,+,射线能量指的是最大值，也等于衰变能。,+,射线的平均能量,E,mean,约为,E,max,的,0.4,左右。,Eavg=0.4 Emax,电子俘获衰变,(electron capture,EC),定义：,原子核俘获一个核外轨道电子使核内一个质子转变成一个中子和放出一个中微子的过程称为电子俘获衰变,。,常见于：,中子数相对较少的核素,即,贫中子核素,。,通式：,实例：,X,射线，俄歇电子,X,射线，俄歇电子,电子俘获衰变,：衰变模式图；衰变纲图,电子俘获衰变模式图,原子核俘获一个内层电子,，,外层电子向内层补充,。,两层轨道之间能量差转换成,特征X射线,或,俄歇电子,。,EC 100%,的电子俘获衰变纲图,(T,1/2,=60.2d),35.46keV,垂直线表示,跃迁,(,射线,6.8%,，内转换电子,93.2%),电子俘获衰变时形成的标识,X,射线和俄歇电子，都,不是来自核内,，但是其,初始能量,来源于,核内质子转化为中子的过程,。,标识,X,射线和俄歇电子的能量来自于轨道电子从外向内的跃迁，其能量取决于两层电子能级的差异，因此具有相对固定的能量，不像,粒子那样形成连续分布的能谱。能量通常从几个到几十个,keV,。,电子俘获衰变能,电子俘获衰变,vs.+,衰变,电子俘获衰变和,+,衰变都发生在,贫中子核素,：,原子序数,Z,较小时，,+,衰变为主,;,原子序数,Z,较大时，电子俘获衰变为主,;,中等原子序数,Z,，可能各以一定的概率发生。,跃迁,定义：,激发态或高能态的原子核以放出,射线（光子）,的形式释放能量,，,或者,将能量交给核外电子，使之有足够的动能发射出去成为,内转化电子,（内转化），而跃迁到较低能量级的过程统称,跃迁,。,又称为,同质异能跃迁,（,没有核内结构的变化，而只有能态变迁,）。,发生条件：,放射性核素在发生,衰变、衰变或核反应之后，,核,仍处于不稳定的激发态，并即刻向基态或低能态跃迁，并以,光子的形式放出多余的能量。,射线,实质：,中性的光子流,。电离能力很小，穿透能力强。对机体组织的局部作用较,-,射线和,射线弱，,适合放射性核素显像,。,如,99m,Tc衰变可表示为：,衰变核素,99,Mo，半衰期为66 h,经,衰变后产生子体放射性核素,99m,Tc,99m,Tc发射射线回复到基态,99,Tc，半衰期6.02h。,放出能量,为,140keV,的,射线，适合单光子发射显像。,99,m,Tc,是目前临床,SPECT,显像最常用的核素。,跃迁实例,X,射线,vs.,射线,X,射线与,射线都是电磁波，但：,（,1,）产生的机理不同：,X,射线是原子的内层电子受激辐射的；,射线是原子核受激辐射的；,（,2,）光子能量不同：,射线比,X,射线光子能量高，因此，,射线的频率较高，波长较短；,（,3,）穿透能力不同：二者都有穿透能力，但,射线波长更短，穿透能力更强。,重核裂变,P放射性衰变,延迟质子发射,双-衰变,。,其它衰变方式,各种辐射的穿透能力,射 线,本 质,氦原子核,电子流,光子流,穿 透 力,弱,较强,最强,电离能力,最强,较强,弱,内照射危害,最大,较大,小,外照射危害,小,较大,最大,指数衰变规律,对于某种放射性核素，其在单位时间,dt,内发生核衰变的数目,dN,必定正比于当时存在的原子核总数,N,，且只和,N,有关。亦即：,dN/dt=-,N,如果,t=0,时原子核数目为,N,0,，则积分得任意时间,t,时的剩余原子数为：,Nt=N,0,e,-,t,代表一种原子核在单位时间内发生衰变的几率，称,衰变常数,。是放射性核素的特征性参数。,物理半衰期,物理半衰期（,T,1/2,）,：,指放射性核素数目因衰变减少到原来的一半所需的时间。,由,1/2 N,0,=N,0,e,-,T1/2,可见，半衰期,T,1/2,与,衰变常数,成反比。衰变常数大的放射性核素衰变得快，衰变常数小的衰变慢。两者都是描述放射性核素衰变速率的特征量。,取对数得,放射性核素由于自身的物理衰变其原子核数目减少到原来一半所需时间称为,物理半衰期,。,进入生物体内的放射性核素或其化合物，由于生物代谢从体内排出到原来的一半所需的时间，称为,生物半衰期,(,Tb,).,由于物理衰变与生物的代谢共同作用而使体内放射性核素减少一半所需要的时间，称,有效半衰期（,Te）,。,e,*N,t,=,*N,t,+,b,*N,t,e,=,+,b,对于每一种确定的放射性核素，各个原子由于衰变时间不一致，寿命有长有短，通过数学推导可以证明，总体的平均寿命,是半衰期的,1.44,倍。,衰变常数,、半衰期,T,1/2,、平均寿命,都可以作为放射性核素的特征量。每一个放射性核素都有它特有的,(,或,T1/2,、或,),，没有两种核素的,(,或,T1/2,、或,),是一样的。,平均寿命,放射性活度,放射性活度（,A）,是表示单位时间内发生衰变的,次数，简称活度，用,A,表示。,放射性活度与放射性核数目,N之间的关系为：,积分可得：,A,0,为初始时间的放射性活度，,A,t,为任意时间,t,时的放射性活度,A=dN/dt,A,t,=A,0,e,-,t,在新的国际制单位（SI）中，放射性活度的单位是,贝可（Bq）,，定义为每秒一次衰变。即1Bq=1S,-1,放射性活度的旧制单位是,居里（,Curie，Ci）,，,1居里表示每秒3.710,10,次核衰变。居里与贝可的换算关系是,1Ci=3.710,10,Bq,1Bq2.710,11,Ci,核医学通常使用的放射源的活度，居里的单位较大，为方便使用，通常采用较小的单位，如毫居里（mCi，1mCi=10,3,Ci）、微居里（Ci，1Ci=10,-3,mCi）等，贝可相对太小，通常用kBq（103Bq），MB,q（,106Bq），GBq（109Bq）等。,1mCi=37 MBq,1Ci=37 kBq,比活度与放射性浓度,为了表示各种物质中的放射性核素含量，通常还采用,比活度,及,放射性浓度,。,比活度,定义为,单位质量,或,单位摩尔物质,中含有的放射性活度，单位是,Bq/g，MBq/g、MBq/mol。,放射性浓度,定义为单位,体积,溶液中所含的放射性活度，单位是,Bq/ml、mCi/ml等。临床核医学使用放射性浓度较多。,射线与物质的相互作用,射线,通过物质时，与物质发生一系列的相互作用，射线的能量不断被物质吸收。,这种相互作用亦称,射线的物理效应,，是我们了解辐射生物效应、屏蔽防护以及放射性检测、核素显像和治疗的基础。,核医学上最常见的是：,“,带电粒子,（主要为,粒子、,-,粒子，,+,粒子、俄歇电子、内转换电子）”和“,光子,（包括,射线和电子俘获衰变时释放的,X,射线）”与物质的相互作用。,两者与物质相互作用时的机制是有区别：,带电粒子,主要通过与物质原子、分子的,库仑电场力,发生同性相斥，异性相吸的相互作用，不需直接相互碰撞。,光子,则通过与物质的,直接碰撞,发生作用。,电离作用（,ionization）,入射粒子（,、,）作用于原子（,1,）使轨道电子成为自由电子（,2,）而原子成为正离子。,带电粒子与物质的作用,当带电电子通过物质时，和物质的原子核外电子通过库仑电场力发生作用，使电子脱离轨道束缚而形成自由电子，这一过程称为,电离,。,失去电子的原子带正电，与电子形成正负离子对。,电离作用,带电粒子通过物质时，与物质中的原子或者分子的,壳层电子,发生库仑电场力作用，带正电的粒子（,粒子和,+,粒子）发生吸引壳层电子的作用，带负电的粒子发生排斥壳层电子的作用，把自身的一部分动能传给壳层电子，如果,传递的能量足够,，便发生,电离作用,，形成正负离子对。,这是带电粒子的,初级电离,或,直接电离效应,。,（不管是第几次）,初级电离形成的电子通常具有较高的动能，又可在物质中行进引起物质电离，称为,次级电离,。,电离作用,电离密度,电离作用是带电粒子引起生物效应最主要的作用，也是很多核射线探测技术的基础。,通常用,电离密度,作为,反映射线作用强度,的量。,电离密度,：单位路径上形成的离子对数目。,影响因素,：,带电粒子的电荷量：正相关,带电粒子的行进速率：负相关,被作用物质的密度：正相关,激发作用（,excitation,）,能量,E,作用于,内层,轨道电子（,1,）使其跃迁到外层轨道（,2,）外层电子填补空穴（,3,）发射特征,X,射线（,4,）或俄歇电子释放出多余能量。,如果,传递的能量不够,发生电离作用：,散射作用（,scattering）,射线粒子受到原子核静电场作用，改变原来运动方向的现象称为,散射,。,如果运动方向改变而能量不变则称,弹性散射,。,韧致辐射,较高能量的带电粒子在行进过程中，到达原子核附近，在原子核电场作用下，改变运动方向，急剧减低速度，电子的一部分或全部动能转化为,连续能量的,X,射线,发射出来，这种现象称为,韧致辐射,。,韧致辐射的,发生几率,：,与,吸收物质的原子序数的平方,成,正比,；,与,带电粒子质量的平方,成,反比,；,与,带电粒子的能量,成,正相关,。,所以：,射线由于自身质量数大，较少产生韧致辐射；,射线的屏蔽要用原子序数低的材料，如铝、塑料、有机玻璃等。,快速电子在穿过透明介质时，如果它的运动速度超过光在该介质中的传播速度，就会在某一特定方向上发射出一种能量较弱的电磁波，称为,契伦科夫辐射,，又称,超光速电子辐射,。,契伦科夫辐射是连续谱，其波长是接近紫外线的可见光。,决定因素：,快速电子的速率,和,介质的折射率,。,生物医学中主要利用契伦科夫辐射来测量中、高能,-,射线（如,32,P,）,契伦科夫辐射,湮灭辐射：,+,衰变产生的正电子在通过物质时，在原子核及核外电子的作用下减速直至停止，静止后的正电子与环境中的一个负电子结合，生成一对发射方向相反能量各为,0.511,MeV,的,光子，这个过程称为,湮没辐射,，,湮没辐射是,PET,显像的基础。,注意：正电子通过物质时，也像负电子一样要与核外电子和原子核相互作用，引发电离和激发。直至其动能消耗完毕，才发生湮灭辐射。,湮灭辐射,吸收作用,带电粒子使物质的原子发生电离和激发的过程中，射线的能量全部耗尽，射线不再存在，称作,吸收,。,粒子在物质中沿运动轨迹所经过的距离称为,路程,，而路程沿入射方向投影的直线距离称为,射程,。,带电粒子的能量损失与粒子的动能和吸收物质的性质有关，所以射程能比较直观地反映带电粒子贯穿本领的大小。,光子与物质的相互作用,射线和X射线等属于电磁辐射，都是中性光子流，与物质相互作用方式相同，只与光子的能量有关,。,主要产生三个效应：光电效应、康普顿效应和电子对,生成。,光电效应,光子与介质原子的轨道电子（主要是内层电子）碰撞，把能量全部交给轨道电子，使之脱离原子而发射出来，而,整个光子被吸收消失,，这一作用过程称为,光电效应,。脱离原子轨道的电子称为,光电子,。,光电子的位置由外层电子填补，同时发射出特征,X,射线或俄歇电子。,发生条件,:,多发生在低能量,：0.5,MeV,。,康普顿效应,能量较高的,光子与原子的核外电子碰撞。将一部分能量传递给电子，使之脱离原子轨道束缚成为高速运行的电子，而,光子本身能量降低，运行方向发生改变,，称为,康普顿效应,。释放出的电子称为,康普顿电子,。,发生条件,:,多发生在中等能量：0.5-1.0,MeV,电子对生成,能量大于,1.022MeV,光子穿过物质时，光子与原子核电场的相互作用过程中，突然消失而产生一对正、负电子，称为,电子对生成,。其余下的能量转变为电子对的动能。,发生条件,:,发生在能量足够大的光子1.022,MeV,问题,原子核从激发态回到基态,与,外层电子从激发态回到基态,释放能量的方式有何异同？,特征,X,射线与轫致辐射的,X,射线主要区别是什么？,Thank You!,