医用物理学第十五章-原子核和放射性课件.ppt

1、第十五章第十五章 原子核和放射性原子核和放射性 1 15-1 5-1 原子核的基本性质原子核的基本性质 1 15-2 5-2 放射性核素的衰变种类放射性核素的衰变种类 1 15-3 5-3 放射性核素的衰变规律放射性核素的衰变规律 1 15-4 5-4 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 1 15-5 5-5 电离辐射防护电离辐射防护 1 15-6 5-6 放射性核素在医学上的应用放射性核素在医学上的应用14-1 原子核的基本性质原子核的基本性质 一、原子核的组成一、原子核的组成 1、中子、中子-质子模型质子模型 1886年年E.Goldstein首先发现质子。首先发现质子。1920年卢

2、瑟福预言原子核内存在一中性粒子年卢瑟福预言原子核内存在一中性粒子中子。中子。1930年年W.Bothe,H.Beerker用用射线轰击玻的射线轰击玻的实验中最实验中最早 发 现 一 种 中 性 的、穿 透 力 很 强 的 射 线，早 发 现 一 种 中 性 的、穿 透 力 很 强 的 射 线，1931 年年F.joliot,l.curie让该射线通过石蜡时打出了高速质子，让该射线通过石蜡时打出了高速质子，但当但当时都误认为该射线为时都误认为该射线为射线射线。1932年查德威克正式指出为中子射线。年查德威克正式指出为中子射线。1932年前苏联伊凡宁科、海森伯独立提出原子核组成年前苏联伊凡宁科、海

3、森伯独立提出原子核组成的中子的中子质子模型。质子模型。2、原子核的电荷：核带正电，带、原子核的电荷：核带正电，带e的正的正数倍电荷，用原子序数数倍电荷，用原子序数Z表示。表示。Z：天然天然Z：092 人工人工Z100 3、原子核的质量：原子的质量去掉核、原子核的质量：原子的质量去掉核外电子的质量。用原子质量单位表示。外电子的质量。用原子质量单位表示。碳原子质量的碳原子质量的12分之一定义为分之一定义为1个原子个原子质量单位质量单位 ，记，记1u kgu271066054.11标记原子核 用XAZXAA核的质量数，Z 核电荷数，X元素符号unup008665.11007277.11 ZAnpZn

4、pA,对于原子核有对于原子核有 Z、N和能量状态都相同的和能量状态都相同的原子核或原子核或原子的集合称原子的集合称为一种为一种核素，记核素，记 原子量原子量A不同，不同，Z相同核素称为相同核素称为同位素同位素 Z和和N相同而处于不同能量状态的核素称为相同而处于不同能量状态的核素称为同质异同质异能素能素 相同相同A，不同不同Z的核素称的核素称同量异位素同量异位素HH2111,mTcTc99439943,CaAr40204018,XAZ 3/10ARR 二、原子核的性质二、原子核的性质 1、核的大小：半径：、核的大小：半径：体积：体积：2、核密度：、核密度：31715030303103.2,A10

5、20.1343434mkgmRRuARMRMVM约为均匀分布，为成正比，密度为一常数核体积与ARV3034 二、原子核的性质二、原子核的性质3、核力：、核力：核力的主要特征：核力的主要特征：1)、短程力、短程力 10-15m范围内起作用范围内起作用 2)、饱和力、饱和力 只与紧邻核子相互作用只与紧邻核子相互作用 3)、强力、强力 4)、核力相互作用与核子的带电状态无关、核力相互作用与核子的带电状态无关4、核能级、核能级 原子核与原子一样具有分立的能级，在外界的干原子核与原子一样具有分立的能级，在外界的干 扰下扰下可发生能级跃迁可发生能级跃迁 三、原子核的稳定性三、原子核的稳定性质量亏损：核的质

6、量小于组成核的核子质量 xnpnpxmmZAZmmmZAZmm)()(结合能：结合能：2)(cmmZAZmExnp平均平均结合能：结合能：AE 三、原子核的稳定性三、原子核的稳定性对于结合能计算对于结合能计算 时：时：MeVJu494.9311049242.1110 平均结合能愈大，核子成核时放出的能量就愈多，核的结平均结合能愈大，核子成核时放出的能量就愈多，核的结合就愈紧密，原子核就愈稳定。分布情况如下：合就愈紧密，原子核就愈稳定。分布情况如下：轻核轻核 A120，较小较小 中等核中等核 平均结合能变化不大，但较大，约为平均结合能变化不大，但较大，约为8.6MeV 三、原子核的稳定性三、原子

7、核的稳定性 幻数：当中子数和质子数为幻数：当中子数和质子数为2、8、20、50、82、126，等数时最稳定。等数时最稳定。偶偶核偶偶核 奇偶核奇偶核 奇奇核奇奇核核的稳定性随中子数和质子数增加而表现出周期性变化核的稳定性随中子数和质子数增加而表现出周期性变化14-2 放射性核素的衰变种类放射性核素的衰变种类核素稳定核素(270种)放射性核素(2200种)天然放射性人工放射性 核的放射性是贝克勒尔在核的放射性是贝克勒尔在1896年首先发现的。偶然中发年首先发现的。偶然中发现铀盐使包好的底片感了光，并很快确认为一种来自核的新现铀盐使包好的底片感了光，并很快确认为一种来自核的新的射线，它可使气体电离

8、。的射线，它可使气体电离。1897年居里夫人选择放射性作为自已的博士论文，相继年居里夫人选择放射性作为自已的博士论文，相继发现钍也具有贯穿辐射，她相信既然不止一种元素能自发地发现钍也具有贯穿辐射，她相信既然不止一种元素能自发地放出辐射，这又是一种原子现象，具有普通性，为此首次提放出辐射，这又是一种原子现象，具有普通性，为此首次提 出了出了“放射性放射性”一词。并在一词。并在1898年发现镭和钋年发现镭和钋。目前已知元素目前已知元素109种，核素有种，核素有2500多种，多种，90%为放射性核素。为放射性核素。衰变衰变衰变原子核衰变：原子核衰变：不稳定的放射性核素自发放出不稳定的放射性核素自发放

9、出 射线变为另一种核素的过程射线变为另一种核素的过程称称 为原子核衰变为原子核衰变 。核衰变过程中遵守电荷、质量、能量、动核衰变过程中遵守电荷、质量、能量、动 量、核子数守恒定律。量、核子数守恒定律。放射性：放射性：原子核放出射线的特性原子核放出射线的特性，称原子，称原子 核的放射性。核的放射性。类型：有三种；类型：有三种；衰变，衰变，衰变，衰变，衰变衰变 一、一、衰变衰变 核衰变时放出核衰变时放出 射线，重核衰变为轻的射线，重核衰变为轻的核的过程。核的过程。核衰变方程核衰变方程QYXazAZ4242母核子核He核衰变能衰变能衰变能2)(cmmmQyx 衰变放出的衰变能主要反映在衰变放出的衰变

10、能主要反映在 粒子的动能，子核粒子的动能，子核动能较小。核衰变后，子核一般处于基态，也可处激发态。动能较小。核衰变后，子核一般处于基态，也可处激发态。粒子的能谱特点：为分立的能谱。粒子的能谱特点：为分立的能谱。核衰变方程核衰变方程QRnRa422228622688的衰变图Ra22688Ra22686Rn22284%)0065.0(3.0,3MeV%)4.5(598.4,2MeV%)6.94(784.4,1MeV123mRn22284mRn2228412186.0 二、二、衰变衰变 核衰变时放出核衰变时放出 射线的过程。电子流射线的过程。电子流核衰变方程核衰变方程QvYXQvYXQvYXAzAZ

11、AzAZAzAZ111衰变能衰变能2)(cmmmQeyx 衰变放出的衰变能主要反映在电子的动能和中微子的衰变放出的衰变能主要反映在电子的动能和中微子的动能上。核衰变后，子核一般处于基态，也可处激发态。动能上。核衰变后，子核一般处于基态，也可处激发态。粒子的能谱特点：为连续能谱。粒子的能谱特点：为连续能谱。-衰变 QvMnFeQvCNQvSP5525552613613732163215+衰变 K俘获 电子俘获时会伴随标识电子俘获时会伴随标识X X射线或射线或俄歇电子产生。俄歇电子产生。当高能级的电子跃迁到低能级当高能级的电子跃迁到低能级时，其多余的能量直接转移给同一时，其多余的能量直接转移给同一

12、能级的另一电子，而不辐射能级的另一电子，而不辐射X X射线，射线，使该电子电离，这种电子称为使该电子电离，这种电子称为俄歇俄歇电子电子 粒子数粒子动能粒子能谱图 三、三、衰变和内转换衰变和内转换 核衰变时放出核衰变时放出 射线的过程。射线的过程。、衰变后的子核大部分处于激衰变后的子核大部分处于激发态，并以发态，并以 射线的形式释放能射线的形式释放能量，跃迁到较低的能量状态或基量，跃迁到较低的能量状态或基态，这种跃迁称为态，这种跃迁称为 衰变。衰变。射线为光子流射线为光子流Co6027Ni602812MeV17.1MeV33.1MeV31.0mNi6028mNi6028衰变图的Co6027)()

13、66(9942钼hMo)(9943锝Tc129205.01811.0%)17(43.0MeV的衰变图Mo9942%)3.1(84.0MeV%)81(214.1MeV5091.01426.01405.00 内转换内转换:处于处于激发态的原子核有时以激发态的原子核有时以另一方式释放能量。即跃迁到基另一方式释放能量。即跃迁到基态时并不发射态时并不发射 射线，而是把全射线，而是把全部能量交给核外电子，使核外电部能量交给核外电子，使核外电子电离，这一过程称为内转换。子电离，这一过程称为内转换。内转换过程会伴随标识内转换过程会伴随标识X射射线产生。线产生。14-3 放射性核素的衰变规律放射性核素的衰变规律

14、一、衰变规律一、衰变规律 原子核发生核衰变时，每一个原子核发生核衰变时，每一个核并不是同时发生衰变，而且无核并不是同时发生衰变，而且无法预知。但对大数核组成的放射法预知。但对大数核组成的放射性物质中，其衰变服从确定的统性物质中，其衰变服从确定的统计规律。计规律。tteNNdtNdNdtNdNNdtdNdNdtt00NN0 ,-,-NN0,tN,0则有时间内衰变掉的核数为时刻的核数为设：称衰变常数：反映核衰变的快慢情况。由核素的性质决定。称衰变常数：反映核衰变的快慢情况。由核素的性质决定。21 693.02ln ,2ln 2 ,/2NNT t,N002/12/12/10001/202/1NNnT

15、TTeNNtnT的核数为个半衰期的时间，剩余对于经历称为半衰期则有时刻的核数为时刻的核数为设：二、半衰期二、半衰期 称有效衰变常数称有效半衰期，变常数可写为反映衰变快慢情况的衰比。核数与当时存在核数之间内从体内排出的原子表示单位时放射性核素的排出率，的因素，为此引入排出体外面还须考虑生物代谢而按前述规律衰减另一方的数量一方面体后，原子核当放射性核素引入动物eebbebebebTTTTTTTTT,111 ,2/12/12/1有效半衰期有效半衰期 1.44T 11 N,t-,-tN,1/2000000000dtteNNdtteNNdtttdNdNdNdNdttttN平均寿命为总寿命为的初始时核数个

16、核的寿命为则时间内衰变掉的核数为时刻的核数为设：三、平均寿命三、平均寿命 AdtdNdNdtt为该放射性核的活度，记，定义为数单位时间内衰变掉的核则时间内衰变掉的核数为时刻的核数为设：-,-tN,四、放射性活度四、放射性活度 teNNdtdNA0-四、放射性活度四、放射性活度，则时当00,0NAAt )1Ci(/111BqI居里秒次衰变活度单位：数规律衰减。与核数成正比。服从指活度teANA0 Bq103.71Ci10四、放射性活度四、放射性活度 tteAAeNNdtdNA00-2/1)21(0TtAA 用半衰期表示：五、放射性平衡五、放射性平衡 第一代子核母核第二代子核N1dN2dN1保持不

17、变平衡时：NdNdN21)27.5(?,56040Ci-C160yCBqoO的半衰期为已知为多少年？其平均寿命度还剩相当于多少年后，钴源活，使用活度为刀初装时的总：设一台例BqeeAABqCiAytTt1227.55693.0693.0014010116224A ,1024.26040,5 2/1得据：解：因为：为多少年？其平均寿命度还剩相当于多少年后，钴源活，使用活度为刀初装时的总：设一台例?,56040Ci-C160BqoyTyTo59.727.544.144.1 ,27.5C2/12/160的半衰期解：因为体血液的体积。小时，求人的半衰期为已知，为血液，测得放射性活度小时后从人体中取出，

18、经的液中含有放射性活度为的溶液输入血液，此溶：把例15N1615N120000B 1224112411BqmlqmlmlVeeAABqmlBqmlTt5953,V112000016,1615 V11200001 V155693.0693.002/1得有据的血中活度为小时后的血中的活度为刚注入时解：设人血的体积为14-4 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线可分成三类射线可分成三类带电粒子带电粒子：粒子、粒子、粒子粒子中性粒子：中性粒子：中子中子光子类：光子类：光子光子作用方式：作用方式：1：电离和激发：电离和激发 2：轫致辐射：轫致辐射 3：弹性：弹性散射散射 电离电离：、带电粒子通过

19、物质时，由于静带电粒子通过物质时，由于静电力的作用，使原子、分子中的电子获得能量，电力的作用，使原子、分子中的电子获得能量，产生自由电子和正离子，生成离子对，这一过产生自由电子和正离子，生成离子对，这一过程称电离。程称电离。电离本领的大小，常用电离本领的大小，常用电离比值电离比值来表示，来表示，定义为单位厘米路径上产生的离子对数。定义为单位厘米路径上产生的离子对数。一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用电离比值电离比值：它与带电粒子的速度、电量、和：它与带电粒子的速度、电量、和物质的密度有关。物质的密度有关。1、速度大，作用时间短，电离比值小、速度大，作用时间短，电离比值小反

20、之，则大。反之，则大。2、电量大，它与原子壳层上电子的作、电量大，它与原子壳层上电子的作用就强，电离比值就大。反之，则小。用就强，电离比值就大。反之，则小。3、物质密度大，单位体积内的电子数、物质密度大，单位体积内的电子数目多，带电粒子作用机会多，因而电离比值目多，带电粒子作用机会多，因而电离比值大，反之则小。大，反之则小。相同能量的带电粒子，相同能量的带电粒子，粒子的电离作粒子的电离作用大，而用大，而 粒子的电离作用就小。粒子的电离作用就小。一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用 激发：激发：如果电子获得的能量不足以使它如果电子获得的能量不足以使它脱离原子，而只能使它从低能

21、级跃迁到高能脱离原子，而只能使它从低能级跃迁到高能级，这一过程称为激发。级，这一过程称为激发。退激时以光的形式向外辐射能量或转化退激时以光的形式向外辐射能量或转化为热能。为热能。散射：散射：当带电粒子通过物质时，因受核当带电粒子通过物质时，因受核静电场的作用而改变方向，这一过程称为散静电场的作用而改变方向，这一过程称为散射。射。散射前后能量不变，称弹性散射。散射前后能量不变，称弹性散射。散射前后能量改变，称非弹性散射。散射前后能量改变，称非弹性散射。粒子的散射作用要比粒子的散射作用要比 粒子散射作用强粒子散射作用强一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用 轫致辐射：轫致辐射：高

22、速运动的带电粒子通过物高速运动的带电粒子通过物质时，会受到原子核的作用，速度急剧减小，质时，会受到原子核的作用，速度急剧减小，带电粒子的部分动能以光的形式向外辐射，带电粒子的部分动能以光的形式向外辐射，这种辐射称为轫致辐射。由轫致辐射带电粒这种辐射称为轫致辐射。由轫致辐射带电粒子所损失的能量称为子所损失的能量称为辐射损失辐射损失。1、辐射损失与带电粒子的质量的平方、辐射损失与带电粒子的质量的平方成反比；成反比；粒子的辐射损失较粒子的辐射损失较 粒子显著。粒子显著。2、辐射损失随带电粒子能量的增加而、辐射损失随带电粒子能量的增加而增大；增大；3、辐射损失与带电粒子所经过的物质、辐射损失与带电粒子

23、所经过的物质的原子序数的平方的原子序数的平方 成正比。成正比。一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用防护防护射线：宜用原子序数小的物质材料射线：宜用原子序数小的物质材料 有机玻璃、塑料、铝等有机玻璃、塑料、铝等 与电离作用相比，带电粒子由于散射和轫致与电离作用相比，带电粒子由于散射和轫致辐射所损失的能量要小得多。辐射所损失的能量要小得多。射程和吸收：射程和吸收：射程：射程：粒子在物质中通过的最大距离粒子在物质中通过的最大距离 带电粒子通过物质时，经上述作用方式，其带电粒子通过物质时，经上述作用方式，其能量随物质厚度增加而减弱，以致完全丧失能能量随物质厚度增加而减弱，以致完全丧

24、失能量量一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用 粒子最终吸收两个电子变为氦原子粒子最终吸收两个电子变为氦原子-粒子变为自由电子粒子变为自由电子+粒子同自由电粒子同自由电子结合而转变成两个光子子结合而转变成两个光子 带电粒子的能量损失与粒子能量和吸收体的性带电粒子的能量损失与粒子能量和吸收体的性质有关。质有关。射程能比较直观地反映带电粒子的贯穿本领。射程能比较直观地反映带电粒子的贯穿本领。粒子电离比值大，能量损失快，射程短；粒子电离比值大，能量损失快，射程短；粒子电离比值小，射程比较长，穿透本领强。粒子电离比值小，射程比较长，穿透本领强。一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子

25、与物质的相互作用作用方式有三种：作用方式有三种：1、光电效应、光电效应 2、康普顿效应、康普顿效应 3、电子对效应、电子对效应二、光子与物质的相互作用二、光子与物质的相互作用对占优势电子生成占优势光电效应应占优势康普顿效吸收物质的Z光子能量(MeV)作用方式有两种：作用方式有两种：1、核的散射、核的散射 中子不带电，直接的电离作用小，中子不带电，直接的电离作用小，但间接但间接电离作用较大，电离作用较大，在物质中能穿行很长距离。在物质中能穿行很长距离。与核发生碰撞而散射，通过碰撞损失动能。与核发生碰撞而散射，通过碰撞损失动能。防护材料：水、石蜡等减速材料防护材料：水、石蜡等减速材料 2、核反应：

26、中子容易进入原子核，发生核、核反应：中子容易进入原子核，发生核反应。反应。三、中子与物质的相互作用三、中子与物质的相互作用三、中子与物质的相互作用三、中子与物质的相互作用),(),(N),(),(14141441124232423121211nCpnNpCnNanNaNaNanHnHHHn粒子，中子留在核内发射电荷交换反应中子俘获反应机体的危害很大织的损伤，所以中子对组织电离，造成生物组有电离作用可导致生物中子与核反应的产物都一、放射治疗一、放射治疗 1、钴、钴-60治疗治疗 2、光刀光刀 3、碘、碘-13114-6 放射性核素在放射性核素在 医学上的应用医学上的应用二、示踪诊断二、示踪诊断

27、要研究某一元素在机体内的分布情况，可在该要研究某一元素在机体内的分布情况，可在该元素中掺入少量该元素的放射性核素，这些放射性元素中掺入少量该元素的放射性核素，这些放射性元素在体内参与各种代谢过程，然后借助它们放出元素在体内参与各种代谢过程，然后借助它们放出的射线，在体外探查该元素的行踪的射线，在体外探查该元素的行踪-称称示踪原子法示踪原子法 体外标本测量：体外标本测量：B12的测量间接了解胃肠道对它的测量间接了解胃肠道对它的吸收情况。的吸收情况。放射自显影：用胶片来探测和记录放射性的方放射自显影：用胶片来探测和记录放射性的方法，追踪标记药物或代谢物的去向。法，追踪标记药物或代谢物的去向。核素成像：核素成像：核素成像技术：核素成像技术：1、照相机照相机 2、单光子发射型计算机、单光子发射型计算机(SPECT)3、正电子发射型计算机、正电子发射型计算机(PET)三、磁共振成像三、磁共振成像(MRI)