核物理基础知识教案

教案
授课内容:核物理基础知识
授课对象:医学检验专业，本科学生
使用教材:《检验核医学》第2版孟庆勇黄定德主编
授课时间：2学时
主讲教师：管超楠
一、教学背景
核物理基础知识是学习检验核医学专业的物理基础，本专业涉及到的核物理基础仅仅局限于对原子结构，质子、中子和电子层面的理解，不涉及更深层次理论物理。

二、教学目标与要求
✧知识目标
掌握：核素和同位素概念；α衰变，β衰变，γ衰变三种衰变类型；带电粒子与物质的相互作用；γ射线对物质的作用
熟悉：α射线，β射线，γ射线的特点；轫致辐射的概念；光电效应意义；康普顿效应特点
✧能力目标
掌握核物理基础知识，在接下来的学习中应用理解。

✧情感目标
在学习基础知识的过程中，培养学生对核物理的兴趣，建立学生对学习本门课程的信心。

三、重点与难点
✧重点
放射性衰变三种类型各自的特点意义；带电粒子与物质相互作用的主要效应机制；γ射线与物质相互作用的机制；
✧难点
轫致辐射的理解，辐射防护的意义
四、教学方法和手段
✧教学方法
启发式教学、象形式教学、对比教学等
✧教学手段
课堂讲授、多媒体教学
五、教学内容
（一）课程导入：通过从核能的开发利用和战争的威慑带入学生的兴趣进入到核物理基础中。

通过介绍两位物理人物的背景提高学生学习信心。

（二）课程纲要：
1.核素的分类
2.放射性核素的三种衰变类型
3.三种放射性衰变射线的特点
4.不同放射性核素衰变射线对物质的作用效应
（三）课程内容
1，安东尼·亨利·贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel)生平简史。

1896年3月，贝克勒尔发现，与双氧铀硫酸钾盐放在一起但包在黑纸中的
感光底板被感光了。

他推测这可能是因为铀盐发出了某种未知的辐射。

同年5月，他又发现纯铀金属板也能产生这种辐射，从而确认了天然放射性的发现。

2，通过安东尼·亨利·贝克勒尔的生平介绍，导出放射性活度单位贝克勒尔的概念
名称：贝克[勒耳]
符号：Bq
量的名称：放射性活度单位SI
表示：1 Bq = 每秒1次放射性衰变
3，玛丽亚·斯克沃多夫斯卡·居里（Marie Skłodowska Curie）生平简史。

1898年7月，居里夫妇向科学院提出《论沥青铀矿中一种放射性新物质》，发现元素84号，以她的祖国波兰的名字命名新元素为钋（polonium）。

1898年12月，居里夫妇和同事贝蒙特向科学院提出《论沥青铀矿中含有一种放射性很强的新物质》，发现新元素88号，命名为镭（Radium）。

1902年，经过三年又九个月的提炼，居里夫妇从数吨残渣中分离出微量（一
，测得镭原子量为225。

分克）氯化镭RaCl
2
1934年7月4日，以恶性贫血症（由镭引起）逝世于疗养院。

4，通过玛丽亚·斯克沃多夫斯卡·居里的生平介绍，导出放射性活度单位居里的概念
名称：居里
符号：Ci
量的名称：放射性活度单位SI
表示：1 Ci = 1克镭衰变成氡的放射强度。

1Ci=3.7×1010Bq
5，列举历史上曾出现过的原子模型，说明原子的结构组成，讲解原子核的结构组成，带电性和能量状态以及原子核的表示符号。

核子——是质子（proton，p）、反质子、中子（neutron，n）与反中子的总称。

它由夸克和胶子组成，属于重子。

原子质量单位（atomic mass unit，amu）—1amu 相当于12C原子质量1/12。

1amu=1质量数，＜1amu质量数规定为0。

核子——是质子（proton，p）、反质子、中子（neutron，n）与反中子的总称。

它由夸克和胶子组成，属于重子。

原子质量单位（atomic mass unit，amu）—1amu 相当于12C原子质量1/12。

1amu=1质量数，＜1amu质量数规定为0。

原子核能量状态
原子核能量状态分为基本能量状态（基态）和高能状态（激发态），用m
表示激发态。

激发态原子，指的是基态原子的电子吸收能量后，电子会跃迁到较高能级，变成激发态原子。

原子核的符号
A Z X 和Am
Z
X分别描述基态和激发态元素。

A表示质量数A=p+n, ，X代表元素序号。

99m
43
Tc处于激发态锝-99。

6，在元素周期表上说明元素和核素的概念及区别。

原子核内质子数Z相等的一类核，称为元素（element）。

元素周期第118号元素是Uuo,是1999年用氪-86轰击铅-208得到的核素。

但是发现的核素却有3000多种。

元素相当于是盒子,同一个盒子里有好几种核素。

比如氢元素就包括3种核素：氕、氘、氚。

同质异能素
原子核质子数，中子数相等，但所处能态不一样的核素，互称为同质异能素（isomer）。

同位素
原子核内质子数相同、中子数不同、或能量状态不一样的核素，互称为同位素（isotope）。

质子数相同，Z相同，元素周期
表中属于同一位置。

7，对于三种不同的概念，通过对比记忆加深理解
子数相同，中子数相同，能量状态相同——核素
质子数相同，中子数相同，能量状态不同——同质异能素
质子数相同，中子数不同，或能量状态不同——同位素（同种元素）
8，介绍放射性核素与稳定核素的概念，了解稳定核素是相对稳定的定义。

放射性核素(radioactive nuclide):自主发生核结构或能量状态改变，生成另一种核素，释放某种粒子的核素。

稳定性核素（stable nuclide）：不具有自主发生核衰变或者发生几率极小的核素。

也称作，非放射性核素。

9，课堂提问，什么是稳定，怎么算稳定？引出半衰期的意义。

稳定是相对的，是一种极不明显的变化。

质变化减少一半的时间——半衰期
放射性核素半衰期t1/2：放射性原子核数因衰变而减少一半所经历的时间。

10，放射性核素（α、β、γ）三种衰变类型
α衰变-释放α粒子的衰变
通式：A
Z X ——A-4
Z-2
Y + 4
2
He + Q
母核子核α粒子聚变能主要发生在序数大于82的核素。

226
88Ra——222
86
Rn + α + Q（4.937MeV）
镭氡
β-衰变——释放β-粒子的衰变
通式：A
Z X ——A
Z+1
Y + 0-1e + Q + v-
母核子核β粒子聚变能反中微子例如：
32 15P ——32
16
S +β- + v- + Q（1.71MeV）
β+衰变——释放β+粒子的衰变。

原子核释放一个单位正电荷、质量为0的轻粒子的过程，称为β+衰变。

这种粒子本质是正电子，也成β+粒子。

通式：A
Z X ——A
Z-1
Y + 0+1e + v + Q
母核子核β粒中微子聚变能
例如：18
9F ——18
8
O + β+ + v + Q（0.66MeV）
γ衰变——经过α或β衰变生成的子核一般处于激发态，并很快退激（一步或多步）到基态，多余的能量以γ光子形式释放，这种衰变形式称为γ衰变（γ decay）。

在γ衰变过程中，子核的Z和A均不变，所以称为同质异能跃迁，简称γ跃迁（γ transition）。

衰变通式：Am
Z X——A
Z
X + hv（光子γ）
11，α、β、γ三种射线的本质
α射线
质量数A=4，质量为4.002775amu，电量为2e+，高速运动粒子流。

实质是氦原子核。

质量大，穿透能力弱，可被一张纸有效阻挡，带电量大，电离能力强。

β射线
高速运动电子流e-，可穿透几毫米铝板。

电子流，穿透能力适中，电离能力较强，在空气中通过大气介质的削弱阻挡，有效射程3-5米
γ射线
波长短于0.2埃的电磁波。

γ射线具有比 X射线还要强的穿透能力。

本质是电磁波，不带电量，没有电离能力。

穿透能力最强，是辐射防护的主要防护射线。

12，补充内容，介绍γ射线和X射线的区别。

X射线是波长介于紫外线和γ射线之间的电磁波。

其波长很短约介于
0.01-100埃之间。

又称伦琴射线。

本质区别是发生位置不同，γ射线是由原子核退激发释放，X射线是由核外电子退激发释放。

13，α、β、γ三种射线的特点
1)均来自与原子核
2)具有极快速度，其中γ最快，β次之，α最慢
3)能够使介质电离，其电离本领以α最强，β次之，γ最弱
4)有穿透能力，其中γ最强，β次之，α最弱
5)三种射线均能产生荧光，使照片底片感光是其应用之一
6)不断释放辐射能量，使周围介质吸收后升温
7)引起被作用物质化学和生物学等变化
14，衰变常数和衰变公式
每个原子核的衰变都是独立的随机事件，杂乱无章，毫无规律。

但是，多个原子核组成的放射性物质的衰变，却是有规律的。

实验证明：在一定的时间间隔内∆t，衰变的原子核数目∆N与总核数N和∆t的乘积成正比。

∆N / ( ∆t × N )= - λ
λ是比例常数（decay constant）-表示衰变是减少的，所以∆N是负值当时间间隔极其微小，用dt表示，可改写成微分式：
dN / N = - λdt；lnN = - λt + lnN0
衰变常数λ的物理意义，单位时间内原子核的衰变几率。

每一种就放射性核素具有其固定的衰变常数。

15，半衰期
T1/2的物理意义：放射性原子核数量因衰变减少一半所用的时间。

义同衰变常数λ，只不过用来描述核素衰变速率更加方便，易懂，用符号T1/2表示。

λ = 0.693 / T1/2
16，补充内容，了解物理半衰期、生物半衰期，有效半衰期
因为自己衰变造成的核素减少是单纯的物理因素，叫做物理半衰期；因为生物代谢排除造成的核素减少有生物代谢因素，叫做生物半衰期；因为各种原因造成的实际核素物质减少，叫做有效半衰期
17，放射量
放射性活度（radioactivity）——单位时间内放射性原子核衰变的核数。

常用符号A表示。

放射性比活度（specific activity）——单位化学质量的放射性物质所具有的放射性活度。

常用符号S表示。

放射性浓度（radioactive concentration）——单位体积的放射性物质所具有的放射性活度。

常用符号C表示。

18，在概念理解上，给学生引申音乐举例。

频率，节奏——放射性活度
音调，强度——射线能量
19，放射量校正
核衰变导致放射性核素的放射量随着时间流逝而逐渐减少。

因此，使用核素标记物或单质时，其放射量已经不是产品出厂时说明书上的数值，尤其是半衰期较短的核素。

所以，放射性物质使用时必须进行校正。

举例 I131的计算系数：第一天 0.917；第二天 0.841
第三天 0.771；第四天 0.707
第五天 0.648；第六天 0.595
第七天 0.545；第八天 0.500
20，带电粒子与物质的相互作用
α、β-、β+均为带电粒子，当它们进入物质后，粒子间的库伦电场相互作用，发生能量传递转移。

（一）激发（excitation）——带电粒子和核外电子作用，电子跃迁至高能
状态，受照射原子转变为激发态。

（二）电离(ionization)——带电粒子和核外电子作用，电子获得足够动能，脱离轨道，成自由电子。

受照射原子成为离子状态。

（三）散射(scattering)——带电粒子和原子核库伦电场作用，改变运动方向。

（四）轫致辐射(bremsstrahlung radiation)——高能β粒子入射物质原子核附近时，受到原子核库仑力作用而急剧减速，将部分货全部动能转化为电磁辐射。

又叫制动辐射、刹车辐射，符号Srad
Srad ∝ Z2E / m2
Z为物质原子序数，E为带电粒子能量，m为带电粒子质量。

①带电粒子能量越大，轫致辐射几率越大。

②高能β粒子入射高Z物质产生轫致辐射几率越大。

③β粒子质量极少，产生轫致辐射几率很大。

32P＞14C＞3H
（五）切伦科夫辐射（Cerenkov radiation）——高能β粒子入射折射率较大的透明介质时，若其在该介质重的速度V＞C/n（C光速，n折射率），则在β粒子经过的径迹上，将沿一定方向发射出近紫外线波长的微弱可见光。

——液体闪烁计数器，测量高能β射线
（六）湮没辐射（annihilation radiation）——β+粒子与物质相互作用而能量耗尽时，将于物质中的自由电子结合，正，负电荷抵消，转化为两个方向相反，能量同为0.511MeV的γ光子。

也成光化辐射。

——PET/CT （七）吸收(absorption)——带电粒子在物质运行中所产生的激发、电离、散射等效应，使其能量消耗直至全部消失，带电粒子不复存在。

21，γ射线与物质的相互作用
γ射线不带电荷，与物质核外电子直接接触或物质原子核的核力场作用。

主要发生以下三种效应。

①光电效应（photoeletric effect）——γ射线入射物质与其核外电子碰撞时，将全部能量传递给该电子，获得能量的电子摆脱束缚，变为自由电子，称为光电子，γ射线失去全部能量消失。

低能γ（＜1MeV）入射高能Z物质时，光电效应发生几率最大。

所以，用高Z物质（铅、铁、钡）进行辐射防护，能有效的抵挡低能γ射线。

②康普顿效应（Compton effect）——当能量较高的γ射线入射物质，与物质的核外电子发生非弹性碰撞，将一部分能量传递给电子，使其摆脱束缚称为自由电子（康普顿电子），而γ线仍有剩余能量维持在物质内改变入射方向的运动。

γ射线的能量在0.5-5MeV时，发生康普顿效应的几率较大。

③电子对效应（electron pair effect）——当γ射线能量＞1.022MeV，入射物质后，受到该物质原子核核力场作用，转化为一对正负电子，而γ射线消失，多余能量作为电子对动能。

也成电子对生成。

电子对效应产生的正负电子，在能量消耗殆尽时，正电子会立即和自由电子结合，释放能量相等，方向相反的一对光子。

（正电子泯灭辐射）
④γ射线的吸收（γ ray absorption）——由于γ射线与物质的相互作用产生光电效应、康普顿效应、电子对效应而导致γ射线能量减弱的现象。

22，对比记忆，罗列三种效应的特点对比
γ射线与物质 光电效应 康普顿效应 电子对生成 γ射线能量 低能＜0.06MeV 中能0.2-2.0MeV 高能＞2.0MeV 作用物质原子序数 高 低 高
物质的密度 高 高 高
作用发生部位 内电子层轨道 外电子层轨道 核附近
效应产生结果 一个光子 一个反冲电子 一个负电子 电子空位填补而发射X 线 一个散射光子 一个正电子进而湮灭
出两个次级光子
（四）重点内容.
①放射性核素（α、β、γ）三种衰变类型
②α、β、γ三种射线的本质
③放射量
放射性活度（radioactivity ）常用符号A 表示。

放射性比活度（specific activity ）常用符号S 表示。

放射性浓度（radioactive concentration ）常用符号C 表示。

④带电粒子与物质的相互作用
轫致辐射(bremsstrahlung radiation)——高能β粒子入射物质原子核附近时，受到原子核库仑力作用而急剧减速，将部分货全部动能转化为电磁辐射。

又叫制动辐射、刹车辐射，符号Srad
⑤γ射线与物质的相互作用
光电效应（photoeletric effect ）
康普顿效应（Compton effect ）
电子对效应（electron pair effect ）
⑥光电效应、康普顿效应、电子对效应三种效应的特点对比
五、教学设计
【板书设计】
1. 原子核结构模型（画图）
2. 三种衰变类型的衰变通式
A Z X ——A-4
Z-2
Y + 4
2
He + Q
A Z X ——A
Z+1
Y + 0-1e + Q + v-
A Z X ——A
Z-1
Y + 0+1e + Q + v
Am Z X——A
Z
X + hv （光子γ）
3.三种衰变射线的特点（画图）
4.衰变常数和半衰期关系推导公式
dN / N = - λdt；lnN = - λt + lnN0
八、教学反思
教学过程中采用讲授教学、案例教学、互动式教学等多种教学
方法相结合，通过合理组织教学内容，引导学生理解和思考。

教学过程结合骨显像正常和异常图像，使学生对知识的理解更清晰明了。

如果适当地再增加一些病例分析，授课的效果可能会更好。

九、参考文献
张永学，黄钢主编《核医学》人民卫生出版社
孟庆勇，黄定德主编《检验核医学》人民卫生出版社
王铁主编《核医学物理师》人民卫生出版社。