北京卫生职业学院 核医学 第一章 核物理知识基础

β +衰变发生在中子较少的原子核。 衰变时放出一个β
＋粒子（正电子）和
反中微子。核内一个质子转变为中子。 因而子核比母核质子数减少1，原子质
量数不变。 β +衰变发生于缺中子核
素，但核内转变能量必须大于1.02MeV。
正电子衰变
• 由于核内中子缺乏致使放射出正电子的衰 变，称为正电子衰变，也叫β+衰变。 • 衰变时发射一个正电子和一个中微子 （υ），原子核中一个质子转变为中子。
三、γ 衰变
• 原子核从激发态（excited state）回复到
基态（ground state）时，以发射γ 光子
释放过剩的能量，这一过程称为γ 衰变。
• 这种激发态的原子核常是在α 衰变、β 衰 变或核反应之后形成的。γ 射线的本质是 中性的光子流。
第三节 核衰变规律
指数衰减规律 N = N 0 e - t N0: （t = 0）时放射性原子 核的数目 N: 经过t时间后未发生衰变的放射性原 子核数目 :放射性原子核衰变常数
• 吉贝可（kBq）=109Bq
单位换算
1Ci= 3.7×1010 Bq = 37GBq=1000mCi
1mCi= 3.7×107 Bq = 37MBq=1000uCi 1uCi= 3.7×104 Bq = 37kBq
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。
第二节
放射性衰变
• 放射性衰变：放射性核素由于核内结构或
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核素的过程。
一、α衰变（αdecay）
α衰变是放出α粒子的放射性衰变。
α粒子是由两个质子和两个中子组成，
实际是氦核42He；α衰变发生于重元素，
其原子序数＞82。
• 因而α衰变时，母核放出α粒子后，质量数 减少4，原子序数减少2。
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
• γ射线和X射线及轫致辐射等属于电磁 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
光子被原子内层电子吸收（ 1 ），全部能量被电子吸收 使之成为自由的光电子（ 2 ），其位置由外层电子填补 （3），同时发射出特征X射线（4）或俄歇电子（5）。
• （三）电子俘获 • 电子俘获：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。 • 发生在缺中子的原子核，与正电子衰变时 核结构的改变相似。 • 电子俘获也发生在缺中子核素，但核内转 变能量小于 1.02MeVc 。从核外内层的电子 轨道上俘获一个电子，使一个质子转化为 中子。
第一章
核医学物理基础知识
第一节 原子核结构
原
核医学
子
放射性核衰变 射线与物质的相互作用
物理基础
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。
原子核 中子
+ ++
质子 电子
原子结构
原子核结构:
X为元素符号 Z为质子数 N为中子数 A为质量数
二、β 衰变
（一）β -衰变（β -decay）
β -衰变发生在中子过剩的原子核。
衰变时放出一个β -粒子（电子）和反
中微子。（核内一个中子转变为质子）
• 发生于富中字核素，实质上是原子核的一
个中子转化为质子；因而子核比母核中子
数减少1，原子序数增加1，原子质量数不
变。
（二）β +衰变（β +decay）
转变成两个方向相反、能量皆为511 keV的
γ光子。 PET显像原理。
• 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。 • 常用药物：18F-FDG（氟代脱氧葡萄糖） • 因为18FDG可准确反映体内器官/组织的葡 萄糖代谢水平，因此被誉为“世纪分子” ，是目前PET-CT显像的主要显像剂。
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）原子核 从稳定状态成激发状态，同时 发射特征X射线（4）或俄歇电 子释放出多余能量。
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，能量无损失。
韧致辐射
稳定核素与放射性核素
• 原子核稳定，不会自发衰变的核素称为稳定核素 (stable nuclide); • 原子核处于不稳定状态，需通过核内结构或能级 调整才能趋于稳定的核素称为放射性核素 (radionuclide); • 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(radiation decay)。
康普顿效应
光子将部分能量传递给核外电子，使之成为康普顿电 子发射出来，而光子能量减少，改变方向运行。
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，其能量转变为电子对的动能。
Байду номын сангаас
思考题
• 何谓同位素、同质异能素、核素？ • 带电粒子、γ射线与物质的哪些作用是放射 线探测和放射性核素治疗的基础？哪种效 应对单光子显像有不利作用？ • 何谓放射性强度、放射性比活度、放射性 浓度？
N = N 0 e - t
大小只与原子核本身性质有关，与外 界条件无关; 数值越大衰变越快 半衰期(half-live)：放射性原子核数从 N0衰变到N0的1/2所需的时间
重要概念
•放射性核素的另一个特征性的物 理量半衰期，T1/2（half-life）， 表示原子数从N0衰变到N0的一半 所要的时间。
• 高速带电粒子通过核电磁场使受到突然阻滞，运 动方向和速度都发生变化，能量减低，多余的能 量以X射线的形式辐射出来，称为bremsstrahlung。 • 致辐射的强度和β粒子的反向散射的几率随屏蔽 物质的原子序数增大而增大，随β粒子的能量增 加而增加。 • β射线的屏蔽要用原子序数低的材料，如铝、塑 料、有机玻璃等。α射线由于自身质量数大、运 行速度慢，较少产生韧致辐射。
• 放射性活度减少至一半所需要的时 间称作物理半衰期（T1/2）。
• 生物半排期 Tb是指生物体内的放射性核 素经由各种途径从体内排出一半所需要 的时间。
• 有效半衰期 Teff 是指生物体内的放射性 核素由于从体内排出和物理衰变两个因 素作用，减少至原有放射性活度一半所 需的时间。
T1/ 2 Tb Te T1/ 2 Tb
同位素——凡同一元素的不同核素（质子数同，中
子数不同）在周期表上处于相同位置，互称为该元 素的同位素。
4
元素、核素、同位素
元素——具有相同质子数的原子，化学性质相 同，但其中子数可以不同，如131I和127I； 核素——质子数相同，中子数也相同，且具有 相同能量状态的原子，称为一种核素。同一元 素可有多种核素，如131I、127I、3H、99mTc、99Tc 分别为3种元素的5种核素； 同质异能素——质子数和中子数都相同，但处 于不同的核能状态原子，如99mTc、99Tc 。
电子俘获衰变图 原子核俘获一个内层电子（1）外层电子向内层补充 （2）两层轨道之间能量差转换成特征X射线（3）或 俄歇电子释放（4）。
内转换电子过程 电子俘获后，仍处于激发态的原子核把能量转给一个核 外电子（ 1 ），这个电子被逐出原子成为内转换换电子 （2），外层电子填补空穴，原子核回复到基态（3）， 能量由特征X射线（4）或俄歇电子携走（5）
射线与物质的相互作用
• 射线的运动空间充满介质，射线就会与物 质发生相互作用，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。
带电粒子与物质的作用
电离作用（ionization）
入射粒子（α、β） 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。
原子核结构
同位素、同质异能素、核素
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125I、131I、132I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的 化学和生物性质几乎都一样，但物理性质 可能有所不同。
• 一个质子俘获一个核外轨道电子转变成一
个中子和放出一个中微子，子核的原子序 数比母核减少一个单位，在元素周期表向 左移一个位置，质量数不变。
• 电子俘获发生后可发生次级辐射： 1、当内层电子被俘入核内，外层轨道电 子则补缺，两电子轨道之间的能量差转换 成特征X线释放出来； 2、该能量差或传给更外层电子使之脱离 轨道而释放，这种电子被称为俄歇电子。
第四节 放射性活度
放射性活度（radioactivity）是表示
单位时间内发生衰变的原子核数。
放射性活度的旧制单位是居里
（curie），1居里表示每秒3.7×1010次 核衰变。
新的国际制单位是贝可（Bq）。1Bq
定义为每秒一次衰变。
常用派生单位
• 千贝可（kBq）=103Bq • 兆贝可（kBq）=106Bq • 毫居里（mCi）=3.7*107Bq • 微居里（mCi）=3.7*104Bq
A Z
• β+衰变时母核和子核的质量数无变化，但 子核的核电荷数减少一个单位，β+衰变可 用下式表示： 189F—188O + β＋ + + 0.66MeV
• 正电子衰变核素，都是人工放射性核素。 • 正电子射程仅1～2mm，在失去动能的同时 与其邻近的电子（β－）碰撞而发生湮灭辐
射，在二者湮灭的同时，失去电子质量，