原子核和放射性.ppt

《原子核和放射性.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《原子核和放射性.ppt（39页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、,第十七章,原子核和放射性,教学基本要求,掌握原子核的衰变规律和应用。 理解射线与物质相互作用的几种形式。 理解射线剂量的定义及射线的防护方法。 了解原子核的基本性质和原子核的衰变类型。放射性核素在医学上的应用。,第一节 原子核的基本性质,一、原子核的组成、质量和大小,1. 原子核的组成 原子核由质子和中子组成。 中子不带电，质子带正电。质子和中子统称核子。,2. 原子核的质量 原子核的质量常用原子质量单位u来表示，规定: 1u= =1.660 54010-27kg=931.5MeVc-2 用原子质量单位来量度原子核质量时，其数值都接近于某一整数即质量数A。质量数A是原子核的核子数。,3. 核

2、素 一类具有确定质子数、核子数和能量状态的中性原子称为核素。 核素的符号表示: 其中Z为原子序数，即质子数；A为原子质量数，即核子数。 同位素 质子数相同、中子数不同的一类核素，它们在周期表中处于同一位置上。 同中子异位素 具有相同中子数、不同质子数的一类核素。 同量异位素 质量数相同、质子数不同的一类核素。 同核异能素 质量数和质子数均相同而处于不同能量状态的一类核素。,或,4. 原子核的大小 原子核的半径R与质量数A有关，可用如下经验公式表示： 式中R0为常数，其值约等于1.210-15m。 若把原子核看作球形，其平均核密度为：,将u及R0的数值代入上式得： 1017 kgm-3，可见原子

3、核密度非常高。,二、原子核的自旋和磁矩,1. 原子核的自旋 原子核具有的角动量习惯上称为核自旋：,2. 原子核的磁矩,奇/偶核，I 为半整数；偶偶核，I 为零；奇奇核，I 为整数。,（mI是核自旋磁量子数）,式中g为原子核的g因子,式中N称为核磁子。,在空间z轴方向上的投影:,在z轴方向上的投影：,式中I 为核自旋量子数。,三、原子核的结合能及质量亏损,1. 原子核的质量亏损 组成原子核所有核子的质量与原子核质量之差称为原子核的质量亏损。,2. 原子核的结合能 自由核子结合成原子核时释放的能量称为原子核的结合能。,任意一个核素 的结合能E定义为,根据质能关系，1 u的质量相当于931.5MeV

4、的能量。,3. 原子核的平均结合能，即比结合能, 越大，表示核子间结合得越紧密； 的大小可以作为核稳定性的量度。,不同原子核的比结合能曲线：,从图中可见，轻核和重核的比结合能小于中等核的比结合能。当比结合能小的核变成比结合能大的核时，将释放出能量。这是采用重核裂变和轻核聚变两种途径获得原子能的依据。,4. 核力 原子核内核子之间的作用力称为核力。,四、原子核的宇称,宇称是表征微观粒子运动特性的一个物理量。通常用波函数在空间坐标反演下的变换性质来表示。 当(r) = +(r)时，称粒子的运动状态具有偶宇称（或称其宇称为正）； 当(r) = (r)时，称粒子的运动状态具有奇宇称（或称其宇称为负）。

5、,第二节 原子核的衰变类型,一、衰变,质量数 A 209的放射性核素自发地放射出射线而变成电荷数减少2、核子数减少4的另一种核素的现象称为衰变。粒子即氦核。,衰变式：,Q为衰变过程放出的能量称为衰变能，在数值上等于粒子的动能与子核反冲动能之和。,例如：,镭 226Ra放射出3种能量的粒子，其中最大动能E1对应226Ra放出粒子到达氡222Rn的基态，E2和E3分别对应226Ra到达氡222Rn的第一激发态及第二激发态。由此可以确定222Rn的低激发态的能级结构。,例如：镭 226Ra的衰变,二、衰变,-衰变式 ：,例如：60Co的衰变,放射性核素自发地放射出射线（高速电子）或俘获轨道电子而变成

6、另一个核素的现象称为衰变。它主要包括- 衰变、+ 衰变和电子俘获三种类型。,1. - 衰变 母核自发地放射出一个-粒子（普通电子e-）和一个反中微子，而变成电荷数增加1、核子数不变的子核。,衰变式 ：,3. 电子俘获 母核俘获一个核外轨道电子而变成电荷数减少1、核子数不变的子核，同时放出一个中微子。,+衰变式 ：,2. + 衰变 母核自发地放射出一个+ 粒子（正电子e+）和一个中微子，而变成电荷数减少1、核子数不变的子核。,由于在衰变过程中有中微子参与，衰变所放出的能量将在电子、中微子和子核之间任意分配。因此射线能谱是连续的。,三、衰变和内转换,衰变 处于激发态的原子核在不改变其组成的情况下，

7、以放出射线（光子）的形式释放能量而跃迁到较低能级的现象称为衰变。 内转换 在某些情况下，原子核从激发态向较低能级跃迁时不一定放出光子，而是把这部分能量直接交给核外电子，使其脱离原子的束缚而成为自由电子，这称为内转换，释放的电子称为内转换电子。,第三节 原子核的衰变规律,一、衰变规律,由大量核素组成的放射性物质，其衰变服从统计规律。在dt时间内发生衰变的原子核数目dN一定正比于当时存在的原子核数目N，以及时间间隔dt，即,dN = Ndt,设t=0时原子核数目为N0，则对上式积分可得t时刻原子核数目N为：,称为衰变常量,这就是核衰变服从的指数规律，称为衰变定律。,二、半衰期,1. 半衰期 原子核

8、数目因衰变减少到原来的一半所需的时间，称为半衰期，即物理半衰期T 。,T与一样，是放射性核素的特征常数，越大，T越小。衰变定律式也可用T表示为：,2. 平均寿命,任一核素的平均寿命：,Te、T和Tb的关系：,3. 生物半衰期Tb 由于各种排泄作用而使生物体内的放射性原子核数目减少一半所需的时间称为生物半衰期。生物机体排出放射性核素的规律，也近似服从衰变定律式。,4. 有效半衰期Te 同时考虑物理半衰期和生物半衰期，使生物机体内放射性原子核数目减少一半所需的时间。,式中b为生物衰变常量、 e为有效衰变常量。,衰变定律可改写为：,三、放射性活度,放射性物质在单位时间内发生衰变的原子核数称为该物质的

9、放射性活度A。,比活度 单位质量放射源的放射性活度 比活度越大，该放射性物质的纯度越高。,式中A0表示t=0时刻的放射性活度。,在国际单位制中，A的单位是贝可（Bq），1 Bq = 1次核衰变 / 秒；放射性活度的单位也用居里（Ci）。1 Ci = 3.71010 Bq。,例17-1 设一台60Co -刀初装时钴源活度为6040Ci，使用5年后，钴源活度还剩多少Bq？其平均寿命为多少年？ 解：60Co的半衰期T = 5.27a，已知A0 = 6040Ci 224 TBq，t = 5 a，将以上数据代入活度公式，得5年后钴源活度为,60Co的平均寿命为 = 1.44T = 7.6 a,四、放射性

10、平衡,级联衰变 许多放射性核素并非一次衰变就达到稳定，而是由于其子核仍具有放射性而继续衰变下去，直到稳定核素而终止。,设t=0时，NA=NA0，NB0=NC0=0。在tt+dt时间内，核素A、核素B衰变的数目分别为,放射性平衡 在级联衰变中，当满足一定条件下，各代核的数量比与时间无关的现象。,即TATB（或AB），这时上式改写为,当t 时，,，因此有,放射性平衡时，子核放射性活度与母核近似相等并达到最大值，这时利用化学方法将子核分离出来后一段时间，子核与母核又会达到新的放射性平衡，再将子核分离出来。这种由长寿命核素不断获得短寿命核素的分离装置称为核素发生器。,例如:在临床放射性核素显像检查中最

11、常用的放射性核素锝(99mTc)是由核素钼(99Mo)衰变而来，级联衰变为,在实际中，将钼(99Mo，66.02h )与锝(99mTc，6.02h ) 放在一起，由于TATB，当母核(99Mo)与子核(99mTc)达到或接近放射性平衡时，子核的放射性活度与母核近似相等达到最大值，这时利用化学方法可将99mTc分离出来，例如将99Mo吸附于Al2O3色层柱上，而衰变产生的99mTc在Al2O3柱上吸附能力很弱，用生理盐水洗脱，即可得到 洗脱液。,例17-2 （1）从子核衰变表达式出发，讨论当A B时，子核NB(t)何时达到最大值假设NB(0)=0？（2）对钼锝母牛，一次洗脱后，再经过多少时间淋洗

12、99mTc，得到的子核99mTc数目最多？ 解：（1）为使NB(t)达最大值，令t=tm时，,得到,由此可见，洗脱时间间隔最好在约23h，此时子核99mTc的放射性活度与母核99Mo近似相等达到最大值；但在实际中为了有效合理使用新鲜的99mTc，每天可以间隔46 h洗脱23次。,（2）已知TA=66.02h，TB=6.02h代入上式，得,第四节 射线与物质的相互作用,一、带电粒子与物质的相互作用,1. 电离和激发 、等带电粒子通过物质时，使原子或分子中的电子获得能量，产生离子对，这一过程称为电离；若电子获得的能量只能使它由低能级跃迁到高能级，则称为激发。,2 .散射与韧致辐射 带电粒子通过物质

13、，因受原子核静电场的作用而改变运动方向，叫做散射；带电粒子通过物质时，受到原子核的作用，速度急剧减少，带电粒子的一部分能量以光子的形式发射出来，这种现象称为轫致辐射。,3. 射程和吸收 带电粒子在物质中沿运动轨迹所经过的距离称为路程，而路程沿入射方向的投影称为射程。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，所以射程直观地反映带电粒子贯穿本领的大小。,4. 正电子与物质的相互作用 高能正电子进入物质后将很快慢化，然后遇负电子发生湮没，同时发出两个发射方向相差180、各自能量均为0.511 MeV的光子。,二、光子与物质的相互作用,1. 光电效应 光子将其全部能量传递给物质原子的轨道电子

14、，获得能量的电子脱离原子的束缚而成为自由电子（称为光电子），这一过程称为光电效应。,光子与物质的作用方式主要有以下三种：,2. 康普顿效应 光子与原子核外的电子（多为外层电子）发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化，这一过程称为康普顿效应，或康普顿散射。我国物理学家吴有训在发现和研究康普顿效应中作出了重要贡献。,3. 电子对效应 当能量大于1.022 MeV的光子从原子核旁经过时，光子在原子核的库仑场作用下转化为一个正电子和一个负电子，这一过程称为电子对效应。,光子与物质的这三种作用形式与光子的入射能量和物质的原子序数Z有不同的依赖关

15、系：,从图中可见，能量低的光子和高原子序数的物质，以光电效应为主；中等能量的射线以康普顿散射为主；电子对效应主要发生在高能光子和高原子序数的物质中，但在能量极高光子的作用下，较低原子序数物质中，电子对效应也不可忽视。,三、中子与物质的相互作用,1. 弹性散射 在中子与原子核发生碰撞时，将部分能量传递给原子核，改变自身运动的方向和速度，同时引起原子核发生反冲，这种作用称为中子的弹性散射。能量低的中子与轻核相互作用主要是弹性散射。,主要是受到原子核的散射或与原子核发生核反应：,2.非弹性碰撞 由于中子不受库仑电场的阻碍，容易进入原子核引起核反应，放射出各种次级射线，这种现象叫非弹性碰撞。能量为1

16、MeV以上的中子与重核相互作用主要是非弹性碰撞。,中子与原子核发生核反应：中子俘获反应（n, ），电荷交换反应（n，p）、（n，）反应等。,第五节 辐射剂量与防护及测量原理,电离辐射 、粒子，和中子射线通过物质时，能直接和间接产生电离作用，统称为电离辐射。 辐射效应 各种电离辐射都将使物质发生变化，称为辐射效应。 生物效应 人体组织吸收电离辐射能量后，会产生物理、化学和生物学的变化，导致生物组织的损伤，称为生物效应。肿瘤的放射治疗即利用这种生物效应杀伤肿瘤组织；同时正常组织受到射线照射时也会产生辐射损伤。,一、辐射剂量及其单位,1. 照射量,X或射线的照射量E定义为 E=dQ/dm,2. 吸收

17、剂量,单位质量的物质所吸收到的辐射能量称为吸收剂量D，定义为 ：D=dE/dm 式中dE 是电离辐射授予某一体积之中物质质量dm的平均能量。吸收剂量单位为戈瑞（Gray，Gy），1Gy=1Jkg-1。,式中dQ是当射线在质量为dm的干燥空气中形成的任何一种符号（正或负）离子的总电量。照射量的单位为Ckg-1，曾用单位为伦琴，1R=2.5810-4Ckg-1。它是用来量度X或射线导致空气电离程度的一个物理量。,3.当量剂量,当量剂量HT等于某一组织或器官T所接受的平均吸收剂量DT, R与辐射权重因子wR 的乘积： HT = wR DT,R HT的单位为希沃特（Sievert，Sv），1Sv=1J

18、kg-1。当量剂量表示各种射线或粒子被吸收后引起生物效应的程度，或对生物组织的危险程度。,二、辐射防护,1. 最大容许剂量,国际上规定经过长期积累或一次性照射后，对机体既无损害又不发生遗传危害的最大照射剂量，称为最大容许剂量。对这一剂量各国规定并不完全相同，我国现行规定的MPD为每年不超过50 mSv。,2. 外照射防护,放射源在体外对人体进行的照射称为外照射。人体接受外照射的剂量与离放射源的距离及照射时间有关。,3. 内照射防护,将放射性核素注入体内进行照射称为内照射。,三、射线的测量原理,根据射线能使物质的原子、分子电离和激发的原理，将射线的能量转变为电流或电压信号，供电子仪器采集。,目前

19、使用的射线探测器种类很多，从射线在探测器内产生的效应和探测器的工作介质，可分为气体电离室、闪烁探测器、半导体探测器和热释光剂量计等。,第六节 放射性核素在医学上的应用,一、示踪的原理,指用放射性核素作为示踪原子，它们参与体内各种过程的变化，并借助它们放出的射线，在体外探查该元素的行踪，以研究其在体内的分布、转移和代谢，这种方法叫示踪原子法。此外还有体外标本测量法和放射自显影等不同方法。,示踪原子法的优点是灵敏度高，可在生理条件下研究物质在机体内的活动规律，而且简单易行。,二、放射诊断,指放射性核素成像，简称核素成像，它是一种利用放射性核素示踪方法显示人体内部结构、功能的医学影像技术。由于体内不

20、同组织和脏器对某些化合物具有选择性吸收的特点，故选用不同的放射性核素制成的标记化合物注入体内后，可以使放射性核素在体内各部位按吸收程度进行分布。在体外用探测器对核素放出的射线进行跟踪，以获得反映放射性核素在体内的浓度分布及其随时间变化的图像。,借助这种影像技术可以了解各种组织、脏器对药物的选择吸收、正常组织与病变组织的吸收差异，血液循环情况对药物吸收的影响等，医生可以根据图像反映出的组织占位性病变和功能性变化进行临床诊断。 目前临床使用的核素成像仪器常见有照射机、SPECT和PET等。,三、肿瘤放射治疗,肿瘤放射治疗简称放疗，是治疗肿瘤的一种有效的物理疗法。它是利用X（）、等射线通过机体时，会对机体组织产生破坏作用，来达到治疗肿瘤的目的。,从射线照射方式可分为外照射、近距离照射和内照射，临床常用的外照射有60Co治疗机、医用直线加速器和-刀等。,