重庆医科大学 彭志平

川北医学院附属医院 谢建平

第一章第一章核物理核物理

原子结构原子结构

原子核中子

质子

电子

++ +

第一节 原子核结构第一节 原子核结构

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

原子核结构原子核结构

原子的能量状态：核外电子和原子原子的能量状态：核外电子和原子核的能级核的能级

元素、核素、同位素元素、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 。

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

一、核力和放射性核素 原子核的核子之间存在着很强的短程引力称为核力，核力使原子核中的核子结合在一起，同时，原子核中又存在带正电荷的质子之间的静电排斥力，原子核的稳定性由核子之间的核力和质子之间的静电排斥力的相对大小决定，与核内质子数和中子数的比例有关。 Z<20 Z/N=1 Stability

Z>20 N/Z>1 Stability

Z>83 Unstability

第二节 放射性衰变第二节 放射性衰变

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) 。

+

++

+

++

+

++

从母核中射出的 4He 原子核

238U( 铀 )4He + 234Th( 钍 )

放射性母核

二、基本衰变类型二、基本衰变类型

1. 1. 衰变衰变 238U → 234Th + 4He + Q 粒子得到大部分衰变能， 粒子

含 2 个质子， 2 个中子

衰变：衰变： 241241Am(Am( 镅镅 )) 237237Np(Np( 镎镎 ))++44HeHe

β- 衰变： 3215P → 32

16S + - + Ue + 1.71MeV

正电子衰变： 137N → 13

6C + + + υ + 1.190MeV

β 射线本质是高速运动的电子流

发生原因——母核中子或质子过多

2. 2. 衰变衰变

-- 衰变：衰变： 33HH 33He+ He+ --

-- 衰变衰变

正电子衰变：正电子衰变： 1111CC 1111B+ B+ ++

+

+

+

+

+

+

+

+

+

质子转变成中子，并且带走一个单位的正电荷

中子转变成质子，并且带走一个单位的负电荷

+

中微子

－

反中微子

三种子体分享裂变能——因此电子具有连续能谱

质子变成中子X 射线

3. 3. 电子俘获（电子俘获（ electron capture ）

核外轨道电子

电子俘获：电子俘获： 77Be(Be( 铍铍 )) 77Li(Li( 锂锂 ))

+

++

+

++

+

++

－中微子

光子

4. 4. 衰衰变变 γ 衰变往往是继发于 α 衰变或 β 衰变后发生，这些衰变后，

原子核还处于较高能量状态，原子核以放出 γ-ray 释放出过剩能量

99Mo → 99mTc + - → 99Tc + γ (T1/2: ①66.02d; ②6.02h)

131I → 131Xe + - +γ (T1/2:8.04d)

衰变：衰变： 99m99mTcTc 9999TcTc

射线是什麽？

射线就是高能量的光子：几百 keV-MeV 量级

衰变发生由于原子核能量态高，从高能态向低能态跃迁，在这个过程中发射射线，原子核能态降低。

射线是高能量的电磁辐射—— 光子

衰变特点：1.从原子核中发射出光子2.常常在或衰变后核子从激发态退激时发生3.产生的射线能量离散4.可以通过测量光子能量来区分母体的核素类别

α 衰变 β- 衰变

β+ 衰变 衰变

对于由大量原子组成的放射源，每个原子核都可能发生衰变，但不是所有原子在同一时刻都发生衰变，某一时刻仅有极少数原子发生衰变。放射性核素衰变是随机的、自发的按一定的速率进行，各种放射性核素都有自己特有的衰变速度。放射性核素原子随时间而呈指数规律减少，其表达式为：N=N0e-λt

λ: decay constant t: decay time e: base of natural logarithm

三、放射性衰变基本规律三、放射性衰变基本规律

指数衰减规律： N = N0e-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；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

半衰期半衰期 (half-live)(half-live) ：放射性原子核数从 N0 衰变到 N0 的 1/2 所需的时间

N = N0e-t

衰变规律衰变规律

仪器测量常用放射性活度单位： dps: disintegration per second cps: counts per second

比放射性活度：比放射性活度：- 定义：单位质量或体积中放射性核素的放射性活度。- 单位： Bq/kg; Bq/m3; Bq/l

放射性活度放射性活度（ activity, A)定义：单位时间内发生衰变的原子核数 A=dN/dt1Bq=1次 × S-1

1Ci=3.7×1010 Bq1Ci=1000mCi

。。。。。。。。。。。。。。。。。。

。。。原子。。。射线( βγ n)

物质：气体、液体、固体、包括人体等

第三节 射线与物质的相互作用第三节 射线与物质的相互作用

Interactions of charged particles with matter (α,β)Ionization 电离Excitation 激发Scattering 散射Bremsstrahlung 轫制辐射

Interactions of -ray with matter Photoelectric effect 光电效应Compton scattering 康普顿散射Pair production 电子对生成

1.1. 带电粒子与物质相互作用带电粒子与物质相互作用

光电效应康普顿效应电子对效应

产生次级电子

电离效应

次级电子使物质原子电离

射线

第 1 步初级作用

第 2 步次级作用

2. 射线与物质相互作用

光电效应、康普顿效应、电子对生成光电效应、康普顿效应、电子对生成

光电效应 自由电子

作用机制：光子同 ( 整个 ) 原子作用把自己的全部能量传递给原子，壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来，成为自由电子，光子本身消失了。 γ + A A* + e- （光电子） 原子 A + X 射线

原子

受激原子

电子对效应：能量≥ 1.02MeV 的射线与原子核作用可能产生一对正负电子。

M ＋ → M + e+ + e- → 1 + 2

1.02 MeV me me 0.511MeV 0.511MeV

基本条件： 射线能量 E≥1.02 MeV 为什麽？

能量转化成质量M = E /C2

正电子湮灭：正电子湮灭：

正电子与负电子相遇发生湮灭，产正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个生两个 0.511MeV0.511MeV 的的 γγ 光子。光子。

e+ + e- → +

me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV

质量转化为能量 转化效率 （ 100

% ）

γ

γ

电子对的生成和与物质的相互作用电子对的生成和与物质的相互作用

谢 谢