第二部分放射性核素在生物醫(yī)學中的應用ppt課件

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放射性核素在生物、醫(yī)學中的應用,1,放射性核技術基礎,第一節(jié) 原子、原子核及其穩(wěn)定性 第二節(jié) 原子核衰變及其放射性 第三節(jié) 放射性衰變規(guī)律 第四節(jié) 核射線與物質的相互作用,2,第一節(jié) 原子、原子核及其穩(wěn)定性,穩(wěn)定性原子的特征？ １、電子在核外一定軌道上旋轉（2πr?mv=nh,n=1,2,3…) 2、保持原子穩(wěn)定性，這種狀態(tài)稱為定態(tài)。N=1時的定態(tài)叫做基態(tài)。,不穩(wěn)定性原子的特征？ １、電子由一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)，會吸收或放出能量，能量的大小為: △Ｅ＝Ｅn-Ｅn,=hc/λ,3,不穩(wěn)定原子的輻射狀況？,ΔΕ0 原子處于激發(fā)態(tài)，需釋放能量（以光子的形式），形成原子特征的發(fā)射光譜。 如果所發(fā)射出的射線能量ΔΕ100ev時，歸為X輻射。 所以Ｘ射線是由核外電子躍遷產生的，不屬于核射線（與?、?、? 不同）。,,4,不穩(wěn)定原子的輻射狀況？,電子從外層軌道躍遷到內層軌道時，將所釋放的能量移交給另一個軌道電子，這個電子獲得足夠的能量以后，從原子中發(fā)射出來，這個過程稱俄歇效應。發(fā)射出來的電子稱俄歇電子。 俄歇效應發(fā)生以后，原子外層軌道存在兩個空穴。伴隨著特征Χ- 射線或俄歇電子的發(fā)射。 俄歇電子的運動能量等于EK-2EL,5,不穩(wěn)定原子的輻射狀況？,兩個過程所發(fā)生的幾率與原子的原子序數(shù)有關，原子序數(shù)越大的原子，發(fā)射特征Χ- 射線的幾率就越大，反之，輕元素發(fā)射俄歇電子的幾率大。,6,實驗發(fā)現(xiàn)，原子（核）的質量，總是小于組成它的各個粒子（質子、中子、電子）的質量之和。這種質量之差稱為該原子（核）的質量虧損。,7,例如：以12C為例，這個原子是由6 個質子、6 個中子和6 個電子組成， 它們的質量和為： 電子 6×0.000549 u = 0.003294 u 質子 6×1.007277 u = 6.043662 u 中子 6×1.008665 u = 6.051990 u ──────────── 12.098946 u 而12C的原子質量為12.0 u 。 12C原子的各個粒子質量與12C原子的質量差為： ?m=0.098946 u,8,根據(jù)愛恩斯坦相對論中，質能之間的關系可知，質量的消失必然有能量的產生。在這里質量虧損（ ?m ），所產生的能量，就是原子（核）的結合能（ ? E），質能之間的關系如下： EB = ?m C2 因為1u = 931.5 Mev，那么一個12C原子的結合能等于 EB =0.098946×931.5 = 92.17 Mev。 原子（核）的結合能是自由存在的單個核子（和電子）相互靠近組成一個原子，所需的最小能量。 平均結合能是原子核的結合能，除以質量數(shù)A所得的商。 平均結合能越高，說明核子在核內結合的越緊密，原子核越穩(wěn)定。,9,在自然界中中等質量的核最穩(wěn)定！,10,總結原子核的穩(wěn)定性,在輕核區(qū)，隨質量數(shù)增加，結合能有增加的趨勢。在質子和中子均為偶數(shù)冰箱等時出現(xiàn)峰值。 中等質量（A=40-120），平均結合能最大（約為８Mev）。 重核（A200）平均結合能比中等質量的核小，其穩(wěn)定核的中子與質子之比為1.5:1。,11,,通過上一節(jié)的學習，我們知道世界上存在著穩(wěn)定和不穩(wěn)定的兩類原子（核〕。 原子（核〕的穩(wěn)定性如何，只與它們的性質有關（粒子之間的平均結合能的大小）。 本課程主要討論和關心的是：因核不穩(wěn)定，所產生的放射性。,12,第二節(jié) 原子核衰變及放射性,放射性－不穩(wěn)定核自發(fā)放射各種射線的現(xiàn)象，稱為放射性。 原子核衰變－不穩(wěn)定的原子核不斷地自發(fā)地產生原子核結構的改變，使自己轉變成另一種核素，這種過程稱核衰變。 衰變能－不穩(wěn)定的原子核在衰變過程中會釋放出大量的能量，稱為衰變能。 絕大多數(shù)衰變能被發(fā)射出來的粒子所攜帶，很少部分給予反沖核（通常沒有意義）。,13,每一個放射性核素都有自己一些獨特的特性（包括放射性衰變類型、放射線種類、能量大小和放射性核素半衰期長短等）。 反過來，通過對這些特性的分析，可確定放射性核素的性質。,14,放射性的核在衰變過程中伴隨著各種核射線的發(fā)射，最常見的射線有：α粒子、β粒子和γ射線。 核衰變類型是根據(jù)其發(fā)射核射線種類進行命名的。如最常見的有：α衰變、β衰變和γ衰變。 仍然不斷發(fā)現(xiàn)一些新的衰變方式，如質子衰變、雙β-衰變、12C衰變、20Ne衰變等。,15,α衰變,α衰變是指放射性核發(fā)射α粒子衰變?yōu)榱硪环N核的過程。 α衰變可以用下列通式表示： （42He),X代表母核、Y代表子核、為衰變能,根據(jù)能量守恒定律，由上式可得： mXC2 = m YC2 +m αC2+Q 式中mX、m Y、m α分別為母核、子核和α粒子的質量。因為一般核素表中給出的是原子質量，為了計算方便，將上式中的原子核質量替換成原子質量。 （MX-Zme)C2=[MY-(Z-2)me+Mhe-2me]C2+Q (me為電子質量) Q={MX-Zme- [MY-(Z-2)me+Mhe-2me]}C2 =[MX-(MY +Mhe)] C2 當Ｑ0時，即 MXMY +Mhe，才能發(fā)生α衰變。,16,原子核內部能級是不連續(xù)的、量子化的,從右圖可見： 在α衰變中，α粒子的能譜是不連續(xù)的、量子化的，可由分立的幾組能量數(shù)值組成，同時常伴隨γ射線的發(fā)射。 226Ra的衰變路徑、產生的射線種類和能量，每條路徑可能發(fā)生的幾率，半衰期等。,17,β衰變 【包括：β-衰變、β+衰變和軌道電子俘獲（EC）】,β衰變是指核電荷數(shù)改變而質量數(shù)不變的一類核衰變。 實驗發(fā)現(xiàn)，β射線的能譜與α射線不同，不是分立的，而是連續(xù)分布的。這與原子核內能級是量子化的不相符合。 泡利認為一定另有一個粒子與β射線一起被核發(fā)射出來，并與β射線一起分享衰變能。并認為這個微粒是不帶電荷，靜止質量幾乎為零，自旋為1/2的粒子。起名為中微子。 β衰變放射出的中微子有兩種：其自旋方向和運動方向相同的，稱為反中微子（v）；自旋方向與運動方向相反的，稱為中微子（v）。 實驗還證明,β-衰變放出的是反中微子，β╋衰變和軌道電子俘獲放出的是中微子。,,,18,β-衰變—在不穩(wěn)定的核中，一個中子轉變成一個質子 和一個電子的過程，稱為β-衰變。 β-衰變過程可用下式表示：,根據(jù)能量守恒定律，由上式可得： mXC2 = m YC2 +m β-C2+Q 式中mX、 m Y、m β-分別為母核、子核和β粒子的質量。中微子的質量極其微小，可忽略不計。方便計算，將上式中的原子核質量換成原子質量 ： （MX-Zme)C2=[MY-(Z＋１)me+mβ-]C2+Q (me為電子質量) Q = MXC2- (MY- me+ mβ-)C2 = MXC2 - MY C2 當Ｑ0時，有MXMY 時，才能發(fā)生β-衰變。,19,下面是兩個含有β-衰變的衰變綱圖，你從綱圖上能獲得哪些信息？,20,β+衰變—是由于原子核內質子過多，核內的一個質子轉變成一個中子，并放射出一個β+粒子和一個υ的過程。 β+衰變的過程可用下式表示：,式中X代表母核、Y代表子核、Q為衰變能、v 為中微子。,根據(jù)能量守恒定律，由上式可得： mXC2 = m YC2 +m βC2+Q 式中mX、 m Y、m β分別為母核、子核和β粒子的質量。中微子的質量忽略不計。為方便計算，將上式中的原子核質量換成原子質量 ： （MX-Zme)C2=[MY-(Z-１)me+mβ]C2+Q (me為電子質量) Q = [MX- (MY+ me+ mβ)]C2 (me= mβ) = (MX – MY-2 me) C2 當Ｑ0時，有MXMY+ 2 me時，才能發(fā)生β+衰變。,21,,右圖是14C的β能譜（平均能量、最大能量〕。 E=1/3 Emax β －和β＋能譜相似。 β＋粒子一旦產生馬上與周圍物質中電子結合 ，產生湮滅反應。,,22,,β＋與物質中的電子結合，兩個電子消失，轉變?yōu)閮蓚€能量為0.511 Mev，運動方向相反的湮滅光子 （見右圖）。,23,,從右圖就可以理解下面一段話：在β+衰變中，衰變能（Ｑ）除了需提供β+粒子和中微子動能外，還需提供湮滅兩個電子對應質量的能量（2×0.511Mev=1.022Mev）。因此，β+粒子的Ｅmax≈Q-1.022Mev,24,軌道電子俘獲（EC）衰變是指不穩(wěn)定核從核外電子殼層中俘獲一個軌道電子，而使核里的一個質子轉變成中子，同時發(fā)射出一個中微子的過程。 通常最靠近核的軌道電子（K層電子）被俘獲的幾率最大（約占90%）。 其衰變通式為：,根據(jù)能量守恒定律，由上式可得： Q =(mX +me- m Y)C2+Wi Wi為原子核俘獲第i層軌道電子所需克服的電子的結合能。 將原子核質量換成原子質量，并忽略原子中電子結合能之差，則得： Q =(ＭX – Ｍ Y)C2－Wi 必須滿足Ｑ0，即ＭX – Ｍ YWi 時，才能進行電子軌道俘獲。,25,由于核外軌道內層電子空缺，所以此過程還伴隨特征X射線或俄歇電子的發(fā)射,26,γ衰變 —原子核由激發(fā)態(tài)通過發(fā)射γ光子躍遷到低能 態(tài)的過程。 γ衰變可用如下通式表示：,“同質異能躍遷” “同質異能態(tài)” 長壽命的“同質異能態(tài)” “同質異能素” 核素 內轉換現(xiàn)象：原子核由激發(fā)態(tài)躍遷到低能態(tài)時，除發(fā)射γ光子外，還可以通過發(fā)射電子來完成。即把激發(fā)能直接較給核外內層（K、L）電子，使它脫離原子束縛成為自由電子，這種現(xiàn)象稱為內轉換（IC），發(fā)射出的電子稱為內轉換電子。,27,第三節(jié)：放射性衰變規(guī)律,放射性核素的原子核不斷地、自發(fā)地發(fā)生衰變，它雖無法預料，但也不是雜亂無章，而是服從于一定的統(tǒng)計性規(guī)律。 下面我們在課堂上介紹“放射性核素衰變的基本規(guī)律”，對“放射性核素連續(xù)衰變的規(guī)律” 不做介紹。 假如某放射性樣品中，所含的放射性原子數(shù)為Ｎ，則衰變速率（?N/ ?t)應當與放射性原子數(shù)成正比，即 -(? N/ ?t) ? N ， -(? N/ ?t) ? ? N 式中：λ（衰變常數(shù)〕－表示每一個原子核在單位時間內發(fā)生衰變的幾率。負號表示的數(shù)值隨時間而減少。 當?t ０時，上式可寫成：dN=- ?Ndt 將上式兩邊積分可得： N=N0e- ?t （為放射性核素一般衰變規(guī)律公式 〕 N0是t=0時，放射性原子的數(shù)目，N是在t時刻，放射性原子的數(shù)目。,,28,第三節(jié)：放射性衰變規(guī)律,在實際應用中無法測定放射性原子的數(shù)目（Ｎ）,而比較容易獲得該核素的放射性強度（A），并且放射性原子數(shù)目的多少與放射性強度大小成正比，則式（1－6）可寫為： A = A0e- ?t 式中，A0為t=0時放射性強度，A為t時刻放射性強度。,29,半衰期,物理半衰期 (T1/2)－是指某種放射性核素有一半原子發(fā)生衰變所需的時間，或放射性強度失去一半時所需的時間。 即： A = A0 /2 或 Ｎ ＝ Ｎ０/2 將上式代入A = A0e- ?t 或 N=N0e- ?t 中可得： T1/2 = ln2/ ? = 0.693/ ? 生物半衰期(Tb)－生物體內的放射性核素由于生物代謝過程從體內排出到原來一半所需的時間。 有效半衰期（Ｔeff)－放射性核素由于放射性衰變和生化代謝過程共同作用減少到原來的一半所需時間。 物理半衰期 (T1/2)、生物半衰期(Tb)、有效半衰期（Ｔeff)之間的關系： ?eff = ?1/2 + ?b , Ｔeff =(T1/2 ? Tb)/(T1/2 + Tb),30,放射性強度及其單位,放射性強度是度量放射性強弱的基本物理量。它的定義是：一個放射源在單位時間內發(fā)生核衰變的次數(shù)，亦稱衰變率。 強度單位:放射性強度的國際制單位（SI）是貝可勒爾（Becquerel）,簡稱：貝可，用符號Bq表示。1Bq的定義為：放射性核素在1秒鐘內發(fā)生1次核衰變，即: 1 Bq =1 次衰變/秒=1dps 過去曾用的活度專用單位:“居里”,符號表示為:“Ci” 。 1Ci =103mCi =106 uCi 1Ci =3.7×1010衰變數(shù)/秒=3.7×1010 Bq 比強（活〕度：是指放射性樣品中，放射性核素的強度與樣品質量之比。其單位為貝可/克（Bq/g）、居里/克（Ci/g）等。 比濃度：如果放射性樣品是液體或氣體，可用放射性比濃度來表示，其單位為貝可/（Bq/L）或居里/升（Ci/L）等。,31,發(fā)射率、計數(shù)率和衰變率,發(fā)射率－是指放射源在單位時間內發(fā)射某種射線的個數(shù)，又稱為放射源的射線強度。 衰變率－是指單位時間內核衰變次數(shù)。（在強度單位中已經介紹〕 計數(shù)率－是指射線進入探測器后，由測量儀器在單位時間內記錄的脈沖數(shù)，其單位為計數(shù)/分（cpm）或計數(shù)/秒（cps）。 你已經弄清楚它們之間的差別了嗎？,32,第四節(jié)：核射線與物質的相互作用,１、帶電粒子與物質的相互作用 ２、γ輻射與物質的相互作用,33,１、帶電粒子與物質的相互作用,電離或激發(fā) 當帶電粒子通過物質時，它吸收物質的核外電子產生庫侖作用使之獲得能量。如果該電子獲得足夠的能量脫離原子核的束縛，成為自由電子，這個過程稱為電離（直接電離）。 如果這個電子所獲得的能量不足于產生電離，而被激發(fā)到更高的電子能級，這個過程稱為激發(fā)。,34,１、帶電粒子與物質的相互作用,散射－當帶電粒子通過物質時，受到原子核或核外電子的庫侖力作用而偏轉。 反散射－有些粒子在物質中經過多次散射，最后的散射角可接近1800。 散射程度的大小與帶電粒子質量、能量及吸收物質密度有關。 韌致輻射－當快速運動的帶電粒子與吸收物質的原子核碰撞，部分動能轉變?yōu)檫B續(xù)能量的電磁輻射發(fā)射出來。 發(fā)生韌致輻射的幾率大小與帶電粒子的能量及吸收物質的原子序數(shù)的平方成正比，與帶電粒子質量的平方成反比。,35,在生物和醫(yī)學的能量范圍以內，帶電粒子與物質作用時，通過電離和激發(fā)損失能量占主要地位。,36,２、γ輻射與物質的相互作用,光電效應 ： γ光子與物質中原子的束縛電子作用時，其能量全部轉移給電子，并使該電子脫離原子的束縛飛出，γ光子本身消失，這種過程稱為光電效應。 釋放出來的電子主要是K層電子（約為80%），也可是L層或其它殼層電子，它們統(tǒng)稱為光電子。 光入射和光電子發(fā)射方向之間的夾角（θ）。 當γ能量較低時,θ≈900 處分布較多， 隨著光子能量的增加θ1Mev時, 則θ100。,37,物質原子發(fā)生光電效應后，原子核外內層軌道留下空穴，可由外層電子躍遷填補，因此，發(fā)射光電子的同時也伴隨有特征X射線或餓歇電子的發(fā)射。,38,2、 γ輻射與物質的相互作用,康普頓效應 γ光子與物質原子相互作用，將一部分能量轉移給原子核外外層電子，使它脫離原子飛出，而入射光子損失能量并改變運動方向。 θ角為散射角。φ為反沖角。 θ角變化范圍從00-1800時，對應的φ由900-00。 當θ=1800時的散射稱為反散射。此時反沖電子的能量最大，散射光子的能量最小。 散射光子和反沖電子仍然能與物質產生各種作用，直至喪失全部能量或逸出物質。,39,3、γ輻射與物質的相互作用,電子對效應 當γ光子通過物質時，在原子核的庫侖作用下，γ光子轉化為一個正電子和一個光電子的過程。 γ光子的能量需大于產生兩個電子質量所對應的能量即1.022Mev。 一定能量的γ光子與物質作用產生的正,負電子能量的總和為常數(shù)。 正,負電子之間的能量分配是任意的，γ光子能量越大，正、負電子的發(fā)射方向與入射方向越接近。,40,由于γ光子的能量和吸收物質的原子序數(shù)不同，導致產生三種效應的比例也不同，總結如下：,對低能γ光子（2Mev)高原子序數(shù)吸收物質，電子對效應占優(yōu)勢。,41,