第二部分放射性核素在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用ppt課件

《第二部分放射性核素在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用ppt課件》由會(huì)員分享，可在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)《第二部分放射性核素在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用ppt課件（41頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

放射性核素在生物、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,1,放射性核技術(shù)基礎(chǔ),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(xiàn)與物質(zhì)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(zhuǎn)（2πr?mv=nh,n=1,2,3…) 2、保持原子穩(wěn)定性，這種狀態(tài)稱(chēng)為定態(tài)。N=1時(shí)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(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)，會(huì)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(xiàn)能量ΔΕ100ev時(shí)，歸為X輻射。 所以Ｘ射線(xiàn)是由核外電子躍遷產(chǎn)生的，不屬于核射線(xiàn)（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(nèi)層軌道時(shí)，將所釋放的能量移交給另一個(gè)軌道電子，這個(gè)電子獲得足夠的能量以后，從原子中發(fā)射出來(lái)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)俄歇效應(yīng)。發(fā)射出來(lái)的電子稱(chēng)俄歇電子。 俄歇效應(yīng)發(fā)生以后，原子外層軌道存在兩個(gè)空穴。伴隨著特征Χ- 射線(xiàn)或俄歇電子的發(fā)射。 俄歇電子的運(yùn)動(dòng)能量等于EK-2EL,5,不穩(wěn)定原子的輻射狀況？,兩個(gè)過(guò)程所發(fā)生的幾率與原子的原子序數(shù)有關(guān)，原子序數(shù)越大的原子，發(fā)射特征Χ- 射線(xiàn)的幾率就越大，反之，輕元素發(fā)射俄歇電子的幾率大。,6,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原子（核）的質(zhì)量，總是小于組成它的各個(gè)粒子（質(zhì)子、中子、電子）的質(zhì)量之和。這種質(zhì)量之差稱(chēng)為該原子（核）的質(zhì)量虧損。,7,例如：以12C為例，這個(gè)原子是由6 個(gè)質(zhì)子、6 個(gè)中子和6 個(gè)電子組成， 它們的質(zhì)量和為： 電子 6×0.000549 u = 0.003294 u 質(zhì)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(zhì)量為12.0 u 。 12C原子的各個(gè)粒子質(zhì)量與12C原子的質(zhì)量差為： ?m=0.098946 u,8,根據(jù)愛(ài)恩斯坦相對(duì)論中，質(zhì)能之間的關(guān)系可知，質(zhì)量的消失必然有能量的產(chǎn)生。在這里質(zhì)量虧損（ ?m ），所產(chǎn)生的能量，就是原子（核）的結(jié)合能（ ? E），質(zhì)能之間的關(guān)系如下： EB = ?m C2 因?yàn)?u = 931.5 Mev，那么一個(gè)12C原子的結(jié)合能等于 EB =0.098946×931.5 = 92.17 Mev。 原子（核）的結(jié)合能是自由存在的單個(gè)核子（和電子）相互靠近組成一個(gè)原子，所需的最小能量。 平均結(jié)合能是原子核的結(jié)合能，除以質(zhì)量數(shù)A所得的商。 平均結(jié)合能越高，說(shuō)明核子在核內(nèi)結(jié)合的越緊密，原子核越穩(wěn)定。,9,在自然界中中等質(zhì)量的核最穩(wěn)定！,10,總結(jié)原子核的穩(wěn)定性,在輕核區(qū)，隨質(zhì)量數(shù)增加，結(jié)合能有增加的趨勢(shì)。在質(zhì)子和中子均為偶數(shù)冰箱等時(shí)出現(xiàn)峰值。 中等質(zhì)量（A=40-120），平均結(jié)合能最大（約為８Mev）。 重核（A200）平均結(jié)合能比中等質(zhì)量的核小，其穩(wěn)定核的中子與質(zhì)子之比為1.5:1。,11,,通過(guò)上一節(jié)的學(xué)習(xí)，我們知道世界上存在著穩(wěn)定和不穩(wěn)定的兩類(lèi)原子（核〕。 原子（核〕的穩(wěn)定性如何，只與它們的性質(zhì)有關(guān)（粒子之間的平均結(jié)合能的大小）。 本課程主要討論和關(guān)心的是：因核不穩(wěn)定，所產(chǎn)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(xiàn)的現(xiàn)象，稱(chēng)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(chǎn)生原子核結(jié)構(gòu)的改變，使自己轉(zhuǎn)變成另一種核素，這種過(guò)程稱(chēng)核衰變。 衰變能－不穩(wěn)定的原子核在衰變過(guò)程中會(huì)釋放出大量的能量，稱(chēng)為衰變能。 絕大多數(shù)衰變能被發(fā)射出來(lái)的粒子所攜帶，很少部分給予反沖核（通常沒(méi)有意義）。,13,每一個(gè)放射性核素都有自己一些獨(dú)特的特性（包括放射性衰變類(lèi)型、放射線(xiàn)種類(lèi)、能量大小和放射性核素半衰期長(zhǎng)短等）。 反過(guò)來(lái)，通過(guò)對(duì)這些特性的分析，可確定放射性核素的性質(zhì)。,14,放射性的核在衰變過(guò)程中伴隨著各種核射線(xiàn)的發(fā)射，最常見(jiàn)的射線(xiàn)有：α粒子、β粒子和γ射線(xiàn)。 核衰變類(lèi)型是根據(jù)其發(fā)射核射線(xiàn)種類(lèi)進(jìn)行命名的。如最常見(jiàn)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(zhì)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(guò)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(zhì)量。因?yàn)橐话愫怂乇碇薪o出的是原子質(zhì)量，為了計(jì)算方便，將上式中的原子核質(zhì)量替換成原子質(zhì)量。 （MX-Zme)C2=[MY-(Z-2)me+Mhe-2me]C2+Q (me為電子質(zhì)量) Q={MX-Zme- [MY-(Z-2)me+Mhe-2me]}C2 =[MX-(MY +Mhe)] C2 當(dāng)Ｑ0時(shí)，即 MXMY +Mhe，才能發(fā)生α衰變。,16,原子核內(nèi)部能級(jí)是不連續(xù)的、量子化的,從右圖可見(jiàn)： 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(shí)常伴隨γ射線(xiàn)的發(fā)射。 226Ra的衰變路徑、產(chǎn)生的射線(xiàn)種類(lèi)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(zhì)量數(shù)不變的一類(lèi)核衰變。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，β射線(xiàn)的能譜與α射線(xiàn)不同，不是分立的，而是連續(xù)分布的。這與原子核內(nèi)能級(jí)是量子化的不相符合。 泡利認(rèn)為一定另有一個(gè)粒子與β射線(xiàn)一起被核發(fā)射出來(lái)，并與β射線(xiàn)一起分享衰變能。并認(rèn)為這個(gè)微粒是不帶電荷，靜止質(zhì)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(yùn)動(dòng)方向相同的，稱(chēng)為反中微子（v）；自旋方向與運(yùn)動(dòng)方向相反的，稱(chēng)為中微子（v）。 實(shí)驗(yàn)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(gè)中子轉(zhuǎn)變成一個(gè)質(zhì)子 和一個(gè)電子的過(guò)程，稱(chēng)為β-衰變。 β-衰變過(guò)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(zhì)量。中微子的質(zhì)量極其微小，可忽略不計(jì)。方便計(jì)算，將上式中的原子核質(zhì)量換成原子質(zhì)量 ： （MX-Zme)C2=[MY-(Z＋１)me+mβ-]C2+Q (me為電子質(zhì)量) Q = MXC2- (MY- me+ mβ-)C2 = MXC2 - MY C2 當(dāng)Ｑ0時(shí)，有MXMY 時(shí)，才能發(fā)生β-衰變。,19,下面是兩個(gè)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(nèi)質(zhì)子過(guò)多，核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成一個(gè)中子，并放射出一個(gè)β+粒子和一個(gè)υ的過(guò)程。 β+衰變的過(guò)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(zhì)量。中微子的質(zhì)量忽略不計(jì)。為方便計(jì)算，將上式中的原子核質(zhì)量換成原子質(zhì)量 ： （MX-Zme)C2=[MY-(Z-１)me+mβ]C2+Q (me為電子質(zhì)量) Q = [MX- (MY+ me+ mβ)]C2 (me= mβ) = (MX – MY-2 me) C2 當(dāng)Ｑ0時(shí)，有MXMY+ 2 me時(shí)，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(chǎn)生馬上與周?chē)镔|(zhì)中電子結(jié)合 ，產(chǎn)生湮滅反應(yīng)。,,22,,β＋與物質(zhì)中的電子結(jié)合，兩個(gè)電子消失，轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)能量為0.511 Mev，運(yùn)動(dòng)方向相反的湮滅光子 （見(jiàn)右圖）。,23,,從右圖就可以理解下面一段話(huà)：在β+衰變中，衰變能（Ｑ）除了需提供β+粒子和中微子動(dòng)能外，還需提供湮滅兩個(gè)電子對(duì)應(yīng)質(zhì)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(gè)軌道電子，而使核里的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變成中子，同時(shí)發(fā)射出一個(gè)中微子的過(guò)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(jié)合能。 將原子核質(zhì)量換成原子質(zhì)量，并忽略原子中電子結(jié)合能之差，則得： Q =(ＭX – Ｍ Y)C2－Wi 必須滿(mǎn)足Ｑ0，即ＭX – Ｍ YWi 時(shí)，才能進(jìn)行電子軌道俘獲。,25,由于核外軌道內(nèi)層電子空缺，所以此過(guò)程還伴隨特征X射線(xiàn)或俄歇電子的發(fā)射,26,γ衰變 —原子核由激發(fā)態(tài)通過(guò)發(fā)射γ光子躍遷到低能 態(tài)的過(guò)程。 γ衰變可用如下通式表示：,“同質(zhì)異能躍遷” “同質(zhì)異能態(tài)” 長(zhǎng)壽命的“同質(zhì)異能態(tài)” “同質(zhì)異能素” 核素 內(nèi)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象：原子核由激發(fā)態(tài)躍遷到低能態(tài)時(shí)，除發(fā)射γ光子外，還可以通過(guò)發(fā)射電子來(lái)完成。即把激發(fā)能直接較給核外內(nèi)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(chēng)為內(nèi)轉(zhuǎn)換（IC），發(fā)射出的電子稱(chēng)為內(nèi)轉(zhuǎn)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(wú)法預(yù)料，但也不是雜亂無(wú)章，而是服從于一定的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律。 下面我們?cè)谡n堂上介紹“放射性核素衰變的基本規(guī)律”，對(duì)“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(yīng)當(dāng)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(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的幾率。負(fù)號(hào)表示的數(shù)值隨時(shí)間而減少。 當(dāng)?t ０時(shí)，上式可寫(xiě)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(shí)，放射性原子的數(shù)目，N是在t時(shí)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(shí)際應(yīng)用中無(wú)法測(cè)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(qiáng)度（A），并且放射性原子數(shù)目的多少與放射性強(qiáng)度大小成正比，則式（1－6）可寫(xiě)為： A = A0e- ?t 式中，A0為t=0時(shí)放射性強(qiáng)度，A為t時(shí)刻放射性強(qiáng)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(shí)間，或放射性強(qiáng)度失去一半時(shí)所需的時(shí)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(nèi)的放射性核素由于生物代謝過(guò)程從體內(nèi)排出到原來(lái)一半所需的時(shí)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(guò)程共同作用減少到原來(lái)的一半所需時(shí)間。 物理半衰期 (T1/2)、生物半衰期(Tb)、有效半衰期（Ｔeff)之間的關(guān)系： ?eff = ?1/2 + ?b , Ｔeff =(T1/2 ? Tb)/(T1/2 + Tb),30,放射性強(qiáng)度及其單位,放射性強(qiáng)度是度量放射性強(qiáng)弱的基本物理量。它的定義是：一個(gè)放射源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生核衰變的次數(shù)，亦稱(chēng)衰變率。 強(qiáng)度單位:放射性強(qiáng)度的國(guó)際制單位（SI）是貝可勒爾（Becquerel）,簡(jiǎn)稱(chēng)：貝可，用符號(hào)Bq表示。1Bq的定義為：放射性核素在1秒鐘內(nèi)發(fā)生1次核衰變，即: 1 Bq =1 次衰變/秒=1dps 過(guò)去曾用的活度專(zhuān)用單位:“居里”,符號(hào)表示為:“Ci” 。 1Ci =103mCi =106 uCi 1Ci =3.7×1010衰變數(shù)/秒=3.7×1010 Bq 比強(qiáng)（活〕度：是指放射性樣品中，放射性核素的強(qiáng)度與樣品質(zhì)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(lái)表示，其單位為貝可/（Bq/L）或居里/升（Ci/L）等。,31,發(fā)射率、計(jì)數(shù)率和衰變率,發(fā)射率－是指放射源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射某種射線(xiàn)的個(gè)數(shù)，又稱(chēng)為放射源的射線(xiàn)強(qiáng)度。 衰變率－是指單位時(shí)間內(nèi)核衰變次數(shù)。（在強(qiáng)度單位中已經(jīng)介紹〕 計(jì)數(shù)率－是指射線(xiàn)進(jìn)入探測(cè)器后，由測(cè)量?jī)x器在單位時(shí)間內(nèi)記錄的脈沖數(shù)，其單位為計(jì)數(shù)/分（cpm）或計(jì)數(shù)/秒（cps）。 你已經(jīng)弄清楚它們之間的差別了嗎？,32,第四節(jié)：核射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用,１、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用 ２、γ輻射與物質(zhì)的相互作用,33,１、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用,電離或激發(fā) 當(dāng)帶電粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，它吸收物質(zhì)的核外電子產(chǎn)生庫(kù)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(gè)過(guò)程稱(chēng)為電離（直接電離）。 如果這個(gè)電子所獲得的能量不足于產(chǎn)生電離，而被激發(fā)到更高的電子能級(jí)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為激發(fā)。,34,１、帶電粒子與物質(zhì)的相互作用,散射－當(dāng)帶電粒子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，受到原子核或核外電子的庫(kù)侖力作用而偏轉(zhuǎn)。 反散射－有些粒子在物質(zhì)中經(jīng)過(guò)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(zhì)量、能量及吸收物質(zhì)密度有關(guān)。 韌致輻射－當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)的帶電粒子與吸收物質(zhì)的原子核碰撞，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)能量的電磁輻射發(fā)射出來(lái)。 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(zhì)的原子序數(shù)的平方成正比，與帶電粒子質(zhì)量的平方成反比。,35,在生物和醫(yī)學(xué)的能量范圍以?xún)?nèi)，帶電粒子與物質(zhì)作用時(shí)，通過(guò)電離和激發(fā)損失能量占主要地位。,36,２、γ輻射與物質(zhì)的相互作用,光電效應(yīng) ： γ光子與物質(zhì)中原子的束縛電子作用時(shí)，其能量全部轉(zhuǎn)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(guò)程稱(chēng)為光電效應(yīng)。 釋放出來(lái)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(chēng)為光電子。 光入射和光電子發(fā)射方向之間的夾角（θ）。 當(dāng)γ能量較低時(shí),θ≈900 處分布較多， 隨著光子能量的增加θ1Mev時(shí), 則θ100。,37,物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)后，原子核外內(nèi)層軌道留下空穴，可由外層電子躍遷填補(bǔ)，因此，發(fā)射光電子的同時(shí)也伴隨有特征X射線(xiàn)或餓歇電子的發(fā)射。,38,2、 γ輻射與物質(zhì)的相互作用,康普頓效應(yīng) γ光子與物質(zhì)原子相互作用，將一部分能量轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)方向。 θ角為散射角。φ為反沖角。 θ角變化范圍從00-1800時(shí)，對(duì)應(yīng)的φ由900-00。 當(dāng)θ=1800時(shí)的散射稱(chēng)為反散射。此時(shí)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(zhì)產(chǎn)生各種作用，直至喪失全部能量或逸出物質(zhì)。,39,3、γ輻射與物質(zhì)的相互作用,電子對(duì)效應(yīng) 當(dāng)γ光子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，在原子核的庫(kù)侖作用下，γ光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)光電子的過(guò)程。 γ光子的能量需大于產(chǎn)生兩個(gè)電子質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的能量即1.022Mev。 一定能量的γ光子與物質(zhì)作用產(chǎn)生的正,負(fù)電子能量的總和為常數(shù)。 正,負(fù)電子之間的能量分配是任意的，γ光子能量越大，正、負(fù)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(zhì)的原子序數(shù)不同，導(dǎo)致產(chǎn)生三種效應(yīng)的比例也不同，總結(jié)如下：,對(duì)低能γ光子（2Mev)高原子序數(shù)吸收物質(zhì)，電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。,41,