第一章 核物理基础

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章 核物理基础,一,.,基本概念,1.,定态：,电子在轨道上运行既不吸收也不放出能量的状态。,2.,基态：,能量最低的定态。,3.,激发态：,能量较高的定态。,元素：,凡核内质子数相同的一类原子，称之 为元素。,5.,核素,(nuclide),：,凡原子核内质子数、中子,数和核能态均相同的一类原子，称为一种核素。,1,核射线及其与物质的相互作用,6.,同位素,(isotope,）,凡原子核内质子数相同,而中子,数不同的一类原子，彼此互称为同位素,比如：,1,H,、,2,H,、,3,H,互称为同位素,每种同位素也是一种,核素。同位素之间具有,完全相同的核外电子结,构，宏观化学性质和体内生物学行为。,同质异能素,(isomer),核内质子数和质量数均相,同，但所处能量状态不同的核素。如,99,Tc,与,99m,Tc,；,111,In,与,111m,In,等。,8.,放射性核素：,指原子核不稳定,易自发地发生核内,成,分,或,能态,的变化而转变为另一核素，同时释放出一,种或一种以上的射线。放射性核素按其来源可分为,天然,和,人工,两大类。,9.,稳定性核素：,一般不会自发地发生核内成分或能态,的变化，或者发生几率极小。已知的,2700,多种核素,中，稳定性核素不足,300,种，其余为放射性核素,。,二,.,放射性核素的原子核不稳定因素,只有两种力平衡原子核才是稳定的,三,.,影响原子核平衡力的因素, 中子质子比例不平衡，,主要发生,衰变；, 核子总数过多：,（,Z,83,），均为放射性,核素，,主要发生,衰变,.,2,核衰变方式,1.,衰变,(alpha decay),：,指母核放出一个,粒子的过程。,发生条件,：,A160,或,Z83,实 质,： 氦原子核,通 式,：,A,Z,X,A-4,Z-2,Y+,4,2,He+Q,实 例,：,226,88,Ra ,222,86,Rn+4.86Mev,特 性,：质量大，电荷多，射程短，穿透力弱，,在空气中只能穿透几厘米，一张纸就可屏蔽，因而,不适合作核医学显像用。但,粒子对局部的电离作,用强，对开展体内恶性组织的放射性核素治疗具有,潜在的优势。,2.,衰变,(beta decay),(1),-,衰变：,指母核放出一个负电子的过程。,发生条件,： 中子过剩的原子核。,实 质,：,负电子,高速运动的电子流。,通 式,：,A,Z,X,A,Z+1,Y+,-,+ + Q,实 例,：,32,15,P,32,16,S+,0,-1,e + +1.711 Mev,-,特 性,：,射程及,穿透力较,粒子强，,2Mev,的,-,粒子,在软组织中的射程约为,2cm,，,仍不能用于核医学显像，但,某些,-,核素可用于核素治疗，如：,131,I,用于治疗甲亢和甲,状腺癌，,32,P,可 用于血液病和皮肤病的治疗等。,(2),+,衰变：,指母核放出一个正电子的过程。,发生条件,：,发生在中子缺乏的核素，也可认为是质子过剩,.,发生,+,衰变的核素都是人工放射性核素,.,实 质,： 由核内产生的,向外发射的正电子。,通 式,：,A,Z,X,A,Z-1,Y+,+,+Q,实 例,：,13,7,N,13,6,C+,+,+1.190 Mev,+,特 性,： 质量与电荷数与电子相同，只是电荷性质相反,其射程仅,1-2mm,即发生湮灭辐射。,(3).,电子俘获,(electron capture decay,，,EC),：,核内的一个,质子可以俘获一个核外电子并发射一个中微子而转,变为一个中子,.,发生条件,：中子相对过少的放射性核素。,实 质,： 核内一个质子俘获一个电子而转变为中子。,通 式,：,A,Z,X+,-,e,A,Z-1,Y+Q,实 例,：,125,53,I+,-,e,125,52,Te(,碲,)+0.0355,Mev,贫中子核素,: Z,较小时,+,衰变为主,; Z,较大时,EC,为主,;,中等,Z,范围内,各以一定的概率发生,.,标识,X,射线：,当发生电子俘获时，由于核外,电子壳层缺少一个电子，留下一个空位，使,外层电子向内层补充，同时将多余的能量以,X,线形式放出，称为标识,X,射线。,俄歇电子：,如不足以释放,X,射线，而是把能量,传给壳层电子，使之脱离轨道，形成自由电,子，称为“俄歇电子”。,3.,跃迁,( transition),又称同质异能跃迁,(isomeric transition),：,原子核发生,衰变、,衰变后的子核吸收衰变能处于激发态，激发态的子核向基态过渡时将多余的能量以电磁辐射或光子流的形式释放出去，这种电磁辐射或光子流称为,射线，这个过程称为,衰变。是一种继发的核衰变。,条 件,：伴随其他衰变继发的发生,实 例,：,99,M,O,-,99m,Tc,99,Tc,实 质,：高速运动的光子流,射线特性,：射程极大，极强的穿透力，电离能力相对其他射,线最弱,;,内转换,(internal conversion),：,射 线,本 质,氦原子核,电子流,光子流,穿 透 力,弱,较强,最强,电离能力,最强,较强,弱,内照射危害,最大,较大,小,外照射危害,小,较大,最大,3,核衰变规律,一、核衰变规律：,把放,射性核素数目作为一个群,体进行研究，发现放射性,核素的数目都随时间,t,按,指数规律,衰减。,衰变公式：,N=,N,o,e,-t,N = N,0,e,-,t,二、半衰期,1,、物理半衰期,(T,1/2,),：,放射性核素由于衰变,其原子,核数目或活度减少到原来一半所需的时间,用,T,1/2,表示,2,、生物半衰期,(Tb),：,3,、有效半衰期,(Te),：,引入半衰期概念以后，核衰变的公式可改写成：,N = N,o,e,-0.693t/T,1/2,或,A = A,0,e,-0.693t/T1/2,按照这一公式，可根据某种,放射性核素的半衰期,和其,出厂到使用时的间隔时间（,t,）计算出使用时的放射,性活度。,三、放射性活度及其单位,(,一,),放射性活度：单位时间内核衰变的次数，用,A,来表,示。,(,二,),放射性活度单位：在国际单位制,(SI),中，放射性活,度专名是贝可勒尔,(,Bequeral,),，简称贝可，符号是,Bq,，单位是秒,-1,(s,-1,),其派生单位有,KBq,、,MBq,、,GBq,和,TBq,。,旧有单位,:,居里,(,ci,),1TBq=10,3,GBq=10,6,MBq=10,9,KBq,四、放射性比活度及单位,单位质量（摩尔、容积）物质所含放射性的多少,后,者常称为放射性浓度。,4,核射线与物质的相互作用,一、带电粒子与物质的相互作用,(,一,),电离与激发,(ionization and excitation),电离：,指带电粒子与物质相互作用,使物质中的中性原子变成离子对的过程。,激发：,如果核外电子所获动能不足以使之成为自由电子，只是从内层跃迁到外层，从低能级跃迁到高能级,这一过程称之激发。,电离密度,：单位路径上形成的离子对的数目。它表示的是射线电离作用强弱的量。与带电粒子所带电荷数、行进速率及被作用物质的密度有关，,。,(,二,),韧致辐射：,较高能量的,-,可能在行进的过程中到达原子核附近，这时会受到库伦电场的作用而急剧减速，损失的能量转变为电磁辐射以,X,射线的形式释放出去，这种辐射称为韧致辐射。韧致辐射的发生几率与,带电粒子质量的平方成反比,与,-,粒子能量及被作用物质的原子序数的平方成正比。因此，韧致辐射应选用原子序数低的材料作为屏蔽材料，比如铝、有机玻璃等。,(,三,),湮没辐射：,+,通过物质时，在原子核及核外电子的作用下急剧减速直至停止，静止后的正电子与环境中的一个负电子结合，生成一对发射方向相反能量各为,0.511Mev,的,光子，这个过程称为湮没辐射，湮没辐射是,PET,显像的基础。,(,四,),吸收和射程,二、,射线（,X,射线）与物质的相互作用,(,一,),光电效应,(photoelectric effect),：,发射光电子的原子内层电子出现空位，故可发射特征,X,射线,。,发生条件,:,多发生在低能量,：0.5,MeV,。,（二）康普顿效应,(Compton effect),：,发生条件,:,多发生在中等能量：0.5-1.0,MeV,。,康普顿电子,康普顿散射光子,(,三,),电子对生成效应,(pair production),：,可看作湮没辐射的逆过程。,发生条件,:,发生在能量足够大的光子1.02,MeV,三、中子与物质的相互作用,（一）弹性散射（碰撞）：,中子将一部分能量传给被碰撞的原子核，使其脱离电子层而运动形成反冲核，反冲核使物质的其他原子发生电离和激发，而中子本身速度减慢，方向改变，这种现象称为弹性散射。实验表明：中子与其质量相近的原子核碰撞时损失的能量最多（如氢核），所以，中子易于被含氢多的物质如水、石蜡等减速吸收，这中子防护上具有重要意义。,（二）核反应：,快中子与物质的原子核作用放出带电粒子而形成新核的过程称为,核反应,。形成的新核如果是放射性核素则继续衰变放射出,、,射线，使物质原子产生电离或激发，称为,感生放射性。,中子与物质相互作用产生核反应是中子反应堆工作的基础，也是中子弹的杀伤因素。,比如：,23,Na+,1,0,n,24,Na+,可写成,23,Na(n,、,),24,Na,。,