第五章 核医学物理精选文档.ppt
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1、第五章 核医学物理本讲稿第一页,共七十四页第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型 第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源第五章 核医学物理 本讲稿第二页,共七十四页一、原子核的组成和质量二、核素及分类三原子核的稳定性第一节 原子核的基本性质 第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第三页,共七十四页1原子核组成 由质子(proton)和中子(
2、neutron)组成的。质子和中子统称为核子(nucleon)。2原子质量 原子的质量等于原子核质量加上核外电子质量,再减去相当电子全部结合能的数值,一般电子组成原子的结合能很小,原子核质量等于原子质量与核外电子质量之差。一、原子核的组成和质量第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第四页,共七十四页 mp=1.007276 u mn=1.008665 u 一、原子核的组成和质量 质子和中子质量分别记作mp和mn。微观粒子质量很小,原子核物理学中常用“原子质量单位(atomic mass unit)”来量度
3、它们,记为“u”。SI规定:一个原子质量单位等于 原子质量的1/12。即第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源 kg10 82(83)5387 1.660 1u-27=本讲稿第五页,共七十四页3.核力(nuclear force)其具有以下四种特征:(1)核力与电荷无关(2)核力是短程强吸引力(3)核力具有饱和性一、原子核的组成和质量 将质子和中子结合在一起的特殊力。第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第六页,共七十四页
4、1.核素 二、核素及分类 原子核物理中把原子核内的Z,N和能量状态都相 同的原子核统称为核素(nuclide)2.按照稳定程度分类稳定性核素放射性核素(1)稳定性核素没有外来作用时,不发生核内结构或能级的变化的核素第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第七页,共七十四页(2)放射性核素(radioactive nuclide)。天然放射性核素铀、钋和镭等人工放射性核素钴、铯和铱等二、核素及分类能自发地放出某种射线而转变为别种核素 第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律
5、第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第八页,共七十四页2.按照Z与A的分类同位素同量异位素同质异能素(1)同位素(isotope)质子数Z相同而质量数A不同的核素氢有 、和 三种核素,分别叫做氢(氕)重氢(氘)和超重氢(氚)二、核素及分类 同位素占该元素总量的百分数称为该同位素的丰度(isotope abundance)第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第九页,共七十四页(2)同量异位素(isobar)质量数A相同而质子数Z不同的原子核(3)同质异能素(isomer)质量数A和质子数Z
6、均相同而处于不同能量状态的核素二、核素及分类第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第十页,共七十四页1质量亏损 原子核质量与组成它的所有核子质量总和之差称为质量亏损。例 核是由1个中子和1个质子组成,因此,可知它们的质量和应该为 但是,实际测量表明:1个 核(不是原子)质量仅为 2.013553 u。三原子核的稳定性mn+mp=1.008665 u+1.007276 u=2.015941 u。第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核
7、素的来源本讲稿第十一页,共七十四页由此两者质量相差(质量亏损)为根据爱因斯坦质能关系方程该式表示,原子核的质量亏损等效于原子核合成时有能量放出。三原子核的稳定性1质量亏损第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源u002388.0u13553.2u015941.2=-=DM2McED=D本讲稿第十二页,共七十四页2.平均结合能 由单个核子结合成原子核时放出的能量称为原子核的结合能。任一个原子核 的平均结合能 定义为:三原子核的稳定性第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节
8、原子核反应第五节 医用放射性核素的来源 设原子核的结合能为 ,核子数为A,则 称为平均结合能。AE/D=DeAcmNmZmAMcAEA/)(/2np 2-+=D=D=De本讲稿第十三页,共七十四页 式中Z,N分别表示质子数和中子数,mp,mn,mA分别表示质子、中子和原子核的质量。三原子核的稳定性 等式右端括号内就是Z个质子和N个中子结合成原子核时的质量亏损,即第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源AmNmZmM-+=Dnp本讲稿第十四页,共七十四页3.原子核的稳定性 在原子核物理学中常用平均结合能来表示原子核
9、的稳定性。因为平均结合能的大小可以表示原子核结合的松紧程度,平均结合能越大,则原子核分解为单个核子所需要的能量就越大,原子核就越稳定。三原子核的稳定性第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第十五页,共七十四页是原子核的平均结合能曲线三原子核的稳定性 中等质量原子核平均结合能比轻核和重核大,中等质量的核比较稳定。第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第十六页,共七十四页 重核区(质量数A-209)时,由于质子数增多,静
10、电斥力迅速增大,使平均结合能减少,核子之间结合比较松散,原子核也就显示出不稳定性。三原子核的稳定性是原子核的平均结合能曲线第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第十七页,共七十四页 所以,天然放射性核素大多数都是原子序数较大的重核,它们能够自发地衰变而放出射线。另外,如果核内的中子数与质子数比例失调,原子核也可能不稳定。原子核的稳定性还与核内质子数与中子数的奇偶性有关,当原子核内的质子数和中子数都是偶数时,原子核最稳定。三原子核的稳定性第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏
11、观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第十八页,共七十四页第二节 原子核衰变的类型 放射性核素自发放出射线变为另一种核素的过程称为原子核衰变,简称核衰变。放射性核素衰变类型衰变衰变衰变 核衰变过程将遵守质量、能量、动量、电荷和核子数守恒定律。第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第十九页,共七十四页第二节 原子核衰变的类型 一、衰变二、衰变三、衰变四、衰变纲图第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿
12、第二十页,共七十四页一、衰变 放射性核素放出粒子而衰变为另一种核素的衰变过程,称为衰变。衰变前后的质量数A和电荷数Z守恒,子核的质量数比母核的质量数少4,子核的电荷数比母核的电荷数少2 子核在元素周期表中的位置要向前移动两位,这种规律称为衰变的位移定则。第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第二十一页,共七十四页用 代表母核,代表子核,则衰变反应式为式中Q是衰变时所放出的能量,称为衰变能。实验表明,发生衰变的核素中,少数几种核素能够放射出单能的粒子,大多数核素将放射出几种不同能量的粒子,使子核处于激发态或
13、基态。射线的能谱是不连续的线状谱,常伴有射线。一、衰变第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第二十二页,共七十四页 核衰变过程可以用衰变能级图,镭 放出粒子变成氡 ,其过程为镭的衰变一、衰变第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第二十三页,共七十四页二、衰变 原子核内释放出电子或正电子的衰变过程统称为衰变过程。子核与母核是相邻的同量异位素。衰变衰变+衰变电子俘获衰变的三种形式 第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰
14、变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第二十四页,共七十四页1-衰变 衰变时,母核X放出一个负电子而转变成子核Y,子核的电荷数比母核的电荷数增加1。质量数不变,子核在元素周期表中的位置比母核后移一位,这就是衰变的位移定则。核内放出粒子(负电子 )的衰变过程。二、衰变第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第二十五页,共七十四页其一般过程为 反中微子与其他粒子的相互作用极其微弱,它沿地球直径穿过能量几乎没有损失。式中,是反中微子,它不带电,其静止质量基本为零。
15、子核与母核是相邻的同量异位素。二、衰变1-衰变第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第二十六页,共七十四页 和 的衰变二、衰变1衰变第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第二十七页,共七十四页2+衰变 核内放出+粒子(正电子)的衰变过程。+衰变时,母核X放出一个正电子而转变成子核Y,子核的电荷数比母核的电荷数减少1,而质量数相同,子核在元素周期表中的位置比母核向前移动一位,这就是+衰变的位移定则。二、衰变第一节 原子
16、核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第二十八页,共七十四页 +粒子是带1个单位正电荷且静止质量与电子相等的粒子。这种衰变只有在人工放射性核素才能发生。+衰变实际上是核内质子数偏多而中子数偏少,母核中的一个质子()同时发出一个正电子和中微子转变为一个中子()的过程。其一般过程为 式中 是中微子,它不带电,其静止质量基本为零。子核和母核也是相邻的同量异位素。二、衰变2+衰变第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源QAZAZ+e011-eY
17、X本讲稿第二十九页,共七十四页 +粒子是不稳定的,只能存在短暂时间,当它被物质阻碍失去动能后,可与物质中的电子相结合而转化成一对沿相反方向飞行的光子,每个光子的能量为0.511MeV,正好与电子的静止质量相对应。核医学诊断所用的正电子ECT(简称PET)影像设备就是利用该原理而成像。二、衰变2+衰变第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第三十页,共七十四页 和 的+衰变图二、衰变第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿
18、第三十一页,共七十四页3.电子俘获 发生衰变的原子核俘获一个核外电子,同时放出一个中微子,使核内一个质子转变为中子的衰变过程称为电子俘获(electron capture,EC)。衰变时母核俘获一个K层电子称K俘获。有L俘获和M俘获。K层最靠近原子核,K俘获的发生概率最大。二、衰变第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第三十二页,共七十四页其过程为 一个内层电子被原子俘获后,原子核的外层电子会立即将这一空位填充这个能量以标识X射线的形式放出,使另一外层电子电离,成为自由电子,这种被电离出的电子称为俄歇电子
19、(Auger electron)。二、衰变3.电子俘获第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第三十三页,共七十四页 的电子俘获衰变图二、衰变右图放射性核素发生衰变或电子俘获后,母核和子核的质量数并未发生变化,只是电荷数改变了。母核与子核属于同量异位素3.电子俘获第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第三十四页,共七十四页1.衰变 原子核从激发态(excited state)回复到基态(ground state),以发
20、射光子释放过剩的能量,这一过程称为衰变。激发态的原子核常是在衰变、衰变或核反应之后形成。射线的本质是中性的光子流。射线是一种电磁辐射。在放出射线过程中,原子核的质量数和电荷数都不改变,只是核的能量状态发生变化,故跃迁是属于同质异能跃迁。三、衰变第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源本讲稿第三十五页,共七十四页 例如,是衰变核素。衰变时放出射线,产生子体放射性核素 ,其半衰期为66.02h。然后,发射射线回到基态 ,其半衰期为6.03h。的衰变第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏
21、观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源三、衰变本讲稿第三十六页,共七十四页 在多数情况下,原子核处于激发态的时间很短暂,无法测出其时间间隔。可认为这两种衰变是同时进行的。例如,衰变同时放出射线和 射线。放出一定能量的、单纯衰变核素是核医学显像的最佳选择。如果用 表示的同质异能素 ,衰变可用下式表示第一节 原子核的基本性质第二节 原子核衰变的类型第三节 原子核衰变的宏观规律第四节 原子核反应第五节 医用放射性核素的来源QAZAZ+XXm三、衰变本讲稿第三十七页,共七十四页2.内转换 原子核从激发态向低能态跃迁时,并不能够辐射光子,而是将多余能量直接传递给核外内层电子,使其成为自由电
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