核射线及其与物质的相互作用.ppt

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1、第一章第一章 核射线及其与物质的相互作用核射线及其与物质的相互作用原子结构示意图原子结构示意图1 基本概念基本概念一、原子结构一、原子结构 原子是由原子核和核外电子组成的，原子原子是由原子核和核外电子组成的，原子核带正电，核外电子带负电，整个原子呈电中核带正电，核外电子带负电，整个原子呈电中性的。核外电子在轨道上运动时不吸收也不辐性的。核外电子在轨道上运动时不吸收也不辐射能量的状态称为射能量的状态称为定态定态（Stationary stateStationary state）；）；能量最低的定态称为能量最低的定态称为基态基态（Ground stateGround state）；）；能量较高的定

2、态称为能量较高的定态称为激发态激发态（ExcitedExcited state state）。）。原子核是由质子（原子核是由质子（p p）和中子和中子(n)n)组成的，组成的，质子和中子统称为核子（质子和中子统称为核子（nucleonnucleon），），质子带质子带正电，其电量与电子的电量相等，中子不带电。正电，其电量与电子的电量相等，中子不带电。质子数和中子数之和称为原子核的质量数质子数和中子数之和称为原子核的质量数(A)A)。(也就是化学里的原子量）也就是化学里的原子量）二二、核核素素(nuclide)nuclide)具具有有特特定定的的质质量量数数、原原子子序序数数和和核核能能态态的的

3、原原子子，统统称称为为核核素素。可可用用通通式式A AX X表表示示,目目前前已已知知的的元元素素虽虽仅仅100100多多种种，但但已已知知的的核核素素却却有有27002700多多种种。核核素素可可分分为为稳稳定定性性核核素素与与放放射射性性核核素素二二种种，其其中绝大多数为放射性核素。中绝大多数为放射性核素。三三、同同位位素素（isotopeisotope）凡凡原原子子核核内内质质子子数数相相同同(原原子子序序数数相相同同),),而而中中子子数数不不同同的的一一类类原原子子，彼彼此此互互称称为为同同位位素素,比比如如：1 1H H、2 2H H、3 3H H互互称称为为同同位位素素。每每种种

4、同同位位素素也也是一种核素。是一种核素。四四、同同质质异异能能素素（isomerisomer）核核内内质质子子数数和和中中子子数数均均相相同同，但但所所处处能能量量状状态态不不同同的的核核素素。如如9999TcTc与与9999m mTcTc，99m99mTcTc是是处处于于激激发发态态的的原原子子核核，激激发发态态向向基基态态过过渡渡时时将将放放出出多多余的能量。余的能量。2 核的稳定性和放射性衰变核的稳定性和放射性衰变 一、原子核的稳定性：一、原子核的稳定性：取决核子之间的取决核子之间的引力和短程核力。只有当中子数和质子数引力和短程核力。只有当中子数和质子数的比例在一定的范围内才能使这两种力

5、平的比例在一定的范围内才能使这两种力平衡原子核才是稳定的。衡原子核才是稳定的。二、衰变类型二、衰变类型 (一一)衰衰变变(alpha alpha decay)decay)：指指母母核核放放出一个出一个粒子（氦原子核）的过程。粒子（氦原子核）的过程。比如比如226226Ra(Ra(镭镭)衰变式如下：衰变式如下：226 226RaRa222222粒子的质量大且带电荷，故射程短，粒子的质量大且带电荷，故射程短，穿透力弱，在空气中只能穿透几厘米，一穿透力弱，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张纸就可屏蔽，因而不适合作核医学显像用。但用。但粒子对局部的电离作用强，对开粒子对局

6、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展体内恶性组织的放射性核素治疗具有潜在的优势。在的优势。（二）（二）衰变衰变(beta decay)beta decay)(1)(1)-衰衰变变：指指母母核核放放出出一一个个负负电电子子的的过过程程。-衰变发生在中子过剩的原子核。衰变发生在中子过剩的原子核。比如：比如：3333P(P(磷磷)衰变式如下：衰变式如下：3232PP3232S+eS+e-1-1+1.711 Mev+1.711 Mev -衰衰变变时时放放出出一一个个-粒粒子子和和反反中中微微子子，核核内内一一个个中中子子转转变变为为质质子子，因因而而子子核核比比母母核核中中子子数

7、数减减少少1 1，原原子子序序数数增增加加1 1，原原子子质质量量数数不不变变。-射射线线的的本本质质是是高高速速运运动动的的电电子子流流，-衰衰变变时时，衰衰变变能能随随机机分分配配给给-粒粒子子和和反反中中微微子子，因因而而-粒粒子子的的能能量量分分布布形形成成连连续续能能谱。谱。-粒粒子子穿穿透透力力弱弱，例例如如2 2MevMev的的-粒粒子子在在软软组组织织中中的的射射程程约约为为2 2cmcm，不不能能用用于于核核医医学学显显像像。某某些些-核核素素可可用用于于核核素素治治疗疗，例例如如：131131I I用用于于治治疗疗甲甲亢亢和和甲甲状状腺腺癌癌，3232P P可可用用于于血血

8、液液和和皮皮肤肤病的治疗。病的治疗。(2)(2)+衰衰变变：指指母母核核放放出出一一个个正正电电子子的的过过程程。发发生生在在中中子子缺缺乏乏的的核核素素，也也可可认认为为是是质子过剩。比如：质子过剩。比如：1313N(N(氮氮)衰变式如下：衰变式如下：13 13NN1313C+C+1.190 Mev +1.190 Mev 衰衰变变时时放放出出一一个个+粒粒子子和和中中微微子子，核核内内一一个个质质子子转转变变为为中中子子。正正电电子子的的射射程程仅仅1-1-2 2mmmm即发生湮灭辐射。即发生湮灭辐射。(3)(3)电电子子俘俘获获(electron electron capture capt

9、ure decaydecay，EC)EC)核核内内的的一一个个质质子子可可以以俘俘获获一一个个核核外外电电子子并并发发射射一一个个中中微微子子而而转转变变为为一一个个中中子子，所所形成的子核质量数不变，原子序数少形成的子核质量数不变，原子序数少1 1。比如比如125125I(I(碘碘)衰变式如下：衰变式如下：125 125I+eI+e-125125Te(Te(碲碲)+)+0.0355 Mev+0.0355 Mev。原原子子核核发发生生电电子子俘俘获获后后，外外层层电电子子留留下下一一个个空空轨轨道道，更更外外层层电电子子填填补补空空轨轨道道，将将多多余余的的能能量量以以电电磁磁辐辐射射或或光光

10、子子流流的的形形式式释释放放出出去去，这这种种电电磁磁辐辐射射或或光光子子流流称称为为“标识标识X X线线”。（三）（三）跃迁跃迁(transition)transition)1 1、同同质质异异能能跃跃迁迁(isomeric isomeric transition)transition)：原原子子核核发发生生衰衰变变、衰衰变变后后的的子子核核吸吸收收衰衰变变能能处处于于激激发发态态，激激发发态态的的子子核核向向基基态态过过渡渡时时将将多多余余的的能能量量以以电电磁磁辐辐射射或或光光子子流流的的形形式式释释放放出出去去，这这种种电电磁磁辐辐射射或或光光子子流流称称为为射射线线，这这个个过过程程

11、称称为为衰衰变变。9999m mTcTc(锝锝)衰变式如下：衰变式如下：9999m mTcTc9999Tc+Tc+2 2、内转换内转换(internal conversion)internal conversion)：激发态的原子激发态的原子核从激发态跃迁到基态时不放出核从激发态跃迁到基态时不放出射线，而将多余射线，而将多余的能量直接交给核外壳层电子，使轨道上的电子获的能量直接交给核外壳层电子，使轨道上的电子获得足够能量后脱离轨道成为自由电子称之为内转换，得足够能量后脱离轨道成为自由电子称之为内转换，该自由电子称为内转换电子。该自由电子称为内转换电子。3 3 核衰变规律核衰变规律一一、衰衰变变

12、规规律律：对对大大量量放放射射性性核核的的群群体体进进行行研研究究，发发现现其其衰衰变变遵遵循循一一种种普普遍遍的的衰衰减减规规律律，即即各各种种放放射射性性核核的的群群体体（样样品品）其其总总的的放放射射性性核核的的数数目目N N都都随随时时间间t t按按指指数数规规律衰减。律衰减。衰变公式：衰变公式：N=NN=No oe e-t-t 该式是表示核衰变的基本公式，适用该式是表示核衰变的基本公式，适用于任何一种单一存在的放射性核素。于任何一种单一存在的放射性核素。二、半衰期二、半衰期（一一）物物理理半半衰衰期期(T T1/21/2)：放放射射性性核核素素由由于于衰衰变变,其其原原子子核核数数目

13、目或或活活度度减减少少到到原原来来一一半半所需的时间所需的时间,用用T T 1/21/2表示。表示。（二二）生生物物半半衰衰期期(Tb)Tb)：放放射射性性核核素素由由于于生生物物代代谢谢,其其原原子子核核数数目目或或活活度度减减少少到到原原来来一半所需的时间。一半所需的时间。（三三）有有效效半半衰衰期期(Te)Te)：放放射射性性核核素素由由于于生生物物代代谢谢和和衰衰变变的的共共同同作作用用,其其原原子子核核数数目目或或活度减少到原来一半所需的时间。活度减少到原来一半所需的时间。三三者者的的关关系系可可用用下下式式表表示示：Te=Te=（T T1/21/2TbTb）（T T1/21/2+T

14、b+Tb）引引入入半半衰衰期期概概念念以以后后，核核衰衰变变的的公公式式可可改写成：改写成：N=N N=No oe e 或或A=AA=A0 0e e 按照这一公式，可根据某种放射性核按照这一公式，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素的半衰期和其出厂到使用时的间隔时间（t t）计算出使用时的放射性活度。计算出使用时的放射性活度。三、放射性活度及其单位三、放射性活度及其单位(一一)放射性活度放射性活度 单单位位时时间间内内核核衰衰变变的的次次数数，用用dpsdps或或dpmdpm来表示。来表示。(二二)放放射射性性活活度度单单位位：在在国国际际单单位位制制(SI)SI)中中，放

15、放 射射 性性 活活 度度 专专 名名 是是 贝贝 可可 勒勒 尔尔(Bequeral)Bequeral)，简简称称贝贝可可，符符号号是是BqBq，单单位位是是秒秒-1-1(s s-1-1)其其派派生生单单位位有有KBqKBq、MBqMBq、GBqGBq和和TBqTBq。1TBq=10 1TBq=103 3GBq=10GBq=106 6MBq=10MBq=109 9KBqKBq四四、放放射射性性比比活活度度：单单位位质质量量（摩摩尔尔、容容积）物质所含放射性的多少。积）物质所含放射性的多少。单单位位分分别别是是：MBq/mgMBq/mg、GBq/mgGBq/mg、TBq/gTBq/g或或MBq

16、/mmolMBq/mmol、GBq/mmolGBq/mmol、MBq/mlMBq/ml。后者常称为放射性浓度。后者常称为放射性浓度。4 4 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用一、带电粒子与物质的相互作用(一一)电电 离离 与与 激激 发发(ionization ionization and and excitation)excitation)电电离离：指指带带电电粒粒子子与与物物质质相相互互作作用用使使物物质质中中的中性原子变成离子对的过程。的中性原子变成离子对的过程。激激发发：如如果果核核外外电电子子所所获获动动能能不不足足以以使使之之成成为为自自由由电电子

17、子，只只是是从从内内层层跃跃迁迁到到外外层层，从从低低能级跃迁到高能级。能级跃迁到高能级。电电离离密密度度：单单位位路路径径上上形形成成的的离离子子对对的的数数目目。它它 表表 示示 的的 是是 射射 线线 电电 离离 作作 用用 强强 弱弱 的的 量量。（二）韧致辐射：（二）韧致辐射：-与物质相互作与物质相互作用会受到原子核电场的排斥，将部分用会受到原子核电场的排斥，将部分能量以电磁辐射或光子流的形式释放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韧出去，这种电磁辐射或光子流称为韧致辐射。韧致辐射的发生几率与致辐射。韧致辐射的发生几率与-的能量及被作用物质的原子序数成正的能

18、量及被作用物质的原子序数成正比。在实际工作中，为了尽可能地减比。在实际工作中，为了尽可能地减少少射线产生的韧致辐射，应该选用射线产生的韧致辐射，应该选用原子序数低的材料作为屏蔽材料，比原子序数低的材料作为屏蔽材料，比如铝、有机玻璃等。如铝、有机玻璃等。(三三)湮湮没没辐辐射射：+MevMev的的光光子子，这这个个过过程程称为湮没辐射，湮没辐射是称为湮没辐射，湮没辐射是PETPET显像的基础。显像的基础。（四）吸收和射程（四）吸收和射程 ：吸收：吸收：带电粒子引起电离和激发的同时逐带电粒子引起电离和激发的同时逐步损失能量，当其动能全部或接近全部消步损失能量，当其动能全部或接近全部消失时，原来的射

19、线不在存在，这一现象称失时，原来的射线不在存在，这一现象称为射线的吸收。为射线的吸收。射程：射程：射线从入射到完全消失所经过的直射线从入射到完全消失所经过的直线距离称为射线的射程。线距离称为射线的射程。二、二、射线（射线（X X射线）与物质的相互作用射线）与物质的相互作用(一一)光电效应光电效应(photoelectric effect)photoelectric effect)：光光子子与与物物质质相相互互作作用用，将将所所有有的的能能量量都都传传给给被被作作用用物物质质原原子子核核的的核核外外电电子子，使使其其脱脱离离原原子子核核的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，这这个个自自由由电电子

20、子称称为为光光电电子子，这这个个过过程程称称为为光光电电效效应应（由由光光子子到到电电子子）。发发射射光光电电子子的的原原子子内内层层电电子子出出现现空空位位，故可发射特征故可发射特征X X射线。射线。（二）康普顿效应（二）康普顿效应(Compton effect)Compton effect)：当光子的能量远大于壳层电子的当光子的能量远大于壳层电子的结合能时，结合能时，光子将其部分能量传给光子将其部分能量传给被作用物质原子核的核外电子，使其被作用物质原子核的核外电子，使其脱离原子核的束缚成为自由电子，这脱离原子核的束缚成为自由电子，这个自由电子称为康普顿电子，个自由电子称为康普顿电子，射线射

21、线失去部分能量改变运动方向射出，称失去部分能量改变运动方向射出，称为康普顿散射光子，这个过程称为康为康普顿散射光子，这个过程称为康普顿效应。普顿效应。(三三)电子对生成效应电子对生成效应(pair production)pair production)：MevMev的的射线与物质相互作用，射线与物质相互作用，MevMev的的能量是产生一对正负电子的最低极限值。能量是产生一对正负电子的最低极限值。射线与物质相互作用时产生的光射线与物质相互作用时产生的光电效应、康普顿效应和电子对生成效应电效应、康普顿效应和电子对生成效应的几率，随的几率，随光子的能量和物质原子序光子的能量和物质原子序数的不同而不同

22、。数的不同而不同。一一般般而而言言，低低能能射射线线通通过过高高原原子子序序数数物物质质时时以以光光电电效效应应为为主主；中中能能射射线线通通过过低低原原子子序序数数物物质质时时以以康康普普顿顿效效应应为为主主；而而高高能能射射线线通通过过高高原原子子序数物质时以电子对生成效应为主。序数物质时以电子对生成效应为主。射射线线与与物物质质相相互互作作用用产产生生的的光光电电子子、康康普普顿顿电电子子、生生成成电电子子对对等等次次级级电电子子可可以以进进一一步步引引起起物物质质的的电电离离和激发。和激发。三、中子与物质的相互作用三、中子与物质的相互作用（一一）弹弹性性散散射射（碰碰撞撞）：中中子子将

23、将一一部部分分能能量量传传给给被被碰碰撞撞的的原原子子核核，使使其其脱脱离离电电子子层层而而运运动动形形成成反反冲冲核核，反反冲冲核核使使物物质质的的其其他他原原子子发发生生电电离离和和激激发发，而而中中子子本本身身速速度度减减慢慢，方方向向改改变变，这这种种现现象象称称为为弹弹性性散散射射。实实验验表表明明：中中子子与与其其质质量量相相近近的的原原子子核核碰碰撞撞时时损损失失的的能能量量最最多多（如如氢氢核核），所所以以，中中子子易易于于被被含含氢氢多多的的物物质质如如水水、石石蜡蜡等等减减速速吸吸收收，这这中中子子防防护上具有重要意义。护上具有重要意义。（二二）核核反反应应：快快中中子子与与物物质质的的原原子子核核作作用用放放出出带带电电粒粒子子而而形形成成新新核核的的过过程程称称为为核核反反应应。形形成成的的新新核核如如果果是是放放射射性性核核素素则则继继续续衰衰变变放放射射出出、射射线线，使使物物质质原原子子产产生生电电离离或或激激发发，称称为为感感生生放放射射性性。中中子子与与物物质质相相互互作作用用产产生生核核反反应应是是中中子子反反应应堆堆工工作作的的基基础础，也也是是中中子子弹弹的的杀杀伤伤因因素素。比比如如2323Na+Na+1 10 0nn2424Na+Na+可可写写成成2323Na(nNa(n、)24 24Na Na 等等 。