放射性衰变基本知识精选PPT.ppt

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1、关于放射性衰变基本知识第1页，讲稿共36张，创作于星期二第2页，讲稿共36张，创作于星期二 原子是由原子核和核外电子组成的，原子核带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，整个原子呈电中性的。核正电，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射能量的状态外电子在轨道上运动时不吸收也不辐射能量的状态称为称为定态定态（Stationary stateStationary state）；）；能量最低的定能量最低的定态称为态称为基态基态（Ground stateGround state）；）；能量较高的定态能量较高的定态称为称为激发态激发态（Excit

2、edExcited 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，质组成的，质子和中子统称为核子（子和中子统称为核子（nucleonnucleon），），质子带正电，其质子带正电，其电量与电子的电量相等，中子不带电。质子数和中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子数之和称为原子核的质量数(A)A)。第3页，讲稿共36张，创作于星期二二二、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

3、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，其其中中绝绝大大多数为放射性核素。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互称为同位素。每种同位素也是一种核素。互称为同位素。每种同位素也是一种核素。第4页，讲稿共36

4、张，创作于星期二同位素同位素第5页，讲稿共36张，创作于星期二四四、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，激发态向基态过渡时将放出多余的能量。激发态向基态过渡时将放出多余的能量。2 2 核的稳定性和放射性衰变核的稳定性和放射性衰变 一一、原原子子核核的的稳稳定定性性：取取决决核核子子之之间间的的引引力力和和短短程程核核力力。只只有有当当核核子子总总数数以以及及中中子子数数和和质

5、质子子数数的的比比例例在在一一定定的的范范围围内内才才能能使使这这两两种力平衡，原子核才是稳定的。种力平衡，原子核才是稳定的。第6页，讲稿共36张，创作于星期二二、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出一一个个粒子（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 226RaRa222222Rn+4.86MevRn+4.86Mev粒子的质量大且带电荷，故射程短，穿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，一张纸透力弱，在空气中只能穿透几厘米

6、，一张纸就可屏蔽，因而不适合作核医学显像用。但就可屏蔽，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。组织的放射性核素治疗具有潜在的优势。第7页，讲稿共36张，创作于星期二第8页，讲稿共36张，创作于星期二（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：3 32 2P(P(磷磷)衰变式如下：衰变式如下：3232PP3232S+eS+e-1

7、-1+e+1.711 Mev+e+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-粒粒子子的能量分布形成连续能谱。的能量分布形成连续能谱。第9页，讲稿共36张，创作于星期二第10页，讲稿共36张，创作于星期二-粒粒子子穿穿透透力力弱弱，例例如如2 2M

8、evMev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甲状腺癌，和甲状腺癌，3232P P可用于血液和皮肤病的治疗。可用于血液和皮肤病的治疗。(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相相对对缺缺乏乏的的核核素素，也也可可认认为为是是质质子子过过剩剩。比如：比如：1313N(N(氮氮)衰变式如下：衰变式如下：13 13NN1313C+C+1.190 Mev +1.190 Me

9、v 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1-21-2mmmm即即发发生生湮湮灭灭辐射。辐射。第11页，讲稿共36张，创作于星期二(3)(3)电电子子俘俘获获(electron electron capture capture 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，所所形形成成的的子核质量数不变，原子序数少子核质量数不变，原子序数少1 1。比如比如125125I(I(碘碘)衰

10、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子子流流的的形形式式释释放放出出去去，这这种电磁辐射或光子流称为种电磁辐射或光子流称为“标识标识X X线线”。第12页，讲稿共36张，创作于星期二第13页，讲稿共36张，创作于星期二（三）（三）跃迁跃迁(transition)transition)1 1、同同质质异异能能跃跃迁迁(iso

11、meric 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，这这个过程称为个过程称为衰变。衰变。9999m mTc(Tc(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 conversio

12、n)：激发态的原子核从激激发态的原子核从激发态跃迁到基态时不放出发态跃迁到基态时不放出射线，而将多余的能量直接交射线，而将多余的能量直接交给核外壳层电子，使轨道上的电子获得足够能量后脱离轨给核外壳层电子，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，该自由电子称为内转换电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。子。第14页，讲稿共36张，创作于星期二第15页，讲稿共36张，创作于星期二第16页，讲稿共36张，创作于星期二第17页，讲稿共36张，创作于星期二3 3 核衰变规律核衰变规律一一、衰衰变变规规律律：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，

13、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数目的数目N N都随时间都随时间t t按指数规律衰减。按指数规律衰减。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，适用于任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。何一种单一存在的放射性核素。第18页，讲稿共36张，创作于星期二二、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目或或活活度度减减少少到到原原来

14、来一一半半所所需需的时间的时间,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一一半半所需的时间。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活度度减减少到原来一半所需的时间。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+Tb+Tb）第19页，讲稿共36张

15、，创作于星期二 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改写成：写成：N=N N=No oe e-0.693t/T1/2-0.693t/T1/2 或或A=AA=A0 0e e-0.693t/T1/2-0.693t/T1/2 按照这一公式，可根据某种放射性核素的按照这一公式，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（半衰期和其出厂到使用时的间隔时间（t t）计算计算出使用时的放射性活度。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dpmd

16、pm来表示。来表示。第20页，讲稿共36张，创作于星期二(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、容容积积）物质所含放射性的多少。物质所含放

17、射性的多少。单单 位位 是是MBq/mgMBq/mg、GBq/mgGBq/mg、TBq/gTBq/g或或MBq/mmolMBq/mmol、GBq/mmolGBq/mmol、MBq/mlMBq/ml。后后者者常常称称为为放射性浓度。放射性浓度。第21页，讲稿共36张，创作于星期二4 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)电离与激发电离与激发(ionization and excitation)ionization and 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的中中性

18、性原原子子变成离子对的过程。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，只是从内层跃迁到外层，从低能级跃迁到高能级。子，只是从内层跃迁到外层，从低能级跃迁到高能级。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。它它表表示的是射线电离作用强弱的量。示的是射线电离作用强弱的量。第22页，讲稿共36张，创作于星期二（二）韧致辐射：（二）韧致辐射：-与物质相互作用与物质相互作用会受到原子核电场的排斥，将部分能量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出去，以电磁辐射或光子流的形式释放

19、出去，这种电磁辐射或光子流称为韧致辐射。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韧致辐射的发生几率与-的能量及被作的能量及被作用物质的原子序数成正比。在实际工作用物质的原子序数成正比。在实际工作中，为了尽可能地减少中，为了尽可能地减少射线产生的韧射线产生的韧致辐射，应该选用原子序数低的材料作致辐射，应该选用原子序数低的材料作为屏蔽材料，比如铝、有机玻璃等。为屏蔽材料，比如铝、有机玻璃等。第23页，讲稿共36张，创作于星期二(三三)湮湮没没辐辐射射：+与与物物质质相相互互作作用用会会受受到到原原子子核核电电场场的的吸吸引引，正正负负电电子子结结合合成成为为一一对对能能量量各各为为0

20、.5110.511MevMev的的光光子子，这这个个过过程程称称为为湮湮没没辐辐射射，湮没辐射是湮没辐射是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步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失时，损失能量，当其动能全部或接近全部消失时，原来的射线不在存在，这一现象称为射线的原来的射线不在存在，这一现象称为射线的吸收。吸收。射程：射程：射线从入射到完全消失所经过的直线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。距离称为射线的射程。第24页，讲稿共36张，创作于星期二第25页，讲稿共36张，创

21、作于星期二二、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电子出现空位，故可发射特征层电子出现空位，故可发射特征X X

22、射线。射线。第26页，讲稿共36张，创作于星期二（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结合当光子的能量远大于壳层电子的结合能时，能时，光子将其部分能量传给被作用光子将其部分能量传给被作用物质原子核的核外电子，使其脱离原子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，这个自由电子核的束缚成为自由电子，这个自由电子称为康普顿电子，称为康普顿电子，射线失去部分能量改射线失去部分能量改变运动方向射出，称为康普顿散射光子，变运动方向射出，称为康普顿散射光子，这个过程称为康普顿效应。这个过程称为康普顿效应。第2

23、7页，讲稿共36张，创作于星期二(三三)电子对生成效应电子对生成效应(pair production)pair production)：能量超过能量超过1.021.02MevMev的的射线与物质相互射线与物质相互作用，作用，光子在原子核电场的作用下产生光子在原子核电场的作用下产生一对正负电子，这种作用称为电子对生成一对正负电子，这种作用称为电子对生成效应。效应。1.021.02MevMev的能量是产生一对正负电的能量是产生一对正负电子的最低极限值。子的最低极限值。射线与物质相互作用时产生的光电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的几效应、康普顿效应和电子对生成效应的几

24、率，随率，随光子的能量和物质原子序数的不光子的能量和物质原子序数的不同而不同。同而不同。第28页，讲稿共36张，创作于星期二 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序数数物物质质时时以以电子对生成效应为主。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可以进一步引起物质的电离和激发。子可以进一步引起物质的

25、电离和激发。第29页，讲稿共36张，创作于星期二第30页，讲稿共36张，创作于星期二三、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

26、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，这这在在中中子子防护上具有重要意义。防护上具有重要意义。第31页，讲稿共36张，创作于星期二（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

27、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、)2424Na Na 等等 。第32页，讲稿共36张，创作于星期二5 5 常用辐射量及其单位常用辐射量及其单位一、照射量一、照射量(exposure)exposure)：是直接度量是直接度量X X、射射线对空气电离能力的量，可间接反映线对空气电离能力的量，可间接反映X X、辐辐射场的强弱的一种物理量，其定义是：射场的强弱的一种物理量，其定义是：X X或或射射线在单位质量为线在单位质量为dmdm的空气中与原子核相互作的空气中与原子核相互作用，释

28、放出来的全部正负电子完全被阻止时，用，释放出来的全部正负电子完全被阻止时，所产生的同一种符号的离子总电荷的绝对值所产生的同一种符号的离子总电荷的绝对值dQdQ与与dmdm之比，即之比，即X=dQ/dmX=dQ/dm。照照射射量量的的SISI单单位位为为库库仑仑千千克克-1-1。照照射射量量仅仅适适用用于于能能量量在在1010Kev-3MevKev-3Mev范范围围内内的的X X、射射线。线。第33页，讲稿共36张，创作于星期二二、吸收剂量二、吸收剂量(absorbed dose)absorbed dose)：单位质量单位质量(dm)dm)被被照射物质所吸收的任何电离辐射的平均能量照射物质所吸收

29、的任何电离辐射的平均能量dEdE，用用D D表表示：示：D=dE/dmD=dE/dm 吸收剂量的吸收剂量的SISI单位为单位为J Jkgkg-1-1，SISI单位单位专名为戈瑞，符号专名为戈瑞，符号GyGy，Gy=1JGy=1Jkgkg-1-1。三、当量剂量三、当量剂量(equivalemtequivalemt dose)dose)：是衡量各种辐是衡量各种辐射对生物机体危害程度的物理量。它是修正后的吸射对生物机体危害程度的物理量。它是修正后的吸收剂量，即吸收剂量与辐射权重因子的乘积。用收剂量，即吸收剂量与辐射权重因子的乘积。用H H表示，即表示，即H HT TR R=W=WR RD DT TR R。当量剂量的。当量剂量的SISI单位是焦耳单位是焦耳千克千克-1-1(J JKgKg-1-1)。专名为希沃特，符号专名为希沃特，符号SvSv，当量剂量专门当量剂量专门用于放射防护。用于放射防护。第34页，讲稿共36张，创作于星期二不同种类射线的品质因数（权重因子）不同种类射线的品质因数（权重因子）射线种类射线种类品质因数品质因数、射线射线射线、电子射线、电子质子质子射线射线热中子（慢中子）热中子（慢中子）快中子快中子(能量大于能量大于100kev)111020310第35页，讲稿共36张，创作于星期二感谢大家观看第36页，讲稿共36张，创作于星期二