药学物理原子物理.pptx

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1、 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素 核磁共振核磁共振核磁共振核磁共振 本本 章章 要要 点点第十四章第十四章 原原 子子 核核第1页/共53页第一节第一节 原子核的结构和基本性质原子核的结构和基本性质一、原子核的组成与质量一、原子核的组成与质量一、原子核的组成与质量一、原子核的组成与质量1.原子核的电荷数原子核的电荷数(nuclear charge)Z:原子序数原子序数(nuclear number)

2、Z：2.核子核子(nucleon):组成原子核的质子和中子组成原子核的质子和中子.原子质量单位原子质量单位(atomic mass unit)u3.原子核的质量和质量数原子核的质量和质量数A:质子质子(proton)：中子中子(neutron)：原子核的质量的近似：原子核的质量的近似：第2页/共53页4.核素核素(nuclide)：一类具有确定的质子数、核子数和能量状态一类具有确定的质子数、核子数和能量状态的中性原子称为核素。用符号的中性原子称为核素。用符号 或或 。同位素同位素(isotope)：同一种元素的核内可以含有多种核子数，即同一种元素的核内可以含有多种核子数，即它们具有它们具有相同

3、的质子数而中子数不同相同的质子数而中子数不同相同的质子数而中子数不同相同的质子数而中子数不同,它们在元素周期表占据它们在元素周期表占据同一位置同一位置,具有相同的化学性质。如氢的同位素具有相同的化学性质。如氢的同位素 。同量异位素同量异位素(isobar)：质量数相同，质子数不同质量数相同，质子数不同质量数相同，质子数不同质量数相同，质子数不同的一类核数。的一类核数。如如 。同核异能素同核异能素(isomer)：质量数和质子数都相同而处在不同能量质量数和质子数都相同而处在不同能量状态的一类核数。如状态的一类核数。如 。同中子异位素同中子异位素(isotone)：中子数相同，质子数不同中子数相同

4、，质子数不同中子数相同，质子数不同中子数相同，质子数不同的一类核数。的一类核数。如如 。第一节第一节第一节第一节 原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性质质质质第3页/共53页1.1.质量亏损质量亏损(mass defect):(mass defect):2.2.结结 合合 能能(binding energy):(binding energy):二、原子核的质量亏损与结合能二、原子核的质量亏损与结合能二、原子核的质量亏损与结合能二、原子核的质量亏损与结合能第一节第一节第一节第一节 原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性原子核的结构

5、和基本性质质质质第4页/共53页3.3.比结合能比结合能(specific binding energy):(specific binding energy):物理意义：物理意义：若把一个核子放入原子核里，则平均释放能量若把一个核子放入原子核里，则平均释放能量。反。反之若从核内取出一个核子，则需要克服原子核对核子的引力平均之若从核内取出一个核子，则需要克服原子核对核子的引力平均做功做功 。因此，。因此，越大，表示核子间结合得越紧密，越大，表示核子间结合得越紧密，的大小可的大小可以作为核稳定性的量度。以作为核稳定性的量度。自然界中各种核的结合能相差甚大，但自然界中各种核的结合能相差甚大，但比结合

6、能却相差不大比结合能却相差不大,如下页图。如下页图。重核裂变：重核裂变：重核裂变：重核裂变：原子弹、原子能反应堆等原子弹、原子能反应堆等轻核聚变：轻核聚变：轻核聚变：轻核聚变：氢弹等氢弹等第一节第一节第一节第一节 原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性质质质质第5页/共53页第一节第一节第一节第一节 原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性质质质质第6页/共53页1.1.原子核的大小原子核的大小:原子核的密度原子核的密度:核半径比原子半径小核半径比原子半径小106倍。豌豆粒大小的核倍。豌豆粒大小的核(mm)，其原

7、子半，其原子半径约为径约为 km。普通物质的密度普通物质的密度:三、原子核的基本性质三、原子核的基本性质三、原子核的基本性质三、原子核的基本性质第一节第一节第一节第一节 原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性质质质质第7页/共53页核力：核子之间存在的一种短程强吸引力。核力：核子之间存在的一种短程强吸引力。（1）核力是一种短程力；）核力是一种短程力；（2）核力与电荷无关；）核力与电荷无关；（3）核力是具有饱和性的交换力。）核力是具有饱和性的交换力。2.2.核力核力(nuclear force)(nuclear force)第一节第一节第一节第一节 原子

8、核的结构和基本性原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性原子核的结构和基本性质质质质第8页/共53页第二节第二节第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应 有些核素的原子核是不稳定的，能自发地放出由某些离子有些核素的原子核是不稳定的，能自发地放出由某些离子组成的射线后变为另一种核素，这类核素称为组成的射线后变为另一种核素，这类核素称为放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素。如铀，钚等元素周期表中序数较大的元素。放射性，核衰如铀，钚等元素周期表中序数较大的元素。放射性，核衰变。变。衰变的类型衰变的类型衰变的类型衰变的类型 粒子

9、：粒子：核核 粒子：电子；粒子：电子；+粒子：正电子粒子：正电子 光子：能量高于光子：能量高于X射线射线守恒规律：电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律：电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律：电荷数、质量数、能量、动量和核子数。守恒规律：电荷数、质量数、能量、动量和核子数。第9页/共53页第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第10页/共53页1.1.衰变衰变:(1)衰变：衰变：质量数质量数A209的放射性核素自发地放射的放射性核素自发地放射 射线而变成射线而变成 另一种核素的现象。另一种核素的现象。(2)衰变过程式衰变过程式:(3)衰变位移法则：衰变位移

10、法则：子核子核Y比母核比母核X 电荷数减少电荷数减少2，核子数减少，核子数减少4，在，在 元素周期表要前移元素周期表要前移2位。位。(4)(4)衰变纲图：衰变纲图：一、一、一、一、放射性衰变放射性衰变放射性衰变放射性衰变第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第11页/共53页2.2.衰变衰变(2)衰变：衰变：(3)+衰变：衰变：(4)电子俘获：电子俘获：(1)衰变：衰变：放射性核素自发地放射放射性核素自发地放射 射线（高速电子）射线（高速电子）或俘获轨道电子而变成另一种核素的现象。或俘获轨道电子而变成另一种核素的现象。(5)俄歇电子俄歇电子(Auger electron

11、)：一个内层电子被俘获后，外层一个内层电子被俘获后，外层电子会立即填补这一空位，同时释放能量。这个能量可以发电子会立即填补这一空位，同时释放能量。这个能量可以发射标识射标识X射线的形式放出，也可以使另一外层电子电离成为射线的形式放出，也可以使另一外层电子电离成为自由电子。这种被电离的电子称为俄歇电子。自由电子。这种被电离的电子称为俄歇电子。第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第12页/共53页(6)能谱图：能谱图：由于由于 衰变过程中有中微子参与，衰变所放出的能量将在电子、衰变过程中有中微子参与，衰变所放出的能量将在电子、中微子和子核之间任意分配，因此中微子和子核之间

12、任意分配，因此 射线的能谱是连续的射线的能谱是连续的射线的能谱是连续的射线的能谱是连续的。N 粒子动能粒子动能 Emax E峰值峰值 粒粒子子数数第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第13页/共53页(1)衰变衰变:同核异能跃迁同核异能跃迁.(2)内转换内转换:在某些情况下在某些情况下,原子核从激发态向低能级的激发态或原子核从激发态向低能级的激发态或基态跃迁时基态跃迁时,不是通过放出光子不是通过放出光子,而是通过核外电子发生能量而是通过核外电子发生能量交换把能量交给电子交换把能量交给电子,使其脱离原子的束缚成为自由电子使其脱离原子的束缚成为自由电子内转换电子内转换电子

13、内转换电子内转换电子。(3)内转换过程中内转换过程中,由于释放电子而在原子的内壳层出现空位，由于释放电子而在原子的内壳层出现空位，外层电子将会填充这个空位而发射标识外层电子将会填充这个空位而发射标识X射线或俄歇电子。射线或俄歇电子。3.3.衰变与内转换衰变与内转换第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第14页/共53页(4)衰变纲图：衰变纲图：第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第15页/共53页1.1.核衰变规律核衰变规律:2.2.半衰期半衰期(half life):(half life):积分得：积分得：为衰变常数为衰变常数(decay c

14、onstant)：表示一个原子核单位时间内发表示一个原子核单位时间内发生衰变的概率。生衰变的概率。OtN123二、衰变规律二、衰变规律二、衰变规律二、衰变规律第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第16页/共53页3 3有效半衰期有效半衰期(effective half life period)(effective half life period)4 4平均寿命平均寿命(mean life time)(mean life time)半衰期、平均寿命与衰变常数的关系：半衰期、平均寿命与衰变常数的关系：第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第17页

15、/共53页5.5.放射性活度放射性活度(radioactivity)(radioactivity)单位：单位：1Bq=1核衰变核衰变/秒秒 1Ci(居里居里)=3.7 1010 Bq 放射源单位时间内发生衰变的母核数，称为放射性活度。放射源单位时间内发生衰变的母核数，称为放射性活度。第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第18页/共53页入入射射粒粒子子靶靶 核核反反 冲冲 核核反应能：反应能：Q=EY+Eb Ea反应后质量亏损：反应后质量亏损：m=(mX+ma)(mY+mb)反应能：反应能：E=mc2，m0，放出能量；，放出能量；m0，吸收能量。，吸收能量。三、人工核

16、反应三、人工核反应三、人工核反应三、人工核反应(artificial nuclear reaction(artificial nuclear reaction)第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第19页/共53页1.1.中子核反应中子核反应 (n n,),(),(n n,p p),(),(n n,),),(n n,2n2n)2.2.质子核反应质子核反应 (p p,),(),(p p,n n),(),(p p,)3.3.氘核的核反应氘核的核反应 (d d,p p),(),(d d,n n),(),(d d,),(),(d d,3 3HH),(d,),(d,2n2n)4

17、.4.粒子的核反应粒子的核反应(,p p),(),(,n n)5.5.光致光致核反应核反应 (,n n)第二节第二节 放射性、衰变规律、核反应放射性、衰变规律、核反应第20页/共53页照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能照射剂量就是单位体积或单位质量被照射物质所吸收的能量；量；量；量；测量照射剂量主要依据在标准状态下干燥空气中测量辐射测量照射剂量主要依据在标准状态下干燥空气中测量辐射产生产生的电离效应，即测量的电离效应，即测量X射线和射线和 射线在单位质量空气中产生射线在单位质量空

18、气中产生的正的正（或负）离子电量来表征（或负）离子电量来表征X射线和射线和 射线的照射量。射线的照射量。单位：单位：C/kg或伦琴或伦琴(R)；1R=2.58104 C/kg第三节第三节第三节第三节 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素一、放射线剂量一、放射线剂量一、放射线剂量一、放射线剂量(irradiation dose)(irradiation dose)1.1.照射剂量照射剂量 (exposure dose)(exposure dose)第21页/共53页吸收剂量是被照射物质单位质量所吸收的电离能量；吸收剂量是被照射物质单位质量所吸收的电离能量；它是衡量单位质量受照射物质吸收辐射能

19、量多少的一个物理它是衡量单位质量受照射物质吸收辐射能量多少的一个物理量。量。单位：单位：J/kg或戈瑞或戈瑞(Gy)；1 Gy=1 J/kg;拉德拉德(rad)；1 Gy=100 rad2.2.吸收剂量吸收剂量 (absorbed dose)(absorbed dose)第三节第三节第三节第三节 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素第22页/共53页生物体内单位质量的组织，从各种射线中吸收同样多能量，生物体内单位质量的组织，从各种射线中吸收同样多能量，所产生的生物学效应有很大差别，这是因为射线对细胞的所产生的生物学效应有很大差别，这是因为射线对细胞的损损伤，不但与它吸收的能量和产生的离子有

20、关，还与电离的伤，不但与它吸收的能量和产生的离子有关，还与电离的密集密集程度有关。书中程度有关。书中表表14-4 是射线的是射线的RBE。单位：希沃特单位：希沃特(Sv)3.3.生物相对有效倍数和生物等效剂量生物相对有效倍数和生物等效剂量第三节第三节第三节第三节 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素第23页/共53页 由由表表14-4可可知知,粒粒子子的的RBE=20,粒粒子子的的RBE=1,所所以以甲甲的的肺肺组组织织受受到到的的等等效效剂剂量量为为：2 10 3 20=4.0 10 2 Sv 同理同理,乙的肺组织受到等效剂量为：乙的肺组织受到等效剂量为：1 10 3 20+1 10 3

21、 1=2.1 10 2 Sv 相比之下，甲受到的辐射影响比乙大。相比之下，甲受到的辐射影响比乙大。例例 有有甲甲、乙乙两两人人,甲甲的的肺肺组组织织受受 粒粒子子照照射射,吸吸收收剂剂量量为为2mGy.乙乙的的肺肺组组织织受受 粒粒子子照照射射,吸吸收收剂剂量量为为1mGy，同同时时还还受受到到 粒粒子子照射照射,吸收剂量也为吸收剂量也为1mGy。试比较这两人所受射线影响的大小。试比较这两人所受射线影响的大小。例例例例例例解解解解解解第三节第三节第三节第三节 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素第24页/共53页（1）最大容许剂量最大容许剂量(maximum permissible dos

22、e)放射线虽可用来诊断和治疗疾病，但人体正常组织如果放射线虽可用来诊断和治疗疾病，但人体正常组织如果受到过剂量的照射，人体将会受到损害。因此，受到过剂量的照射，人体将会受到损害。因此，在应用放在应用放在应用放在应用放射线的同时，要注意对它的防护。射线的同时，要注意对它的防护。射线的同时，要注意对它的防护。射线的同时，要注意对它的防护。国际上规定了一个最大的容许剂量国际上规定了一个最大的容许剂量,即经过一次照射成长即经过一次照射成长期积累，对人体没有损害又不发生遗传危害的最大剂量限期积累，对人体没有损害又不发生遗传危害的最大剂量限值。值。从业人员从业人员从业人员从业人员:50 mSv/a;:50

23、 mSv/a;居居居居 民民民民:5 mSv/a.:5 mSv/a.4.4.辐射的防护辐射的防护第三节第三节第三节第三节 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素第25页/共53页(2)外照射防护外照射防护 因为不同放射线的性质不同，采取的防护措施也不一样。因为不同放射线的性质不同，采取的防护措施也不一样。因为不同放射线的性质不同，采取的防护措施也不一样。因为不同放射线的性质不同，采取的防护措施也不一样。射线的电离能力很强射线的电离能力很强,但射程短，穿透能力小。但射程短，穿透能力小。由由 射射线不可能由体表深入体内，故对外照射只要戴上手套即线不可能由体表深入体内，故对外照射只要戴上手套即可可

24、;射线和射线和 射线穿透能力强，外照射不容忽视，对射线穿透能力强，外照射不容忽视，对 射线射线常用含有中等原子序效的物质作屏蔽材料，如各种塑料常用含有中等原子序效的物质作屏蔽材料，如各种塑料和有机玻璃。和有机玻璃。射线对重原子序数物质易引起起韧致辐射线对重原子序数物质易引起起韧致辐射射(高速带电粒子急剧减速时发出的电磁辐射高速带电粒子急剧减速时发出的电磁辐射)，后者对人，后者对人体健康亦不利，故不宜采用。体健康亦不利，故不宜采用。射线不存在这一问题，故射线不存在这一问题，故多用重原子序数物质如铅、混凝土等来屏蔽。多用重原子序数物质如铅、混凝土等来屏蔽。第三节第三节第三节第三节 放射性核素放射性

25、核素放射性核素放射性核素第26页/共53页除采用屏蔽措施外，还应注意保护环境。对于含有放射性物除采用屏蔽措施外，还应注意保护环境。对于含有放射性物除采用屏蔽措施外，还应注意保护环境。对于含有放射性物除采用屏蔽措施外，还应注意保护环境。对于含有放射性物质的废物，要妥善处理，不要随便弃置。质的废物，要妥善处理，不要随便弃置。质的废物，要妥善处理，不要随便弃置。质的废物，要妥善处理，不要随便弃置。(3)内照射防护内照射防护用放射性核素注入体内进行的照射叫内照射。用放射性核素注入体内进行的照射叫内照射。射线源进入体射线源进入体内，由于其电离比值高，产生电离作用将对人体造成极大危害。内，由于其电离比值高

26、，产生电离作用将对人体造成极大危害。故工作时要待别防止故工作时要待别防止 射线源由呼吸道、食管或外伤伤口进入射线源由呼吸道、食管或外伤伤口进入体内。体内。第三节第三节 放射性核素放射性核素第27页/共53页放射性核素在诊断和治疗方面都有重要应用。体现了现代放射性核素在诊断和治疗方面都有重要应用。体现了现代医学发展水平的核医学，在医学诊疗中起着越来越重要的医学发展水平的核医学，在医学诊疗中起着越来越重要的作用。作用。用放射性核素作为示踪原子，以研究其在体内的分布、转移和用放射性核素作为示踪原子，以研究其在体内的分布、转移和代谢。并借助它们放出的射线，在体外探查该元素的行踪，这代谢。并借助它们放出

27、的射线，在体外探查该元素的行踪，这种方法叫种方法叫示踪原子法示踪原子法示踪原子法示踪原子法。此外还有体外标本测量法和放射自显影。此外还有体外标本测量法和放射自显影。二、放射性核素在医药方面的应用二、放射性核素在医药方面的应用二、放射性核素在医药方面的应用二、放射性核素在医药方面的应用1.1.示踪的原理示踪的原理第三节第三节第三节第三节 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素第28页/共53页治疗肿瘤的一种有效的物理疗法，从射线照射方式可分为外照治疗肿瘤的一种有效的物理疗法，从射线照射方式可分为外照射、近距离照射和内照射，临床常用的外照射有射、近距离照射和内照射，临床常用的外照射有60Co60

28、Co治疗机、治疗机、治疗机、治疗机、医用直线加速器和医用直线加速器和医用直线加速器和医用直线加速器和 -刀等刀等刀等刀等。放射诊断主要是指核素成像，是一种利用放射性核素示踪方放射诊断主要是指核素成像，是一种利用放射性核素示踪方法显示人体内部形态结构的医学影像技术，常见有法显示人体内部形态结构的医学影像技术，常见有 照射机、照射机、照射机、照射机、SPECTSPECT和和和和PETPET等。等。等。等。3.3.放射治疗放射治疗2.2.放射诊断放射诊断第三节第三节第三节第三节 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素第29页/共53页正电子发射型计算机断层正电子发射型计算机断层(PET)(PET)

29、原理原理(1)概念：概念：PET是将发射正电子的同位素药物注入人体之后，是将发射正电子的同位素药物注入人体之后，探测正电子在体内被电子俘获产生湮灭反应时沿相反方向探测正电子在体内被电子俘获产生湮灭反应时沿相反方向发出的两个能量为发出的两个能量为0.511 MeV的光子，从而获得正电子标记的光子，从而获得正电子标记药物在体内的三维密度分布，以及这种分布随时间变化的药物在体内的三维密度分布，以及这种分布随时间变化的信息信息.即一种探测注入体内的放射性核素放射出的即一种探测注入体内的放射性核素放射出的 +产生湮产生湮没光子对而实现断层成像。没光子对而实现断层成像。例例:13N-13C+Q +-2 (

30、能量为能量为能量为能量为 0.511MeV,0.511MeV,方向相反传播的光子方向相反传播的光子方向相反传播的光子方向相反传播的光子 )第三节第三节 放射性核素放射性核素第30页/共53页(2)(2)采用自准直符合探测原理采用自准直符合探测原理 (1)只有只有 a有信号输出；有信号输出；(2)b、c因不符合对称电路因不符合对称电路,无信号输出；无信号输出；(3)湮没光子位置与产生湮没光子位置与产生 +位置接近位置接近(12mm)探头探头探头探头符符符符 合合合合 电电电电 路路路路湮湮湮湮 没没没没 区区区区输输输输 出出出出探头探头探头探头断断断断 层层层层 面面面面a a a ac c

31、c cb b b b第三节第三节 放射性核素放射性核素第31页/共53页PET正正电电子子同同位位素素由由回回旋旋加加速速器器产产生生，如如采采用用加加速速至至9MeV的的氘氘离离子子束束轰轰击击氖氖气气靶靶产产生生18F，再再经经化化学学合合成成得到所需药物。常见得到所需药物。常见PET标记药物及主要用途为：标记药物及主要用途为：同位素同位素半衰期半衰期示踪剂及用途示踪剂及用途11C20.3 m11C 标记的各种氨基酸标记的各种氨基酸,肿瘤定界、分级肿瘤定界、分级13N9.96 mNH3 测量血流，用于局部心肌灌注显像测量血流，用于局部心肌灌注显像15O123 sCO2 测测量量局局部部脑脑

32、血血流流量量；CO 测测量量局局部部脑脑血血容容量量；O2 测测量心肌氧消耗和氧摄取比；量心肌氧消耗和氧摄取比；H2O用于心肌及脑的血流灌注用于心肌及脑的血流灌注18F110 mFDG 研研究究葡葡萄萄糖糖代代谢谢,用用于于神神经经学学、心心脏脏病病学学和和肿肿瘤瘤学学;氟多巴氟多巴FDOPA 诊断帕金森症诊断帕金森症PET PET 示踪药物示踪药物第三节第三节第三节第三节 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素第32页/共53页63岁左侧下喉癌岁左侧下喉癌患者的患者的CT 与与PET图像的融合图像的融合第三节第三节第三节第三节 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素第33页/共53页CT

33、 与与PET图图像融合，确定胸像融合，确定胸骨上损伤的位置，骨上损伤的位置，同时可见右侧腋同时可见右侧腋窝处有一肿大的窝处有一肿大的淋巴结。淋巴结。第三节第三节第三节第三节 放射性核素放射性核素放射性核素放射性核素第34页/共53页PETPET扫描揭示悲哀时女性脑部扫描揭示悲哀时女性脑部扫描揭示悲哀时女性脑部扫描揭示悲哀时女性脑部(左左左左)比男性脑部比男性脑部比男性脑部比男性脑部(右右右右)更具代谢活性更具代谢活性更具代谢活性更具代谢活性第三节第三节 放射性核素放射性核素第35页/共53页（1）核子（质子和中子）与电子一样具有自旋，核子（质子和中子）与电子一样具有自旋，与之相联系的有与之相联

34、系的有自旋角动量自旋角动量 和和 自旋磁矩自旋磁矩。第四节第四节 核磁共振核磁共振（2）自旋角动量自旋角动量LI和轨道角动量一样，均服从角动量的普和轨道角动量一样，均服从角动量的普 遍法则，遍法则，LI的大小是量子化的的大小是量子化的I 称为自旋量子数。称为自旋量子数。I 仅有一个值，而且是半整数：仅有一个值，而且是半整数：故故mI称为称为 自旋磁量子数。只能取两个值：自旋磁量子数。只能取两个值：（3）LI在在 Z 轴（外磁场）方向上的投影：轴（外磁场）方向上的投影：故故一、一、一、一、核子的自旋与磁矩核子的自旋与磁矩核子的自旋与磁矩核子的自旋与磁矩第36页/共53页质子和中子自旋角动量质子和

35、中子自旋角动量自旋量子数：自旋量子数：I=1/2自旋磁量子数：自旋磁量子数：mI=1/2自旋角动量大小：自旋角动量大小：L LI I在在在在 Z Z 轴（外磁场）方向上的投影轴（外磁场）方向上的投影轴（外磁场）方向上的投影轴（外磁场）方向上的投影(简称简称 自旋自旋)第四节第四节 核磁共振核磁共振第37页/共53页原子核内核子的固有角动量和轨道角动量的矢量和。原子核内核子的固有角动量和轨道角动量的矢量和。式中式中 I 为自旋量子数为自旋量子数(spin quantum number)偶偶偶偶-偶核偶核偶核偶核,1212C,C,1616OO等等等等,I I=0=0；奇奇奇奇-偶核偶核偶核偶核,1

36、 1H,H,3131P P等等等等,I I=n n/2,(/2,(n n=1,3,5,=1,3,5,)；奇奇奇奇-奇核奇核奇核奇核,6 6Li,Li,1414N N等等等等,I I=n n,(,(n n=1,2,3,)=1,2,3,)。二、原子核的自旋与磁矩二、原子核的自旋与磁矩二、原子核的自旋与磁矩二、原子核的自旋与磁矩1.1.原子核的角动量即核自旋原子核的角动量即核自旋(nuclear spin)(nuclear spin)第四节第四节 核磁共振核磁共振第38页/共53页2.2.原子核的自旋角动量在空间某一选定方向原子核的自旋角动量在空间某一选定方向(如如z z方方向向)上的投影也是量子化

37、的上的投影也是量子化的式中式中 m为磁量子数为磁量子数:m=I，I1，I+1，I。共。共2I+1个可能个可能取值，对应该自旋核在外磁场中有取值，对应该自旋核在外磁场中有2I+1个可能的取向。个可能的取向。第四节第四节 核磁共振核磁共振第39页/共53页 式中式中 N=5.050810 27 J/T为核磁子。为核磁子。质子的质子的g=5.585694772。式中式中 为核自旋磁旋比。为核自旋磁旋比。3.3.原子核的磁矩与原子核的自旋原子核的磁矩与原子核的自旋4.4.原子核的总磁矩及其在外磁场的分量也都是量子原子核的总磁矩及其在外磁场的分量也都是量子化的化的第四节第四节 核磁共振核磁共振第40页/

38、共53页自旋不为零的原子核与外磁场的相互作用，一方面产生核绕自旋不为零的原子核与外磁场的相互作用，一方面产生核绕B的旋进，另一方面产生了核的附加能量，造成原子核能级的劈的旋进，另一方面产生了核的附加能量，造成原子核能级的劈裂。裂。当频率为当频率为10100MHz的射频的射频(radio frequency，RF)电磁波对样电磁波对样品照射，品照射，若若RF电磁波的能量刚好等于原子核能级劈裂的能级差电磁波的能量刚好等于原子核能级劈裂的能级差，就会出现样品中的原子核强烈地吸收电磁波的能量，从劈裂，就会出现样品中的原子核强烈地吸收电磁波的能量，从劈裂后的低能级向相邻的高能级跃迁的现象，这就是核磁共振

39、现象后的低能级向相邻的高能级跃迁的现象，这就是核磁共振现象中的中的共振吸收共振吸收共振吸收共振吸收。三、三、三、三、核磁共振核磁共振核磁共振核磁共振1.1.自旋核在磁场中的能级劈裂自旋核在磁场中的能级劈裂第四节第四节 核磁共振核磁共振第41页/共53页2.2.劈裂能级间的跃迁劈裂能级间的跃迁（1）磁矩在外磁场作用下产生附加能量）磁矩在外磁场作用下产生附加能量 m 只能取只能取2I+1,对对I=1/2的氢核的氢核 m=1/2、1/2自旋自旋进动进动B自旋自旋进动进动B（2）能级劈裂的间距，即裂距：能级劈裂的间距，即裂距：第四节第四节 核磁共振核磁共振第42页/共53页3.3.核磁（自旋核在磁场中

40、与射频电磁波）共振的条核磁（自旋核在磁场中与射频电磁波）共振的条件件 即双方最大的交换能量的条件即双方最大的交换能量的条件 ：第四节第四节 核磁共振核磁共振第43页/共53页RF角频率角频率原子核的磁旋比原子核的磁旋比,不同不同 的核不同的核不同外磁场强度（外磁场强度（T）只有当只有当RF的角频率的角频率 与外磁场与外磁场B符合拉莫公式，才能发生能符合拉莫公式，才能发生能级级跃迁，即共振吸收。跃迁，即共振吸收。4.4.拉莫（拉莫（LarmorLarmor）公式）公式第四节第四节 核磁共振核磁共振第44页/共53页1.1.核磁共振谱核磁共振谱以发生共振吸收的强度为纵坐标，发生共振的频率（或磁感应

41、以发生共振吸收的强度为纵坐标，发生共振的频率（或磁感应强度）为横坐标，绘出一条共振吸收的强度与发生共振的频率强度）为横坐标，绘出一条共振吸收的强度与发生共振的频率（或磁感应强度）标化的曲线，称为（或磁感应强度）标化的曲线，称为核磁共振波谱核磁共振波谱核磁共振波谱核磁共振波谱，建立在此，建立在此原理基础上的一类分析方法称原理基础上的一类分析方法称为核磁共振谱法为核磁共振谱法为核磁共振谱法为核磁共振谱法。应用最普遍、最重要的是核磁共振谱，它能够提供质子类型及应用最普遍、最重要的是核磁共振谱，它能够提供质子类型及应用最普遍、最重要的是核磁共振谱，它能够提供质子类型及应用最普遍、最重要的是核磁共振谱，

42、它能够提供质子类型及其化学环境、氢分布和核间关系等信息。其化学环境、氢分布和核间关系等信息。其化学环境、氢分布和核间关系等信息。其化学环境、氢分布和核间关系等信息。四、核磁共振谱四、核磁共振谱四、核磁共振谱四、核磁共振谱(NMRS)(NMRS)第四节第四节 核磁共振核磁共振第45页/共53页2.2.化学位移（化学位移（the chemical shiftthe chemical shift）（1）从公式）从公式 =B0知，同一种核在固定的知，同一种核在固定的B0中，其共振谱中，其共振谱线的位置是唯一的；线的位置是唯一的；实际上，同一种类原子核处于不同的化实际上，同一种类原子核处于不同的化合物分

43、子中，谱线位置不同。合物分子中，谱线位置不同。原因：原因：在在B0中的样品，其自旋核不是孤立的，而是被核外带中的样品，其自旋核不是孤立的，而是被核外带磁性的电子云所包围，即每一个自旋核具有不同的电子环境。磁性的电子云所包围，即每一个自旋核具有不同的电子环境。使自旋核处于一个磁屏蔽之中，所以使自旋核处于一个磁屏蔽之中，所以lamour公式变成：公式变成：=(1 )B0，式中，式中 称屏蔽常数称屏蔽常数(screening constant)与化合与化合物的结构及性质有关。物的结构及性质有关。同类同类同类同类自旋核处于不同的分子之中会有不同的自旋核处于不同的分子之中会有不同的自旋核处于不同的分子之

44、中会有不同的自旋核处于不同的分子之中会有不同的 ，因此它们会有因此它们会有因此它们会有因此它们会有不同的共振频率。不同的共振频率。不同的共振频率。不同的共振频率。第四节第四节 核磁共振核磁共振第46页/共53页（2）化学位移：化学位移：同种自旋核在相同的外磁场情况下，同种自旋核在相同的外磁场情况下，测试测试测试测试样品中的自旋核的共振频率与标准物质中的自旋核的共振频样品中的自旋核的共振频率与标准物质中的自旋核的共振频样品中的自旋核的共振频率与标准物质中的自旋核的共振频样品中的自旋核的共振频率与标准物质中的自旋核的共振频率之差。率之差。率之差。率之差。化学位移：化学位移：（3）化学位移也可以发生

45、在同一分子的不同原子集团的化学位移也可以发生在同一分子的不同原子集团的化学位移也可以发生在同一分子的不同原子集团的化学位移也可以发生在同一分子的不同原子集团的同一自旋核。同一自旋核。同一自旋核。同一自旋核。例如：例如：乙醇的核磁共振谱乙醇的核磁共振谱NMRS有三个原子有三个原子团团(OHCH2 CH3)三个不同位置的共振峰。三个不同位置的共振峰。射频频率OHCH2CH3第四节第四节 核磁共振核磁共振第47页/共53页3.3.自旋自旋-自旋偶合（自旋偶合（spin-spin spin-spin couplingcoupling）（1）基团间核自旋磁矩的相互作用引起）基团间核自旋磁矩的相互作用引起

46、;（2）与）与B0无关无关;（3）CH3-基团通过结合电子与基团通过结合电子与-CH2-两个氢核发生作用两个氢核发生作用,使使其其 分裂成分裂成3条线条线;（4）-CH2-基团则受到基团则受到CH3-和和-CH2-基团中基团中5个个 氢核的作氢核的作用而用而 分裂成分裂成6条线条线;CH3-CH2-CH2-NO2ppm（5）-CH2-（靠近（靠近-NO2）只受到左）只受到左 边边-CH2-基团的两个氢核的作基团的两个氢核的作 用而分裂成用而分裂成3条线；条线；（6）规律（对于）规律（对于H核谱线条线）：核谱线条线）：某原子核集团的谱线条数受到周某原子核集团的谱线条数受到周某原子核集团的谱线条数

47、受到周某原子核集团的谱线条数受到周围原子核集团同种核的个数围原子核集团同种核的个数围原子核集团同种核的个数围原子核集团同种核的个数n n，其谱线则为其谱线则为其谱线则为其谱线则为n n+1+1。第四节第四节 核磁共振核磁共振第48页/共53页（1）MRS的原理的原理 （a a）化合物有自己特有特征峰的频率位置）化合物有自己特有特征峰的频率位置）化合物有自己特有特征峰的频率位置）化合物有自己特有特征峰的频率位置;（b b）共振峰下的面积正比于化合物中自旋核的数量）共振峰下的面积正比于化合物中自旋核的数量）共振峰下的面积正比于化合物中自旋核的数量）共振峰下的面积正比于化合物中自旋核的数量;（c c

48、）共振峰的形状反映化合物的分子结构）共振峰的形状反映化合物的分子结构）共振峰的形状反映化合物的分子结构）共振峰的形状反映化合物的分子结构;（2）获得）获得MRS谱线的方法谱线的方法 （a）先用）先用MRI取断层图像取断层图像,从中选出欲作从中选出欲作MRI分析的分析的部分部分;（b）用特制小线圈对检测部位作）用特制小线圈对检测部位作RF激励激励,该频率变化该频率变化范围范围 称作称作扫场范围扫场范围扫场范围扫场范围;（c）在作）在作MRS分析时要采用抑制技术：例如分析时要采用抑制技术：例如 1H-MRS时要时要 对对H2O峰作抑制峰作抑制,作作31P-MRS时要对时要对1H峰作抑制峰作抑制.4.4.磁共振谱分析磁共振谱分析(MRS)(MRS)第四节第四节 核磁共振核磁共振第49页/共53页MRMR质子波谱质子波谱第四节第四节 核磁共振核磁共振第50页/共53页磁共振成像磁共振成像第四节第四节 核磁共振核磁共振第51页/共53页第52页/共53页感谢您的观看！第53页/共53页