2.核转变课件.ppt

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1、核核 转转 变变Nuclear transformation在已知的自然界的原子核中，只有少数原子核是稳定的，而大多数原子核不稳定。原子核的稳定性与核内质子数和中子数之比有着密切的关系。对于较轻的核，中子与质子之比是1:1，结果最稳定。随着原子序数的增加，该比值也增加，最高原子序数的核内质子数和中子数之比逐渐增加到近似为1.3:10。如果中子与质子之比略高于或低于稳定的比值，核一般是放射性的。根据核内质子数和中子数的奇偶性，偶偶核最稳定，稳定核素最多，其次是偶奇核和奇偶核，而奇奇核最不稳定，稳定核素最少。放射性核素衰变类型 核核素素有有两两大大类类，即即放放射射性性核核素素和和稳稳定定性性 核

2、素。核素。目目前前已已知知的的元元素素有有107107种种，而而核核素素有有20002000多种，近多种，近9090是是放射性放射性核素。核素。不稳定核自发的放出射线称为放射性。不稳定核自发的放出射线称为放射性。放射性核素衰变类型 放放射射性性核核素素又又分分为为天天然然放放射射性性和和人人工工放放射性核素射性核素(简称人造核素简称人造核素)。已已发发现现的的放放射射性性核核素素中中绝绝大大部部分分是是人人工工放射性核素。放射性核素。人造核素主要由反应堆和加速器制备。人造核素主要由反应堆和加速器制备。放射性核素衰变类型放射性核素衰变类型 原子序数很高的那些重元素，它们的核很不稳定，自发地放出射

3、线，变为另一种元素的原子核，这现象称为放射性核素衰变，简称核衰变。放射性衰变是放射性核素本身的特性，外界作用无法改变其衰变性质及衰变速度。核衰变过程遵守电荷、质量、能量、动量、电荷和核子数守恒定律。The main contents放射性核素衰变类型放射性核素衰变类型1.衰衰变2.衰衰变3.衰衰变和内和内转换原子核的衰变原子核的衰变规律规律1.衰变常数衰变常数2.半衰期（半衰期（half life）3.平均寿命（平均寿命（mean life）4.放射性活度（放射性活度（activity）核素的生产与核素的生产与制备制备放射性核素的放射性核素的临床应用临床应用 衰变放放射射性性元元素素中中有有些

4、些放放射射 射射线线，有有些些放放射射 射射线线，有有些些在在放放射射 射线或射线或 射线时，伴随着有射线时，伴随着有 射线放出。射线放出。粒粒子子是是氦氦核核 ，它它是是由由2 2个个质质子子和和2 2个个中中子子构构成成的的，带带正电荷为正电荷为2e2e，质量为氦核的质量。，质量为氦核的质量。衰变衰变过程可写成：过程可写成：式式中中，X X叫叫母母核核，Y Y叫叫子子核核,Q Q为为衰衰变变能能，是是由由母母核核衰衰变变为为子子核核时时放放出出的的能能量量，其其值值用用两两侧侧的的原原子子质质量量差差值值计计算算，不不同同核核素素Q Q值不同，单位用值不同，单位用MeVMeV。的衰变图的衰

5、变图 衰变有-，+衰变和电子俘获三种类型。-射线是电子，是由母核放出电子的一种衰变。衰变衰变 为反中微子，它是在衰变中与-粒子同时放射出的一种粒子，不带电，静止质量为零。衰变衰变衰变衰变衰变过程中所放出的衰变能被子核、这三个粒子分配。因为这三个粒子的发射方向所成的角是任意的，所以每个粒子带走的能量是不固定的。由于粒子的质量比子核的质量小得多，因此子核的反冲动能可以忽略。粒子的能量可以从最小的零值（=0）到最大的Q值，形成一个连续能谱。衰衰变变：有有些些人人工工产产生生的的放放射射元元素素是是放放射射正正射射线线的的，这这些些原原子子核核放放射射后后，转转变变为为原原子子序序数数减减去去1 1的

6、的另另一一个个原原子子核。核。粒粒子子就就是是正正电电子子，只只有有人人工工的的放放射射性性核核素素才才会会发发生生此衰变，此衰变，粒子的静止质量和电子的相等。粒子的静止质量和电子的相等。衰变衰变其特点有:粒子数按能量连续分布；每一种放射性物质的能谱有固定的上限能量和峰值；不同的放射性物质有不同形状的能量分布，且其上限能量和峰值也不相同。产生条件：电子俘获（electron capture）原子核俘获核外电子，使核内的一个质子变为一个中子，电荷数变为Z-l，这种衰变称为电子俘获。多为K电子俘获。产生条件：所以，能产生+衰变的条件同样满足电子俘获的条件，反之则不一定能实现。电子电子俘获俘获（el

7、ectron capture）K空位由一个L电子来填充，因L电子跃迁放出的能量又把另一个L电子电离了；这样，一个K空位转变成两个L空位和一个具有动能的电子。如果EK和 EL分别表示K电子和L电子的结合能，Ee为被放出的俄歇电子的动能，那么衰变和内转换（internal conversion）和衰变后的子核大部分处于激发态，并以射线的形式释放能量，跃迁到较低的能态或基态，这种跃迁叫衰变。射线是光子，不带电，无静止质量。它的放出不改变原子核的电荷，对质量的影响亦极微小。在核医学中使用的60Co(钴)、99mTc(锝)等放射源均有和射线发射。原子核能级的间隔一般在10-3MeV以上，所以射线能量的低

8、限是10-3MeV，即1keV，能量可以高到MeV的数量级。衰变和衰变和内转换内转换 因此这两个过程都将伴随着特征X线和俄歇电子的发射。原子核在能级跃迁时，放出光子或内转化电子的过程是相互竞争的，各自的几率与核的种类和能级有关。原子核的衰变规律原子核的衰变规律原子核发生衰变时，母体核不断地变成子体核，原子核发生衰变时，母体核不断地变成子体核，因而随着时间因而随着时间t的增长，母核数目不断减少。的增长，母核数目不断减少。对于任何一种具有放射性的核素，虽然每一个核对于任何一种具有放射性的核素，虽然每一个核素都能衰变，但衰变的时间却有先有后，我们不素都能衰变，但衰变的时间却有先有后，我们不能预言哪个

9、核先衰变，在什么时候衰变，这完全能预言哪个核先衰变，在什么时候衰变，这完全是随机的，但对大量的原子核来说，其衰变还是是随机的，但对大量的原子核来说，其衰变还是遵循统计规律的。遵循统计规律的。实验测量和理论推导都可以证明，放射性核素衰实验测量和理论推导都可以证明，放射性核素衰变服从变服从指数衰减规律指数衰减规律。如果在短时间dt内，有dN个核改变，从统计的观点,改变率dN/dt 必定与当时存在的总原子核数N成正比，即 -dN=Ndt 负号表示放射性核数N随时间t的增加而减少。称为衰变常数，反映放射性核素随时间衰变的快慢。对上式进行积分，便可得到上式说明放射性核素衰变服从指数规律。(一)衰变常数

10、由上式可知衰变常数为值值反反映映一一个个放放射射性性核核素素在在单单位位时时间间内内衰衰变变的的规规律律，或或者者说说是是单单位位时时间间内内衰衰变变的的核核数数与与当当时时存存在在的的核核数数之之比比，因因而而它它是是描描写写放放射射物物放放射射衰变快慢的一个物理量，单位用秒衰变快慢的一个物理量，单位用秒-1-1(s s-1-1)。Mo-99 has=0.252 day-1,i.e.25.2%decay per day.(二二)半衰期半衰期T对于某种特定能态的放射核，核的数量因发生自对于某种特定能态的放射核，核的数量因发生自发核衰变而减少到原来核数一半所需的时间称为发核衰变而减少到原来核数一

11、半所需的时间称为半衰期，用半衰期，用T1/2表示。表示。它是表征放射性核自发衰变的另一参数。它是表征放射性核自发衰变的另一参数。单位用年单位用年(a)、天、天(d)、小时、小时(h)、分、分(min)、秒、秒(s)表表示。示。不同的放射性核素半衰期的差别可能很大，例如不同的放射性核素半衰期的差别可能很大，例如天然铀中的天然铀中的238U核素，其半衰期为核素，其半衰期为4.47 109a；而核素而核素132I的半衰期为的半衰期为2.28h。(二)半衰期T当t=T，N=N02代人后，得T和的关系为 经过一个T后，其放射性核素衰减到原来的12，两个T后衰减到原来的14，依此类推，经过n个T后，将衰减

12、到原来的（1/2）n，这样就得到（三）平均寿命（三）平均寿命 在一种放射物中，有些原子核早变，有些晚变，有的放射性核素寿命为零，有的是无穷大。因此，引入了平均寿命这个物理量，它也是一个反映放射性核素衰变快慢的，不过它具体反映的是某种放射性核平均存在的时间，单位是秒(s)。N0个母核的总寿命为N0个母核的平均寿命为(四)放射性活度 常用单位时间内衰变的原子核数来表示放射性强度，或叫放射性活度，用A表示A0=N0为为t=0时刻的放射性活度。时刻的放射性活度。若某时刻母核数为若某时刻母核数为N，则该时刻的放射性活度为则该时刻的放射性活度为A=N。放射性活度的放射性活度的SI单位是贝可勒尔，简称贝可，

13、符号单位是贝可勒尔，简称贝可，符号Bq。1Bq=1衰变衰变秒秒-1放射性活度专用单位用居里放射性活度专用单位用居里(Ci)表示。表示。1Ci3.71010Bq1Bq2.70310-11Ci 例例1一台一台60Co治疗机源初装时活度为治疗机源初装时活度为111TBq，使用，使用5年后源的活度还剩多少？年后源的活度还剩多少？已知已知A0=111TBq，T1/2=5.27a，t=5a例例2假设例假设例1中的源初装时不含任何杂质，请问它的中的源初装时不含任何杂质，请问它的质量是多少质量是多少?例例3Calculate the decay constant for Cobalt-60 in units

14、of month-1.What will be the activity of 5000Ci 60Co source after 4 years?例例4When will 5 mCi of 131I(T=8.05d)and 2mCi of 32P(T=14.3d)have equal activities?思考题思考题在、+、-、电子俘获衰变中，所产生的子核的原子序数和质量数是怎样变化的？在元素周期表中的位置有何变化？分别计算要经过多少个半衰期某种放射性核素可以减少到原来的1%，0.1%？衰变平衡衰变平衡不稳定原子核衰变后生成的子核，如果仍具有放射性，则子核在产生以后，立即按自己的衰变方式和衰

15、变规律进行衰变。如果子核衰变后产生的又一代子核也具有放射性，则这一代子核也要进行衰变，这样就一代一代的衰变下去直到最后生成稳定的核素为止，这就是递次衰变。在递次衰变中，当满足一定条件时，各代核的数量比，会出现与时间无关的现象，称之为放射平衡。下面以两代衰变AB为例分三种情况讨论。钍钍族族：母母体体是是232232ThTh，半半衰衰期期T=1.410T=1.4101010y y，经经6 6次次衰衰变变和和4 4次次衰衰变变，最最后后达达到到稳稳定定的的208208PbPb。系系中中各各放放射射性核素的质量数性核素的质量数A A都是都是4 4的整数倍，所以也叫做的整数倍，所以也叫做4 4n n系。

16、系。锕锕族族：母母体体是是235235U U，半半衰衰期期T=7T=7041004108 8y y，又又叫叫锕锕铀铀(AcU)AcU)：经经7 7次次衰衰变变和和4 4次次衰衰变变，最最终终生生成成207207PbPb。系系中中各各放放射射性性核核素素的的质质量量数数A A都都是是4 4的的整整数数倍倍加加3 3，所所以也叫做以也叫做(4(4n+3)n+3)系。系。铀铀族族：母母体体是是238U，半半衰衰期期T=4.51109y，经经过过8次次衰衰变变和和6次次衰衰变变，最最后后生生成成稳稳定定的的206Pb(铅铅)。系系中中各各放放射射性性核核素素的的质质量量数数A都都是是4的的整整数数倍倍

17、加加2，所所以以也也叫叫(4n+2)系。系。衰变平衡衰变平衡（一）母体半衰期远（一）母体半衰期远大于子体半衰期的情大于子体半衰期的情况况（二）母体的半衰期（二）母体的半衰期只比子体的半衰期大只比子体的半衰期大几倍几倍（三）母体半衰期小（三）母体半衰期小于子体半衰期于子体半衰期长期平衡长期平衡暂时平衡暂时平衡达不到平衡达不到平衡衰变平衡衰变平衡放射性平衡在放射性核素的具体应用中具有一定的意义。半衰期短的核素在医学应用中有很多优越性。因为寿命很短，无法单独存在较长的时间，在供应上有很大困难。但有些短寿命核素是由长寿命核素衰变而成。由递次衰变现象可知，当母体、子体达到放射平衡后，子体与母体共存并保持

18、一定的含量比例。衰变平衡衰变平衡医院中的放射性核素发生器就是暂时平衡的具体应用。放射性核素发生器是一种从较长半衰期的母体核素中分离出由它衰变而来的短半衰期子体核素的装置。根据它的工作原理，每隔一定时间就可以从该装置中分离出可供使用的子体核素，就好像从母牛身上挤奶一样，所以这种装置俗称“母牛”。放射性核素发生器的工作原理遵守放射性核素的递次衰变规律及放射平衡规律。人工放射性核素人工放射性核素利用核反应堆生产是人工放射性核素的主利用核反应堆生产是人工放射性核素的主要来源，制备的途径有两种：要来源，制备的途径有两种：利用利用反应堆反应堆中的强中子束照射靶核，靶中的强中子束照射靶核，靶核俘获中子而生成

19、放射性核；核俘获中子而生成放射性核；利用中子引起重核裂变，从裂变碎片中利用中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取放射性核素。提取放射性核素。这样制备出来的核素是富中子核素，通常这样制备出来的核素是富中子核素，通常具有具有-衰变衰变，放出，放出射线。射线。反应堆生产的医用放射性核素放射性核素放射性核素半衰期半衰期核反核反应应51Cr27.7 d50Cr（n,）51Cr99Mo66.02 h98Mo（n,）99Mo125I60.2 d124Xe（n,）125Xe125I131I8.04 d130Te（n,）131Tem131Te131I133Xe5.25 d132Xe（n,）133Xe153Sm46.

20、8 h152Sm（n,）153Sm3H12.33 a6Li（n,）3H14C5730 a14N（n,p）14C32P14.3 d32S（n,p）32P核医学常用的放射性核素及产生核医学常用的放射性核素及产生放射性核素发生器：从长半衰期母体核素放射性核素发生器：从长半衰期母体核素中分离出短半衰期子体核素的分离装置。中分离出短半衰期子体核素的分离装置。回旋加速器：生产短寿命和超短寿命的贫回旋加速器：生产短寿命和超短寿命的贫中子放射性核素，多以电子俘获和中子放射性核素，多以电子俘获和+的形的形式衰变。式衰变。加速器生产的医用放射性核素加速器生产的医用放射性核素 放射性核素放射性核素半衰期半衰期核反核

21、反应应11C20.4 min10B（d,n）11C，11B（d,2n）11C，14N（p,）11C13N9.96 min12C（d,n）13N，10B（,n）13N15O2.03 min14N（d,n）15O18F109.8 min18O（p,n）18F，16O（3He,p）18F67Ga（肿肿瘤瘤显显像）像）78.3 h66Zn（d,n）67Ga，67Zn（p,n）67Ga，68Zn（p,2n）67Ga111In2.83 d109Ag（,2n）111In，111Cd（p,n）111In123I13.0 h124Te（p,2n）123I，121Sb（,2n）123I201Tl（心肌（心肌显显像

22、）像）74 hHg（d,xn）201Pb201Tl，203Tl（p,3n）201Pb201Tl常用的放射性核素发生器母体核素母体核素母体核素半母体核素半衰期衰期子体核素子体核素子体核素子体核素半衰期半衰期子体核素主子体核素主要光子能量要光子能量(keV)99Mo（钼钼）66.02h99Tcm6.02h140113Sn（锡锡）115d113Inm99.5min39268Ge27ld68Ga68min51162Zn9.3h62Cu9.7min51181Rb4.6h81Krm13s19082Sr25.5d82Rb75s51187Y80h87Srm2.8h388132Tc78h132I2.28h668

23、188W69.4d188Re16.9h155放射性核素的临床应用放射性核素的临床应用放射性核素在肿瘤放射治疗中的应用放射性核素在肿瘤放射治疗中的应用放射性核素在核医学检查中的应用放射性核素在核医学检查中的应用放射性核素在肿瘤放射治疗中的应用放射性核素在肿瘤放射治疗中的应用131I32P198AU60Co放射免疫治疗放射免疫治疗131I半衰期半衰期8.04天，放射多种能量的天，放射多种能量的-粒子和粒子和光子。光子。射线：甲状腺功能亢进症、分化型甲状射线：甲状腺功能亢进症、分化型甲状腺癌及其转移灶、功能自主性甲状腺腺瘤腺癌及其转移灶、功能自主性甲状腺腺瘤等等射线：甲状腺显像和功能检查射线：甲状腺

24、显像和功能检查32P半衰期为半衰期为14.28天，只发射天，只发射-粒子。粒子。用于恶性肿瘤的骨转移、皮肤病、血管瘤用于恶性肿瘤的骨转移、皮肤病、血管瘤等疾病的治疗，还用于真性红细胞增多症、等疾病的治疗，还用于真性红细胞增多症、原发性血小板增多症等治疗原发性血小板增多症等治疗198AU半衰期为半衰期为2.69天，放射天，放射-粒子和粒子和光子。光子。常用于腔内血管瘤、恶性肿瘤等治疗常用于腔内血管瘤、恶性肿瘤等治疗放射免疫治疗放射免疫治疗将对肿瘤具有特异亲和力抗体用放射性核将对肿瘤具有特异亲和力抗体用放射性核素标记后经一定途径引入体内，以肿瘤细素标记后经一定途径引入体内，以肿瘤细胞为靶细胞，与相

25、关肿瘤细胞表面抗原特胞为靶细胞，与相关肿瘤细胞表面抗原特异结合，使大量的放射性核素滞留在肿瘤异结合，使大量的放射性核素滞留在肿瘤细胞，对其进行集中照射，抑制或杀伤肿细胞，对其进行集中照射，抑制或杀伤肿瘤细胞，而周围组织损伤较轻。瘤细胞，而周围组织损伤较轻。理论上讲，具有靶向性高、靶理论上讲，具有靶向性高、靶/本比值较高本比值较高等优势。等优势。放射性核素在核医学检查中的放射性核素在核医学检查中的应用应用示踪诊断：将带有放射性核素的药物引入体内，示踪诊断：将带有放射性核素的药物引入体内，探测其分布和流通量，可作为诊断疾病的重要依探测其分布和流通量，可作为诊断疾病的重要依据。据。核素成像：用不同的放射性核素制成标记化合物核素成像：用不同的放射性核素制成标记化合物注入人体，在体外对体内核素发射的注入人体，在体外对体内核素发射的射线进行射线进行跟踪探测，可以获得反映放射性核素在脏器或组跟踪探测，可以获得反映放射性核素在脏器或组织中的浓度分布及其随时间变化的图像。织中的浓度分布及其随时间变化的图像。（照相机、单光子发射型断层成像照相机、单光子发射型断层成像SPECTSPECT和正和正电子发射型断层成像电子发射型断层成像PETPET）