《医学物理学》课程原子核与放射性课件.ppt

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1、第十五章 原子核和放射性,* 本章内容,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 原子核的衰变规律,第四节 射线与物质的相互作用,第五节 辐射剂量与射线防护,一、学习本章后，我们应该：1.掌握放射性核素的衰变类型；2.掌握放射性核素的衰变规律和应用；3.理解射线与物质相互作用的几种形式；4.理解射线剂量的定义及射线的防护方法；5.了解放射性核素在医学上的应用。,二、重点：原子核的衰变类型及衰变规律,原子的构成,中子,第一节原子核的基本性质,质子,中子,原子核,带单位正电荷 e=1.60210-19C,质量数为 1（mp=1.623 10-27kg=1.007276u）,不带电

2、,质量数为 1（mn=1.675 10-27kg=1.008665u）,一 、原子核的组成与符号表示 原子核是由质子和中子组成。质子和中子统称核子。,* 原子核的符号表示：,质量数 元素符号原子序数,这一符号表达了原子核的两大特征： 质量和电量。,* 核素、同位素：,核素：具有一定的Z值、N值的原子（原子核）称为一种核素。 比如： （三种核素）,同位素：具有相同的Z值，而N值不同的核素称为同位素。同位素具有相同的化学性质.比如： 氧的三种同位素 氢的三种同位素,*同量异位素：具有相同A值而Z值不同的核素。 比如:,*同质异能素：具有相同Z值和N值，但能量状态不同的核素。 表示：,基态,激发态,

3、0.1426,0.1405,0.0000,99Tcm,(氩),(钙),(锝),二、原子核的性质,1.原子核的大小和密度,*原子核的形状和大小：近似为球体 R=R0A 1/3 R0=1.210-15 m,*原子核的平均密度： =2. 3 1017kg.m-3 (地球平均密度 =6 103kg.m-3 ）,3.核能级,2.核力：核子间强相互作用力。 核力属于短程力，其作用范围：10-15 m 核力是一种强相互作用 核力具有饱和性 核力与电荷无关,原子核可以处于不同的能量状态，且可发生核能级间的跃迁。,特征,三、原子核的结合能和质量亏损,1.原子核的结合能,*核子结合成原子核时释放的能量，称为原子核

4、的结合能。,例子：2H（氘核）的结合能（2 .22 MeV）,+,P（质子）,n（中子）,2H（氘核）,释放能量为2.22 MeV的一个光子,（反之亦然）,2.原子核的质量亏损（mass defect）,* 原子核的静质量比组成它的核子的静质量总和要小一些，这样减少的质量（m）称为质量亏损。,* 质量亏损（m)的计算：,m = mi- m,* 质量亏损的原因： 由质能公式 E = mC2 知，释放的能量变化（E）相当于一定的质量变化（m） 。,(各个核子的总静质量）,(原子核的静质量),* 微观粒子的质量，常用（统一）原子质量单位u来衡量。,3.原子质量单位（atomic mass unit）

5、：,* 一个原子质量单位等于12C原子质量的1/12； 即 1u=1.66054010-27 kg,*用u为质量单位，用MeV为能量单位表示的质能公式：,1u,931.5MeV,m(u) = 1.073510-3E(MeV),E(MeV) = 931.5 m(u),或,C2,四、原子核的稳定性,*平均结合能：= E/A,*平均结合能表示松紧程度：（图17-1平均结合能曲线）,3、重核（质量数A200）： 较小，原子核结合较松； 其中A 209的核都是放射性核素。,*中等核比重核和轻核都稳定。 由此知道获得核能的两种途径：重核裂变和轻核聚变。,1、轻核（质量数A30）： 较小，原子核结合较松 （

6、除偶偶核外）,2、中等核（质量数A 为40120）：较大，原子 核结合较紧。,* 轻核聚变： 轻核聚合成较重的原子核，也会释放出大量的能量。,* 重核裂变： 重核分裂成两个中等核，会释放出大量的能量。,例子 铀核裂变及其链式反应: 慢中子轰击235U核时，会分裂成两个质量大致相等的中等核和1-3个中子，并释放出大量的能量；新的中子又引起其他铀核裂变。这种核反应可持续进行下去。,原子弹（我国1964年）和原子反应堆（我国1958年）,例子 氘核聚变及其热核反应：在极高温度（108K）下，氘核高速运动相互碰撞而发生大量聚合，单位质量氘核聚变释放能量是单位质量铀核裂变释放能量的4倍左右。,应用 氢弹

7、（我国1967年）和太阳能源,原子弹的基本构造,110秒蘑菇云,37秒对流风,11秒振波,0秒爆炸,原子弹爆炸,氢弹,美国50年代研制出的第一颗航空投掷型氢弹MK17型氢弹,核电站,“LittleBoy” 原子弹的照片,第二节原子核的衰变类型,* 核衰变过程严格遵守如下守恒定律： 能量守恒定律， 动量守恒定律， 电荷守恒定律， 核子数守恒定律.,* 核衰变: 核素自发地放出射线变为另一种核素的现象，称为核衰变（nuclear decay）.,* 衰变能: 核衰变过程释放出来的能量，称为衰变能（decay energy）,记为Q。,一、衰变,* 衰变: A 值超过209的重核发射 核（也称为粒子

8、），而衰变为A值减小4的另一种原子核。称这种衰变为衰变( decay)。,* 衰变式：,* 位移法则：子核在元素周期表中位于母核前两位。,* 子核可处于激发态,所以有射线和内转换电子伴随射线发射出来。,1(5.5%),2(94.45%),0.186,0.000,(镭),(氡),二、衰变,原子核发射电子（也称-粒子： )，这种衰变过程叫做-衰变.,1.-衰变(- decay)：,* 衰变式：,* 位移法则：子核在元素周期表中位于母核后一位。,* 子核处于激发态，所以有射线伴随射线和反中微子射线发射出来。,2.+衰变(+ decay)：,原子核发射正电子（也称为+粒子： )，这种衰变方式称为+衰变

9、.,* 衰变式：,* 位移法则：子核在元素周期表中位于母核前一位。,*子核可以处于激发态；所以有射线伴随+射线发射出来。,* +粒子与电子结合转变为双光子（能量各为0.511MeV)发出。,0.546,0.000,0.378,EC(43%),+(57%),1.022MeV,(铁),(锰),原子核俘获一个核外电子，发射一个中微子而转变为另一种核，这个衰变过程称为电子俘获.,3.电子俘获（electron capture；EC）：,* 衰变式：,（中微子）,* 位移法则：子核在元素周期 表中位于母核前一位。,* 子核发出标识X射线。 探测电子俘获的基础。,0.647,0.000,0.392,EC(

10、1.7%),EC(98.2%),(锡),(铟),被俘获的电子主要来自核外的K、L层，电子被俘获后将产生标识X射线或俄歇电子，,俄歇电子：电子跃迁时不辐射标识射线，而将其能量传给同一能级的另一电子，使其成为自由电子，此自由电子即为俄歇电子。,-衰变,+衰变,三、 衰变和内转换,* 衰变( decay): 射线是从原子核内发出的高能量光子。原子核激发态的能量通过发出射线的衰变方式称为衰变.,例子：99Tc的衰变。,基态,激发态,能级（MeV),0.1811,0.1426,0.1405, 射线,0.0000,99Tcm,*内转换(internal conversion)：,原子核激发态的能量也可直接

11、传递给核外内层电子，使从原子中飞出。,内转换（internal conversion),第一、二节小结,核素同位素同质异能素同量异位素,原子核的组成,核力,原子核的密度,核能级结合能和质量亏损,原子核的基本性质,核衰变,四个守恒定律,衰变类型,第三节 核衰变的规律,* 衰变定律： 不稳定核素的衰变率 与现有的原子核个数N成正比,一、衰变定律,* 自发过程遵循统计规律。,利用初始条件:t=0时， N=N0；对上式积分得到：,* 放射性物质按指数规律衰减.,二、衰变常数和半衰期,(1) 衰变常数 (decay constant),单位：S-1,物理意义：衰变常数越大的放射性核素，其衰变越快。,(2

12、)半衰期T （half-life） ：,定义：放射性核素减少至一半所需的时间。,表达式：,物理意义：半衰期越小的放射性核素，其衰变越快。,单位：y(a), d, h, min, S等。,衰变定律另一表式：,（3）平均寿命 ,* 定义：放射性核平均生存的时间,注意上式中衰变常数、半衰期和平均寿命 三者的关系。,三、放射性活度（radioactivity，A）,* 放射性活度的国际单位称为贝可，记为Bq。 1Bq=1次核衰变/秒 常用旧单位是居里，用Ci表示。 1Ci=3.71010Bq。 = 3.7104MBq,* 定义：用单位时间内衰变的原子核数（-dN/dt）来表示放射性活度 A (即放射性

13、强度)。 A=-dN/dt 单位：核衰变/秒,* 放射性活度A的衰变规律：,1mCi=3.7107Bq ； 1Ci=3.7104Bq,四、放射平衡,*放射性核的衰变若递次衰变,形成放射族.,铀核,如:铀族,8次衰变和6次衰变,铅核,母核 第一代子核,第二代子核,*子核按照自己的衰变规律进行衰变.经过一定时间,子核每秒衰变的核数等于母核衰变而来的核数.这种现象称为放射平衡.,*放射平衡的应用: 核素发生器(俗称“母牛”). -制取短寿命的放射性核素.,* 放射源内原子核数目（N）的计算：,m: 放射源核素总质量 。,:放射性核素的摩尔质量。,NA=6.0221023/mol,补充：,例题： 32

14、15P 经过7.15天后留存的核数与开始时的核数之比为2/2，求：（1） 3215P的半衰期；（2）1.00ug的3215P的活度；（3） 1.00ug的3215P在28.6天中所放出的 _粒子数。,(1)由公式：N= N0(1/2)t/T (1/2)7.15/T= 2/2=(1/2)1/2 得： 3215P的半衰期为 T=14.3d.,(2)设1.00ug的3215P共有N0个原子，则 N0=1.0010-6/32 6.0221023=1.88 1016(个) =0.693/T=0.693/14.3=0.0485d-1=5.61 10-7s-1活度为：A0= N0= 5.61 10-7 1.

15、88 1016 =1.05 1010Bq=0.285Ci(3)经28.6d留存的核数为N，衰变掉的核数为： N0 - N = N0(1 - (1/2)t/T)=1.411016(个),第四节 射线与物质的相互作用,射线1.带电粒子射线： 、 - 、 +2.光子射线： X射线、射线3.不带电粒子射线： 中子射线,一、带电粒子射线与物质的相互作用,1.电离和激发 2.散射和轫致辐射,1. 电离和激发,1.1 直接电离： 带电粒子使某个电子脱离原子成为自由电子过程称为直接电离。形成的正、负离子称为离子对。1.2 间接电离： 从原子中脱离的电子，因为具有动能仍将与其它原子作用，引起新的电离，这种电离称

16、为间接电离或次级电离。1.3 比电离（specific ionization) ：每厘米长的径迹上离子对的数目称为比电离（又称电离比值、电离比度）。,1.4 影响电离比值大小的量,a.带电粒子的电荷量q b.带电粒子的速度v c.物质的密度,1.5 激发 带电粒子使核外电子由低能级跃迁到高能级的现象称为激发。 激发的结果：退激时产生光子或转变为热运动的能量。,2. 散射和轫致辐射,散射： 带电粒子在物质中受原子核静电力的作用而改变方向，此现象称为散射。 粒子能量不变，称为弹性散射 若粒子能量有损失，称为非弹性散射轫致辐射 相关的两个概念：（1）射程（2）吸收,（1）射程,粒子在物质中停止运动以

17、前沿运动轨迹所通过的距离称为路程。路程沿入射方向的投影称为射程。如：粒子的射程：在空气中可达数米，在生物体内有数十毫米。粒子的射程：在空气中可达数厘米，在生物体内只有几百微米。（2）吸收射线能量完全丧失时，粒子射线将消失，此即射线被吸收。,二、光子射线与物质的相互作用,光子与物质相互作用的主要方式有三种： 光电效应、康普顿效应、电子对效应。1.光电效应光电效应的结果产生了： 光电子 标识X射线 俄歇电子,2.康普顿效应,能量较高的光子与自由电子或原子中束缚不太紧的电子作用，把一部分能量传给电子，使其脱离原子成为反冲电子，光子能量减小，以散射光子的形式改变前进方向，这种作用过程称为康普顿效应。康

18、普顿效应的结果产生了：反冲电子、散射光子。,3.电子对效应,当光子的能量h大于两个电子的静止质量2mec2=1.022MeV时，光子在原子核静电场作用下转化为一个正电子和一个负电子，这种现象称为电子对效应（electron pairing effect) 。,电子对湮灭,正电子在真空中稳定，在物质中很难存在，当正电子能量为零时会与一个负电子结合，转化为两个能量皆为0.511MeV、飞行方向相反的光子，此现象称为电子对的湮灭(electron pair annihilation).,结果：产生正电子、负电子和两个光子,X、射线与物质的相互作用比较复杂，产生的次级粒子射线及次级光子射线还会与物质作

19、用，发生间接电离和激发。,三、中子与物质的相互作用,1.中子的获得： 铀裂变时可获取中子： 23599U + 10n =9038Sr + 13654Xe +10 10n2.中子分类： 慢中子：能量介于0.030.1eV 热中子：能量小于0.5eV 中能中子：能量介于0.5eV10KeV 快中子：能量介于10KeV 10MeV 高能中子：能量大于10MeV,3.中子与物质的相互作用 中子主要与原子核发生作用，如：受原子核散射或与原子核发生核反应，引起物质间接电离。4.中子的防护： 常用含氢较多的水、石蜡使中子减速且吸收中子，达到防护作用5.中子的医学应用：用中子照射肿瘤疗效优于X、射线。,第五节

20、 辐射剂量与防护及测量原理,1.电离辐射：射线、射线、X射线、射线、中子射线等通过物质时，皆能使物质原子直接或间接产生电离作用，所以统称这些射线为电离辐射。2.辐射效应：各种电离辐射通过物质时能使物质发生变化，这些变化称为辐射效应。,3.生物效应：,人体或生物体组织吸收电离辐射能量后会产生物理、化学和生物学变化，导致组织的损伤，称为生物效应。生物效应的程度:准确评估放射治疗的疗效和副作用的量?下面介绍几个相关的量：,一、辐射剂量及其单位,1.照射量X、射线的照射量定义为 E =dQ/dm 式中dQ是当射线在质量为dm的干燥空气中形成的任何一种符号（正和负）离子的总电量。 E的单位为：C/kg，

21、 曾用单位为：伦琴（R） 1R=2.5810-4 C/kg,2.吸收剂量,单位质量的被照物质从电离辐射中所吸收的能量称为吸收剂量，用D 表示 D =dE/dm单位：J/kg ，称为戈瑞（Gy），常用单位有：拉德（rad） 1 Gy = 100 rad吸收剂量率：单位时间内的吸收剂量称为吸收剂量率，单位为：Gy/s,3.当量剂量(或剂量当量) HT,当量剂量是反映电离辐射对人体损伤程度的物理量,根据射线生物效应的强烈程度，引入辐射权重因子R,当量剂量 =辐射权重因子吸收剂量 即 HT = R DT.R 剂量当量HT 的单位为：希沃特（Sv)， 常用的单位还有：雷姆（rem) 1Sv = 100r

22、em,二、辐射防护,人们在日常生活中一直受到的各种天然射线的照射，称为本底照射，最大允许剂量（MPD）国际上规定：经过长期积累或一次性照射后，对肌体既无损害又不发生遗传危害的最大剂量称为最大允许剂量（MPD）。 我国规定的MPD值为每年不超过5rem，即50mSv;而每天不超过50Sv。,1.外照射防护,放射源在体外对人体进行的照射称为外照射。对射线的防护：工作时只要带手套就能有效的进行外防护（射程短）；对射线的防护：使用原子序数中等的物质，如用铝、各种塑料和有机玻璃等。对X、射线的防护：用原子序数较大的物质，如铅。,2.内照射防护,内照射：放射性核素注入体内进行的照射称为内照射。任何射线的内

23、照射皆应该避免，特别是射线（电离比值大）,混泥土建筑物氡Rn的含量较高，散入空气中，会随尘埃吸入人肺中产生内照射，22286Rn，半衰期为3.82d ，产生、射线， 容易引起肺癌。,日常生活中接触到的辐射剂量,国家规定安全剂量 5 mSv/年北京地区天然本底 2 mSv/年吃食物 0.2 mSv/年砖制房屋 0.4 mSv/年乘飞机 0.01 mSv/小时吸烟20支/天 1 mSv/年泥土、空气 0.5 mSv/年门诊透视 0.3 mSv/次胸部透视 0.1 mSv/次消化道造影 13.7 mSv/次,三、射线的测量原理,射线探测器可以探测、射线是否存在，甚至能探测其能量和数目。,第六节 放射

24、性核素在医学上的应用,1.示踪的原理2.放射诊断（1）照相机（2）ECT: SPECT;PET3.肿瘤放射治疗,第三、四、五节小结,核衰变的规律,衰变常数、半衰期、平均寿命、放射性活度,射线与物质的相互作用,带电粒子射线,光子射线,中子射线,电离和激发 散射和轫致辐射,光电效应康普顿散射电子对生成,粒子射线,电离辐射,照射量 吸收剂量剂量当量,防护,作业:,P333：4、5、6、7、10、11,二、重点：原子核的衰变类型及衰变规律,一、学习本章后，我们应该：1、掌握放射性核素的衰变类型。2、掌握放射性核素的衰变规律和应用。3、理解射线与物质相互作用的几种形式。4、理解射线剂量的定义及射线的防护

25、方法。,结束,Summary of Chapter 3:,Concepts:,Ideal fluid, Streamline, Tube of flow, Stead flow,Laminar flow, Viscosity, Turbulent flow,Flow resistance,(1)Equation of continuity: 1A11 = 2A22 For an incompressible fluid: A1 1 = A2 2,Formulas:,(2)Bernoullis Equation:,(3) Poiseuilles Law:,(4) The Reynolds num

26、ber NR:,NR =,2R,(5) Stokes Law: F = 6 r,(6) The sedimentation velocity:,(7),NR 15000 flow is turbulent1000 NR 15000 flow is unstable,Summary of chapter 4,I =,1. Intensity of wave,The sound wave: f =20 to 20,000 Hz.,The infrasonic wave: f 20Hz;,The ultrasonic wave: f 20,000Hz;,2.,3.The pressure ampli

27、tude:,mcA,Concepts:,Formulas:,Sound wave, Sound pressure, Acoustic impedance,Intensity of sound, Intensity-level,Loudness level,6. The reflection coefficient and refraction coefficient of intensity:,=,=,it,t,4,4.The acoustic impedance:,5. Intensity of sound wave:,m,m,8. Doppler Effect,9. Ultrasound

28、and Its Applications in Medicine:,The velocity v of red blood cell:,7.The intensity-level scale (Decibel scale):,I0 = 10-12 Wm-2,The sign,Summary of chapter 5,Concepts: Electrical current density,Formulas:,1, Electrical current density:,2,Kirchhoffs laws:,基尔霍夫定律分析和计算电路电流的步骤：,I 0（正值），电流实际方向与假定方向一致；I

29、0（负值），电流实际方向与假定方向相反。,设电路有m条支路，n个节点，,假定各支路电流的方向和回路的循行方向；,列出节点电流方程n-1个；,列出回路电压方程m-(n-1)个；,对m个独立方程联立求解；,判断各支路电流实际方向；,=F/2L （N/m2),Concepts:Surface energy, Surface tension , Additional pressure of a curved surface of liquid, Contact angle, Capillary phenomena, Surfactant adsorption, Surfactant, Air embo

30、lism.,Summary of chapter 5,1,Coefficient of surface tension,Formulas:,2,Surface energy,P液内- P0=,附,P液内-P0=-,附,4, Additional pressure of soap bubble:,3,Additional pressure of a curved surface of liquid:,4,(convex surface),(concave surface),5,Height of a liquid in a capillary:,Summary of chapter 10,1.T

31、he fringes formula of Youngs doubleslits:,2.The Optical Path.,S = nl,3.Diffraction From a Single Slit.,明纹公式,暗纹公式,5. Polarization of Light,Malus Law:,I = I0cos2,4.The Plane Diffraction Grating.,*The grating spacing:,d = unit length/the number of slits,sin=m /d (m=0,1,2),* The bright images formula,Co

32、ncepts:Coherent light source, Optical Path, Diffraction of light,Natural light, Planepolarized light,Summery of chapter 11,1 The equation of refraction a spherical surface,3 near and far point, accommodation,2 dioptric power of surface,4 nearsighted eye, farsighted eye, how to corrected them,= n1 /

33、f1= n2 / f2,5 The angular magnification of magnifier:,6 The overall magnification of microscope,7,The resolving power:,S,Z,U,0.61,Concepts:Refraction a spherical surface, Coaxial spherical system,Optical model of the eye, Accommodation of the eye,Viewing angle,Vision, Angular magnification, Resolvin

34、g power.,m = / ,Mass thickness: Xm =X,3.Mass absorption coefficient,Summary of chapter 13,1, The wavelength of this limit:,2, The Absorption law of X-ray,4, Half value layer,Concepts:Basic properties of the X-ray, Intensity and hardness of the X-ray, Continuous X-ray spectrum, Characteristic X-ray s

35、pectrum.,Summary of chapter 14,Concepts: Nuclide, Isotopes, Isomer, Binding Energy, Mass defect, Nuclear decay, r decay and internal conversion, decay, -decay, +decay and electron capture, Half-life ,Radioactivity.,m(u) = 1。073510-3E(MeV),E(MeV) = 931.5 m(u),m = mi- m,dN/dt=-N,N=N0exp(-t),T=ln2/=0.693/,N=N0exp(-ln2 t/T)= N0(1/2)t/T,3,Decay Law,1.Mass defect:,2, The equation of mass and energy:,4, Half-life,Formulas:,A=-dN/dt=N,A=N0exp(-t)=A0 exp(-t) = A0(1/2)t/T,5,Radioactivity.,N=mN0/mmol,6.The number of radioactive source:,1Ci=3.71010Bq。,1mCi=3.7107Bq ； 1Ci=3.7104Bq,