肿瘤放射物理学1

放射物理学第一章核物理基础第一节基本概念一、原子结构中心是带正电的原子核核的周围是带负电的电子在绕核运动原子核:质子和中子组成，质子带正电荷e，中子不带电，质子和中子统称为核子。原子结构示意图元素、核素、同位素和同质异能素元素：质子数相同的原子称为一种元素，它们的原子序数相同，因此具有相同的化学特性。但其原子核中的中子数可以不同，因而物理特性可有某些差异。到目前为止，天然和人工合成的元素有109种，组成元素周期表。核素：质子和中子数相同，质量数相同，并处于同能量状态的原子，称为一种核素，例如:为5种不同的核素。目前已知的核素有2300多种，分别属于100多种元素。11H21H31H22688Ra、9943Tc同位素：质子数相同而中子数不同，称为元素的同位素，例如:同质异能素：核内中子数和质子数都相同，但核所处能态不同的核素互为同质异能素。例如：正常的钴元素和镤元素表示为60Co和234Pa，它们的同质异能素则表示为60Com和234Pam等。和互为氢的同位素。H11H21H31二、原子、原子核能级零势能规定：习惯上规定当电子与核相距无穷远时，电子所具有的势能为零。因此，当电子填充核外某一个壳层时，其势能为负值。基态：电子填充壳层时按照从低能到高能的顺序进行，以保证原子处于最低能量状态。由于内层电子对外层电子具有屏蔽效应，所以实际电子填充壳层时，会出现能级交错，而不是按壳层顺序逐个填充。激发态：当电子获得能量，从低能级跃迁到高能级而使低能级出现空位时，称原子处于激发态。结合能：当一个自由电子填充壳层时，会以发射一个光子的形式释放能量，能量的大小等于壳层能级能量的绝对值，这些能量称为相应壳层的结合能。结合能随n、l的增大而减小，对于同一个能级，结合能随原子序数增大而增加。特征辐射与俄歇电子：处于激发态的原子很不稳定，高能级的电子会自发跃迁到低能级空位上，从而使原子回到基态。两能级能量的差值一种可能是以电磁辐射的形式发出，这种辐射称为特征辐射，当特征辐射的能量足够高，进入X射线能量范围时，又称为特征X射线；另一种可能是传递给外层电子，使之脱离原子束缚成为自由电子，这种电子称为俄歇电子，它的能量等于相应跃迁的X射线能量减去该电子的结合能。三、原子、原子核的质量原子质量单位定义：1u＝原子质量相对原子质量：原子的质量以u为单位时测量得数。阿伏加德罗定律：1摩尔任何元素的物质包含有NA（6.022×1023）个原子。摩尔质量：1摩尔物质的质量，其数值等于相对原子质量，单位为（g/mol）。126112C第二节放射性一、原子核的稳定性影响核素稳定的因素如下：1、中子数与质子数之间的比例关系2、核子数的奇偶性3、重核的不稳定性原子序数小于82的元素至少存在一种稳定核素，而原子序数大于82的元素都不稳定，会自发的放射出α粒子或自发裂变而成为铅（Z＝82）的同位素。二、衰变类型放射性、放射性衰变、放射性核素原子核的衰变，主要有三种类型，即α、β衰变和γ跃迁。（一）α衰变α粒子是氦的原子核，它由2个质子和2个中子组成。α衰变的反应式如下：8790.4HeThU422349023892MeV4422AAZZXYHeQ发生α衰变的前提条件：母核与子核的静止质量之差大于α粒子的静止质量时，衰变能大于零。（二）β衰变β衰变包括3种类型：β-衰变、β＋衰变、轨道电子俘获。1、β-衰变：核内中子多，n→变P，放出一个负电子。QYXA1ZAZSP32163215Q称为反中微子β-的能谱特点：两端低、中间高的连续谱分布。2、β＋衰变:核内质子多，P→变n，放出一个正电子。QYXA1zAzQOF188189注：式中υ代表中微子。能谱特点：β＋粒子的能谱与β-粒子能谱一样也是连续的。3、轨道电子俘获原子核从核外壳层中俘获一个轨道电子使核内的一个质子转变为中子，同时放出中微子的过程称为轨道电子俘获。QTeeIQYeX1255212553A1ZAz222()[(,)(1,)](0){[(,)][(1,)(1)]}[(,)(1,)]XYeXeYeeXYQmZAmZAmcmMZAZmMZAZmmcMZAMZAc222()[(,)(1,)](0){[(,)][(1,)(1)]}{[(,)(1,)]2}XYeXeYeeXYeQmZAmZAmcmMZAZmMZAZmmcMZAMZAmc发生β衰变的前提条件：衰变能必须大于零β－衰变：母核的原子质量应大于子核的原子质量。β＋衰变：母子核的原子质量之差应大于两个电子的静止质量。轨道电子俘获：母子核的原子质量之差所对应的能量应大于轨道电子的结合能。222()[(,)(1,)](0){[(,)][(1,)(1)]}[(,)(1,)]XeYiXeeYeiXYiQmZAmmZAcWmMZAZmmMZAZmcWMZAMZAcW（三）γ跃迁和内转换伴随α或β衰变后发生。内转换：有些原子核进行γ跃迁时不放出γ射线，而把激发态跃迁到较低激发态或基态时释放出来的能量直接交给核外壳层电子（主要是K层电子），使该电子释放出来成为自由电子，这个过程称为内转换，发射出的电子称为内转换电子。QXXAZmAZTcTc9943h02.6tm99432/1例：（Eγ=0.141MeV）是的同质异能素。注：m9943TcTc9943三、放射性度量放射性指数衰变规律：放射性活度：是指一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔之商。公式表达如下：0tdNANAedt活度的国际单位是贝可[勒尔]（Bq）。旧单位是居里（Ci）。1Ci＝3.7×1010Bq＝3.7×1010核衰变/秒0tNNeλ为衰变常数半衰期：放射性核素其原子核数目衰减到原来数目一半所需的时间（T1/2）。半衰期与衰变常数的关系为：1/2ln20.693TT1/2的单位是秒，对半衰期长的核素可以用分（min）、天（d）、年（a）。平均寿命（τ）：是指放射性原子核平均生存的时间。01/21/200()11.440.693tdNtTtedtTN放射性比活度：单位质量放射源的放射性活度，单位是Bq/g。衡量放射性物质纯度的指标。例：一台60Co治疗机源初装时的活度为111TBq（3000Ci），使用5年、10年后源的活度还剩多少？解：将A0＝111TBq，T1/2＝5.27a，t＝5a，代入1/20.69300tTtAAeAe得557.5aATBq，1029.8aATBq。四、递次衰变和放射平衡递次衰变：放射性核素转变为稳定核素时往往要经过多次衰变才能完成，这种衰变称为递次衰变。衰变过程中形成的核素系列称衰变系列。例如，9036Kr转变为9040Zr需经4次β－衰变142.9min286490909090903637383940sahKrRbSrYZr递次衰变时任一子体随时间变化不仅与本次衰变的衰变常数有关，而且与前面所有衰变的衰变常数有关。放射性平衡：如果母体的半衰期大于子体的半衰期，当经过足够长的时间后，子母体间的放射性活度将保持固定比例，这样一种状态称为放射性平衡。当放射性平衡出现后，子体的衰变速度将与母体相同。五、人工放射性核素在医学中有广泛的应用，如钴-60、锝-99、锶-90、铱-192等。制备途径：（1）反应堆中的强中子束照射靶核，靶核俘获中子而生成放射性核；（主要来源）（2）中子引起重核裂变，从裂变碎片中提取放射性核素，这样制备出来的核素是丰中子核素，通常具有β－衰变。（3）用高能加速器产生放射性核素，这样制备出来的是缺中子核素，通常具有β＋衰变，但多是短寿命的。一般应选择照射时间小于5个半衰期。人工放射性核素的生产曲线：小结：1．基本概念元素，核素，同位素，原子量，基态，激发态，特征X射线，原子结构和能级，原子核结构和能级，阿伏加德罗定律，重要基本粒子(光子、电子、质子、中子和π介子)的特性。2．放射性原子核的稳定性，衰变类型，放射性指数衰变规律，放射性活度，半衰期，衰变常数，平均寿命τ，递次衰变，放射平衡，放射性比活度，人工放射性核素的生产途径和其生长规律。作业1：名词解释：特征辐射、放射性活度问答题：1、哪些因素会影响核素的稳定性？2、10000Ci的60Co源有多少个60Co放射性原子?其质量为多少克?3、60Co半衰期为5.27年，衰变到1/10用多长时间?4、说明处于激发态的原子核其释放能量的方式？