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1、放放 射射 物物 理理中日友好医院核医学科中日友好医院核医学科原子核中子质子电子+ +原子核结构原子核结构: :X X为元素符号为元素符号Z Z为质子数为质子数N N为中子数为中子数A A为质量数为质量数131131I I、9999TcTcm m 元素元素(element)具有相同质子数的原子，具有相同质子数的原子，化学性质相同，但其中子数可以不同，如化学性质相同，但其中子数可以不同，如131I、127I、123I、124I、 125I等。等。同位素同位素( (isotope)isotope)凡同一元素的不同核素凡同一元素的不同核素（质子数同，中子数不同）在周期表上处于（质子数同，中子数不同）
2、在周期表上处于相同位置，互为同位素。相同位置，互为同位素。4核素核素(nuclide)质子数相同，中子数也相质子数相同，中子数也相同，且具有相同能量状态的原子，称为一种同，且具有相同能量状态的原子，称为一种核素。不仅化学性质相同，核的性质也相同。核素。不仅化学性质相同，核的性质也相同。同质异能素同质异能素(isomer)质子数和中子数都质子数和中子数都相同，但处于不同的核能状态原子，相同，但处于不同的核能状态原子，如如9999TcTcm m、9999TcTc 。 放射性核素由于核内结构或能级调整，自发地放射性核素由于核内结构或能级调整，自发地释放出一种或一种以上的射线并转化为另一种核素释放出一
3、种或一种以上的射线并转化为另一种核素的过程称为的过程称为核衰变核衰变（nuclear decay)nuclear decay)。稳定性核素稳定性核素(stable nuclide)(stable nuclide)：原子核稳定，不会：原子核稳定，不会自发衰变的核素。自发衰变的核素。放射性核素放射性核素(radionuclide)(radionuclide)：原子核不稳定，需通：原子核不稳定，需通过核内结构或能级调整才能趋于稳定的核素。过核内结构或能级调整才能趋于稳定的核素。 核力：核力：原子核的核子之间存在着很强的短程原子核的核子之间存在着很强的短程引力，使原子核中的核子结合在一起。引力，使原子
4、核中的核子结合在一起。 同时原子核中又存在带正电荷的质子之间的同时原子核中又存在带正电荷的质子之间的静电排斥力静电排斥力。 原子核的稳定性由核子之间的核力和静电排原子核的稳定性由核子之间的核力和静电排斥力的相对大小决定，与质子数斥力的相对大小决定，与质子数(Z)(Z)和中子数和中子数(N)(N)的比例有关。的比例有关。 Z Z20 N/Z20 N/Z1 Stability1 Stability Z Z83 Unstability83 Unstability +从母核中射出从母核中射出的的4 4HeHe原子核原子核238U4He + 234Th放射性母核放射性母核 粒子得到粒子得到大部分衰变能，
5、大部分衰变能， 粒子粒子含含2 2个质子，个质子，2 2个中子个中子-衰变衰变 3215P 3216S + - + + Q正电子衰变（正电子衰变（+衰变）衰变） 137N 136C + + + + Q发生原因发生原因母核中子或质子过多母核中子或质子过多 - -+质子转变成中子质子转变成中子释放一个正电子释放一个正电子中子转变成质子中子转变成质子释放一个负电子释放一个负电子中微子反中微子反中微子中微子和反中微子不带电荷、质量数基本为中微子和反中微子不带电荷、质量数基本为0 0，两者自旋方向相反。两者自旋方向相反。三种子体分享裂变能三种子体分享裂变能因此电子具有连续能谱。因此电子具有连续能谱。+质
6、子变成中子质子变成中子X射线射线Electron capture, EC）核外轨道电子核外轨道电子12553I + e- 12552Te + + Q 电子俘获后，外层轨道电子填充到内层轨电子俘获后，外层轨道电子填充到内层轨道上，多余的能量以道上，多余的能量以X线线形式释放，称为形式释放，称为特征特征X射线（射线（characteristic X ray）。 多余的能量也可传递给多余的能量也可传递给更更外层外层的的 电子，电子，使之脱离轨道释出，此电子称为使之脱离轨道释出，此电子称为俄歇电子俄歇电子（Auger electron）。 电子俘获后，有时原子核具有较高能量，电子俘获后，有时原子核具有
7、较高能量，处于激发态，放射出处于激发态，放射出射线回复到基态；射线回复到基态； 也可以把能量直接传给核外内层电子，也可以把能量直接传给核外内层电子，使之发射出去，称为使之发射出去，称为内转换电子内转换电子(internal conversion electron，IE)。 发生内转换后该层轨道空缺，也将由外发生内转换后该层轨道空缺，也将由外层电子填补，从而放射特征层电子填补，从而放射特征X射线或俄歇射线或俄歇电子。电子。+反中微子 光子核素由激发态向基态或由高能态向低能态跃核素由激发态向基态或由高能态向低能态跃迁时，放出迁时，放出 射线的衰变过程为射线的衰变过程为 衰变，又称衰变，又称同质异能
8、跃迁同质异能跃迁。衰变常继发于衰变常继发于衰变、衰变、衰变或其他核反应。衰变或其他核反应。 99Mo 99Tcm + - 99Tc + 131I 131Xe + - +对于由大量原子组成的放射源，每个原子核都对于由大量原子组成的放射源，每个原子核都可能发生衰变，但不是所有原子在同一时刻都可能发生衰变，但不是所有原子在同一时刻都发生衰变，某一时刻仅有极少数原子发生衰变。发生衰变，某一时刻仅有极少数原子发生衰变。放射性核素衰变是随机的、自发的按一定的速放射性核素衰变是随机的、自发的按一定的速率进行，各种放射性核素都有自己特有的衰变率进行，各种放射性核素都有自己特有的衰变速度。速度。放射性核素原子随
9、时间而呈指数规律减少。放射性核素原子随时间而呈指数规律减少。核衰变基本规律核衰变基本规律指数衰减规律：指数衰减规律：N = N0e- t N0: 0时放射性原子核的数目时放射性原子核的数目N: 经过经过t时间后未发生衰变的放时间后未发生衰变的放射性原子核数目射性原子核数目e: base of natural logarithmt: decay time :decay constant 只与原子核本身性质有关，只与原子核本身性质有关，与外界条件无关与外界条件无关 数值越大衰变越快数值越大衰变越快 =ln2/T1/2 即即 =0.693/T1/2N = NN = N0 0e e- - t t衰变规
10、律衰变规律半衰期半衰期 物理半衰期物理半衰期（physical half life，T1/2） 放射性核素减少一半所需要的时间。放射性核素减少一半所需要的时间。 生物半排期生物半排期（biological half life，Tb） 生物体内放射性核素经各种途径从体内排出一半所需的时间。生物体内放射性核素经各种途径从体内排出一半所需的时间。 有效半减期有效半减期（effective half life，Te） 生物体内放射性核素由于从体内排出和物理衰变两个因素，生物体内放射性核素由于从体内排出和物理衰变两个因素，减少至原有放射性活度的一半所需的时间。减少至原有放射性活度的一半所需的时间。 1/
11、Te=1/T1/2+1/Tb（radioactivity， A)：单位时间内发生：单位时间内发生衰变的原子核数。衰变的原子核数。A = A0e- t 1 Bq：放射性核素在放射性核素在1秒内发生一次衰变。秒内发生一次衰变。 1Ci = 3.71010Bq kBq(103Bq) 、 MBq(106Bq)、GBq(109Bq) mCi（10-3Ci）、）、Ci（ 10-6Ci ）放射性比活度放射性比活度：单位质量或体积中放射性核素的：单位质量或体积中放射性核素的放射性活度。放射性活度。 单位：单位： Bq/kg; Bq/g; Bq/m3; Bq/l。原子原子。 n n 物质：气体 液体 固体 包括
12、人体 等射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用Interactions of charged particles with matter (,) Ionization 电离电离 Excitation 激发激发 Scattering 散射散射 Bremsstrahlung 轫致辐射轫致辐射Interactions of -ray with matter Photoelectric effect 光电效应光电效应 Compton scattering 康普顿散射康普顿散射 Pair production 电子对生成电子对生成Interactions of neutron with matter
13、Scattering 散射散射 Nuclear reaction 核反应核反应带电粒子与物质的相互作用带电粒子与物质的相互作用 电离电离(ionization) ：带电粒子（带电粒子（ ， ）通过）通过物质时，与原子的核外电子作用，使电子物质时，与原子的核外电子作用，使电子脱离原子轨道形成一个自由电子和带正电脱离原子轨道形成一个自由电子和带正电荷的离子荷的离子。 激发激发(excitation ) ：如果核外电子获得的能：如果核外电子获得的能量不足以使其形成自由电子，只能由能量量不足以使其形成自由电子，只能由能量较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，使原较低的轨道跃迁到能量较高的轨道，使原子处于能量
14、较高的激发态子处于能量较高的激发态。 单位路径上形成离子对的数目称为单位路径上形成离子对的数目称为电离电离密度密度(ionization density )或比电离或比电离。 此物理量可以用来表示带电粒子电离能此物理量可以用来表示带电粒子电离能力的大小，它与带电粒子的电量、速度力的大小，它与带电粒子的电量、速度以及物质密度有关。带电粒子的电量越以及物质密度有关。带电粒子的电量越大、速度越慢、物质密度越大，电离密大、速度越慢、物质密度越大，电离密度越大。反之，则小。度越大。反之，则小。散射作用散射作用 散射散射(scattering)：带电粒子与物质原子核碰带电粒子与物质原子核碰撞而改变运动方向
15、和能量的过程撞而改变运动方向和能量的过程。 弹性散射弹性散射(elastic scattering)：其中运动方向其中运动方向改变而能量不变者称为弹性散射。改变而能量不变者称为弹性散射。 带电粒子受到原子核电场作用，运动方向带电粒子受到原子核电场作用，运动方向和速度都发生变化，能量减低，部分能量和速度都发生变化，能量减低，部分能量以以X ray形式辐射出来，称为形式辐射出来，称为韧致辐射韧致辐射(bremsstrahlung) 。 与介质的原子序数的平方成正比；与介质的原子序数的平方成正比； 与带电粒子的质量成反比；与带电粒子的质量成反比； 与带电粒子的能量成正比。与带电粒子的能量成正比。湮灭
16、辐射湮灭辐射 衰变产生的正电子，在介质中行进（最大几衰变产生的正电子，在介质中行进（最大几毫米）时，毫米）时， 能量耗尽时和物质中的自由电子能量耗尽时和物质中的自由电子（e）结合，两个电子的静止质量转化为两个方结合，两个电子的静止质量转化为两个方向相反、能量各为向相反、能量各为0.511MeV的的 光子而自身消失，光子而自身消失，这叫这叫湮灭辐射湮灭辐射(annihilation radiation)。 探测湮灭辐射产生的两个方向相反的探测湮灭辐射产生的两个方向相反的光子光子是是PET成像的基础。成像的基础。正电子湮灭正电子湮灭正电子与负电子相遇发生湮正电子与负电子相遇发生湮灭，产生两个灭，产
17、生两个 0.511 0.511 MeV的的 光子。光子。 e+ + e- + me+ + me - = 0.511 + 0.511 MeV 转化效率转化效率 (100 %） 能量能量质量质量E = M C2吸收作用吸收作用带电粒子通过物质时，与物质相互作用，能带电粒子通过物质时，与物质相互作用，能量不断损失，当射线能量耗尽后，该粒子不量不断损失，当射线能量耗尽后，该粒子不再存在，称作被再存在，称作被吸收吸收(absorption)。吸收前射吸收前射线在物质中行经的路程称为线在物质中行经的路程称为射程射程(range)。在外照射情况下，在外照射情况下， 粒子易于防护，但内照粒子易于防护，但内照射
18、情况下，伤害集中，应特别注意。射情况下，伤害集中，应特别注意。 射线能量越高射程射线能量越高射程越长，介质密度越大越长，介质密度越大射程射程越短，对射线的越短，对射线的吸收吸收越强。越强。 光电效应、康普顿效应、电子对生成光电效应、康普顿效应、电子对生成 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用光电效应光电效应光子与物质原子的轨道电子（主要是内层电子）光子与物质原子的轨道电子（主要是内层电子）碰撞，能量全部交给轨道电子，使之脱离原子，碰撞，能量全部交给轨道电子，使之脱离原子，光子能量完全消失，这种作用过程为光子能量完全消失，这种作用过程为光电效应光电效应(photoelectric effec
19、t)。脱离原子轨道的电子称为。脱离原子轨道的电子称为光电子（光电子（photoelectron ）。）。发生光电效应后，原子内层轨道形成空穴，外层发生光电效应后，原子内层轨道形成空穴，外层电子很快填充，从而释放出特征电子很快填充，从而释放出特征X线线或俄歇电子或俄歇电子。 光电效应是光电效应是 射线探测器的基本原理。射线探测器的基本原理。 光电效应光电效应 自由电子自由电子光子同光子同( (整个整个) )原子作用把自己的全部能量传递给原子原子作用把自己的全部能量传递给原子, ,壳层中壳层中某一电子获得动能克服原子束缚跑出来某一电子获得动能克服原子束缚跑出来, ,成为自由电子，光子成为自由电子，
20、光子本身消失。本身消失。 + A A* + e- （光电子）（光电子） 原子原子 A + X 射线射线原子原子受激原子受激原子 康普顿效应康普顿效应 能量较高的能量较高的 光子与原子的核外电子碰撞，将一光子与原子的核外电子碰撞，将一部分能量传递给电子，使之脱离原子轨道成为自部分能量传递给电子，使之脱离原子轨道成为自由电子，由电子， 光子本身能量降低，运动方向发生改光子本身能量降低，运动方向发生改变，称为变，称为康普顿效应（康普顿效应（ Compton effect ）。释放。释放出的电子称为康普顿电子（出的电子称为康普顿电子（Compton electron）,入射光子散射后称为康普顿散射光子
21、（入射光子散射后称为康普顿散射光子（Compton scattered photon）。）。 电子对生成电子对生成当当 光子能量光子能量 1.022 Mev时，时，光子在原子核电场光子在原子核电场作用下转化为一个正电子和一个负电子作用下转化为一个正电子和一个负电子（negatron），），称为称为电子对生成（电子对生成（ electron pair production），它们能量各为，它们能量各为0.511 MeV，剩余剩余的能量变成电子对的动能。的能量变成电子对的动能。能量能量1.02 MeV 的的射线射线与原子核作用可能产生一对与原子核作用可能产生一对正正-负电子。负电子。M M M +
22、 e M + e+ + + e+ e- - 1 1 + + 2 2 1.02 MeV m 1.02 MeV me e m me e 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV 0.511MeV能量能量质量质量M = E /C2 光电效应光电效应 康普顿效应康普顿效应 电子对效应电子对效应 产生次级电子产生次级电子电离、激发电离、激发射线射线第第 1 1 步步初级作用初级作用第第 2 2 步步次级作用次级作用射线与物质相互作用射线与物质相互作用三种射线特性比较三种射线特性比较射线 性质带电粒子电子电磁波电离能力1-7万对/cm60-700对/cm很弱穿透能力弱较强最强射程3-4cm10
23、-20m理论上无限大内照射危害 最大大最小外照射危害 几乎无危害大最大电离辐射生物效应及防护电离辐射生物效应及防护 急性效应：发生在大剂量X射线、 射线射线照射（一般2 Gy以上全身照射）之后，数小时或数天内发生的效应，如脱发、皮肤红斑、溃疡，白细胞、血小板减少，嗜睡、昏迷，恶心、呕吐、腹泻、便血等。 晚期效应：发生在急性效应恢复后或长期小剂量照射者，一般数年或数十年后发生的效应，如癌症和遗传效应等。 确定性效应（确定性效应（deterministic effect）：辐射损伤的严重程度与所受剂量呈正相关，有明显的剂量阈值。一般是在短期内受较大剂量照射时发生的急性损害，主要针对个体。 随机效应
24、（随机效应（stochastic effect）：辐射效应发生的几率与剂量相关，而严重程度与剂量无关，不存在阈值。主要有致癌效应和遗传效应，研究对象是群体。辐射生物效应的物理化学基础 直接作用：生物分子的电离、激发和断裂 继发作用：自由基(radical)作用 自由基是一个或多个不配对电子而能独立存在的原子或分子，具有极高的不稳定性和化学反应性，存在时间及其短暂。主要是水自由基OH。生物大分子受到射线的作用主要是自由基作用： 直接作用于蛋白质分子、核酸分子的碱基、磷酸二酯键、核糖等。 通过脂质过氧化作用造成体内生物膜 (细胞膜、线粒体膜、溶酶体膜、核膜) 的损伤，影响能量传递、物质转运、 信息
25、识别等功能。辐射生物效应影响因素 辐射剂量 分割次数和剂量率 照射范围 氧效应 传能线密度(linear energy transfer, LET) 相对生物效应(辐射权重因子) 组织辐射敏感性照射量照射量(exposure，X) 是度量是度量x射线或射线或 射线对空气致电离能力的物理量。射线对空气致电离能力的物理量。其含义是：其含义是：x射线或射线或 射线在质量为射线在质量为dm的空气中释的空气中释放出的全部正、负电子，完全被空气所阻止时形放出的全部正、负电子，完全被空气所阻止时形成的同种符号离子的总电荷绝对值成的同种符号离子的总电荷绝对值dQ，与空气质与空气质量量dm之比，即：之比，即：X
26、 = dQ/dm。 照射量单位：照射量单位：1C / kg（库仑库仑/千克）千克）= 3.876 103 R（伦琴）伦琴） 照射量率（照射量率（exposure rate）: 单位时间内的照射量单位时间内的照射量称照射量率。称照射量率。辐射剂量及单位辐射剂量及单位吸收剂量吸收剂量(absorbed dose，D)是反映被照射物质吸收电离辐射能量大小的物理量。是反映被照射物质吸收电离辐射能量大小的物理量。其含义是：电离辐射授予单位质量物质的平均能量其含义是：电离辐射授予单位质量物质的平均能量与该单位物质的质量之比。与该单位物质的质量之比。国际制单位是国际制单位是Gy（戈瑞），（戈瑞），1Gy=1
27、 J/kg。旧的专用单位是旧的专用单位是rad（拉德），（拉德），1Gy=100 rad。单位时间内的吸收剂量称为吸收剂量率。单位时间内的吸收剂量称为吸收剂量率。 组织或器官的当量剂量是此组织或器官的平均组织或器官的当量剂量是此组织或器官的平均吸收剂量与辐射权重因子的乘积。吸收剂量与辐射权重因子的乘积。单位：单位：J/kg，专用名称：专用名称：Sievert, Sv（希沃特）（希沃特）1 Sv = 1 J/kg当量剂量当量剂量(equivalent dose，HT)辐射权重因子辐射权重因子（WR）辐射类型辐射类型能量范围能量范围WR光子光子电子和介子电子和介子中子中子质子（反冲质子除外）质子（
28、反冲质子除外）粒子，裂变碎片，重核粒子，裂变碎片，重核所有能量所有能量所有能量所有能量能量能量10keV 10-100keV100keV-2MeV2-20MeV20MeV能量能量2MeV1151020105520有效剂量（有效剂量（effective dose, E) 各组织或器官的当量剂量（各组织或器官的当量剂量（HT）与相应的）与相应的组织权重因子（组织权重因子（WT）的乘积的总和。）的乘积的总和。意义：定量评价随机效应的危险度意义：定量评价随机效应的危险度单位：单位：Sv （希沃特）（希沃特）组织权重因子组织权重因子（tissue weighting factor, WT) WT代表组织
29、代表组织T接受的照射所导致的随机效应接受的照射所导致的随机效应的危险系数与全身受到均匀照射时的总危险的危险系数与全身受到均匀照射时的总危险系数的比值。系数的比值。表示组织或器官的辐射敏感性表示组织或器官的辐射敏感性反应了全身均匀受照下该组织或器官对总危害的反应了全身均匀受照下该组织或器官对总危害的相对贡献。相对贡献。组织或器官组织或器官组织权重因子组织权重因子WT性腺性腺红骨髓红骨髓结肠结肠肺肺胃胃膀胱膀胱乳腺乳腺肝脏肝脏食道食道甲状腺甲状腺皮肤皮肤骨表面骨表面其余组织或器官其余组织或器官0.200.120.120.120.120.050.050.050.050.050.010.010.05辐
30、射防护辐射防护基本原则：基本原则： 实践的正当化 放射防护最优化 个人剂量限值职业受照：职业受照：连续5年内有效剂量不超过100 mSv，年平均为20 mSv，任何一年有效剂量不超过50 mSv；眼晶体的年当量剂量限值为150 mSv，四肢或皮肤为500 mSv。公众照射：公众照射：年有效剂量为1 mSv，如连续五年的年平均剂量不超过1 mSv，年有效剂量可提高到5 mSv ；眼晶体的年当量剂量限值为15 mSv，四肢或皮肤为50 mSv 。外照射放射防护 时间防护：尽量缩短与放射源接触时间。 距离防护：离放射源越远，人体受到辐射越少。辐射剂量率与距离的平方呈反比。操作过程中尽量使用机械手、长
31、柄钳等工具。 屏蔽防护：在人体与放射源之间设置屏蔽，辐射剂量呈指数形式衰减。屏蔽X、射线常用铅、钨等高原子序数物质，墙壁可采用钢筋混凝土；屏蔽射线常用有机玻璃、铝、塑料等低原子序数物质。放射性工作场所分级分级分级权重活度，权重活度，MBqI50000II5050000III50权重活度=计划的日最大操作活度*核素毒性权重系数 /操作性质的修正系数放射性工作场所室内表面和装备的防护要求工作场工作场所分级所分级地面地面表面表面通风厨通风厨室内通风室内通风管道管道清洗及清洗及去污设备去污设备I地板与墙壁接缝无缝隙易清洗需要应设置抽风机特殊要求需要II易清洗且不易渗透易清洗需要一般要求需要III易清洗
32、易清洗自然通风一般要求只需清洗设备放射性核素或药物生产、操作的通风厨，在半开的状态下风速不小于1m/s，排风口应高于附近50m范围内建筑物屋脊3m，并设有活性炭过滤装置或其他专业过滤装置，排出空气浓度不应超过有关限值。核医学常用放射性核素毒性权重系数类别类别放射性核素放射性核素权重系数权重系数A75Se, 89Sr, 125I, 131I100B11C, 13N, 15O, 18F, 51Cr, 67Ga, 99Tcm, 111In, 113Inm,201Tl1C3H, 81Krm, 127Xe, 133Xe0.01不同操作性质的修正系数操作方式和地区操作方式和地区修正系数修正系数贮存100清洗闪烁计数和显像诊断患者床位区10配药、分装、给药简单放射性药物制备治疗剂量患者床位1复杂放射性药物制备0.1放射性工作场所分区 控
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