第一節(jié)　放射性與放射性核素

一、放射性和放射性核素

原子是組成物質(zhì)的基本單位，主要由原子核和核外電子組成。原子核由質(zhì)子和中子組成。在內(nèi)部或外部因素的作用下，原子核中的質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)可以發(fā)生變化。對(duì)特定元素而言，其質(zhì)子數(shù)是恒定不變的，而中子數(shù)是可以變化的，中子的數(shù)量決定了該原子核的穩(wěn)定性。

放射性是1896 年法國物理學(xué)家安東尼·亨利·貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的一種自然現(xiàn)象。主要是指特定元素中不穩(wěn)定的原子核自發(fā)釋放射線，形成穩(wěn)定元素后不再發(fā)射出射線的現(xiàn)象。由不穩(wěn)定原子核釋放的射線主要包括α 粒子、β 粒子和γ（X）射線等，這個(gè)過程我們也稱為放射性衰變。

放射性核素是指能夠自發(fā)放射性衰變，并發(fā)射出放射線［α 粒子、β 粒子和γ（X）射線］的核素，統(tǒng)稱放射性核素（radioactive nuclide），也稱為不穩(wěn)定性核素（unstable nuclide）。放射性核素轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定性核素往往需要多次衰變才能完成，也稱為遞次衰變。放射性衰變轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定性核素的過程均遵循質(zhì)量和能量守恒定律。衰變后釋放的α 粒子、β 粒子和γ（X）射線均具有固定的物理特性。

二、放射性核素計(jì)量

描述放射性核素的計(jì)量單位主要包括放射性活度、比放射性活度和放射性濃度。

（一）放射性活度

放射性活度（radioactivity）是放射性核素最基本的計(jì)量單位。定義為單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的核衰變次數(shù)。放射性活度的國際制單位是貝克勒爾（becquerel，Bq），定義為每秒發(fā)生一次核衰變。衍生單位有千貝可（kBq）、兆貝可（MBq）和吉貝可（GBq）等。

1GBq=103MBq=106kBq=109Bq

常用單位是居里（curie，Ci）。衍生單位包括毫居里（mCi）和微居里（μCi），它們的關(guān)系：

1Ci=103mCi=106μCi

常用單位居里與國際制單位貝克勒爾的轉(zhuǎn)換關(guān)系：

1Ci=3.7×1010Bq

（二）比放射性活度和放射性濃度

比放射性活度（specific activity）是指單位質(zhì)量物質(zhì)內(nèi)含有的放射性活度，簡稱比活度，單位是Bq/g 或Bq/mol。放射性濃度（radioactive concentration）是指單位體積溶液內(nèi)含有的放射性活度，單位是Bq/L。

三、放射性核素衰變規(guī)律

對(duì)于特定的不穩(wěn)定原子核，放射性核素衰變的變化規(guī)律是恒定的，都遵守一種普遍的衰變規(guī)律，并不隨溫度、壓力、磁場等理化性質(zhì)而改變。

（一）衰變定律

放射性核素發(fā)生衰變時(shí)，其原子數(shù)隨時(shí)間作負(fù)指數(shù)函數(shù)而衰減。以公式表示：

N=Noe-λt

No為t=0 時(shí)的放射性核素的原子核數(shù)

N為經(jīng)過一定時(shí)間t 后的放射性核素的原子核數(shù)

e 為自然對(duì)數(shù)的底（e ≈2.718）

λ 為衰變常數(shù)（decay constant）是反映放射性核素衰變速率的特征性參數(shù)，是指每個(gè)原子核在單位時(shí)間內(nèi)衰變的概率。表示為單位時(shí)間內(nèi)某種放射性核素自發(fā)衰變的母核數(shù)和當(dāng)時(shí)存在的母核總數(shù)之比。每一種放射性核素均有固定的衰變常數(shù)。

（二）半衰期

由于放射性核素衰變規(guī)律主要是隨時(shí)間呈負(fù)指數(shù)函數(shù)而衰減，常規(guī)使用半衰期代替衰變常數(shù)，對(duì)放射性核素衰變規(guī)律進(jìn)行形象的描述。

1.物理半衰期

放射性核素在自然衰變過程中，所有的原子數(shù)減少至一半所需要的時(shí)間稱物理半衰期（physical half life，T1/2），簡稱半衰期（T1/2）。這是放射性核素所特有的物理性質(zhì)。半衰期與衰變常數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

T1/2=0.693/λ

核醫(yī)學(xué)常用的各種放射性核素的物理半衰期如表1-1 所示。

2.生物半衰期（Tb）

指進(jìn)入生物體內(nèi)的放射性核素經(jīng)過生物排泄，放射性活度減少到原來一半所需要的時(shí)間。

3.有效半衰期（Teff）

指放射性核素引入生物體內(nèi)后，放射性活度在生物排泄和物理衰變雙重作用下，減少到原來一半所需要的時(shí)間。

物理半衰期、生物半衰期和有效半衰期三者之間的關(guān)系為：

Teff=（T1/2·Tb）·（T1/2+Tb）-1

（三）放射性核素衰變的類型

放射性核素衰變釋放的射線主要包括α 粒子、β 粒子及γ（X）射線。根據(jù)釋放的射線種類不同，放射性衰變的類型主要分為α 衰變、β 衰變及γ 衰變。發(fā)生放射性衰變前的原子核一般稱為母核，發(fā)生衰變后的核稱為子核。

1.α 衰變

α 粒子帶有正電荷，相當(dāng)于一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的氦原子核。α 粒子是由2 個(gè)帶正電子的質(zhì)子和2 個(gè)不帶電荷的中子組成，具有能量高、電離能力強(qiáng)和射程短的特點(diǎn)。主要應(yīng)用于核醫(yī)學(xué)治療。

α 衰變是指原子核中放射出一個(gè)α 粒子的衰變類型，主要發(fā)生于Z＞82 的核素。

2.β 衰變

β 粒子是帶有高速的電子（β-）或正電子（β+），質(zhì)量極小，容易受到電磁場影響。其穿透能力較α 粒子稍強(qiáng)。主要適用于核醫(yī)學(xué)治療。

β 衰變指原子核中放射出一個(gè)β 粒子的衰變類型，主要包括β-衰變、β+衰變和電子俘獲三種衰變類型。

（1）β-衰變：

是指不穩(wěn)定原子核內(nèi)一個(gè)中子轉(zhuǎn)換成質(zhì)子，放射出一個(gè)電子的衰變類型。主要發(fā)生于富中子放射性核素。β-衰變同時(shí)伴隨著反中微子（）的釋放。

（2）β+衰變：

是指不穩(wěn)定原子核內(nèi)一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)換成中子，放射出一個(gè)正電子（β+粒子）的衰變類型。主要發(fā)生于貧中子核素。β+衰變同時(shí)伴隨著中微子（）的釋放。

（3）電子俘獲（EC）：

是指貧中子放射性核素中不穩(wěn)定原子核吸收一個(gè)核外軌道電子，使核內(nèi)的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)變?yōu)橹凶雍椭形⒆拥乃プ冾愋汀Ｐ庐a(chǎn)生的原子一般以不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)的形式存在，在躍遷到基態(tài)的同時(shí)可以釋放γ（X）光子。

3.γ 衰變

γ 光子是一種波長小于0.2 埃的電磁波，具有穿透能力強(qiáng)、組織電離密度低等特點(diǎn)。主要適用于核醫(yī)學(xué)顯像。

γ 衰變是指激發(fā)態(tài)原子核回到基態(tài)或低能狀態(tài)，放射出γ 光子的衰變類型。

激發(fā)態(tài)原子核有時(shí)可維持相當(dāng)長的時(shí)間才退激，釋放γ 射線回到基態(tài)，這種原子核可看作是一種單獨(dú)的放射性核素。此種衰變母核和子核的原子序數(shù)和質(zhì)量數(shù)相同，僅是能級(jí)不同。

激發(fā)態(tài)原子核在由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時(shí)，也可以將多余的能量直接傳遞給核外電子，使其獲得足夠的能量脫離軌道成為自由電子（free electron），這一過程稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換（internal conversion）。內(nèi)轉(zhuǎn)換也是一種常見的γ 衰變類型。