第二章　核物理学基础

原子与原子核的有关知识是深刻理解核素的放射现象，掌握核医学诊疗方法和技术的基础。

（1）分子是能保持物质化学性质的最小单位。

（2）原子是用化学方法不能再分割的物质存在的最小单位。

（3）原子的质量：不同的原子，质量不同。通常用质量的相对值来表示原子的质量。把自然界中最丰富的原子碳-12的质量定为12 000个原子质量单位，将其作为原子质量的标准单位，其他原子的质量与碳-12比较，定出质量值，称为原子量。原子量的单位为原子质量单位，简写为amu或u，因为是以碳-12为标准制定的，因此原子质量单位也称为碳单位。元素周期表中给出的原子量就是以原子质量单位为度量单位的值。

（4）原子的大小：不同的原子，大小也不同，但半径的数量级均为10 ^-10米（m）。

（5）元素：原子序数相同的一类原子总称为元素。到目前为止，发现的元素已经有110多种。

电子的质量：m _e = 9.109 39 × 10 ^-31kg；电子的电量：e = 1.6022 × 10 ^-19库仑（C）；电子带电符号为负。

①结构：在原子的中心是一个原子核，电子在它的周围按一定的运行轨道绕核运行。②电量：原子不带电，是电中性的。电子带有负电荷，原子核带有与核外电子等量的正电荷。③受力：绕核旋转的带负电的电子受到原子核所带正电荷的静电吸引力，绕核高速旋转。④质量分配：原子核的质量比核外绕行电子的总质量大得多。一个电子的质量与氢原子核的质量之比为1/1836。原子序数越大，核外电子的总质量与核的质量的比值越小。因此，原子的质量绝大部分集中在核内。⑤体积分配：原子核所占据的体积只是整个原子空间的极小一部分，原子核的直径一般在10 ^-15～10 ^-14m之间。⑥壳层结构：原子核周围的电子是按壳层排布的，每个电子都在其确定的圆形或椭圆形的轨道上绕核运行。这些电子轨道按其离核远近分为不同的壳层，离核最近的是第1层，其次是第2层，……，直到第n层（n代表正整数）。习惯上用大写字母K，L，M，N，O，P，Q等代表核外电子轨道的不同壳层，分别对应于1，2，3，……n。⑦能级：核外电子受到核的吸引，具有势能。同时具有一定质量的电子以接近光速的速度绕核旋转，又有动能。在不同轨道上，电子的能量不同，且只能取某个特定的值。这些特定的能量值是分离的、不连续的，称这些分离的能量值为原子能级。电子轨道越靠近核，其能级越高。允许的最低能级称为基态，高于基态的能级称为激发态。基态为稳定的能级状态，激发态是不稳定的能级状态，其寿命很短。⑧激发与跃迁：在一定的条件下，原子核外的电子可以从一个轨道壳层跃迁到另一个壳层，同时吸收或者放出一定的能量，一般情况下为吸收或发射一个光子。从低能级跃迁到高能级过程称为激发，从高能级跃迁到低能级过程称为退激。跃迁前后两轨道能级之差等于吸收或发射的光子的能量。

原子外层的电子轨道之间能级差较小，而内层轨道之间能级差较大，由此造成电子在较外层之间跃迁时，会放出紫外光、可见光、或红外光；而在内层轨道间跃迁时，如跃迁到K层或者L层轨道，则会放出高能光子，即X射线。

X射线、紫外线、可见光、红外线、广播电视信号、微波及由核能级变化发出的γ射线，本质上都是电磁波即光子，只是波长、频率不同，即具有的能量不同。

人类对原子核的结构的认识是从放射性的发现开始的。

原子核是由质子和中子组成的，它们在核内不停地运动。质子和中子统称为核子。

原子核具有一定的能量，并且能量是量子化的。如同原子一样，最低的能级称为基态，高的能级称为激发态。在正常情况下，原子核都处于基态。只有在核反应、核衰变过程中以及裂变产物中，核才会处于激发态。核在激发态的寿命很短，它将很快跃迁到基态或先跃迁到较低能级而后再跃迁到基态，并放出γ射线或放射出粒子而变成新的核素，γ射线的能量等于两个能级的差值ΔE。

式中：h为普朗克常数，h = 6.6262J·s；ν为γ射线的频率。

在核物理中，能量的单位常用电子伏特（eV）表示，与焦耳（J）之间的关系为：

核医学中常用千电子伏特（keV）和兆电子伏特（MeV）。

不同的原子核，其大小也不同，但其半径的数量级均为10 ^-14m。

质子是原子核的组成部分，质子数等于核外电子数，质子带正电，一个质子所带电量与一个电子所带的电量大小相等符号相反。质子的质量为：m _p = 1.672 614 × 10 ^-27kg。

氢原子核实际上就是一个质子，因此，有时也用 ¹H表示质子。

中子不带电，中子的质量为：m _n = 1.674 920 × 10 ^-27kg。可见中子略重于质子。

原子的质量数等于原子核中质子数Z与中子数N之和，即核子数。原子的质量数用A表示，因此：A = Z + N。

现在国际上表示元素原子的通用方法是将元素的符号写在正中央，把质量数A写在元素符号的左上角，把原子序数Z写在元素符号的左下角，而右上角有时用来表示元素原子的化合价、所带电荷或者激发态m，激发态m也可与质量数A一起写在左上，右下角有时用来表示分子状态。

例如： ¹⁸ ₉F、 ¹¹ ₆C、 ¹³¹ ₅₃I等。

在核医学中通常省略左下角的原子序数Z及右边的标志，只在左上角写出质量数即可。例如： ¹⁸F、 ¹¹C、 ¹³¹I等。对原子核处在激发态的原子，用在左上角或右上角加m表示，例如，用 ^99mTc或 ⁹⁹Tc ^m表示原子核处在激发态的 ⁹⁹Tc。

1896年法国物理学家H.Becquerel（贝可勒耳）实验时发现铀的化合物能使附近包在黑纸里边的照相底片感光，他当时断定铀能自发地放射出一种看不见但穿透力很强的射线。这是人类首次发现元素的放射现象。为了纪念他的功绩，定义放射性活度的国际单位为：Becquerel简称Bq（贝可）。

通过磁场对射线的分解实验，得知放射性元素可以发射出三种射线，将之命名为：α射线、β射线、γ射线。

①本质：α射线的本质为带正电的粒子流，该粒子称为α粒子。它由两个质子和两个中子组成，其实就是氦原子核。②穿透能力：α射线与β、γ射线比较，它的穿透能力最弱。它很容易被物质吸收，一张薄纸就能将α射线全部挡住，在空气中也只能穿透几个厘米。③电离本领：α射线与β、γ射线比较，它的电离本领最强。

①本质：最早发现的β射线为高速运动的电子流。但是后来又发现了正电子，因此，β射线包括两种：β ^-和β ⁺射线。β ^-射线为带负电的电子流，β ⁺射线为正电子流。②穿透能力：β射线的穿透能力比α射线强，但比γ射线弱。它很容易穿透黑纸，甚至可以穿透几个毫米的铝板。③电离本领：β射线的电离本领比α射线弱，但比γ射线强。

①本质：γ射线的本质为光子流，属于电磁辐射。它的性质和X射线很相似。②穿透能力：γ射线与β、α射线比较，它的穿透能力最强。③电离本领：γ射线的电离本领很小，和β、α射线比较最弱。

除上述的性质外，这三种射线还有一些共同的性质，比如都能使物质发生电离，都能引起生物和化学变化，都能产生荧光，都能使周围的介质升温，都能使胶片感光等。

在核医学中经常会遇到元素、同位素、核素、同量异位素、异质素、同中异荷素、同质异能素等概念，下面将之分述如下。

元素为原子序数相同的一类原子的总称。到目前为止，发现的元素已经有110多种。

核内具有相同的质子数而具有不同的中子数的原子互为同位素。它们在元素周期表中占据同一位置，由此得名同位素。大多数元素都有其同位素。例如磷元素有7种同位素： ，每一种原子都是磷的同位素。它们的核内都有15个质子，却有13～19个数量不等的中子。

核素为原子核具有一定质子数、中子数和一定能态的一种原子。原子核有不同的能级，处在不同能级上的原子核其放射性不同。例如 ^99mTc与 ⁹⁹Tc两种核素，它们核内的质子数和中子数是相同的，是同一种同位素，但核处的能级不同，在高能级的 ^99mTc是核医学中最常用的放射性核素，而处在低能级的 ⁹⁹Tc基本上没有放射性。目前，已知核素有2000多种。

质子数和中子数都相同，核能级不同的核素互为同质异能素。比如： ^99mTc和 ⁹⁹Tc，互为同质异能素。

指质量数A相同，质子数不同的一类原子。比如： ³² ₁₅P和 ³² ₁₆S。

指中子数相同，质子数不同的一类原子。比如： ² ₁H和 ³ ₂He。

指不能自发地放射出某种射线，也不能自动地发生核转变的核素。目前已知的2000多种核素中，稳定的核素有300余种，这些稳定核素都是天然存在的，其余的都是不稳定的，即具有放射性的。

指具有放射性的核素，即原子核不稳定，能够自发地从核内放射出α射线、β射线或γ射线等，从而使核发生转变的核素。这个过程称为放射性衰变。

目前世界上已有2000多种放射性核素，根据来源不同可以分为：天然放射性核素和人工放射性核素。

自然界中原来就存在的放射性核素称为天然放射性核素。目前发现的天然放射性核素有60多种，广泛地存在于自然环境中，如空气、水、土壤和动植物体内。天然放射性核素多为重核核素，因为核越重，核内的质子数就越多，质子间的库仑斥力越大，核就越不稳定。

按其产生的方式天然放射性核素又可分为宇生和原生两类：①宇生放射性核素：射向地球的宇宙射线与大气层中和地球表面的物质相互作用而产生的放射性核素。在来自地球以外的被宇宙射线照射过的沉降灰中、大气层中以及地壳表面1～2m的地方，由于受宇宙射线照射而产生的放射性核素有20多种。例如： ³ ₁H、 ¹⁴ ₆C、 ⁷ ₃Pe、 ²² ₁₁Na等。这些核素的半衰期较长，有些已被人们利用。例如碳-14（ ¹⁴ ₆C）已广泛用于考古工作中；②原生放射性核素：地球形成时就存在于地壳内的放射性核素。例如： ³ ₁U、 ¹⁴ ₆P、 ⁷ ₃Pe、 ²² ₁₁Na等。这些核素是核电站的原料。

为了满足人们在科研、医疗等方面的需求，人工制造出来的核素。人工制造放射性核素的方法有三种：①由加速器加速的带电粒子轰击稳定性核素；②反应堆（反应堆是一种用人工方法控制核链式反应的装置）中的中子轰击稳定性核素；③核素发生器。

正像把元素按原子序数排列在一张表（元素周期表）中一样，将核素排列到一张图中，这张图就是核素图。在核素图中，横坐标为中子数N，纵坐标为质子数Z，每一个核素对应于图中的一个点。

在核素图中，稳定的核素几乎全落在一条光滑的曲线上或紧靠曲线的两侧，这个区域称为核素的稳定区。对于轻核，这条曲线与直线N = Z相重合，当N、Z增大到一定的数值后，稳定曲线逐渐向N>Z的方向偏离。位于稳定线下侧的核素和稳定核素相比中子数偏少，质子数偏多，称为贫（或缺）中子核素，也称为富（或丰）质子核素；位于稳定线上侧的核素和稳定核素相比中子数偏多，质子数偏少，称为富（或丰）中子核素，也称为贫（或缺）质子核素。中子数或质子数偏多或偏少都是不稳定的核素。例如， ¹²⁷ ₅₃I是一稳定的碘核素，它含有53个质子和74个中子。不过，当Z大到一定的程度（Z = 82），稳定核素不复存在，再大到一定程度（Z = 92），连长寿命的放射性核素也无法存在，Z>92的核素基本上均为人工制造的放射性核素。