第一节
放射性与放射性核素

一、放射性和放射性核素

原子是组成物质的基本单位，主要由原子核和核外电子组成。原子核由质子和中子组成。在内部或外部因素的作用下，原子核中的质子数与中子数可以发生变化。对特定元素而言，其质子数是恒定不变的，而中子数是可以变化的，中子的数量决定了该原子核的稳定性。

放射性是1896 年法国物理学家安东尼·亨利·贝克勒尔发现的一种自然现象。主要是指特定元素中不稳定的原子核自发释放射线，形成稳定元素后不再发射出射线的现象。由不稳定原子核释放的射线主要包括α粒子、β粒子和γ（X）射线等，这个过程我们也称为放射性衰变。

放射性核素是指能够自发放射性衰变，并发射出放射线［α粒子、β粒子和γ（X）射线］的核素，统称放射性核素（radioactive nuclide），也称为不稳定性核素（unstable nuclide）。放射性核素转变为稳定性核素往往需要多次衰变才能完成，也称为递次衰变。放射性衰变转变成稳定性核素的过程均遵循质量和能量守恒定律。衰变后释放的α粒子、β粒子和γ（X）射线均具有固定的物理特性。

二、放射性核素计量

描述放射性核素的计量单位主要包括放射性活度、比放射性活度和放射性浓度。

（一）放射性活度

放射性活度（radioactivity）是放射性核素最基本的计量单位。定义为单位时间内发生的核衰变次数。放射性活度的国际制单位是贝克勒尔（becquerel，Bq），定义为每秒发生一次核衰变。衍生单位有千贝可（kBq）、兆贝可（MBq）和吉贝可（GBq）等。

1GBq=10 ³ MBq=10 ⁶ kBq=10 ⁹ Bq

常用单位是居里（curie，Ci）。衍生单位包括毫居里（mCi）和微居里（μCi），它们的关系：

1Ci=10 ³ mCi=10 ⁶ μCi

常用单位居里与国际制单位贝克勒尔的转换关系：

1Ci=3.7×10 ¹⁰ Bq

（二）比放射性活度和放射性浓度

比放射性活度（specific activity）是指单位质量物质内含有的放射性活度，简称比活度，单位是Bq/g 或Bq/mol。放射性浓度（radioactive concentration）是指单位体积溶液内含有的放射性活度，单位是Bq/L。

三、放射性核素衰变规律

对于特定的不稳定原子核，放射性核素衰变的变化规律是恒定的，都遵守一种普遍的衰变规律，并不随温度、压力、磁场等理化性质而改变。

（一）衰变定律

放射性核素发生衰变时，其原子数随时间作负指数函数而衰减。以公式表示：

N = N _o e ^-λt

N _o 为t=0 时的放射性核素的原子核数

N 为经过一定时间t 后的放射性核素的原子核数

e 为自然对数的底（e ≈2.718）

λ为衰变常数（decay constant）是反映放射性核素衰变速率的特征性参数，是指每个原子核在单位时间内衰变的概率。表示为单位时间内某种放射性核素自发衰变的母核数和当时存在的母核总数之比。每一种放射性核素均有固定的衰变常数。

（二）半衰期

由于放射性核素衰变规律主要是随时间呈负指数函数而衰减，常规使用半衰期代替衰变常数，对放射性核素衰变规律进行形象的描述。

1.物理半衰期

放射性核素在自然衰变过程中，所有的原子数减少至一半所需要的时间称物理半衰期（physical half life， T _1/2 ），简称半衰期（ T _1/2 ）。这是放射性核素所特有的物理性质。半衰期与衰变常数的转换关系为：

T _1/2 =0.693/λ

核医学常用的各种放射性核素的物理半衰期如表1-1 所示。

2.生物半衰期（ T _b ）

指进入生物体内的放射性核素经过生物排泄，放射性活度减少到原来一半所需要的时间。

3.有效半衰期（ T _ef f _）

指放射性核素引入生物体内后，放射性活度在生物排泄和物理衰变双重作用下，减少到原来一半所需要的时间。

物理半衰期、生物半衰期和有效半衰期三者之间的关系为：

T _eff =（ T _1/2 · T _b ）·（ T _1/2 + T _b ） ^-1

（三）放射性核素衰变的类型

放射性核素衰变释放的射线主要包括α粒子、β粒子及γ（X）射线。根据释放的射线种类不同，放射性衰变的类型主要分为α衰变、β衰变及γ衰变。发生放射性衰变前的原子核一般称为母核，发生衰变后的核称为子核。

1.α衰变

α粒子带有正电荷，相当于一个高速运动的氦原子核。α粒子是由2 个带正电子的质子和2 个不带电荷的中子组成，具有能量高、电离能力强和射程短的特点。主要应用于核医学治疗。

α衰变是指原子核中放射出一个α粒子的衰变类型，主要发生于 Z ＞82 的核素。

2.β衰变

β粒子是带有高速的电子（β ^- ）或正电子（β ⁺ ），质量极小，容易受到电磁场影响。其穿透能力较α粒子稍强。主要适用于核医学治疗。

β衰变指原子核中放射出一个β粒子的衰变类型，主要包括β ^- 衰变、β ⁺ 衰变和电子俘获三种衰变类型。

（1）β ^- 衰变：

是指不稳定原子核内一个中子转换成质子，放射出一个电子的衰变类型。主要发生于富中子放射性核素。β ^- 衰变同时伴随着反中微子（ ）的释放。

（2）β ⁺ 衰变：

是指不稳定原子核内一个质子转换成中子，放射出一个正电子（β ⁺ 粒子）的衰变类型。主要发生于贫中子核素。β ⁺ 衰变同时伴随着中微子（ ）的释放。

（3）电子俘获（EC）：

是指贫中子放射性核素中不稳定原子核吸收一个核外轨道电子，使核内的一个质子转变为中子和中微子的衰变类型。新产生的原子一般以不稳定激发态的形式存在，在跃迁到基态的同时可以释放γ（X）光子。

3.γ衰变

γ光子是一种波长小于0.2 埃的电磁波，具有穿透能力强、组织电离密度低等特点。主要适用于核医学显像。

γ衰变是指激发态原子核回到基态或低能状态，放射出γ光子的衰变类型。

激发态原子核有时可维持相当长的时间才退激，释放γ射线回到基态，这种原子核可看作是一种单独的放射性核素。此种衰变母核和子核的原子序数和质量数相同，仅是能级不同。

激发态原子核在由激发态向基态跃迁时，也可以将多余的能量直接传递给核外电子，使其获得足够的能量脱离轨道成为自由电子（free electron），这一过程称为内转换（internal conversion）。内转换也是一种常见的γ衰变类型。 1MZEIZPON6Hd9l5/Y/AHxNWuYvPCtMSGfgPAmopbyirBwWYBA1b5o0GzH8hsuabD