第一節　放射性與放射性核素

一、放射性和放射性核素

原子是組成物質的基本單位，主要由原子核和核外電子組成。原子核由質子和中子組成。在內部或外部因素的作用下，原子核中的質子數與中子數可以發生變化。對特定元素而言，其質子數是恒定不變的，而中子數是可以變化的，中子的數量決定了該原子核的穩定性。

放射性是1896 年法國物理學家安東尼·亨利·貝克勒爾發現的一種自然現象。主要是指特定元素中不穩定的原子核自發釋放射線，形成穩定元素后不再發射出射線的現象。由不穩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，這個過程我們也稱為放射性衰變。

放射性核素是指能夠自發放射性衰變，并發射出放射線［α 粒子、β 粒子和γ（X）射線］的核素，統稱放射性核素（radioactive nuclide），也稱為不穩定性核素（unstable nuclide）。放射性核素轉變為穩定性核素往往需要多次衰變才能完成，也稱為遞次衰變。放射性衰變轉變成穩定性核素的過程均遵循質量和能量守恒定律。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、放射性核素計量

描述放射性核素的計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量單位。定義為單位時間內發生的核衰變次數。放射性活度的國際制單位是貝克勒爾（becquerel，Bq），定義為每秒發生一次核衰變。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），它們的關系：

1Ci=103mCi=106μCi

常用單位居里與國際制單位貝克勒爾的轉換關系：

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）是指單位質量物質內含有的放射性活度，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含有的放射性活度，單位是Bq/L。

三、放射性核素衰變規律

對于特定的不穩定原子核，放射性核素衰變的變化規律是恒定的，都遵守一種普遍的衰變規律，并不隨溫度、壓力、磁場等理化性質而改變。

（一）衰變定律

放射性核素發生衰變時，其原子數隨時間作負指數函數而衰減。以公式表示：

N=Noe-λt

No為t=0 時的放射性核素的原子核數

N為經過一定時間t 后的放射性核素的原子核數

e 為自然對數的底（e ≈2.718）

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

（二）半衰期

由于放射性核素衰變規律主要是隨時間呈負指數函數而衰減，常規使用半衰期代替衰變常數，對放射性核素衰變規律進行形象的描述。

1.物理半衰期

放射性核素在自然衰變過程中，所有的原子數減少至一半所需要的時間稱物理半衰期（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。半衰期與衰變常數的轉換關系為：

T1/2=0.693/λ

核醫學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）

指進入生物體內的放射性核素經過生物排泄，放射性活度減少到原來一半所需要的時間。

3.有效半衰期（Teff）

指放射性核素引入生物體內后，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間。

物理半衰期、生物半衰期和有效半衰期三者之間的關系為：

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。發生放射性衰變前的原子核一般稱為母核，發生衰變后的核稱為子核。

1.α 衰變

α 粒子帶有正電荷，相當于一個高速運動的氦原子核。α 粒子是由2 個帶正電子的質子和2 個不帶電荷的中子組成，具有能量高、電離能力強和射程短的特點。主要應用于核醫學治療。

α 衰變是指原子核中放射出一個α 粒子的衰變類型，主要發生于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+），質量極小，容易受到電磁場影響。其穿透能力較α 粒子稍強。主要適用于核醫學治療。

β 衰變指原子核中放射出一個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：

是指不穩定原子核內一個中子轉換成質子，放射出一個電子的衰變類型。主要發生于富中子放射性核素。β-衰變同時伴隨著反中微子（）的釋放。

（2）β+衰變：

是指不穩定原子核內一個質子轉換成中子，放射出一個正電子（β+粒子）的衰變類型。主要發生于貧中子核素。β+衰變同時伴隨著中微子（）的釋放。

（3）電子俘獲（EC）：

是指貧中子放射性核素中不穩定原子核吸收一個核外軌道電子，使核內的一個質子轉變為中子和中微子的衰變類型。新產生的原子一般以不穩定激發態的形式存在，在躍遷到基態的同時可以釋放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、組織電離密度低等特點。主要適用于核醫學顯像。

γ 衰變是指激發態原子核回到基態或低能狀態，放射出γ 光子的衰變類型。

激發態原子核有時可維持相當長的時間才退激，釋放γ 射線回到基態，這種原子核可看作是一種單獨的放射性核素。此種衰變母核和子核的原子序數和質量數相同，僅是能級不同。

激發態原子核在由激發態向基態躍遷時，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），這一過程稱為內轉換（internal conversion）。內轉換也是一種常見的γ 衰變類型。