物理科学导论/摘录自来源

这是名为核医学基础物理学的维基教科书的最后一章，最初由Kieran Maher于1997年编写。

章节回顾：原子与核结构

• 原子由两个部分组成 - 原子核（带正电）和电子云（带负电）；
• 原子核的半径大约是原子核半径的10,000分之一；
• 原子核可以有两个组成粒子 - 中子（不带电）和质子（带正电） - 统称为核子；
• 质子的质量约等于中子的质量 - 约为电子的1,840倍；
• 在一个孤立的原子中，质子的数量等于电子的数量；
• 原子序数指定原子核中质子的数量；
• 质量数指定原子核中核子的数量；
• 元素的同位素具有相同的原子序数，但质量数不同；
• 同位素通过指定元素的化学符号来分类，化学符号前有一个上标表示质量数，下标表示原子序数；
• 原子质量单位定义为碳的稳定、最常见的同位素（即C-12）质量的1/12；
• 结合能是将核子束缚在原子核中的能量，用电子伏特（eV）测量；
• 为了对抗质子数量增加时静电斥力增加的影响，中子的数量以更快的速度增加 - 从而产生了核稳定性曲线；
• 大约有2450种同位素，属于大约100种元素，不稳定的同位素位于核稳定性曲线上方或下方；
• 不稳定的同位素试图通过分裂成碎片（裂变）或发射粒子/能量（放射性）来达到稳定性曲线；
• 不稳定同位素 <=> 放射性同位素 <=> 放射性核素 <=> 放射性核素；
• 在约2450种同位素中，约有300种存在于自然界中 - 其余的则是人工合成的。

章节回顾：放射性衰变

• 裂变：一些重原子核通过分裂成2或3个碎片以及一些中子而衰变。这些碎片形成了新的原子核，通常是放射性的；
• α衰变：两个质子和两个中子以一个称为α粒子的组合离开原子核；
• α粒子是He-4原子核；
• β衰变 - 电子发射：某些中子过剩的原子核可以通过将中子转化为质子并发射β负粒子来达到稳定状态；
• β负粒子是电子；
• β衰变 - 正电子发射：当原子核中质子的数量过剩时，原子核可以通过将质子转化为中子并发射β正粒子来达到稳定状态；
• β正粒子是正电子；
• 正电子与电子湮灭，产生两个背靠背的伽马射线；
• β衰变 - 电子俘获：一个内层轨道电子被吸引到原子核中，在那里它与质子结合形成中子；
• 电子俘获也称为K俘获；
• 在电子俘获之后，激发的原子核可能会发出一些伽马射线。此外，当空的电子位点被填补时，会发射X射线；
• 伽马衰变 - 异构体跃迁：处于激发态的原子核可以通过发射伽马射线来达到基态；
• 伽马射线是高能电磁光子；
• 伽马衰变 - 内转换：激发原子核的激发能被传递给一个原子电子。

章节回顾：放射性衰变定律

• 放射性衰变定律的方程式形式；
• 放射性是单位时间内发生的放射性衰变次数；
• 衰变常数定义为单位时间内衰变的初始放射性原子核的比例；
• 半衰期：样品中放射性原子核的数量减少一半所需的时间；
• 半衰期 = (0.693)/(衰变常数)；
• 放射性的SI单位是贝克勒尔（Bq）
• 1 Bq = 每秒一个放射性衰变；
• 放射性的传统单位是居里（Ci）；
• 1 Ci = 每秒3.7 x 10¹⁰次放射性衰变。

章节回顾：辐射测量单位

• 照射量表示X射线或伽马射线束的强度；
• 照射量的SI单位是库仑每千克（C/kg）；
• 1 C/kg = X射线或伽马射线量，使得与之相关的每千克标准状况下的空气中产生的电子在空气中产生的离子的电荷量为1库仑；
• 照射量的传统单位是伦琴（R）；
• 1 R = X射线或伽马射线量，使得与之相关的每千克标准状况下的空气中产生的电子在空气中产生的离子的电荷量为2.58 x 10^-4库仑；
• 照射率是单位时间内的照射量，例如 C/kg/s；
• 吸收剂量是吸收物质单位质量吸收的辐射能量；
• 吸收剂量的SI单位是戈瑞（Gy）；
• 1 Gy = 每千克物质吸收1焦耳辐射能量；
• 吸收剂量的传统单位是拉德（rad）；
• 1 rad = 每千克物质吸收10^-2焦耳辐射能量；
• 伽马射线比释动能表示放射性同位素产生的伽马射线产生的照射率；
• 伽马射线比释动能在SI单位中以 C/kg/s/Bq 在1米处表示；
• 来自X射线或伽马射线源的照射量遵循平方反比定律，并随着与源的距离的平方而减小。

章节回顾：辐射与物质的相互作用

• α粒子:
  • 对它们经过的附近原子的外层轨道电子施加相当大的静电吸引力，并导致电离；
  • 沿直线传播 - 除了与路径中原子核发生罕见的直接碰撞；
  • 能量总是离散的。
• β负粒子:
  • 当它们穿过物质时，被原子核吸引，被电子云排斥，并导致电离；
  • 具有曲折的路径；
  • 具有能量范围；
  • 能量范围的原因是发射了两个粒子 - 一个β粒子，一个中微子。
• 伽马射线:
  • 能量总是离散的；
  • 与物质有许多相互作用模式；
  • 对核医学成像（和放射成像）重要的相互作用是光电效应和康普顿效应。
• 光电效应:
  • 当伽马射线与一个轨道电子碰撞时，它可以将所有的能量传递给电子，并停止存在；
  • 电子可以离开原子，其动能等于伽马射线的能量减去轨道结合能；
  • 当电子离开原子时，会形成一个正离子；
  • 电子被称为光电子；
  • 光电子可以导致进一步的电离；
  • 当轨道空缺被填补时，会发生后续的X射线发射。
• 康普顿效应:
  • 伽马射线可以将它的一部分能量传递给一个基本上是自由的价电子；**产生散射的伽马射线；
  • 有时被称为康普顿散射；
  • 产生一个正离子；
• 衰减是用于描述辐射吸收和散射的术语。

章节回顾：伽马射线衰减

• 窄束伽马射线的衰减随着吸收体的厚度、密度和原子序数的增加而增加；
• 窄束伽马射线的衰减随着伽马射线能量的增加而减小；
• 窄束衰减可以用一个方程来描述；
• 线性衰减系数定义为入射强度在吸收体单位距离内被吸收的比例；
• 线性衰减系数通常以 cm^-1 为单位；
• 半值层是指使辐射束强度减半所需的吸收体厚度；
• 半值层 = (0.693) / (线性衰减系数)；
• 质量衰减系数由线性衰减系数除以吸收体的密度得到；
• 质量衰减系数通常以 cm² g^-1 为单位。

章节回顾：气体探测器

• 气体探测器包括电离室、正比计数器和盖革计数器；
• 它们的工作原理是入射辐射使气体原子电离，产生的正离子和电子被电极收集；
• 离子对用于描述一个正离子和一个电子；
• 气体探测器的工作原理严重依赖于施加的直流电压的大小；
• 电离室的输出电压可以根据电离室的电容计算得出；
• 需要一个非常灵敏的放大器来测量电离室产生的电压脉冲；
• 电离室中的气体通常是空气；
• 电离室通常用于测量辐射照射（在称为照射计的设备中）和放射性（在称为同位素校准器的设备中）；
• 在正比计数器中收集的总电荷可能达到辐射最初产生的电荷的 1000 倍；
• 在盖革计数器中，初始电离会触发完全的气体击穿；
• 盖革计数器中的气体通常是惰性气体；
• 必须通过一个称为猝灭的过程来停止气体击穿，以便为新的事件准备盖革计数器；
• 两种猝灭方法是可能的：电子猝灭和使用猝灭气体；
• 盖革计数器会受到死时间的影响，即气体击穿后的一小段时间内计数器处于非工作状态；
• 可以使用一个方程从实际计数率和死时间确定真实计数率；
• 盖革计数器中施加的直流电压值至关重要，但不需要高稳定性。

章节回顾：闪烁探测器

• NaI(Tl) 是一种广泛应用于核医学的闪烁晶体；
• 该晶体与光电倍增管耦合，以产生一个代表辐射沉积在晶体中的能量的电压脉冲；
• 需要一个非常灵敏的放大器来测量这些电压脉冲；
• 电压脉冲的幅度范围取决于辐射与晶体相互作用的方式，即脉冲形成一个光谱，其形状取决于所涉及的相互作用机制，例如，用于体内核医学的中能伽马射线：康普顿效应和光电效应；
• 中能单能伽马射线发射体的伽马射线能谱（简单地）由康普顿散射和光峰组成；
• 脉冲高度分析用于区分电压脉冲的幅度；
• 脉冲高度分析器 (PHA) 包括下限鉴别器（它传递高于其设置值的电压脉冲）和上限鉴别器（它传递低于其设置值的电压脉冲）；
• 结果是一个可变宽度的窗口，可以放置在光谱的任何位置，或者用于扫描光谱；
• 单通道分析器 (SCA) 包括一个带有刻度器和速率计的 PHA；
• 多通道分析器 (MCA) 是一种由计算机控制的设备，可以同时从多个窗口获取数据。

章节回顾：核医学成像系统

• 伽马相机由一个直径较大（25-40 厘米）的 NaI(Tl) 晶体组成，厚度约为 1 厘米；
• 该晶体由 37-91 个光电倍增管阵列观察；
• 光电倍增管信号由一个位置电路处理，该电路生成 +/- X 和 +/- Y 信号；
• 这些位置信号被求和形成Z 信号，该信号被送入脉冲高度分析器；
• +/- X、+/- Y 和鉴别后的 Z 信号被发送到计算机进行数字图像处理；
• 准直器用于提高伽马相机的空间分辨率；
• 准直器通常由一块 Pb 板组成，其中包含大量的小孔；
• 最常见的类型是平行多孔准直器；
• 可分辨区域是准直器正前方；
• 平行孔准直器在孔的数量、孔径、每个孔的长度和隔板厚度方面各不相同，这些因素的组合影响着成像系统的灵敏度和空间分辨率；
• 其他类型包括发散孔准直器（生成缩小的图像）、会聚孔准直器（生成放大的图像）和针孔准直器（生成放大的倒置图像）；
• 使用伽马相机进行的传统成像被称为平面成像，即二维图像描绘三维物体，显示叠加的细节，没有深度信息；
• 单光子发射计算机断层扫描 (SPECT) 生成穿过身体切片的图像；
• SPECT 使用伽马相机在围绕患者的一系列角度记录图像；
• 所得数据可以使用滤波反投影方法进行处理；
• SPECT 伽马相机可以有一个、两个或三个相机头；
• 正电子发射断层扫描 (PET) 也生成穿过身体切片的图像；
• PET 利用正电子湮灭过程，其中产生两个背靠背的 0.51 MeV 伽马射线；
• 如果检测到这些伽马射线，它们的起源将位于围绕患者的探测器环的两台探测器连接线上的某一点；
• 飞行时间方法可以用于定位它们的起源；
• PET 系统需要现场或附近的回旋加速器来产生短寿命的放射性同位素，如 C-11、N-13、O-15 和 F-18。

章节回顾：放射性同位素的生产

• 天然放射性同位素通常具有很长的半衰期，属于较重的元素，因此不适合医学诊断应用；
• 医学诊断放射性同位素通常是人工产生的；
• 可以利用裂变过程，以便将感兴趣的放射性同位素从裂变产物中化学分离出来；
• 回旋加速器可以用于将带电粒子加速到很高的能量，使它们与要激活的材料的靶标发生碰撞；
• 医院通常使用放射性同位素发生器来产生短寿命的放射性同位素；
• 锝-99m发生器由一个包含 Mo-99 的氧化铝柱组成，Mo-99 衰变为 Tc-99m；
• 将盐水通过发生器以洗脱 Tc-99m，所得溶液称为锝酸钠；
• 正压和负压发生器都在使用；
• 当使用 Tc-99m 发生器时，需要同位素校准器，以便确定患者剂量制备的活性，并检查收集的溶液中是否存在 Mo-99。