物理科学导论/复习
< 物理科学导论
这是名为核医学基础物理的维基教科书的最后一章，最初由Kieran Maher于 1997 年撰写。
- 原子由两个部分组成 - 一个原子核（带正电）和一个电子云（带负电）；
- 原子核的半径大约是原子的 10,000 倍；
- 原子核可以有两个组成粒子 - **中子**（不带电）和 **质子**（带正电） - 总称为 **核子**；
- 质子的质量大约等于中子的质量 - 大约是电子的 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；
- 同位素的分类方法是，用元素的化学符号表示，并在其前面加上一个上标表示质量数，并在其后面加上一个下标表示原子序数；
- **原子质量单位** 定义为碳稳定、最常见的同位素（即 C-12）质量的 1/12；
- **结合能** 是将核子结合在原子核中的能量，用 **电子伏特** (eV) 测量；
- 为了抵消质子数量增加导致静电排斥力增加的影响，中子的数量增加得更快 - 从而产生了 **核稳定性曲线**；
- 大约有 100 种元素的 2450 种同位素，不稳定的同位素位于核稳定性曲线之上或之下；
- 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；
- 不稳定的同位素 <=> 放射性同位素 <=> 放射性核素 <=> 放射性核素；
- 大约 2450 种同位素中有 300 种存在于自然界中 - 其余的则是人工合成的。
- **裂变**：一些重原子核通过分裂成 2 或 3 个碎片加上一些中子而衰变。这些碎片形成了新的原子核，这些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** 的组合形式离开原子核；
- 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一个中子转化为质子并发射一个 **β 负粒子** 来达到稳定性；
- β 负粒子是电子；
- **β 衰变 - 正电子发射**：当原子核中的质子数量过剩时，原子核可以通过将一个质子转化为中子并发射一个 **β 正粒子** 来达到稳定性；
- β 正粒子是 **正电子**；
- 正电子与电子 **湮灭**，产生两个背对背的伽马射线；
- **β 衰变 - 电子俘获**：一个内层轨道电子被吸引到原子核中，在那里它与一个质子结合形成一个中子；
- 电子俘获也称为 **K 俘获**；
- 电子俘获后，激发的原子核可能会发射一些伽马射线。此外，当空缺的电子位置被填补时，会发射 X 射线；
- **γ 衰变 - 同质异能跃迁**：处于激发态的原子核可以通过发射伽马射线达到基态；
- 伽马射线是高能量的电磁光子；
- **γ 衰变 - 内转换**：激发态原子核的激发能被赋予一个原子电子。
- 放射性衰变定律的方程形式；
- 放射性是指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 = 每秒一次放射性衰变；
- 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。
- **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，使得与之相关的电子在标准状况下每千克空气中发射出的电子产生的空气的离子所带的电荷为 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，使得与之相关的电子在标准状况下每千克空气中发射出的电子产生的空气的离子所带的电荷为 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 焦耳的辐射能量；
- 吸收剂量的传统单位是 **拉德** (rad)；
- 1 rad = 每千克物质吸收 10-2 焦耳的辐射能量；
- **比伽马射线常数** 表示放射性同位素发射的伽马射线产生的照射率；
- 比伽马射线常数在 SI 单位中表示为 1 米处 C/kg/s/Bq；
- 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少。
- α 粒子:
- 对它们经过的附近原子的外层轨道电子施加很大的静电吸引力，并引起电离；
- 沿直线传播 - 除了它们路径中与原子核的罕见直接碰撞；
- 能量总是离散的。
- β 负粒子:
- 当它们穿过物质时，它们被原子核吸引，被电子云排斥，并引起电离；
- 具有曲折的路径；
- 具有能量范围；
- 能量范围是由于发射了两个粒子 - β 粒子和 **中微子**。
- 伽马射线:
- 能量总是离散的；
- 具有多种与物质相互作用的方式；
- 对核医学成像（以及放射照相术）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，它可能会将所有能量传递给电子，并随之消失；
- 电子可以以等于伽马射线能量减去轨道结合能的动能离开原子；
- 当电子离开原子时，会形成一个正离子；
- 电子被称为 **光电子**；
- 光电子可以引起进一步的电离；
- 轨道空缺被填补时，随后会发射 X 射线。
- 康普顿效应:
- 伽马射线可能会将部分能量传递给一个本质上是自由的价电子； **产生散射的伽马射线；**
- 有时称为康普顿散射；
- 会产生一个正离子；
- **衰减** 是用来描述辐射的吸收和散射的术语。
- 狭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；
- 狭束伽马射线的衰减随着伽马射线能量的增加而减小；
- 狭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 为单位表示；
- 半值层是指使辐射束强度减弱一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 为单位表示。
- 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，产生的正离子与电子被电极收集；
- 离子对用于描述一个正离子和一个电子；
- 气体探测器的运行高度依赖于所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来计算；
- 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量（在一个称为照射计的设备中）和放射性（在一个称为同位素校准仪的设备中）；
- 正比计数器中收集的总电荷可能是辐射最初产生的电荷的 1000 倍；
- 初始电离在盖革计数器中触发了完全的气体击穿；
- 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，以便为盖革计数器准备一个新的事件；
- 两种猝灭方式是可能的：电子猝灭和使用猝灭气体；
- 盖革计数器存在死时间，这是气体击穿后一小段时间，在此期间计数器处于失灵状态；
- 可以使用一个方程根据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。
- NaI(Tl) 是一种闪烁晶体，广泛应用于核医学；
- 该晶体与光电倍增管耦合，以产生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，即脉冲形成一个频谱，其形状取决于所涉及的相互作用机制，例如，对于体内核医学中使用的中能伽马射线：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量谱（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) 由下限鉴别器（通过其设置高于其设置的电压脉冲）和上限鉴别器（通过其设置低于其设置的电压脉冲）组成；
- 结果是可变宽度窗口，可以放置在频谱的任何位置，或用于扫描频谱；
- 单通道分析器 (SCA) 由一个具有标度器和速率计的单一 PHA 组成；
- 多通道分析器 (MCA) 是一种计算机控制的设备，可以同时从多个窗口采集数据。
- 伽马相机由一个大直径（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；
- 光电倍增管的信号由一个位置电路处理，该电路产生 +/- X 和 +/- Y 信号；
- 这些位置信号被求和形成一个Z 信号，该信号被送入脉冲高度分析器；
- +/- X、+/- Y 和鉴别的 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；
- 准直器通常由一块铅板组成，其中包含大量小孔；
- 最常见的类型是平行多孔准直器；
- 分辨率最高的区域位于准直器的正前方；
- 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存在差异——这些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（产生缩小的图像）、会聚孔准直器（产生放大的图像）和针孔准直器（产生放大的倒置图像）；
- 使用伽马相机进行的传统成像被称为平面成像，即二维图像描绘了三维物体，给出了叠加的细节，没有深度信息；
- 单光子发射计算机断层扫描 (SPECT) 生成通过人体的切片图像；
- SPECT 使用伽马相机在患者周围一系列角度记录图像；
- 可以使用滤波反投影方法处理所得数据；
- 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) 也生成通过人体的切片图像；
- PET 利用正电子湮灭过程，该过程产生两个背对背的 0.51 MeV 伽马射线；
- 如果检测到这些伽马射线，它们的来源将位于围绕患者的环形探测器中的两个探测器连接线的线上；
- 可以使用飞行时间方法来定位它们的来源；
- 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，例如 C-11、N-13、O-15 和 F-18。
- 天然存在的放射性同位素通常具有很长的半衰期，属于相对重的元素——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，以便可以从裂变产物中化学分离出感兴趣的放射性同位素；
- 回旋加速器可以用来加速带电粒子到高能量，使它们与要活化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生产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 衰变成 Tc-99m；
- 将生理盐水通过发生器来洗脱 Tc-99m——得到的溶液被称为高锝酸钠；
- 正压和负压发生器都在使用中；
- 当使用 Tc-99m 发生器时，需要一个同位素校准仪，以便确定患者剂量的制备活性，并检查收集到的溶液中是否存在任何 Mo-99。