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浅谈核物理在医学领域中的应用 吉林大学 核物理专业 浅谈核物理在医学领域中的应用 摘要： 原子核物理的不断发展和完善极大地促进了医学及其相关学科的发展, 为医学研究与实践提供了全新的思想理论和现代化的诊疗手段与设备。综述了核物理在基础医学、临床医学和预防医学发展中的作用及其应用。 关键词：放射性；核物理；医学应用 0 引言 自1895年德国物理学家Roentgen发现X射线并应用于医学领域以来,原子核物理理论与技术已广泛应用于医学领域。例如, X射线成像、计算机断层成像( C T ) 、核磁共振成像、核医学成像和放射治疗等技术的发展和应用,不仅极大地促进了现代医学的发展,提高了疾病诊治水平,而且将医学研究推向了一个新的高度。 1 放射性 科学研究表明，稳定性核素对核子总数有一定限度(一般为 A ≤2 0 9) ，而且中子数和质子 数应保持一定的比例(一般为N/Z = 1 ~1 .5也有个别例外)。任何含有过多核子或N/Z不适当的核素，都是不稳定的。A≥2 0 9的核素，即元素周期表中钋( Po)之后的所有元素的核素都 具有放射性(钋之前的元素中，有的核素也具有放射性)，它们或是自发地放射出α射线，而转变成A较小的新核；或是因核素的N / Z 不适当,其核内的中子与质子会自发地相互转 变，从而改变N/Z的值，并同时放出一个β粒子。核素衰变后产生的新核，一般都处在激发态，这样的核或是自发地放射出γ射线而转变到基态或较低能态，或是继续发生α衰变或 β衰变 ，直到变成一个稳定的核素为止。 放射性核衰变的类型有α衰变、β衰变和γ衰变三种，分别放出α射线、β射线和γ射线。不论发生哪一种核衰变，其过程均遵从电荷数守恒、质量数守恒和能量守恒 。 每一种放射性核素在衰变时，都有其特定的规律。理论和实验均表明 ，任何一种放射性物质，在单独存放时，其核数量的变化都是按指数规律随时间t 衰减的。其公式为： 这就是放射性核衰变的规律。式中λ称为衰变常数，它反映核衰变的快慢程度。λ越大，衰变进行的越快。上式是一个统计规律，它适用于包含大量放射性核素的放射性物质。 在实际中，常用半衰期来描述核衰变的快慢。放射性物质中的核数衰变到原数的一半所需要的时间，称为半衰期 ( T )。 由公式可得： 这就是半衰期T与衰变常数的关系。T和A是反映放射性物质衰变快慢的两个物理量。半衰期是放射性元素的固有属性，取决于原子核自身的性质 。一种核素，无论是化合物还是单质，也不论外界环境温度和压强如何变化，其放射性衰变规律是不变的 。 2 核物理在基础医学研究中的应用 发病机制是疾病防治的基础,发病机制不清楚,就很难采取切实有效的防治措施。1960年,Perutz等和Kendrew等利用X射线衍射技术解析了肌红蛋白和血红蛋白的三维结构,阐明了这些蛋白质在分子氧输送过程中的特殊作用,他们也因此获得了1962 年诺贝尔化学奖。该 项工作不仅首次揭示了生物大分子内部立体结构,还为测定生物大分子晶体结构提供了一 种沿用至今的有效方法——多对同晶型置换法。近年来,科学家应用荧光分析和核磁共振 ( NM R)等技术研究发现癌变过程中细胞及其质膜发生了明显变化,如表面电荷改变、膜流动性增大和细胞内水状态的改变等。从射线产生自由基及其具有顺磁性和近年来对活性氧的研究得出了许多病理过程(包括辐射损伤、衰老、毒物作用及心血管疾病中的一些环节等)都与 自由基有关的结论。 自1895年德国外科医生Roentgen首次利用X射线观察到人体内部解剖结构以来,随着物理科学及其相关科学的发展,以X射线成像、C T成像、NM R成像和核医学成像等为代表的 许多物理学技术应用于基础医学的研究。这些研究主要包括正常和病理状态下, 人体各系统、 器官和组织的解剖学、生理学特点等。目前,各种成像技术结合计算机三维重建技术建立正常和病理状态下不同水平结构、代谢和功能成像是当前医学成像研究的重点和热点。 正电子发射计算机断层成像仪( P E T)的突出优势是,能在体外无创性探测活体内生理和病理变化过程,并能对生化过程进行准确定量分析。这对于研究生命现象的本质和各种疾病发生、发展的机理非常有用。例如,用短寿命的放射性核素标记人体代谢所必需的物质( 如葡萄糖、 蛋白质、 核酸和脂肪酸等) 制成显像剂 ( 如氟代脱氧葡萄糖等) ,然后将其注入人体,