物理科學導論/摘錄自來源

這是名為核醫學基礎物理學的華夏公益教科書的最後一章，最初由Kieran Maher於1997年編寫。

章節回顧：原子與核結構

• 原子由兩個部分組成 - 原子核（帶正電）和電子雲（帶負電）；
• 原子核的半徑大約是原子核半徑的10,000分之一；
• 原子核可以有兩個組成粒子 - 中子（不帶電）和質子（帶正電） - 統稱為核子；
• 質子的質量約等於中子的質量 - 約為電子的1,840倍；
• 在一個孤立的原子中，質子的數量等於電子的數量；
• 原子序數指定原子核中質子的數量；
• 質量數指定原子核中核子的數量；
• 元素的同位素具有相同的原子序數，但質量數不同；
• 同位素透過指定元素的化學符號來分類，化學符號前有一個上標表示質量數，下標表示原子序數；
• 原子質量單位定義為碳的穩定、最常見的同位素（即C-12）質量的1/12；
• 結合能是將核子束縛在原子核中的能量，用電子伏特（eV）測量；
• 為了對抗質子數量增加時靜電斥力增加的影響，中子的數量以更快的速度增加 - 從而產生了核穩定性曲線；
• 大約有2450種同位素，屬於大約100種元素，不穩定的同位素位於核穩定性曲線上方或下方；
• 不穩定的同位素試圖透過分裂成碎片（裂變）或發射粒子/能量（放射性）來達到穩定性曲線；
• 不穩定同位素 <=> 放射性同位素 <=> 放射性核素 <=> 放射性核素；
• 在約2450種同位素中，約有300種存在於自然界中 - 其餘的則是人工合成的。

章節回顧：放射性衰變

• 裂變：一些重原子核透過分裂成2或3個碎片以及一些中子而衰變。這些碎片形成了新的原子核，通常是放射性的；
• α衰變：兩個質子和兩個中子以一個稱為α粒子的組合離開原子核；
• α粒子是He-4原子核；
• β衰變 - 電子發射：某些中子過剩的原子核可以透過將中子轉化為質子併發射β負粒子來達到穩定狀態；
• β負粒子是電子；
• β衰變 - 正電子發射：當原子核中質子的數量過剩時，原子核可以透過將質子轉化為中子併發射β正粒子來達到穩定狀態；
• β正粒子是正電子；
• 正電子與電子湮滅，產生兩個背靠背的伽馬射線；
• β衰變 - 電子俘獲：一個內層軌道電子被吸引到原子核中，在那裡它與質子結合形成中子；
• 電子俘獲也稱為K俘獲；
• 在電子俘獲之後，激發的原子核可能會發出一些伽馬射線。此外，當空的電子位點被填補時，會發射X射線；
• 伽馬衰變 - 異構體躍遷：處於激發態的原子核可以透過發射伽馬射線來達到基態；
• 伽馬射線是高能電磁光子；
• 伽馬衰變 - 內轉換：激發原子核的激發能被傳遞給一個原子電子。

章節回顧：放射性衰變定律

• 放射性衰變定律的方程式形式；
• 放射性是單位時間內發生的放射性衰變次數；
• 衰變常數定義為單位時間內衰變的初始放射性原子核的比例；
• 半衰期：樣品中放射性原子核的數量減少一半所需的時間；
• 半衰期 = (0.693)/(衰變常數)；
• 放射性的SI單位是貝克勒爾（Bq）
• 1 Bq = 每秒一個放射性衰變；
• 放射性的傳統單位是居里（Ci）；
• 1 Ci = 每秒3.7 x 10¹⁰次放射性衰變。

章節回顧：輻射測量單位

• 照射量表示X射線或伽馬射線束的強度；
• 照射量的SI單位是庫侖每千克（C/kg）；
• 1 C/kg = X射線或伽馬射線量，使得與之相關的每千克標準狀況下的空氣中產生的電子在空氣中產生的離子的電荷量為1庫侖；
• 照射量的傳統單位是倫琴（R）；
• 1 R = X射線或伽馬射線量，使得與之相關的每千克標準狀況下的空氣中產生的電子在空氣中產生的離子的電荷量為2.58 x 10^-4庫侖；
• 照射率是單位時間內的照射量，例如 C/kg/s；
• 吸收劑量是吸收物質單位質量吸收的輻射能量；
• 吸收劑量的SI單位是戈瑞（Gy）；
• 1 Gy = 每千克物質吸收1焦耳輻射能量；
• 吸收劑量的傳統單位是拉德（rad）；
• 1 rad = 每千克物質吸收10^-2焦耳輻射能量；
• 伽馬射線比釋動能表示放射性同位素產生的伽馬射線產生的照射率；
• 伽馬射線比釋動能在SI單位中以 C/kg/s/Bq 在1米處表示；
• 來自X射線或伽馬射線源的照射量遵循平方反比定律，並隨著與源的距離的平方而減小。

章節回顧：輻射與物質的相互作用

• α粒子:
  • 對它們經過的附近原子的外層軌道電子施加相當大的靜電吸引力，並導致電離；
  • 沿直線傳播 - 除了與路徑中原子核發生罕見的直接碰撞；
  • 能量總是離散的。
• β負粒子:
  • 當它們穿過物質時，被原子核吸引，被電子雲排斥，並導致電離；
  • 具有曲折的路徑；
  • 具有能量範圍；
  • 能量範圍的原因是發射了兩個粒子 - 一個β粒子，一個中微子。
• 伽馬射線:
  • 能量總是離散的；
  • 與物質有許多相互作用模式；
  • 對核醫學成像（和放射成像）重要的相互作用是光電效應和康普頓效應。
• 光電效應:
  • 當伽馬射線與一個軌道電子碰撞時，它可以將所有的能量傳遞給電子，並停止存在；
  • 電子可以離開原子，其動能等於伽馬射線的能量減去軌道結合能；
  • 當電子離開原子時，會形成一個正離子；
  • 電子被稱為光電子；
  • 光電子可以導致進一步的電離；
  • 當軌道空缺被填補時，會發生後續的X射線發射。
• 康普頓效應:
  • 伽馬射線可以將它的一部分能量傳遞給一個基本上是自由的價電子；**產生散射的伽馬射線；
  • 有時被稱為康普頓散射；
  • 產生一個正離子；
• 衰減是用於描述輻射吸收和散射的術語。

章節回顧：伽馬射線衰減

• 窄束伽馬射線的衰減隨著吸收體的厚度、密度和原子序數的增加而增加；
• 窄束伽馬射線的衰減隨著伽馬射線能量的增加而減小；
• 窄束衰減可以用一個方程來描述；
• 線性衰減係數定義為入射強度在吸收體單位距離內被吸收的比例；
• 線性衰減係數通常以 cm^-1 為單位；
• 半值層是指使輻射束強度減半所需的吸收體厚度；
• 半值層 = (0.693) / (線性衰減係數)；
• 質量衰減係數由線性衰減係數除以吸收體的密度得到；
• 質量衰減係數通常以 cm² g^-1 為單位。

章節回顧：氣體探測器

• 氣體探測器包括電離室、正比計數器和蓋革計數器；
• 它們的工作原理是入射輻射使氣體原子電離，產生的正離子和電子被電極收集；
• 離子對用於描述一個正離子和一個電子；
• 氣體探測器的工作原理嚴重依賴於施加的直流電壓的大小；
• 電離室的輸出電壓可以根據電離室的電容計算得出；
• 需要一個非常靈敏的放大器來測量電離室產生的電壓脈衝；
• 電離室中的氣體通常是空氣；
• 電離室通常用於測量輻射照射（在稱為照射計的裝置中）和放射性（在稱為同位素校準器的裝置中）；
• 在正比計數器中收集的總電荷可能達到輻射最初產生的電荷的 1000 倍；
• 在蓋革計數器中，初始電離會觸發完全的氣體擊穿；
• 蓋革計數器中的氣體通常是惰性氣體；
• 必須透過一個稱為猝滅的過程來停止氣體擊穿，以便為新的事件準備蓋革計數器；
• 兩種猝滅方法是可能的：電子猝滅和使用猝滅氣體；
• 蓋革計數器會受到死時間的影響，即氣體擊穿後的一小段時間內計數器處於非工作狀態；
• 可以使用一個方程從實際計數率和死時間確定真實計數率；
• 蓋革計數器中施加的直流電壓值至關重要，但不需要高穩定性。

章節回顧：閃爍探測器

• NaI(Tl) 是一種廣泛應用於核醫學的閃爍晶體；
• 該晶體與光電倍增管耦合，以產生一個代表輻射沉積在晶體中的能量的電壓脈衝；
• 需要一個非常靈敏的放大器來測量這些電壓脈衝；
• 電壓脈衝的幅度範圍取決於輻射與晶體相互作用的方式，即脈衝形成一個光譜，其形狀取決於所涉及的相互作用機制，例如，用於體核心醫學的中能伽馬射線：康普頓效應和光電效應；
• 中能單能伽馬射線發射體的伽馬射線能譜（簡單地）由康普頓散射和光峰組成；
• 脈衝高度分析用於區分電壓脈衝的幅度；
• 脈衝高度分析器 (PHA) 包括下限鑑別器（它傳遞高於其設定值的電壓脈衝）和上限鑑別器（它傳遞低於其設定值的電壓脈衝）；
• 結果是一個可變寬度的視窗，可以放置在光譜的任何位置，或者用於掃描光譜；
• 單通道分析器 (SCA) 包括一個帶有刻度器和速率計的 PHA；
• 多通道分析器 (MCA) 是一種由計算機控制的裝置，可以同時從多個視窗獲取資料。

章節回顧：核醫學成像系統

• 伽馬相機由一個直徑較大（25-40 釐米）的 NaI(Tl) 晶體組成，厚度約為 1 釐米；
• 該晶體由 37-91 個光電倍增管陣列觀察；
• 光電倍增管訊號由一個位置電路處理，該電路生成 +/- X 和 +/- Y 訊號；
• 這些位置訊號被求和形成Z 訊號，該訊號被送入脈衝高度分析器；
• +/- X、+/- Y 和鑑別後的 Z 訊號被髮送到計算機進行數字影像處理；
• 準直器用於提高伽馬相機的空間解析度；
• 準直器通常由一塊 Pb 板組成，其中包含大量的小孔；
• 最常見的型別是平行多孔準直器；
• 可分辨區域是準直器正前方；
• 平行孔準直器在孔的數量、孔徑、每個孔的長度和隔板厚度方面各不相同，這些因素的組合影響著成像系統的靈敏度和空間解析度；
• 其他型別包括發散孔準直器（生成縮小的影像）、會聚孔準直器（生成放大的影像）和針孔準直器（生成放大的倒置影像）；
• 使用伽馬相機進行的傳統成像被稱為平面成像，即二維影像描繪三維物體，顯示疊加的細節，沒有深度資訊；
• 單光子發射計算機斷層掃描 (SPECT) 生成穿過身體切片的影像；
• SPECT 使用伽馬相機在圍繞患者的一系列角度記錄影像；
• 所得資料可以使用濾波反投影方法進行處理；
• SPECT 伽馬相機可以有一個、兩個或三個相機頭；
• 正電子發射斷層掃描 (PET) 也生成穿過身體切片的影像；
• PET 利用正電子湮滅過程，其中產生兩個背靠背的 0.51 MeV 伽馬射線；
• 如果檢測到這些伽馬射線，它們的起源將位於圍繞患者的探測器環的兩臺探測器連線線上的某一點；
• 飛行時間方法可以用於定位它們的起源；
• PET 系統需要現場或附近的迴旋加速器來產生短壽命的放射性同位素，如 C-11、N-13、O-15 和 F-18。

章節回顧：放射性同位素的生產

• 天然放射性同位素通常具有很長的半衰期，屬於較重的元素，因此不適合醫學診斷應用；
• 醫學診斷放射性同位素通常是人工產生的；
• 可以利用裂變過程，以便將感興趣的放射性同位素從裂變產物中化學分離出來；
• 迴旋加速器可以用於將帶電粒子加速到很高的能量，使它們與要啟用的材料的靶標發生碰撞；
• 醫院通常使用放射性同位素發生器來產生短壽命的放射性同位素；
• 鎝-99m發生器由一個包含 Mo-99 的氧化鋁柱組成，Mo-99 衰變為 Tc-99m；
• 將鹽水透過發生器以洗脫 Tc-99m，所得溶液稱為鎝酸鈉；
• 正壓和負壓發生器都在使用；
• 當使用 Tc-99m 發生器時，需要同位素校準器，以便確定患者劑量製備的活性，並檢查收集的溶液中是否存在 Mo-99。