核素教学课件

核素教学课件欢迎参加核素教学课程本课程将系统介绍核素的定义、分类、性质以及在现代科学技术中的广泛应用与研究前沿核素作为现代物理学和化学的重要概念，对我们理解物质世界和利用原子能具有重要意义本课程内容设计适用于高中及大学基础物理与化学课程，旨在帮助学生掌握核素的基础知识，了解其在医疗、能源、考古等领域的应用，培养学生对核科学的兴趣与认知课程导入医学诊疗考古测年能源应用从甲状腺疾病诊断使用的碘-131，到现考古学家使用碳-14测定古代文物年代，核电站利用铀-235的裂变反应产生巨大代PET扫描中的氟-18，核素技术已成为精确度可达数千年前埃及木乃伊、冰人能量，一颗硬币大小的铀燃料产生的能量现代医学不可或缺的工具每年全球约有奥兹、死海古卷等重要文物的年代确定都相当于一吨煤目前全球有约450座核反3000多万患者受益于核医学检查和治依赖于核素技术应堆提供世界10%的电力疗什么是元素123元素定义元素符号周期表元素是由相同质子数的原子构成的纯净物元素符号是元素的缩写标识，通常由一个元素周期表是按照元素原子序数（即质子质元素是化学上不能再分解的基本物或两个字母组成例如氢H、氦He、数）递增排列的元素分类表现代周期表质，是构成世界万物的基本单位目前已碳C、氧O等符号的第一个字母必须包含7个周期和18个族，充分展示了元素知的元素共有118种大写，第二个字母小写性质的周期性规律什么是核素核素定义具有确定质子数和中子数的原子核种类数量表示用质子数Z和核子数A质子+中子来标识物理本质原子核的不同构成状态核素是原子核科学中的基本概念，指具有特定质子数和中子数的原子核与元素不同，核素更精确地描述了原子核的组成状态例如，碳元素包含碳-

12、碳-13和碳-14等多种核素核素与元素的区别元素定义核素定义元素仅由质子数Z确定不论中子数如何变化，只要质子数核素由质子数Z和中子数N共同确定不同中子数的同一元相同，就属于同一元素例如，所有质子数为6的原子核都素原子核是不同的核素如碳-126质子6中子和碳-146质属于碳元素子8中子是碳元素的两种不同核素元素在化学性质上具有相似性，这是由于质子数决定了电子核素更关注原子核的物理性质，如放射性、半衰期、核反应排布，而电子结构决定了化学性质特性等，这些性质与中子数密切相关同位素、同核异能素、同素异形体同位素同核异能素同一元素的不同核素，即质子数相同质子数和中子数相同但能量状态不同但中子数不同的核素氢的同位素同素异形体氢H、氘D、氚T分别含

0、

1、2相同元素的不同结构形式，如C60和石个中子墨同位素是核素分类中最常见的概念例如，氢元素有三种自然存在的同位素普通氢H-

1、重氢或氘H-2和超重氢或氚H-3它们在化学性质上相似，但物理性质如密度、沸点和核反应性质有显著差异核素的表示方法元素符号质量数表示上标下标表示法-法在科学文献中，常用左上角标最常用的方法是元素符号-质示质量数A，左下角标示原子量数，例如碳-

14、铀-235序数Z，如146C表示碳-14，等这种表示法简洁明了，适23592U表示铀-235用于日常科学交流核素符号详细表示完整表示为AZXm，其中X为元素符号，A为质量数，Z为原子序数，m表示激发态（若有）例如99m43Tc表示锝-99的亚稳态核素的分类稳定核素自然界中约有250种稳定核素，不发生自发衰变或衰变极其缓慢（半衰期超过地球年龄）如碳-

12、氧-16等是最常见的稳定核素放射性核素会自发衰变并释放辐射的核素根据衰变方式可分为α衰变核素、β衰变核素和γ发射核素等已知约3000多种放射性核素天然核素自然界中存在的核素，包括原生核素（如铀-238）和次生核素（如镭-226，由铀衰变产生）人工核素通过核反应人工合成的核素，如锝-99m、钴-60等，广泛应用于医疗和工业领域核素的发现与发展年放射性的发现1896-亨利·贝克勒尔意外发现铀盐能使包裹的感光底片曝光，首次观察到放射性现象，为核素研究开启了大门年新元素的发现1898-玛丽·居里和皮埃尔·居里分离出镭和钋两种新放射性元素，并创造了放射性一词，奠定了核科学的基础年原子核模型1911-卢瑟福提出原子核模型，解释了原子结构，为理解核素提供了理论基础4年同位素概念1913-索迪提出同位素概念，解释了相同元素存在不同质量数的现象，为核素概念奠定基础现代发展5随着粒子加速器、核反应堆技术的发展，人类已经发现或合成了近3300种核素，并在医学、能源等领域广泛应用核素的结构2基本组成粒子原子核由质子和中子两种核子构成1电荷单位每个质子带有+1个基本电荷单位0中子电荷中子不带电，但质量略大于质子~

1.7强相互作用力核力是电磁力的约

1.7倍，克服质子间的库仑排斥原子核是原子的中心部分，尽管体积只有原子的百万分之一，却集中了原子

99.9%以上的质量原子核内部，质子和中子被强相互作用力紧密束缚在一起，形成了极其稳定但也蕴含巨大能量的结构核素的能级基态原子核的最低能量状态，大多数核素在自然条件下处于基态基态核素相对稳定，但不一定是稳定核素，如碳-14基态仍具放射性激发态核素吸收能量后达到的高能量状态激发态核素不稳定，会通过发射γ射线或转换电子等方式释放能量回到基态或更低能级亚稳态特殊的激发态，具有相对较长的寿命例如锝-99m的半衰期为6小时，这种相对较长的寿命使其成为理想的医学诊断核素核能级与电子能级类似但能量差异更大电子能级跃迁通常是电子伏特eV量级，而核能级跃迁则在千电子伏特keV到兆电子伏特MeV量级这解释了为什么γ射线能量远高于普通光子放射性概述放射性的发现放射性的本质1896年，法国物理学家亨利·贝克勒尔放射性是不稳定原子核自发衰变并释放在研究荧光现象时，偶然发现铀盐能够能量的现象这种衰变过程不受外部条使包裹的感光底片曝光，即使没有阳光件如温度、压力或化学状态的影响，是照射这一发现标志着放射性现象的首原子核内部固有的性质次观察衰变产物放射性衰变会产生新的核素（称为子体核素）和辐射根据释放的辐射类型，可分为α衰变、β衰变和γ射线发射等多种形式放射性的发现彻底改变了人类对物质稳定性的认识，证明了原子并非不可分割的最小单位这一发现为20世纪物理学的重大突破——原子结构理论和量子力学的发展奠定了基础常见放射性核素核素半衰期衰变方式主要用途铀-23845亿年α衰变核燃料、地质测年碳-145730年β衰变考古测年、生物示踪钴-

605.27年β衰变、γ射线医疗照射、工业探伤锝-99m6小时γ射线医学诊断成像镭-2261600年α衰变历史上用于夜光表盘碘-

1318.02天β衰变、γ射线甲状腺疾病诊断治疗自然界和人工合成的放射性核素种类繁多，它们的半衰期从微秒到数十亿年不等选择适当的放射性核素进行特定应用时，需要综合考虑其半衰期、衰变方式、辐射能量以及化学性质等因素放射性类型射线射线射线αβγ由氦核（2个质子和2个由高速电子（β-）或正高能电磁波，无质量无中子）组成的粒子流α电子（β+）组成的粒子电荷，穿透能力极强粒子质量大，带双正电流β粒子质量小，穿透（需厚重金属或混凝土荷，穿透能力弱（纸张能力中等（几毫米铝板屏蔽）通常伴随α或β可阻挡），但电离能力可阻挡）典型例子衰变发生典型例子强典型例子镭-碳-14发射β-，氟-18发钴-60衰变后发射γ射

226、钍-232的衰变射β+线了解不同类型放射性辐射的特性对于放射防护至关重要α射线外照射危害小但吸入或食入危害大；β射线可能造成皮肤烧伤；γ射线则需要厚重屏障防护在实际应用中，往往根据射线特性选择不同的防护措施衰变规律与半衰期半衰期数剩余放射性%衰变系列铀系始于铀-238，经过14步衰变最终生成铅-206钍系始于钍-232，经过10步衰变最终生成铅-208锕系始于铀-235，经过11步衰变最终生成铅-207镎系人工系列，始于镎-237，最终生成铋-209自然界中的重核素往往不会通过单次衰变直接变为稳定核素，而是经历一系列连续衰变过程，形成衰变链或衰变系列每个系列都以一个长寿命的母核开始，通过一系列α和β衰变，最终生成一个稳定的铅同位素核素的稳定性核素的稳定性受多种因素影响，其中质子数Z与中子数N的比例尤为重要对于轻核素，稳定核的Z/N比接近1:1；随着质子数增加，稳定核需要更多中子来抵消质子间的电荷排斥，Z/N比逐渐降低到1:

1.5核素图谱核素图谱的构建稳定带与放射性区域核素图谱是以中子数为横坐标、质子数为纵坐标的二维图在核素图谱中，稳定核素形成一条从左下到右上的狭窄带状表，每个点代表一种核素这种表示方法直观展示了所有已区域，称为稳定带或β稳定谷稳定带上方的核素（质知核素的分布规律和相互关系子过剩）倾向于通过β+衰变或电子俘获转变为稳定核素；而稳定带下方的核素（中子过剩）则主要通过β-衰变趋向稳图中不同颜色通常表示不同的核素特性，如半衰期长短、衰定变方式或发现时间等核素图谱是核物理学的重要工具，帮助科学家研究核素性质和预测未知核素放射性测量原理检测原理放射性测量基于辐射与物质相互作用产生的效应，如电离、荧光或热效应不同类型的探测器利用不同的物理效应将辐射能量转换为可测量的电信号盖革米勒计数管-利用辐射电离气体产生电子雪崩效应当辐射进入充满低压气体的管中时，会电离气体产生电子，在高电压下形成可检测的电脉冲适合α、β和γ射线的检测，但不能区分能量3闪烁计数器利用辐射激发闪烁体材料（如碘化钠晶体）发光，再由光电倍增管将光信号转换为电信号能提供辐射能量信息，广泛用于γ能谱分析半导体探测器利用辐射在半导体材料中产生电子-空穴对具有最高的能量分辨率，是现代核谱学的关键设备，常用于精密能谱测量和核素鉴别核素与能量释放聚变能量轻核聚合成重核，每核子释放能量最大1裂变能量重核分裂为中等质量核，能量适中衰变能量放射性衰变释放能量，量级较小原子核内蕴含着巨大的能量，这源于爱因斯坦质能方程E=mc²当核反应发生时，反应前后的质量差转化为能量释放例如，1克铀-235完全裂变可释放约

8.2×10¹⁰焦耳能量，相当于燃烧

2.7吨煤核能释放的基本原理可通过核结合能曲线理解铁-56附近的核素具有最高的单核子结合能因此，轻于铁的核素通过聚变释放能量，而重于铁的核素则通过裂变释放能量这一原理解释了为什么太阳通过氢聚变产生能量，而核电站则利用铀裂变发电衰变能量虽然相对较小，但在放射性同位素热电发生器RTG中被用于太空探测器的长期供电典型应用一放射性示踪生态追踪工业流动监测利用放射性同位素研究生态系统中物利用放射性示踪剂研究工业系统中的质和能量流动如用碳-14追踪森林生物质流动和泄漏如用放射性核素检医学示踪态系统中的碳循环测管道泄漏或监测催化剂分布锝医学成像-99m利用放射性同位素标记的化合物在体内的分布研究生理代谢如碘-131标最广泛使用的医学诊断放射性核素，记的甲状腺素可用于研究甲状腺功半衰期6小时，发射140keV的γ射线，能理想用于SPECT扫描24放射性示踪技术的核心优势在于其极高的灵敏度，理论上可检测到单个原子的存在这使得使用极微量的放射性物质就能获得有价值的信息，大大降低了对被研究系统的干扰在医学领域，锝-99m每年用于全球约3000万次核医学诊断程序，占所有核医学检查的80%以上它可与多种化合物结合，用于心脏、骨骼、肝脏、肾脏等多种器官的功能研究，成为现代医学不可或缺的诊断工具典型应用二医学诊断与治疗甲状腺疾病治疗成像诊断肿瘤靶向治疗PET碘-131是治疗甲状腺疾病的经典放射性药正电子发射断层扫描PET利用氟-18等β+钇-

90、镥-177等β发射体被用于肿瘤的靶物甲状腺细胞会选择性吸收碘，使碘-发射体进行功能性成像最常用的示踪剂向放射治疗这些核素与特定抗体或肽结131集中在甲状腺组织碘-131发射β粒子是18F-FDG，它能显示组织的葡萄糖代谢合，可精确靶向肿瘤细胞，最小化对健康破坏甲状腺组织，有效治疗甲亢和甲状腺情况，用于肿瘤诊断和心脏、脑功能评组织的伤害这类治疗对传统疗法无效的癌治疗剂量一般为555-7400MBq估其原理是检测正电子与电子湮灭产生肿瘤尤其有价值，代表着核医学治疗的前的对向511keV光子沿发展方向核医学技术结合了物理学和医学的原理，通过研究放射性药物在体内的分布、代谢和排泄，为疾病诊断和治疗提供了独特的视角与传统影像学不同，核医学提供的是功能信息而非纯解剖结构，能更早期发现疾病变化典型应用三核能与核电核素转化能量转换与发电反应堆运行过程中会产生多种新核素铀-238捕获中子核裂变反应裂变释放的能量以热能形式传递给冷却剂（水或其他介可转化为钚-239，这是核武器和新型核燃料的原料反核电站利用铀-235等重核素的裂变反应释放能量当中质），产生蒸汽驱动汽轮机发电核电站的热效率一般在应堆也产生多种放射性废物，如铯-

137、锶-90等，需要子撞击铀-235核时，会使其分裂成两个中等质量的核碎30-35%左右，与传统火电厂相当一座1GW核电站每安全处理和存储片，同时释放2-3个中子和大量能量这些中子可引发更年可替代约300万吨煤炭多铀原子裂变，形成链式反应核能是低碳能源的重要组成部分，全球约450座商业核反应堆提供了世界电力的10%左右中国目前拥有53座运行中的核反应堆，总装机容量约55GW，是全球核电发展最快的国家核电技术不断发展，第三代核电技术如AP

1000、华龙一号等提高了安全性和效率小型模块化反应堆SMR和第四代核电技术代表着未来发展方向，有望进一步提高安全性、降低成本并减少核废料典型应用四考古与年代测定碳测年原理-14宇宙射线在大气上层产生碳-14，它与氧气结合形成二氧化碳被生物吸收生物死亡后停止吸收碳-14，体内碳-14开始衰变（半衰期5730年）通过测量样本中碳-14与碳-12的比例，可推算样本的年龄样本采集与处理采集含碳有机物样本（木材、骨骼、织物等），经过净化处理去除污染物现代技术使用加速器质谱法AMS直接计数碳-14原子，相比传统方法需要更少样本量且更准确年代校准由于大气中碳-14浓度历史变化，需通过树轮、湖泊沉积物等已知年代样本建立校准曲线现代校准曲线可追溯至约5万年前，是碳-14测年的准确性保证重要考古成果碳-14测年法已应用于无数重要考古发现，如死海古卷2000年前、奥兹冰人5300年前、拉斯科洞穴壁画17000年前、哥贝克力石阵11000年前等，彻底改变了人类对史前文明的认知除碳-14外，考古学还使用多种放射性同位素测定技术，如钾-40/氩-40法适用于火山岩，范围数十万至数十亿年、铀系测年法适用于洞穴沉积物，范围至50万年等这些方法共同构成了现代考古年代学的基础典型应用五工业检测射线探伤利用γ射线源（如钴-

60、铱-192）或X射线对工业构件进行无损检测，发现内部缺陷这种技术广泛应用于管道焊缝、压力容器和结构件的质量检验，保障工业安全厚度测量利用β粒子或γ射线被材料衰减的原理，可在线测量钢板、纸张、塑料薄膜等产品的厚度这种方法无需接触材料，可实时监测生产过程，提高产品质量和生产效率元素分析中子活化分析和X射线荧光分析可快速准确地分析材料成分煤矿使用中子技术在线检测煤的热值和灰分；金属工业利用X射线荧光分析控制合金成分工业示踪在石油管道、化工装置中注入微量放射性示踪剂，可检测泄漏点、监测流动状态或测量停留时间这对于大型工业设备的维护和优化至关重要工业核技术已成为现代工业质量控制和过程优化的重要工具与传统方法相比，放射性方法往往具有无接触、高精度、快速响应等优势，能在恶劣环境下可靠工作中国工业核技术应用广泛，年经济效益超过1000亿元射线探伤每年检测的焊缝超过1亿米，厚度测量仪器在钢铁、造纸等行业广泛应用，核素分析技术为材料科学和环境监测提供关键支持核素在环境科学污染物追溯放射性核素作为指纹可追踪污染物来源例如，通过测量土壤中铯-137/锶-90比例，可区分核试验和核事故污染铅-210可用于研究大气颗粒物的来源和沉降历史，帮助确定污染源沉积物定年利用铅-210（半衰期

22.3年）可研究近150年内的湖泊和海洋沉积物年代这对研究近代环境变化、污染历史和沉积速率具有重要意义，是环境变化研究的关键工具水文循环研究氚和氧-18等同位素可示踪水循环过程通过测量不同水体中的同位素比例，科学家可以追踪地下水流动、确定水源补给区域，评估水资源可持续性生态系统碳循环碳-14和碳-13可用于研究生态系统中碳的来源、储存和流动这对理解气候变化、碳捕获和生态系统功能至关重要，为减缓气候变化提供科学依据核素在环境科学中的应用建立在同位素示踪和同位素分馏两个核心原理上同位素示踪利用特定核素作为标记物跟踪环境过程；同位素分馏则利用不同同位素在物理、化学和生物过程中的微小行为差异提供过程信息放射性核素环境迁移模型是核安全评估的重要工具，它模拟核素在土壤、水体、大气和生物圈中的传输和富集过程这些模型帮助预测核事故后果、评估核废料处置安全性，保障人类健康和环境安全天然核素与人工核素稳定天然核素放射性天然核素人工核素具体核素案例锝（）元素Tc人造元素锝是第一个人工合成的元素，1937年由意大利物理学家塞格雷和佩里尔在钼靶经氘核轰击后发现它是元素周期表中第43号元素，在自然界几乎不存在生产方式锝-99m主要通过钼-99衰变获得钼-99可在核反应堆中通过铀-235裂变或钼-98中子活化获得医院使用锝-99m发生器提取纯净的锝-99m用于诊断核特性锝-99m半衰期为6小时，发射140keV的γ射线，能量适中，既能穿透组织被探测器接收，又不会对患者造成过高辐射剂量医学应用锝-99m可与多种化合物结合，用于心脏、骨骼、肝脏、肾脏等多种器官的功能成像全球每年约3000万患者接受锝-99m检查，占核医学检查80%以上锝元素的发现填补了元素周期表中的空缺，验证了门捷列夫周期表预测的正确性更重要的是，锝-99m成为人类历史上应用最广泛的放射性核素，每年挽救数百万患者生命，创造数十亿美元的医疗价值锝元素供应链的脆弱性曾在2009-2010年引发全球医疗危机目前世界正在开发新的生产技术，包括加速器生产方法和低浓缩铀靶技术，以确保这一关键医学核素的可持续供应具体核素案例钴-60钴-60是最重要的工业和医疗γ射线源，通过在核反应堆中照射天然钴-59制备它的半衰期为

5.27年，每次衰变释放两个高能γ光子（

1.17MeV和

1.33MeV），穿透能力强，适合厚材料照射钴-60的生产、运输和使用受到严格监管，以确保安全钴-60的主要应用包括医疗放射治疗（尤其是癌症治疗），γ刀装置可精确治疗脑部肿瘤；工业辐照灭菌，用于医疗用品、食品和农产品的消毒处理；工业射线探伤，检测厚重金属部件内部缺陷；辐射化学研究，研究高能辐射对材料的影响全球每年约有70-80万癌症患者接受钴-60治疗，约50%的一次性医疗用品通过辐照灭菌，显示了这一核素的广泛影响具体核素案例氚（）3H基本特性应用领域氚是氢的放射性同位素，核内含1个质子和2个中子它是氚最重要的应用是作为核聚变反应燃料在氘-氚聚变反应唯一放射性的轻元素，半衰期为

12.32年，发射低能β粒子中，1克氚完全聚变可释放相当于11吨煤的能量国际热核（最大能量

18.6keV），穿透力极弱，无法穿透人体皮肤聚变实验堆ITER和中国的人造太阳装置都计划使用氘-氚聚变反应自然界中氚主要由宇宙射线与大气中氮、氧原子核相互作用产生，浓度极低人工氚则主要在核反应堆中通过锂-6捕获此外，氚还广泛用于自发光源（如手表指针、紧急出口标中子反应生产，或作为核反应副产品志）、示踪研究（特别是水文学研究追踪水流动）和核武器增强装置值得注意的是，环保考虑已导致许多国家限制氚自发光产品的使用氚处理技术是核聚变能源研究的关键挑战之一由于氚既是放射性物质又能轻易渗透材料，需要特殊的储存、处理和回收系统中国的固体增殖包层和氚提取技术研究已取得重要进展，为未来聚变能源开发奠定基础具体核素案例碳-145730半衰期（年）决定测年适用范围约5万年内

0.693衰变常数λ值（×10⁻⁴/年）用于衰变计算的关键参数156最大能量（）βkeV发射低能β粒子，易于安全处理

1.5现代生物碳样品放射性（）Bq/g标准参考值，用于计算年代碳-14是放射性碳同位素，由宇宙射线与大气上层氮-14相互作用产生它在大气中主要以14CO2形式存在，被植物通过光合作用吸收，进而进入整个食物链活体生物体内14C/12C比率与大气中保持平衡，但生物死亡后，碳-14开始衰减而不再补充，这是碳-14测年法的基本原理在生命科学领域，碳-14标记的生物分子被广泛用于代谢研究、药物开发和分子生物学这些应用利用了碳-14的独特优势它可以替代生物分子中的普通碳而不改变分子性质，同时其放射性可被精确检测现代加速器质谱法AMS可检测极微量碳-14，大大提高了测量精度，并将样品需求量减少到毫克级，使珍贵考古样品的无损测年成为可能其他重要核素速览核素半衰期主要用途特点铀-

2357.04亿年核裂变燃料唯一天然可裂变核素钚-23924110年核裂变燃料、核武器人工合成的重要裂变核素氟-

18109.8分钟PET显像与葡萄糖结合形成FDG示踪剂铯-

13730.17年辐射源、环境示踪核事故主要污染物锂-6稳定氚生产、核聚变捕获中子生成氚镭-2261600年历史上用于夜光涂料发现放射性的关键核素铀-235是核能工业的基础，天然铀中仅含

0.72%的铀-235，需要通过铀浓缩提高至3-5%用于民用反应堆，或更高浓度用于研究堆和核武器钚-239则是在反应堆中由铀-238捕获中子后经过β衰变产生，同样可用于核能和核武器医学领域中，氟-18因其适中的半衰期和化学性质，成为PET成像的理想选择；镓-68和铜-64等新型正电子核素则为分子影像提供了更多选择环境监测中，铯-137是核事故后的主要关注核素，可用于污染监测和生态研究核素在生命科学中的新进展新型示踪核素开发生命科学研究正开发新型PET核素，如铜-64（半衰期

12.7小时）、锆-89（半衰期

78.4小时）和碘-124（半衰期

4.2天）这些长寿命核素允许追踪抗体和蛋白质等大分子的长期体内分布，为药物开发提供关键信息多模态分子影像结合PET/CT、PET/MRI等多模态成像技术，科学家能同时获取功能和结构信息例如，锝-99m标记的纳米颗粒可实现SPECT/荧光双模态成像，锆-89标记的抗体可与MRI对比剂结合实现PET/MRI成像，提供更全面的生物学信息转化医学应用核素示踪技术正从实验室走向临床，帮助个体化医疗决策例如，标记抗体的PET成像可预测癌症患者对免疫治疗的反应；标记代谢物的示踪技术则可直接评估药物在靶器官的摄取和代谢情况随着合成技术和检测灵敏度的提高，放射性核素在现代生命科学中的应用正经历革命性变革α发射体如锕-225和砹-211正被开发用于靶向α治疗TAT，其高线性能量转移特性使其成为治疗微转移癌的理想选择纳米技术与核素标记的结合创造了新型核素—纳米药物这些复合体可通过主动或被动靶向将放射性核素递送至特定组织，提高治疗效果并减少副作用例如，锝-99m标记的金纳米粒子已用于淋巴结显像，而镭-223标记的碳纳米管则显示出针对骨转移瘤的治疗潜力核素与现代医药靶向放射性药物现代核医学正经历从器官靶向向分子靶向的范式转变新型放射性药物利用抗体、肽或小分子作为导航系统，将放射性核素精确递送至特定分子靶点例如，镥-177-DOTATATE靶向神经内分泌肿瘤上的生长抑素受体，钇-90-ibritumomab tiuxetan靶向B细胞淋巴瘤的CD20抗原心脏病精准诊断核素技术在心脏病诊断中提供独特价值锝-99m-四甲基吡啶氧肟MIBI心肌灌注显像可评估心肌血流和存活性；铷-82PET提供更高精度的心肌血流量化；F-18FDG PET则能评估心肌代谢状态和炎症这些技术帮助医生区分可逆和不可逆的心肌损伤，指导个体化治疗决策神经系统疾病诊断核素显像在神经退行性疾病早期诊断中发挥关键作用F-18标记的淀粉样蛋白示踪剂可检测阿尔茨海默病的病理变化；碳-11-PIB可视化β-淀粉样蛋白沉积；F-18-DOPA则用于帕金森病多巴胺能神经元功能评估这些技术为早期干预和治疗评估提供了重要工具治疗性放射性核素正迅速发展为精准肿瘤治疗的重要手段α粒子发射体（如镭-

223、砹-211）因其短射程和高线性能量转移特性，特别适合微转移病灶治疗；β发射体（如钇-

90、镥-177）则适用于较大肿瘤这些核素与特异性靶向分子结合，形成治疗弹，实现对肿瘤的精准打击中国在放射性药物研发领域取得长足进步，自主研发的镓-68-PSMA前列腺癌显像剂、氟-18-FLT细胞增殖显像剂等新型放射性药物已进入临床应用国产放射性药物不仅满足国内需求，部分产品已出口国际市场，显示了中国核医药领域的快速发展新材料中的核素应用辐照改性技术辐照交联电缆利用钴-60或电子加速器产生的辐射使高分1提高绝缘材料的耐热性、机械强度和耐老化子材料发生交联或降解性能半导体掺杂医用辐照材料4利用中子照射实现硅材料中的磷掺杂，控制生产可降解缝合线、水凝胶敷料和药物控释电导率系统辐照改性技术是利用电离辐射引发材料分子结构变化的先进加工方法与传统化学方法相比，辐照加工无需催化剂，不产生残留毒性物质，能在室温下进行，并且可以精确控制反应程度全球每年约有100多万吨高分子材料通过辐照加工改善性能核掺杂是半导体工业的关键技术通过中子照射硅晶体，部分硅-30原子捕获中子变为硅-31，随后β衰变为磷-31，实现原位掺杂这种核变换掺杂NTD技术可获得极其均匀的掺杂分布，是生产高功率半导体器件的理想方法中国已掌握NTD技术，在高功率电力电子器件生产中应用此外，新兴的核素标记纳米材料也展现出在生物医学成像、药物递送和癌症治疗中的巨大潜力太空科技中的核素放射性同位素电池放射性同位素加热单元RTG RHU利用放射性核素衰变产生的热能转换为电小型放射性热源，用于保持航天器关键部能的装置主要使用钚-238（半衰期件的工作温度典型RHU含有1-2克钚-

87.7年）作为热源，通过热电偶转换成电238，产生约1瓦热功率这些装置确保能RTG无需阳光，可在恶劣环境下稳定航天器在极寒环境中电子设备和科学仪器工作数十年，是深空和行星探测的理想电正常工作源核推进技术利用核裂变或放射性同位素加热推进剂的推进系统核热火箭比化学火箭具有更高的比冲，能显著缩短火星等深空目标的飞行时间美国、俄罗斯和中国都在研发新一代核推进技术放射性同位素电源已成功应用于多项标志性太空任务从1969年阿波罗登月使用的SNAP-27电源，到为旅行者号提供近半世纪电力的MHW-RTG，再到最新的毅力号火星车上的MMRTG，这些电源确保了人类探测器能够到达并研究太阳系最遥远的角落中国也在积极发展空间核电源技术嫦娥七号月球南极探测任务计划使用同位素热源，解决月球极区长夜期间的能源问题中国航天科技集团正研发具有自主知识产权的空间RTG技术，以支持未来深空探测、月球基地建设等雄心勃勃的太空计划放射性核素管理与核安全废物分类与处理放射性废物按活度分为高、中、低三类低放废物如受污染的防护服可压缩固化后浅层填埋；中放废物需水泥或沥青固化；高放废物（如乏燃料）则采用玻璃固化或陶瓷包装，之后深地质处置运输与储存放射性物质运输需专用容器，经过严格碰撞、火灾和浸水测试临时储存采用水池或干式储存罐，确保充分冷却和屏蔽最终处置设施需考虑地质稳定性、水文条件和人类活动等因素环境监测核设施周围建立放射性监测网，定期采样分析空气、水、土壤、植物和食品中放射性核素含量现代监测技术可检测极低水平的放射性，及时发现异常情况安全文化建设核安全不仅依赖技术措施，更需要强大的安全文化核设施的设计、建造和运行需遵循纵深防御原则，建立多重安全屏障严格的人员培训、规范操作和独立监管是确保核安全的关键核安全历史上的重大事故提供了宝贵教训1979年美国三哩岛事故暴露了运行管理和操作员培训的不足；1986年切尔诺贝利事故源于反应堆设计缺陷和严重违规操作；2011年福岛事故则凸显了自然灾害风险评估的重要性这些事故推动了全球核安全标准的提高和安全文化的强化放射性与人体健康放射防护措施屏蔽防护距离防护时间与监测针对不同类型辐射选择适当屏蔽材料α射线可辐射强度遵循反平方定律，即与辐射源距离的缩短辐射场停留时间是减少剂量的有效方法被纸张屏蔽；β射线需几毫米铝板；γ射线和X平方成反比将工作距离从

0.5米增加到5米，工作前充分准备、培训和演练可提高操作效率，射线则需铅或混凝土；中子需含氢材料和硼等可使辐射剂量降低100倍远距离操作工具、减少辐射暴露时间个人剂量计（如热释光剂吸收体放射科诊室墙壁通常使用厚度为2-3毫机械臂和自动化设备是放射工作的重要辅助手量计、电子直读剂量计）是监测个人辐射剂量米的铅板或相当厚度的混凝土，防护服则采用段，可大大减少工作人员所受剂量的重要工具，可实时或定期提供剂量信息，及含铅橡胶材料时发现异常情况放射防护的ALARA原则（As LowAs ReasonablyAchievable，合理可行尽量低）是现代辐射防护的核心理念这一原则要求在考虑经济和社会因素的情况下，将辐射剂量降至最低防护最优化需要平衡放射技术的益处与潜在风险，确保放射技术在安全基础上发挥最大社会效益法律与核素监管国际原子能机构中国核监管体系IAEA1957年成立的联合国专门机构，总部位中国国家核安全局是核安全监管的主管部于维也纳负责促进和平利用核能，防止门，负责核设施安全监督和放射性物质管核武器扩散，制定核安全标准其保障理《中华人民共和国核安全法》于监督制度通过核查确保民用核材料不被2018年正式实施，是中国核安全领域的用于军事目的IAEA定期派遣专家组对基本法律此外，《放射性污染防治法》、成员国核设施进行安全评估和技术合作《民用核设施安全监督管理条例》等法规构成了完整的核安全法律体系放射性同位素管理放射性同位素的生产、销售、运输和使用均需获得许可证使用单位必须建立放射性同位素台账，定期向监管部门报告废旧放射源必须返回生产单位或送交有资质的放射性废物处理单位，防止废源失控造成环境污染或安全事故中国积极参与国际核不扩散和核安全合作，是《不扩散核武器条约》、《全面禁止核试验条约》、《核安全公约》等多项国际条约的签约国中国还与IAEA、美国、法国、俄罗斯等国家和组织建立了核安全合作机制，共同提高全球核安全水平随着核技术在医疗、工业和科研领域的广泛应用，放射性同位素监管面临新挑战中国正在加强核与辐射安全文化建设，推进核安全监管信息化，建立全国统一的放射源监管系统，实现对放射源全生命周期的动态监管，有效防范放射源安全事故世界核素研究前沿1超重元素合成科学家正致力于合成周期表第七周期后的超重元素近年来，元素113（虚母、115（镆）、117（石田）和118（奥气）已被正式命名，而119和120号元素的合成实验正在俄罗斯杜布纳联合核研究所和德国重离子研究中心进行稳定岛探索理论预测在质子数约114和中子数约184处存在稳定岛，该区域的超重核素可能有相对较长的半衰期寻找这一稳定岛是核物理学的重大挑战，可能重新定义我们对核稳定性的理解奇异核素研究位于稳定谷远处的奇异核素展现出与传统核素截然不同的性质如中子晕核素（如锂-11）的核半径异常大；中子滴线附近的岛核素（如氦-10）展示新的魔数；镜像核素对（如氮-17和氟-17）则提供研究核子间相互作用的窗口医用放射性核素创新新型医用核素如铜-

64、镓-68（用于PET成像）和锕-

225、铋-213（用于α粒子治疗）正在开发中这些核素配合新型靶向分子，将大大提高核医学诊断和治疗的精准度多国正在建设专用同位素生产加速器，提高这些核素的供应能力现代核素研究依赖于先进的实验设施放射性束流工厂（如日本RIBF、美国FRIB、中国HIAF）能产生远离稳定线的奇异核素；理想核素分离设施（如欧洲ISOLDE）则专注于生产高纯度放射性同位素中国的兰州重离子加速器正进行重要升级，将显著提升中国在超重元素和奇异核素研究领域的能力国内核科技成就华龙一号人造太阳医用同位素国产化EAST中国自主三代核电技术，首堆中国科学院合肥物质科学研究中国已基本实现常用医用放射于2021年在福建福清投入商业院的EAST装置2021年实现了性同位素自给自足国产钼-99/运行华龙一号采用177组燃料

1.2亿摄氏度等离子体持续燃烧锝-99m发生器满足了国内大部组件，设计寿命60年，具有先101秒的世界纪录，2022年又分核医学科室需求；锆-

89、铜进的安全特性和经济性，是中达到了

1.6亿度持续运行超过-64等新型PET核素也实现小批国核电走出去的旗舰产品，已1000秒的突破，向可控核聚变量生产；钇-90微球治疗肝癌技在巴基斯坦建成投运迈出重要一步术达到国际领先水平重离子加速器兰州重离子加速器升级工程和强流重离子加速器装置HIAF建设顺利推进，将大幅提升中国在核物理基础研究和放射性核素生产领域的能力，为探索奇异核素和超重元素提供世界级平台中国在核医学领域实现跨越式发展自主研发的正电子发射断层扫描PET装备已装机超过200台，性能达到国际先进水平；自主研发的碳离子治疗系统在上海、无锡等地建成投用，结束了中国高端放射治疗设备完全依赖进口的历史在核环保领域，中国已掌握核废料玻璃固化技术，并建成低中放废物处置场北京、四川等地的地下实验室正开展高放废物地质处置研究此外，中国还在积极开发小型模块化反应堆、钍基熔盐堆等先进核能系统，以及空间核电源等特种核技术，不断拓展核素技术的应用疆界未来展望绿色能源与核素小型模块化反应堆功率在300MWe以下的新型紧凑反应堆钍基核能系统2利用储量丰富的钍-232作为新型核燃料聚变能源3模仿太阳能源产生方式的终极清洁能源核素循环利用闭式燃料循环与放射性核素再利用技术未来核能发展将更加注重绿色和可持续小型模块化反应堆SMR因其占地少、投资低、安全性高的特点，特别适合替代小型燃煤电厂和为偏远地区供电，是未来核能发展的重要方向中国玲龙一号、核动力一号等小型堆已取得重要进展钍基核能系统利用储量丰富的钍-232作为燃料，通过中子俘获和β衰变产生铀-233，具有废物少、增殖性好、不易扩散等优势中国在钍基熔盐堆技术方面处于国际领先地位，在甘肃武威建设的实验堆预计2030年前后建成可控核聚变则被视为人类终极能源解决方案，中国正积极参与国际热核聚变实验堆ITER计划，并自主建设中国聚变工程实验堆CFETR，力争在21世纪中叶实现聚变能商业应用课堂互动核素趣味问答竞猜题最常用的医学诊断小组活动核素半衰期模拟核素是？使用硬币模拟放射性衰变过程每A.碳-14B.钴-60C.锝-99m D.轮掷硬币，将正面的硬币（代表碘-131已衰变核素）移除，记录每轮剩余硬币数量，绘制衰变曲线，体验指答案C.锝-99m锝-99m是全球数衰减规律使用最广泛的医学诊断核素，每年用于约3000万次医学检查，占核医学检查的80%以上辩论题目核能是否应被视为绿色能源？分成正反两方，就核能的低碳特性与核废料处理挑战进行辩论，培养多角度思考科技问题的能力互动环节设计旨在通过趣味方式帮助学生巩固核素知识，提高学习兴趣除上述活动外，教师还可组织放射性探测器操作演示，让学生实际体验使用盖革计数器测量不同材料的自然放射性水平；或开展核素应用场景模拟，让学生分组扮演医生、考古学家、工程师等角色，说明如何在各自领域应用核素技术解决实际问题通过亲身参与这些互动活动，学生不仅能加深对核素知识的理解，还能培养团队协作和批判性思维能力教师应鼓励学生提出问题，引导他们思考核科学的伦理和社会影响，形成科学、理性的核技术观例题解析一例题半衰期计算例题剩余量计算某放射性核素样品的初始活度为8000Bq，经过21天后测得活度碘-131的半衰期为

8.02天，如果初始有100毫克碘-131，

24.06天为1000Bq求该核素的半衰期后还剩多少毫克？解题步骤解题步骤

1.根据衰变公式N=N₀e-λt，代入已知条件1000=8000e-

1.确定经过了几个半衰期

24.06/

8.02=3个半衰期λ×

212.计算剩余量N=N₀×1/23=100×1/23=100×

0.

1252.求解衰变常数e-λ×21=1000/8000=1/8=

0.125=

12.5毫克

3.取对数-λ×21=ln

0.125=-

2.

0793.验证使用指数公式计算N=100e-

0.693×

24.06/

8.02=100e-

2.079=

12.5毫克

4.解得λ=

2.079/21=

0.099天-

15.利用关系式T1/2=

0.693/λ=

0.693/

0.099=7天答案

24.06天后剩余

12.5毫克碘-131放射性衰变计算是核科学应用的基础，掌握半衰期和衰变常数的关系，以及指数衰减公式的应用，对理解和应用放射性核素至关重要例题解析二时间小时计数率CPM例题某实验室采集一个未知放射性核素样品，使用盖革计数器在不同时间点测量其放射性，得到上图所示数据根据测量结果回答下列问题例题解析三综合题背景问题与计算高级分析某医院使用18F-FDG进行PET扫描检查肿瘤患者氟-

1.如果合成了370MBq的18F-FDG，放置3小时后还剩

3.从物理学角度解释为什么注射示踪剂后需等待约6018的半衰期为

109.8分钟，主要通过β+衰变（正电子发多少活度？分钟再开始扫描？射）转变为氧-18该检查需要注射足够活度的示踪解析氟-18半衰期

109.8分钟，3小时=180分钟，相解析需要时间让FDG在体内分布并被靶组织摄取，达剂，同时控制患者接受的辐射剂量当于180/

109.8=

1.64个半衰期剩余活度为到理想的肿瘤/背景比值同时，这段时间内非特异性370×1/

21.64=370×

0.321=

118.8MBq摄取组织中的FDG会逐渐清除，提高图像质量此外，60分钟约为氟-18半衰期的一半，此时活度足够产生清

2.解释为什么PET检查需要患者禁食6小时？晰图像，又不会给患者带来过高辐射剂量解析FDG是葡萄糖类似物，会被高代谢组织（如大脑、肿瘤）摄取禁食可降低血糖水平，减少FDG与体内葡萄糖的竞争，提高肿瘤对比度这个综合案例展示了核素在医学应用中的复杂性，需要综合考虑物理衰变规律、生物分布动力学和临床诊断需求核医学工作者必须精确计算和控制核素活度，平衡图像质量和患者辐射剂量，确保检查安全有效课堂小结广泛应用医疗、能源、考古、工业、环境等多领域1独特性质放射性、同位素效应、核反应能力科学分类3稳定/放射性核素，天然/人工核素基本概念质子数与中子数确定的原子核种类通过本课程的学习，我们系统了解了核素的基本概念、分类方法和物理性质核素是由特定质子数和中子数组成的原子核种类，与元素的区别在于核素关注原子核的组成，而元素只关注质子数我们探讨了核素的结构、能级和稳定性规律，了解了放射性衰变的机制和类型在应用方面，我们详细介绍了核素在医学诊断与治疗、核能发电、考古测年、工业检测和环境科学等领域的广泛应用，以及锝-99m、钴-

60、氚和碳-14等典型核素的特点和用途我们还讨论了放射防护原则、核安全管理和法律监管框架，关注了核素研究前沿和未来发展方向核素科学与技术正在为人类社会创造巨大价值，同时也需要我们负责任地管理相关风险思考与拓展发展机遇面临挑战新型医用核素开发正在改变精准医疗格局；新一核安全与放射性废物处理仍是核技术发展的主要代核能系统如小型模块化反应堆和钍基反应堆有挑战；公众认知与科学普及存在差距，核恐惧心望提供更安全、更清洁的能源；核聚变研究取得理制约行业发展；国际合作与技术共享面临地缘突破性进展，有望在本世纪中叶实现商业化；核12政治障碍；高素质核科学人才培养需要加强技术在环境治理、材料改性和太空探索等前沿领域展现巨大潜力未来研究方向伦理考量更安全、更经济的核能系统；更精准、副作用更3核技术的双重性要求科学家保持高度的伦理意识；小的核医学技术；更高效的放射性废物处理方法；放射性物质管理涉及代际公平问题；发展中国家更便携、更智能的核技术装备；核技术与人工智获取核技术的权利与防扩散的平衡；科技发展与能、纳米技术等前沿领域的交叉融合风险控制的辩证关系核素科学是一个充满活力的研究领域，其发展深刻影响着人类社会的多个方面作为新一代学习者，我们应当既关注其科学原理，也思考其社会影响；既看到其带来的福祉，也正视其潜在风险；既学习已有知识，也勇于探索未知领域中国作为核科技大国，正在向核科技强国迈进我们有独特的发展机遇，也面临严峻挑战希望同学们能够保持对核科学的兴趣和热情，部分同学未来能投身这一领域，为中国乃至人类的核科技事业贡献力量科学探索无止境，核素应用新篇章正在由你们这一代人书写！感谢与提问课件制作团队感谢所有参与本课件制作的教师和技术人员，以及提供资料和图片的各科研机构本课件内容参考了多项最新研究成果和教学实践经验，力求准确、全面、生动地呈现核素科学的精彩世界参考资料本课件参考了国际原子能机构IAEA技术报告、《放射化学》《核物理导论》等专业教材、国内外核科学研究机构的最新资料，以及中国原子能科学研究院、中国辐射防护研究院等机构提供的技术支持提问环节现在开放提问环节，欢迎同学们就课程内容提出问题，或分享你对核素科学的兴趣和思考教师将针对共性问题进行解答，也欢迎有特殊兴趣的同学课后交流，获取更多学习资源和研究方向指导核素科学是一个跨学科领域，涉及物理、化学、生物、医学、工程等多个学科本课程仅是对这一广阔领域的初步介绍，希望能激发同学们的学习兴趣，为进一步深入学习奠定基础教学相长，感谢同学们的积极参与和思考希望通过本课程，不仅让大家掌握核素的基本知识，更重要的是培养科学思维方法和探索精神科学发现的道路上永远充满未知与惊喜，愿各位同学在未来的学习和研究中有更多收获！。