原子核物理和放射性核素的應用技術，目前在醫學基礎和臨床學科中的應用已相當廣泛，近十幾年的發展更為迅速。利用放射性核素對各種疾病的診斷、治療和研究，已形成一門專門的學科一一核醫學，它對醫學和生物學的發展起著強有力的推進作用。本章著重討論原子核的衰變類型和規律、放射性核素及其射線的一些主要特性、放射性核素的醫學應用，並簡單介紹核磁共振的基本原理。為進一步學習核醫學打下基礎。
第一節原子核的基本性質
一、原子核的組成
原子核是由質子和中子組成的，它們統稱為核子質子就是氫原子核，帶有一個單位的正電荷（以電子的電荷6為單位）其質量約為電子質量的1836.1倍。中子不帶電，其質量約為電子質量的1838.6倍，比質子的質量略大一些。自由中子不能長期存在於自然界，它是在原子核發生變化時從核內釋放出來的，放出後很快轉變成質子和其它粒子。在中性原子中，原子核內的質子數等於核外電子數，以2表示。因為2值決定了元素在周期表上的位置，所以也叫做該元素的原子序數。原子核中質子與中子的總數記作山稱為質量數值和核能態都相同的原子屬於同一種核素，可以用符號來表示，其中X是原子的元素符號。由於X已經表出2的值，因此常常可以略去2，寫成2值相同而4值不同的核素，彼此稱為同位素，因為它們在周期表中占有相同的位置，屬於同一種元素。
二、原子核的性質
1.原子核的大小和密度
用高能電子在原子核上的散射實驗可以測定原子核的半徑及其電荷分布。實驗中發現原子核的體積正比於原子核的質量數4，假定把原子核看成球形，設原子核的半徑為尺，則有：這是一個非常大的數值。
原子核的密度如此之大，是什麼力量使質子、中子緊密地束縛在一起呢？首先，這不可能是電磁力，也不可能是萬有引力，因為萬有引力比電磁。研究指出，存，在於核子間的力是一種強相互作用力，稱為核力。核力是短程力。
2.原子核是一個電荷係統
原子核帶正電何，而且是旋轉的。它具有動量矩，也具有磁矩。核能原子核可以處在不同的能量狀態，稱為原子核的能級，和原子一樣，原子核的能級也是分立的。在外界幹擾下，可發生核能級的躍遷。
三、結合能和質量虧損
若幹個相互吸引的物體彼此靠近時，它們減少的勢能除了一部分轉變為動能外，還有一部分釋放出來，這樣才能形成穩定的結構。電子和原子核結合成原子，原子結合成分子，核子結合成原子核時，都要釋放能量，這些能量就是它們的結合能。分子從外界獲得能量時可以分解為原子，原子從外界獲得能量時，外層或內層電子可以脫出，原子核從外界獲得能量時也可以分解。原子核的結合能是由核子結合成原子核時釋放的能量，也就是把原子核完全分解為自由核子時需要吸收的能量。例如，一個質子和一個中子結合成一個氘核時發出一個能量的光子，反過來。它們以一定的速度飛開，兩者的總動能等於光子能量減去結合能。
四、原子核的穩定性
原子核的結合能隨核子數的增加而增加，用平均結合能來表示不同核素中每個核子的結合能。是一些穩定核素的原子質量和平均結合能。由表中所列的平均結合能可知，除少數很輕的核和很重的核平均結合能較小外，對大多數中等質量的核，平均結合能都在8%以上。因為核的平均結合能愈大，原子核分解為核子所需的能量也就愈大，原子核就愈穩定。平均結合能的值可以表示原子核結合的鬆緊程度。但在近千種核素中，穩定的核素不到300種，餘下的都是不穩定的放射性核素。可見原子核的穩定性除其結合能外，涉及的因素很多，其中也包括一些目前還不知道的因素。
繪出平均結合能與質量數的關係，稱為原子核的平均結合能曲線。兩邊用不同的標尺，對於每一個值，圖中繪出的是最穩定的原子核的平均結合能。從平均結合能曲線可以看出一些規律。
在質量數較小的穩定原子核中，中子數和質子數基本相同，即中質比為1時為穩定的核素。質量數增加時，中子數逐漸多於質子數，在中達到了3：2。對於每一個質量數為4的原子核，中子數與質子數都有一定的比例，中子數過多或過少的原子核都是不穩定的。當核子數多於20%時，無論采取怎樣的中質比，都不能組成穩定的核，這些原子核都能發射出一定的射線，以調整中質比，衰變為值較低的穩定核素。
第二節核衰變
在原子物理中，各種各樣不同的原子核統稱為核素。並把原子核內質子數相同而中子數不同的一些核素稱為同位素。
在自然界中有一些重核素，如鈾、鐳、釷等，能自發地放射出某種射線而轉變為其它核素。這種現象稱為核衰變，這種核素稱為放射性核素或放射性同位素。一般把衰變的原始核素稱母體或母核，經衰變而形成的核稱體或子核。自然界裏多數核素沒有放射性，但用人工方法所獲得的各種核素或同位素，其中大多數具有放射性。這種用人工方法得到的放射性核素或同位素稱為人工放射性核素或人工放射性同位素。醫學上常用的放射性核素，絕大多數是由人工製造的。
核衰變過程嚴格遵守質量和能量守恒定律、動量守恒定律、電荷守恒定律和核子數守恒定律。按照質能關係，核衰變前後的靜質量差值，轉變為核衰變過程釋放的能量，稱為衰變能。核衰變方式主要有下列幾種：
一、衰變和內轉換
原乎核發出γ射線的衰變方式稱為衰變。射線的本質是一種電磁輻射，所以也稱V光子。顯然，發生7衰變後，原子核的都不改變。原子核所處的能量最低的狀態稱為基態，能量較高的狀態稱為激發態。核反應或核衰變後新生成的原子核，絕大多數情況下都是處於激發態。其它原子核都具有激發態。原子核處於激發態的時間通常是非常短的，從激發態轉變到基態或較低能態，主要是發出γ射線。原子核的激素能也可以直接傳遞給核外的內層電子，使電子從原子中飛出，這種現象叫做內轉換發射的電子叫內轉換電子。不同核素和不同激發態向低能態躍遷時產生的衰變和內轉換比例差別很大。
有些原子核的激發態的壽命非常長，激發能級的壽命長達6小時。這種處於長壽命激發能級的核素稱為同質異能素，它的符號是在右上角加一個，例如就是核醫學中最常用的同質異能素。
二、衰變
值超過的重原子核會發射核，衰變為4值較小的原子核。這樣發射出來的核稱為〃粒子。這種衰變方式稱為衰變。
原子核發生衰變後，絕大多數情況是子體核既有處於基態的，也有處於激發態的。處於激發態的子核將發生衰變或內轉換，即有射線和內轉換電子伴隨射線發射出來。圖中斜線表示衰變過程中放出粒子的能量及所占比例。還一些比例很小的“粒子未畫出來。
三、擇衰變
中子數和質子數比例不適當的原子核不穩定，但當它們處於基態時都不能以發射中子或質子的方式來改變其比例，而是以中子質子相互轉變來改變。