放射性同位素的原子核不稳定，能够自发地衰变，同时释放出射线，可以被核仪器探测。在临床上，能用于核医学诊断的放射性同位素的种类很多，常用的有锝-99m、碳-11、氮-13、氧-15以及碘-131和碘-135等。
诊断中使用的放射性同位素半衰期要短。放射性同位素衰变的快慢，通常用“半衰期”来表示。半衰期是指一定数量放射性同位素的数目减少到其初始值一半时所需要的时间。如磷-32的半衰期是14.3天，也就是说，假使原来有100万个32P原子，经过14.3天后，只剩下50万个了。半衰期越长，说明衰变得越慢；半衰期越短，说明衰变得越快。核医学诊断用的放射性同位素，其半衰期一定要短，注射入患者体内之后能够迅速衰变为稳定核素，这样才能将对患者及周围环境造成的影响降到最低。如果我们选择半衰期长的放射性同位素，做完检查后较长一段时间内，放射性同位素在其体内继续产生辐射，就会对患者及其周围亲友造成一定的影响。
放射性同位素在衰变时，可发射α射线、β射线或γ射线等不同种类和能量的射线，其中，γ射线的穿透能力较强，易于被探测器测量。而α射线、β射线的穿透能力较弱，很难被探测器检测。核医学诊断常用的放射性同位素多为直接或间接产生γ射线，以便于被探测和成像分析。
另外，诊断用放射性同位素还要有特定的组织亲和性。当然，选用的放射性核素无论在辐射毒性还是化学毒性上都应该是无毒或低毒的。
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