新射線檢測一、二章

1、 第一章第一章 射線檢測的射線檢測的 物理基礎物理基礎1389295183213892951832弋楠（易難）弋楠（易難） 11.1 1.1 原子和元素原子和元素1.1.1 1.1.1 元素和原子元素和原子1 1、原子：、原子： 、原子定義：、原子定義： 原子是化學反應的基本微粒，原子在化學反應中原子是化學反應的基本微粒，原子在化學反應中不可分割。不可分割。 原子是化學變化中的最小微粒。在化學反應中，原子是化學變化中的最小微粒。在化學反應中，原子的種類和性質不會發(fā)生變化。原子的種類和性質不會發(fā)生變化。 、原子的組成：、原子的組成： 原子是由一個原子核和若干個核外電子組成的，原子是由一個原子核和

2、若干個核外電子組成的，而原子核又是由更小的微粒而原子核又是由更小的微粒- -質子和中子組成的。質子和中子組成的。2 原子很小，其直徑大約只有原子很小，其直徑大約只有1010-8 -8cmcm，原子核和電子更，原子核和電子更小，原子核的直徑約在小，原子核的直徑約在1010-14-14-10-10-12-12cmcm之間，電子直徑約之間，電子直徑約1010- -1313cmcm。 原子核位于原子中心，電子圍繞核運動，原子內部原子核位于原子中心，電子圍繞核運動，原子內部大部分是大部分是“空空”的。的。 、原子的電荷、原子的電荷 質子帶一個單位正電荷，中子不帶電，所以原子核質子帶一個單位正電荷，中子不

3、帶電，所以原子核帶正電，核電荷數等于質子數，用符號帶正電，核電荷數等于質子數，用符號“Z”“Z”表示。表示。 電子帶一個單位負電荷，由于核內的質子數等于核電子帶一個單位負電荷，由于核內的質子數等于核外電子數，所以原子核帶的正電荷數外電子數，所以原子核帶的正電荷數3 等于核外電子所帶的負電荷數，整個原子是電中性的。等于核外電子所帶的負電荷數，整個原子是電中性的。核電荷數（核電荷數（Z Z）= =核內質子數核內質子數= =核外電子數核外電子數 、原子的質量、原子的質量 質子的質量為質子的質量為1.67261.67261010- 2 4- 2 4克，中子質量為克，中子質量為1.67491.67491

4、010-24-24克，電子的質量僅為質子質量的克，電子的質量僅為質子質量的1/18371/1837，原，原子的質量主要集中在原子核上。子的質量主要集中在原子核上。 原子的質量用原子質量單位（原子的質量用原子質量單位（u u）表示。一個原子質）表示。一個原子質量單位定義為碳原子（量單位定義為碳原子（ ）質量的）質量的1/121/12， 質量為質量為1.99271.99271010-23-23克，所以克，所以1u=1.66061u=1.66061010-24-24克?？恕?C126C126 用原子質量單位表示，質子和中子的質量分別為用原子質量單位表示，質子和中子的質量分別為1.0071.007和和

5、1.0081.008。 、質量數：、質量數： 原子的原子的質子數（質子數（Z Z）與中子數（）與中子數（N N）之和，稱為原子）之和，稱為原子的質量數（的質量數（A A）。）。 A=Z+N A=Z+N 知道了上述三個數值中的兩個，就可用上述關系求出知道了上述三個數值中的兩個，就可用上述關系求出第三個。第三個。 例如硫原子量為例如硫原子量為32.0632.06，核電荷數為，核電荷數為1616，則硫原子的中，則硫原子的中子數為子數為32-16=1632-16=16（個）（個）5 歸納起來，原子的組成可以表示如下：歸納起來，原子的組成可以表示如下：2 2、元素、元素 、元素：元素： 、定義：、定義：

6、具有相同質子數具有相同質子數( (核電荷數核電荷數) )的同一類的同一類原子叫做元素。原子叫做元素。原子的質子數決定著原子的種類。原子的質子數決定著原子的種類。6核外電子(Z個)核外電子(Z個)中子(N個)中子(N個)質子(Z個)質子(Z個)原子核原子核X XA AZ Z例如：例如： 含有一個質子的所有原子都是氫原子；含有一個質子的所有原子都是氫原子； 含有二個質子的所有原子都是氦原子；含有二個質子的所有原子都是氦原子； 含有三個質子的所有原子都是鋰原子；含有三個質子的所有原子都是鋰原子； 含有四個質子的所有原子都是鈹原子含有四個質子的所有原子都是鈹原子 依次類推。目前已經發(fā)現的元素有依次類推

7、。目前已經發(fā)現的元素有118118種，它們原種，它們原子中依次含有子中依次含有1-1181-118個質子。個質子。 、原子序數：原子序數： 元素在元素周期表中的序號叫做元素的原子序數，元素在元素周期表中的序號叫做元素的原子序數，它等于原子中的質子數，用它等于原子中的質子數，用“Z”“Z”表示。表示。 7 每一種元素都有一個名稱、一個元素符號和每一種元素都有一個名稱、一個元素符號和一個原子序數。例如含一個質子的元素叫一個原子序數。例如含一個質子的元素叫“氫氫”，元素符號是元素符號是“H”“H”，原子序數是，原子序數是“1”“1”。 3 3、同位素：同位素： 、定義：、定義： 具有相同質子數和不同

8、中子數的同一種元素具有相同質子數和不同中子數的同一種元素的原子互稱同位素。的原子互稱同位素。 同種元素的原子具有相同的質子數，但它們同種元素的原子具有相同的質子數，但它們的中子數并不一定相同，例如，氫元素的原子，的中子數并不一定相同，例如，氫元素的原子，有的不含中子，有的含有一個中子，有的含有二有的不含中子，有的含有一個中子，有的含有二個中子。個中子。8 不含中子的氫原子叫不含中子的氫原子叫“氕氕”（ ） 含一個中子的氫原子叫含一個中子的氫原子叫“氘氘”（ ） 含二個中子的氫原子叫含二個中子的氫原子叫“氚氚”（ ） 氕、氘、氚便是氫的三種同位素。氕、氘、氚便是氫的三種同位素。 許多元素都有同位

9、素，如鈾有許多元素都有同位素，如鈾有 、 、 等多種同位素；碳有等多種同位素；碳有 、 、 等幾種同位素。等幾種同位素。 、同位素的類型、同位素的類型 、穩(wěn)定同位素和不穩(wěn)定同位素。不穩(wěn)定的同位素又稱放穩(wěn)定同位素和不穩(wěn)定同位素。不穩(wěn)定的同位素又稱放射性同位素，它能自發(fā)地放射出某種射線射性同位素，它能自發(fā)地放射出某種射線 、 或或 射線而射線而變?yōu)榱硪环N元素。變?yōu)榱硪环N元素。 H11H219H31U23492U23592U23892C126C136C146 、天然放射性同位素和人工放射性同位素。、天然放射性同位素和人工放射性同位素。 天然放射性同位素是自然界存在的礦物。一般天然放射性同位素是自然界

10、存在的礦物。一般Z88Z88的許多元素及其化合物具有放射性。的許多元素及其化合物具有放射性。 人工放射性同位素可用高能粒子轟擊穩(wěn)定同位人工放射性同位素可用高能粒子轟擊穩(wěn)定同位素的核使其變?yōu)榉派湫酝凰亍Ｉ渚€檢測用的放素的核使其變?yōu)榉派湫酝凰亍Ｉ渚€檢測用的放射性同位素均為人工放射性同位素。射性同位素均為人工放射性同位素。 10 5 5、核素、核素 、定義：、定義： 核素是指具有一定數目質子和一定數目中子的一種原核素是指具有一定數目質子和一定數目中子的一種原子。子。 例如，原子核里有例如，原子核里有6 6個質子和個質子和6 6個中子的個中子的碳原碳原子，質量子，質量數是數是1212，稱為碳，稱為

11、碳-12-12核素，或寫成核素，或寫成12C12C核素。原子核里有核素。原子核里有6 6個質子和個質子和7 7個中子的碳原子，質量數為個中子的碳原子，質量數為1313，稱，稱13C13C核素。氧核素。氧元素有元素有16O16O，17O17O，18O18O三種核素。三種核素。 、核素概念的引入：、核素概念的引入： 核素概念最初是為了確切描述元素的核素概念最初是為了確切描述元素的原子量原子量而引入的。而引入的。 后來發(fā)現地球上天然存在的和人工制造的原子核都有后來發(fā)現地球上天然存在的和人工制造的原子核都有“同核異能態(tài)同核異能態(tài)”的現象，即具有相同質子數和中子數的原子的現象，即具有相同質子數和中子數的

12、原子核所顯現出來的核性質，如衰變方式、半衰期、能量等等可核所顯現出來的核性質，如衰變方式、半衰期、能量等等可以不同。同核異能態(tài)是原子核層次的以不同。同核異能態(tài)是原子核層次的“同分異構體同分異構體”，“同同分分”是指相同數目的質子和中子，是指相同數目的質子和中子，“異構異構”則表示它們構成則表示它們構成原子核的方式不同。但同位素概念不足以反映這種原子核的方式不同。但同位素概念不足以反映這種“同分異同分異構構”現象。如果把核素概念定義為同一同位素的核性質不同現象。如果把核素概念定義為同一同位素的核性質不同的原子核，就可以概括核的的原子核，就可以概括核的同分異構現象同分異構現象。因此，核素也就。因此

13、，核素也就成了表達核性質的獨立概念。成了表達核性質的獨立概念。 6 6、元素、核素和同位素之間的區(qū)別與關系、元素、核素和同位素之間的區(qū)別與關系 、元素：、元素： 元素是同一類原子的總稱，即具有相同核電荷數的一類元素是同一類原子的總稱，即具有相同核電荷數的一類原子的總稱。原子的總稱。 元素是以核電荷數為標準而對原子進行分類的，也就是元素是以核電荷數為標準而對原子進行分類的，也就是說原子的核電荷數決定著元素的種類。因此，不同種的元素說原子的核電荷數決定著元素的種類。因此，不同種的元素具有不同的核電荷數，例如：具有不同的核電荷數，例如：1 1：H H元素、元素、6 6：C C元素、元素、8 8：O

14、O元素等。元素等。 、核素：、核素： 核素是指具有一定數目質子和一定數目中子的一種原子。核素是指具有一定數目質子和一定數目中子的一種原子。 核素是指某種原子，有多少種原子就有多少種核素。核素是指某種原子，有多少種原子就有多少種核素。例如：例如：1H1H、2H2H、3H3H是是3 3種不同的核素，但都屬于種不同的核素，但都屬于H H元素。元素。 、同位素、同位素 質子數相同，中子數不同的同一元素的不同原子間，質子數相同，中子數不同的同一元素的不同原子間，互稱同位素，因為它們處于周期表中同一位置上。即同互稱同位素，因為它們處于周期表中同一位置上。即同一元素的不同核素間互稱同位素。例如：一元素的不同

15、核素間互稱同位素。例如：1H1H、2H2H、3H3H（數字下標）就互為同位素。（數字下標）就互為同位素。 1.1.2 1.1.2 核外電子運動規(guī)律核外電子運動規(guī)律 1 1、原子的結構、原子的結構 、道爾頓模型（實心球體）道爾頓模型（實心球體） 1808 1808年，英國自然科學家約翰年，英國自然科學家約翰道爾頓提出了世道爾頓提出了世界上第一個原子的理論模型。他的理論主要有以下三界上第一個原子的理論模型。他的理論主要有以下三點：點： 、原子都是不能再分的粒子；、原子都是不能再分的粒子； 、同種元素的原子的各種性質和質量都相同；、同種元素的原子的各種性質和質量都相同； 、原子是微小的實心球體。、原

16、子是微小的實心球體。 這是一個失敗的理論模型，但道爾頓第一次將原這是一個失敗的理論模型，但道爾頓第一次將原子從哲學帶入化學研究中。被稱為子從哲學帶入化學研究中。被稱為“近代化學之父近代化學之父”。15、湯姆遜模型（葡萄干布丁模型）湯姆遜模型（葡萄干布丁模型） 1897 1897年年 湯姆生發(fā)現了電子，從而否定了原子不可分割湯姆生發(fā)現了電子，從而否定了原子不可分割的說法。的說法。19081908年，湯姆遜在發(fā)現電子的基礎上提出了原子年，湯姆遜在發(fā)現電子的基礎上提出了原子的葡萄干布丁模型，湯姆生認為：的葡萄干布丁模型，湯姆生認為： 、電子是平均的分布在整個原子上的，就如同散布、電子是平均的分布在整

17、個原子上的，就如同散布在一個均勻的正電荷的海洋之中，它們的負電荷與那些正在一個均勻的正電荷的海洋之中，它們的負電荷與那些正電荷相互抵消。電荷相互抵消。 、在受到激發(fā)時，電子會離開原子，產生陰極射線。、在受到激發(fā)時，電子會離開原子，產生陰極射線。 湯姆遜的學生盧瑟福完成的湯姆遜的學生盧瑟福完成的 粒子轟擊金箔實驗（散射粒子轟擊金箔實驗（散射實驗），否認了葡萄干布丁模型的正確性。實驗），否認了葡萄干布丁模型的正確性。17 、盧瑟福模型（行星模型）盧瑟福模型（行星模型） 18 1911 1911年英國科學家盧瑟福以經典電磁學為理論年英國科學家盧瑟福以經典電磁學為理論基礎提出原子的行星模型說，主要內容

18、有：基礎提出原子的行星模型說，主要內容有： 、原子的大部分體積是空的。、原子的大部分體積是空的。 、在原子的中心有一個很小的原子核。、在原子的中心有一個很小的原子核。 、原子的全部正電荷在原子核內，且?guī)缀跞?、原子的全部正電荷在原子核內，且?guī)缀跞抠|量均集中在原子核內部。帶負電的電子在核外部質量均集中在原子核內部。帶負電的電子在核外空間進行繞核運動。空間進行繞核運動。19 、玻爾模型玻爾模型 1913 1913年年 丹麥科學家玻爾在行星模型的基礎上運用量子丹麥科學家玻爾在行星模型的基礎上運用量子力學思想提出了核外電子分層排布的原子結構模型。其基力學思想提出了核外電子分層排布的原子結構模型。其基本

19、觀點是：本觀點是： 、原子中的電子在具有確定半徑的圓周軌道上繞原、原子中的電子在具有確定半徑的圓周軌道上繞原子核運動，不輻射能量。子核運動，不輻射能量。 、在不同軌道上運動的電子具有不同的能量（、在不同軌道上運動的電子具有不同的能量（E E），），且能量是量子化的，不同的軌道分別被命名為且能量是量子化的，不同的軌道分別被命名為K K、L L、N N、O O、P P。 、當且僅當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，、當且僅當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時，才會輻射或吸收能量。如果輻射或吸收的能量以光的形式才會輻射或吸收能量。如果輻射或吸收的能量以光的形式表現并被記錄下來，就形成了光譜。表現并被記

20、錄下來，就形成了光譜。20 、現代模型（電子云模型）（略）、現代模型（電子云模型）（略） 21 實際上，核外電子并不象行星那樣在固定的軌道實際上，核外電子并不象行星那樣在固定的軌道上運行。所謂電子軌道只是在三維空間找到的該運動上運行。所謂電子軌道只是在三維空間找到的該運動電子的某個區(qū)域。核外電子在某一時刻所處的位置和電子的某個區(qū)域。核外電子在某一時刻所處的位置和速度無法同時準確測出，也不能描繪出它的運動軌跡。速度無法同時準確測出，也不能描繪出它的運動軌跡。 因此，描述核外電子的運動只能采用統(tǒng)計的方法，因此，描述核外電子的運動只能采用統(tǒng)計的方法，把電子在空間出現的概率密度分布用圖象表示出來，把電

21、子在空間出現的概率密度分布用圖象表示出來，即以單位體積內電子出現幾率，即幾率密度大小，用即以單位體積內電子出現幾率，即幾率密度大小，用小白點的疏密來表示。小白點密處表示電子出現的幾小白點的疏密來表示。小白點密處表示電子出現的幾率密度大，小白點疏處幾率密度小，看上去好像一片率密度大，小白點疏處幾率密度小，看上去好像一片帶負電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此叫電子云。帶負電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此叫電子云。 22 描述電子軌道和電子云的參數有：描述電子軌道和電子云的參數有： 、主量子數、主量子數n n：用于確定電子的電子層和軌道能級。：用于確定電子的電子層和軌道能級。（各電子層分別用（各電子層

22、分別用K K、L L、MM、N N、表示）。表示）。 、角量子數、角量子數l l。用于確定每個電子層所包含的亞層，。用于確定每個電子層所包含的亞層，同時還代表了電子的角動量和原子軌道的形狀（各亞層分同時還代表了電子的角動量和原子軌道的形狀（各亞層分別用別用s s、p p、d d、f f、表示）。表示）。 、磁量子數、磁量子數m m：用于確定原子軌道在空間的伸展方向。：用于確定原子軌道在空間的伸展方向。 、自旋量子數、自旋量子數msms：23 這樣，這樣，原子的結構可以簡要概括為：在原子中，原原子的結構可以簡要概括為：在原子中，原子核位于中心，核外電子分層排布，每層都有若干亞子核位于中心，核外電

23、子分層排布，每層都有若干亞層，每個亞層有確定的軌道，每個軌道包含兩個自旋層，每個亞層有確定的軌道，每個軌道包含兩個自旋方向相反的電子。方向相反的電子。如以如以n n表示電子層數，原子的結構可表示電子層數，原子的結構可簡單表示如下：簡單表示如下：24 2 2、原子的能級概念原子的能級概念 原子中，電子受到原子核的吸引作用，能量高的電子原子中，電子受到原子核的吸引作用，能量高的電子具有較強的抗力，處在離核較遠的軌道上；能量較低具有較強的抗力，處在離核較遠的軌道上；能量較低的電子抗力較小，處在離核較近的軌道上。的電子抗力較小，處在離核較近的軌道上。 因此，因此，位于不同層的電子具有不同的能量，通常把

24、它位于不同層的電子具有不同的能量，通常把它們叫做處于不同的能級。各層電子的能量按們叫做處于不同的能級。各層電子的能量按K K、L L、MM、N N的次序遞增。的次序遞增。 按照能量排布規(guī)律，核外電子總是盡先占有能量最低按照能量排布規(guī)律，核外電子總是盡先占有能量最低的軌道，只有當能量最低的軌道占滿后才依次進入級的軌道，只有當能量最低的軌道占滿后才依次進入級量較高的軌道。因此，在正常情況下，原子處于最低量較高的軌道。因此，在正常情況下，原子處于最低的能量狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為的能量狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為“基態(tài)基態(tài)”。基態(tài)的原子是?；鶓B(tài)的原子是穩(wěn)定的，這時穩(wěn)定的，這時25 雖然核外電子不停地繞核運動，但并不

25、向外輻射能量。雖然核外電子不停地繞核運動，但并不向外輻射能量。 原子從外界吸收一定能量時，電子就由較低能級原子從外界吸收一定能量時，電子就由較低能級跳躍的較高的能級上去，這一過程稱為跳躍的較高的能級上去，這一過程稱為“躍遷躍遷”，這，這時原子的狀態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。時原子的狀態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。 激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它將再次躍遷到較低激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它將再次躍遷到較低的能級，多余的能量以電磁波或其它形式釋放出來，的能級，多余的能量以電磁波或其它形式釋放出來，即：即： 式中：式中：h-h-光子能量；光子能量； E E- -較高能級能量；較高能級能量； E- E-較低能級能量。較低能級能量。26E

26、Eh1.1.3 1.1.3 原子核結構原子核結構27 1 1、原子核的組成、原子核的組成 、英國物理學家盧瑟福在、英國物理學家盧瑟福在19191919年做核反應實驗時發(fā)現年做核反應實驗時發(fā)現了了質子質子，經過研究證明，質子帶正電荷，其電量和一個電，經過研究證明，質子帶正電荷，其電量和一個電子的電量相同，它的質量等于一個電子質量的子的電量相同，它的質量等于一個電子質量的18361836倍倍. .進一進一步研究表明，質子的性質和氫原子核的性質完全相同，所步研究表明，質子的性質和氫原子核的性質完全相同，所以質子就是氫原子核以質子就是氫原子核. . 、19321932年英國物理學家查德威克又發(fā)現了年英

27、國物理學家查德威克又發(fā)現了中子中子，通，通過研究證明中子的質量和質子的質量基本相同，但是不帶過研究證明中子的質量和質子的質量基本相同，但是不帶電電. .是中性粒子是中性粒子. .在對各種原子核進行的實驗中，發(fā)現質子和在對各種原子核進行的實驗中，發(fā)現質子和中子是組成原子核的兩種基本粒子中子是組成原子核的兩種基本粒子. .28 29 、原子核的組成原子核的組成 2 2、核力：在原子核內，帶正電的質子間存在著庫侖斥力，、核力：在原子核內，帶正電的質子間存在著庫侖斥力，但質子和中子仍能非常緊密地結合在一起，這說明核內存但質子和中子仍能非常緊密地結合在一起，這說明核內存在著一個非常大的力，即核力。核力具

28、有以下性質：在著一個非常大的力，即核力。核力具有以下性質： 、核力與電荷無關，無論中子還是質子都受到核力、核力與電荷無關，無論中子還是質子都受到核力的作用；的作用； 、核力是短程力，只有在相鄰原子核之間發(fā)生作用。、核力是短程力，只有在相鄰原子核之間發(fā)生作用。因此，一個核子所能相互作用的其他核子的數目是有限的。因此，一個核子所能相互作用的其他核子的數目是有限的。稱為核力的飽和性。稱為核力的飽和性。 、核力比庫侖力約大、核力比庫侖力約大100100倍，是一種強相互作用。倍，是一種強相互作用。 、核力能促成粒子的成對結合以及對對結合。、核力能促成粒子的成對結合以及對對結合。 30 3 3、原子核的穩(wěn)

29、定性：、原子核的穩(wěn)定性： 原子核的穩(wěn)定性與中子數、質子數有關。原子核的穩(wěn)定性與中子數、質子數有關。 其關系為：其關系為： 、對小質量數的核：、對小質量數的核：N/ZN/Z1 1附近較穩(wěn)定，這個比值附近較穩(wěn)定，這個比值隨核質量數的增大而增大；隨核質量數的增大而增大； 、對大質量數的核：、對大質量數的核：N/ZN/Z1.61.6附近的核較穩(wěn)定。附近的核較穩(wěn)定。31 科學研究表明，穩(wěn)定性核素對核子總數有一定限度（一科學研究表明，穩(wěn)定性核素對核子總數有一定限度（一般為般為A209A209），而且中子數和質子數應保持一定的比例（一），而且中子數和質子數應保持一定的比例（一般為般為N/Z=1N/Z=11.

30、51.5，也有個別例外）。，也有個別例外）。 任何含有過多核子或任何含有過多核子或N/ZN/Z不適當的核素，都是不穩(wěn)定的。不適當的核素，都是不穩(wěn)定的。A209A209的核素，即元素周期表中釙（的核素，即元素周期表中釙（PoPo）之后的所有元素的）之后的所有元素的核素都具有放射性（釙之前的元素，有的核素也具有放射核素都具有放射性（釙之前的元素，有的核素也具有放射性），它們或是自發(fā)地放射出性），它們或是自發(fā)地放射出 射線（即射線（即HeHe核），而轉變成核），而轉變成A A較小的新核；或是因核素的較小的新核；或是因核素的N/ZN/Z不適當，其核內的中子與質不適當，其核內的中子與質子會自發(fā)地相互轉變

31、，從而改變子會自發(fā)地相互轉變，從而改變N/ZN/Z的值，并同時放出一個的值，并同時放出一個-（或（或+）粒子。）粒子。 核素衰變后產生的新核幾乎都是處在激發(fā)態(tài)，這樣的核核素衰變后產生的新核幾乎都是處在激發(fā)態(tài)，這樣的核或是自發(fā)地放射出或是自發(fā)地放射出 光子而轉變到基態(tài)或較低能態(tài)，或是繼光子而轉變到基態(tài)或較低能態(tài)，或是繼續(xù)進行續(xù)進行 衰變（或衰變（或 衰變衰變），直到變成一個穩(wěn)定的核素為止。），直到變成一個穩(wěn)定的核素為止。33 4、放射性衰變、放射性衰變 、放射性同位素的原子核自發(fā)地放射粒子或波放射性同位素的原子核自發(fā)地放射粒子或波的過程叫放射性衰變。的過程叫放射性衰變。 放射性同位素發(fā)生衰變后，

32、產生新元素，新元素放射性同位素發(fā)生衰變后，產生新元素，新元素可能是穩(wěn)定的，也可能是不穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的元素要可能是穩(wěn)定的，也可能是不穩(wěn)定的，不穩(wěn)定的元素要進一步衰變，直到產生穩(wěn)定同位素為止。進一步衰變，直到產生穩(wěn)定同位素為止。 例如，鈾例如，鈾238238衰變后產生釷，釷進一步衰變產生鐳，衰變后產生釷，釷進一步衰變產生鐳，鐳進一步衰變產生氡，氡又經過一系例衰變，最后產鐳進一步衰變產生氡，氡又經過一系例衰變，最后產生穩(wěn)定的同位素鉛而告終。生穩(wěn)定的同位素鉛而告終。 放射性衰變由原子核本身的性質所決定，不受外放射性衰變由原子核本身的性質所決定，不受外部環(huán)境如溫度、壓力、電磁場等物理和化學條件的影部環(huán)境

33、如溫度、壓力、電磁場等物理和化學條件的影響，且無法加以控制。響，且無法加以控制。34 、放射性同位素的衰變方式有多種，最常見的是放射性同位素的衰變方式有多種，最常見的是 衰變和衰變和 衰變，衰變， . .衰變衰變放射性同位素的原子核放射放射性同位素的原子核放射 粒子的衰粒子的衰變過程叫做變過程叫做 衰變。衰變。 粒子由兩個質子和兩個中子組成，帶有兩個正電粒子由兩個質子和兩個中子組成，帶有兩個正電荷，它實際上是一個氦原子核。荷，它實際上是一個氦原子核。 有些放射性同位放射有些放射性同位放射 粒子的同時，伴隨能量的躍粒子的同時，伴隨能量的躍遷同時放射出遷同時放射出 射線。這種衰變過程可以用下式表示

34、：射線。這種衰變過程可以用下式表示： HeYXAZAZ4242衰變35 由此可以看出，放射性同位素原子核（母核）經由此可以看出，放射性同位素原子核（母核）經過過 衰變之后，產生一種新元素（子核），其原子序衰變之后，產生一種新元素（子核），其原子序數減小數減小2 2，質量數減小，質量數減小4 4。 例如：例如： 衰變，放射一個衰變，放射一個 粒子，產生一種新元粒子，產生一種新元素素 ，同時放射，同時放射 射線，其衰變過程可表示為：射線，其衰變過程可表示為：Ra22688Rn22286HeRnRaa42222862268836 、 衰變衰變放射性同位素的原子核放射放射性同位素的原子核放射 粒粒子的

35、衰變過程叫做子的衰變過程叫做 衰變。衰變。 粒子帶一個負電荷，粒子帶一個負電荷，實際上是由核內的一個中子放射出來的電子。實際上是由核內的一個中子放射出來的電子。 有的元素發(fā)生有的元素發(fā)生 衰變時伴隨能量的躍遷同時放衰變時伴隨能量的躍遷同時放射出射出 射線，其衰變過程可以用下式表示：射線，其衰變過程可以用下式表示： 由上可以看出，放射性同位素原子核（母核）由上可以看出，放射性同位素原子核（母核）發(fā)生發(fā)生 衰變時，產生一種新元素（子核），其原子衰變時，產生一種新元素（子核），其原子序數加一，質量數不變。序數加一，質量數不變。eYXAZAZ01137 例如：例如： 衰變，放射一個衰變，放射一個 粒子

36、，產生新元粒子，產生新元素素 ，同時放射，同時放射 射線；射線； 衰變，放射一個衰變，放射一個 粒子，粒子，產生新元素產生新元素 ，同時放射，同時放射 射線。它們的衰變過程可射線。它們的衰變過程可表示為：表示為： 、 衰變衰變 衰變總是伴隨著衰變總是伴隨著 衰變和衰變和 衰變面發(fā)生。是衰變面發(fā)生。是原子核由激發(fā)態(tài)過渡到正常態(tài)，由高能躍遷到低能級原子核由激發(fā)態(tài)過渡到正常態(tài)，由高能躍遷到低能級而產生的。而產生的。Co6027Ni6028Ir19277Pt19278ePtIreNiCo0119278192770160286027 2 2 衰變衰變 衰變又分衰變又分-衰變、衰變、+衰變和軌道電子俘獲三

37、種方式。衰變和軌道電子俘獲三種方式。 (1) -(1) -衰變衰變放射出放射出-粒子（高速電子）的衰變。一般地，中子相對粒子（高速電子）的衰變。一般地，中子相對豐富的放射性核素常發(fā)生豐富的放射性核素常發(fā)生-衰變。這可看作是母核中的一個衰變。這可看作是母核中的一個中子轉變成一個質子的過程。中子轉變成一個質子的過程。 (2) +(2) +衰變衰變 放射出放射出+粒子（正電子）的衰變。一般地，中子相對粒子（正電子）的衰變。一般地，中子相對缺乏的放射性核素常發(fā)生缺乏的放射性核素常發(fā)生+衰變。這可看作是母核中的一個衰變。這可看作是母核中的一個質子轉變成一個中子的過程。質子轉變成一個中子的過程。 (3)

38、(3) 軌道電子俘獲軌道電子俘獲(K(K、L L俘獲）俘獲）原子核俘獲一個原子核俘獲一個K K層或層或L L層電子而衰變成核電荷數減少層電子而衰變成核電荷數減少1 1，質量數不變的另一種原子核。由于質量數不變的另一種原子核。由于K K層最靠近核，所以層最靠近核，所以K K俘俘獲最易發(fā)生。在獲最易發(fā)生。在K K俘獲發(fā)生時，必有外層電子去填補內層上俘獲發(fā)生時，必有外層電子去填補內層上的空位，并放射出具有子體特征的標識的空位，并放射出具有子體特征的標識X X射線。這一能量也射線。這一能量也可能傳遞給更外層電子，使它成為自由電子發(fā)射出去，這個可能傳遞給更外層電子，使它成為自由電子發(fā)射出去，這個電子稱作

39、電子稱作“俄歇電子俄歇電子”。 3 3、 衰變和內變換衰變和內變換 (1) (1) 衰變衰變 處于激發(fā)態(tài)的核，通過放射出處于激發(fā)態(tài)的核，通過放射出 射線而躍遷到基態(tài)或較射線而躍遷到基態(tài)或較低能態(tài)的現象。低能態(tài)的現象。 射線的穿透力很強。射線的穿透力很強。 射線在醫(yī)學核物理技射線在醫(yī)學核物理技術等應用領域占有重要地位。術等應用領域占有重要地位。 (2) (2) 內變換內變換有時處于激發(fā)態(tài)的核可以不輻射有時處于激發(fā)態(tài)的核可以不輻射 射線回到基態(tài)或較低射線回到基態(tài)或較低能態(tài)，而是將能量直接傳給一個核外電子（主要是能態(tài)，而是將能量直接傳給一個核外電子（主要是K K層電層電子），使該電子電離出去。這種現

40、象稱為內變換，所放出的子），使該電子電離出去。這種現象稱為內變換，所放出的電子稱作內變換電子。電子稱作內變換電子。1.2 1.2 射線的種類和性質射線的種類和性質12.112.1、x x射線和射線和 射線的性質射線的性質 1 1、電磁波、電磁波 電磁波是周期性變化的電磁場在空間由近及電磁波是周期性變化的電磁場在空間由近及遠的傳播，我們所熟知的可見光、無線電波、紅遠的傳播，我們所熟知的可見光、無線電波、紅外線、紫外線以及外線、紫外線以及x x射線、射線、 射線等都是電磁波。射線等都是電磁波。 電磁波在物理學上通常用波速電磁波在物理學上通常用波速C C、波長、波長 和頻和頻率率 來描述，它們之間的

41、關系是：來描述，它們之間的關系是： 41/C電磁波譜電磁波譜 電磁波的頻譜范圍大致如下所示：電磁波的頻譜范圍大致如下所示： 射線：射線：0.003-0.1390.003-0.139 X X射線射線: 0.006-1019 : 0.006-1019 紫外線：紫外線：200-3900 200-3900 可見光：可見光：3900-7800 3900-7800 紅外線：紅外線：7800 -0.3mm7800 -0.3mm 無線電波無線電波: 0.3mm-30Km: 0.3mm-30Km 可以看出，電磁波的頻率范圍非常寬，如無線電可以看出，電磁波的頻率范圍非常寬，如無線電波的波長可達數十公里，而波的波長

42、可達數十公里，而X X射線和射線和 射線的波長可小射線的波長可小至若干億分之一厘米。至若干億分之一厘米。 還可看出，不同類型的電磁波具有不同的波長范還可看出，不同類型的電磁波具有不同的波長范圍，而一定范圍波長的電磁波具有一定的性質，超出圍，而一定范圍波長的電磁波具有一定的性質，超出這個范圍時，電磁波的性質就起了變化。這個范圍時，電磁波的性質就起了變化。43 2 2、x x射線和射線和 射線的性質射線的性質 x x射線和射線和 射線就其本質而言，與可見光、無線電射線就其本質而言，與可見光、無線電波相同，統(tǒng)統(tǒng)屬于電磁波。其區(qū)別只是產生方式不同波相同，統(tǒng)統(tǒng)屬于電磁波。其區(qū)別只是產生方式不同和波長范圍

43、不同，因此它們除與可見光和無線電波等和波長范圍不同，因此它們除與可見光和無線電波等具有許多共性之外，也具有不同于可見光的特性。其具有許多共性之外，也具有不同于可見光的特性。其主要性質可簡述如下：主要性質可簡述如下： 、在真空中以直線傳播。、在真空中以直線傳播。 、 本身不帶電，不受電場和磁場的影響。本身不帶電，不受電場和磁場的影響。 、在媒質界面只能發(fā)生漫反射，而不能像可見光、在媒質界面只能發(fā)生漫反射，而不能像可見光一樣產生鏡面反射；一樣產生鏡面反射；X X射線和射線和 射線的折射系數非常接射線的折射系數非常接近于近于1 1，折射方向改變不明顯。，折射方向改變不明顯。44、可發(fā)生干涉和衍射現象

44、，但只能在非常、可發(fā)生干涉和衍射現象，但只能在非常小的，例如晶體組成的光闌中才能發(fā)生這種現象。小的，例如晶體組成的光闌中才能發(fā)生這種現象。 、不可見，能穿透可見光所不能穿透的物、不可見，能穿透可見光所不能穿透的物質。質。 、在穿透物質過程中，會與物質發(fā)生非常、在穿透物質過程中，會與物質發(fā)生非常復雜的物理和化學作用，例如電離作用、熒光作復雜的物理和化學作用，例如電離作用、熒光作用、熱作用及光化學作用。用、熱作用及光化學作用。 、具有輻射生物效應，能夠殺傷生物細胞，、具有輻射生物效應，能夠殺傷生物細胞，破壞生物組織。破壞生物組織。45 1.2.2 1.2.2 X X射線的產生及其特點射線的產生及其

45、特點 1 1、產生、產生X X射線的條件射線的條件 X X射線是由高速運動的電子與物質的相互作用產生射線是由高速運動的電子與物質的相互作用產生的，從本質上講，當高速運動的電子與原子內部的原的，從本質上講，當高速運動的電子與原子內部的原子核或核外電子作用時，以子核或核外電子作用時，以X X射線的形式釋放能量。射線的形式釋放能量。 產生產生X X射線須具備的條件包括：射線須具備的條件包括： （1 1）具有電子源）具有電子源將金屬絲（一般為鎢絲）通電加將金屬絲（一般為鎢絲）通電加熱到白熾狀態(tài)使電子逸出成為自由電子，通常將金屬熱到白熾狀態(tài)使電子逸出成為自由電子，通常將金屬絲稱之為絲稱之為“燈絲燈絲”。

46、 （2 2）具有加速電子的手段）具有加速電子的手段高壓電場，燈絲與陰極高壓電場，燈絲與陰極相連，使電子在電場作用下飛向陽極。相連，使電子在電場作用下飛向陽極。46 （3 3）可使電子聚焦）可使電子聚焦將燈絲置于杯狀或槽形陰將燈絲置于杯狀或槽形陰極聚焦窒中，使電子聚成一束定向發(fā)射。極聚焦窒中，使電子聚成一束定向發(fā)射。 （4 4）能接受電子轟擊的靶）能接受電子轟擊的靶將一塊高熔點金屬將一塊高熔點金屬（一般為鎢）嵌入陽極，接受電子轟擊。（一般為鎢）嵌入陽極，接受電子轟擊。 （5 5）具備高真空度）具備高真空度用玻璃或其它材料作成殼體，用玻璃或其它材料作成殼體，使陰極和陽極之間保持高真空度，以保證高速

47、電子不使陰極和陽極之間保持高真空度，以保證高速電子不受氣體阻擋、燈絲不被氧化受氣體阻擋、燈絲不被氧化。 滿足上述條件的裝置稱之為滿足上述條件的裝置稱之為“X“X射線管射線管”，X X射線射線就是在就是在X X射線管中發(fā)生的。射線管中發(fā)生的。 47 2 2、X X射線譜及其組成射線譜及其組成 X X射線波譜由連射線波譜由連續(xù)譜和標識譜兩部分續(xù)譜和標識譜兩部分組成。連續(xù)譜是波長組成。連續(xù)譜是波長連續(xù)變化的部分；標連續(xù)變化的部分；標識譜重疊在連續(xù)譜上，識譜重疊在連續(xù)譜上，如同山丘上的寶塔。如同山丘上的寶塔。 493 3、 X X射線的產生機理射線的產生機理 、連續(xù)譜的產生及特點連續(xù)譜的產生及特點 高

48、速電子與原子核外庫侖場作用產生的高速電子與原子核外庫侖場作用產生的X X射線叫做連續(xù)射線叫做連續(xù)X X射線（又叫做多色射線（又叫做多色X X射線、白色射線、白色X X射線或韌致輻射）射線或韌致輻射）。 當高速電子與靶相撞時，受原子核外庫侖當高速電子與靶相撞時，受原子核外庫侖場的作用，運動方向發(fā)生偏轉且速度減慢，這時場的作用，運動方向發(fā)生偏轉且速度減慢，這時電子的一部分能量便以電子的一部分能量便以X X射線的形式釋放出來。射線的形式釋放出來。 由于高速電子的能量不同，受阻程度和減由于高速電子的能量不同，受阻程度和減速過程不同，所以產生的速過程不同，所以產生的X X射線具有各種波長，射線具有各種波

49、長，其波譜呈連續(xù)分布。其波譜呈連續(xù)分布。50 在在X X射線的連續(xù)譜中存在著一個射線的連續(xù)譜中存在著一個最短的波長，其最短的波長，其值可以用下式計算：值可以用下式計算： 式中：式中：VV管電壓，單位管電壓，單位kVkV。 由上式可以看出，連續(xù)由上式可以看出，連續(xù)X X射線的波長（能量）取射線的波長（能量）取決于管電壓。管電壓越高，波長越短，決于管電壓。管電壓越高，波長越短，X X射線的能量越射線的能量越高。高。 在連續(xù)譜中，最大強度對應的波長為：在連續(xù)譜中，最大強度對應的波長為： 實際射線檢測中，以最大強度波長為中心的鄰近波實際射線檢測中，以最大強度波長為中心的鄰近波段的射線起主要作用。段的射

50、線起主要作用。 min.(VA)12 4IMmin= 1.551 高速電子轟擊靶時產生的高速電子轟擊靶時產生的X X射線總強度由下式確射線總強度由下式確定：定： 式中：式中： I I管電流管電流 Z Z靶材料的原子序數靶材料的原子序數 V V管電壓（單位管電壓（單位V V） 由上式可知，由上式可知，連續(xù)連續(xù)X X射線的強度取決于管電流、管電射線的強度取決于管電流、管電壓和靶材料的原子序數。壓和靶材料的原子序數。 （與管電流成正比，與管電（與管電流成正比，與管電壓的平方成正比）。壓的平方成正比）。2VZIIT9104.11.153 X X射線的產生效率可由下式確定：射線的產生效率可由下式確定：

51、式中：式中： Z Z靶材料的原子序數；靶材料的原子序數； V V管電壓（單位管電壓（單位KVKV）。）。 由上式計算可知，由上式計算可知，X X射線的發(fā)生效率是相當低的，射線的發(fā)生效率是相當低的，例如，當管電壓為例如，當管電壓為200kv200kv時，其時，其X X射線發(fā)生效率只有射線發(fā)生效率只有2%2%左右。左右。 在在X X射線產生過程中，能量轉換方式主要是熱射線產生過程中，能量轉換方式主要是熱，高，高速電子的絕大部分能量都轉變?yōu)闊崃俊Ｋ匐娮拥慕^大部分能量都轉變?yōu)闊崃?。VZ 9104.11.1 計算題計算題1.4 1.4 求管電壓為求管電壓為250KV250KV的的X X射線機和能量射線機

52、和能量為為4MeV4MeV的直線加速器輻射的連續(xù)的直線加速器輻射的連續(xù)X X射線的發(fā)生效率射線的發(fā)生效率（設靶材為鎢（設靶材為鎢Z Z7474，比例常數，比例常數 1.21.210106 6）。）。 解：公式解：公式 X X射線機：射線機： ZV ZV 1.21.210106 67474250=2.22%250=2.22% 直線加速器：直線加速器： ZVZV1.21.210106 674744000=35.52%4000=35.52%VZ 1.6 1.6 當當X X射線管的管電壓為射線管的管電壓為150kV150kV時，產生的時，產生的X X射線的最射線的最短波長為多少？若連續(xù)短波長為多少？若

53、連續(xù)X X射線最大強度所對應的波長為最短射線最大強度所對應的波長為最短波長的波長的1.51.5倍，求最大強度處的光子能量為多少？倍，求最大強度處的光子能量為多少？ 1.5 1.5 已知已知CO60CO60 源輻射兩種能量的光子，一種是源輻射兩種能量的光子，一種是1.17MeV1.17MeV，另一種是另一種是1.33MeV.1.33MeV.求它們的波長分別為多少？求它們的波長分別為多少？ 、標識譜的的產生及特點標識譜的的產生及特點 高速電子與原子的內層電子作用時產生的高速電子與原子的內層電子作用時產生的X X射線叫射線叫做標識做標識X X射線（或特征射線（或特征X X射線）。射線）。 當高速電子

54、與原子內層的軌道電子作用時，將內當高速電子與原子內層的軌道電子作用時，將內層電子撞出原子，內層軌道上留下一個空位，這時外層電子撞出原子，內層軌道上留下一個空位，這時外層軌道上的電子便會躍遷到內層軌道填補這個空位。層軌道上的電子便會躍遷到內層軌道填補這個空位。由于外層電子處于較高的能級，當它躍遷到內層軌道由于外層電子處于較高的能級，當它躍遷到內層軌道時，多余的能量便以時，多余的能量便以X X射線的形式釋放出來，其能量等射線的形式釋放出來，其能量等于兩個軌道的能量差：于兩個軌道的能量差：57hEEE12 電子在不同的軌道之間躍遷產生不同的標識電子在不同的軌道之間躍遷產生不同的標識X X射線，射線，

55、例如例如L L、MM、N N層電子向層電子向K K層躍遷產生層躍遷產生K K系標識系標識X X射線，射線，MM、N N層電子向層電子向L L層躍遷產生層躍遷產生L L系標識系標識X X射線，射線，依次類依次類推。推。 標識標識X X射線呈單個或多個線狀譜，其能量與高速電射線呈單個或多個線狀譜，其能量與高速電子的能量無關，只取決于軌道電子的能級和能級差，子的能量無關，只取決于軌道電子的能級和能級差，也就是說，它只與靶材料的原子結構有關。也就是說，它只與靶材料的原子結構有關。 依據這種性質，標識依據這種性質，標識X X射線可用于金屬成分和結構射線可用于金屬成分和結構分析。由于它的能量很低，在射線探

56、傷中沒有多大作分析。由于它的能量很低，在射線探傷中沒有多大作用。用。 58 、連續(xù)、連續(xù)X X射線與標識射線與標識X X射線的不同之處射線的不同之處 、產生機理不同：連續(xù)、產生機理不同：連續(xù)X X射線是高速電子與原子核外射線是高速電子與原子核外庫侖場作用產生的；標識庫侖場作用產生的；標識X X射線是高速電子與原子的內層軌射線是高速電子與原子的內層軌道電子作用產生的。道電子作用產生的。 、頻譜不同：、頻譜不同： 連續(xù)連續(xù)X X射線是連續(xù)譜，標識射線是連續(xù)譜，標識X X射線是線射線是線狀譜。狀譜。 、連續(xù)、連續(xù)X X射線的能量取決于管電壓，標識射線的能量取決于管電壓，標識X X射線的能射線的能量與

57、管電壓無關，只取決于靶材。量與管電壓無關，只取決于靶材。 標識標識X X射線能量低線質軟，在探傷中基本上不起作用，射線能量低線質軟，在探傷中基本上不起作用，工業(yè)探傷中起作用的主要是連續(xù)工業(yè)探傷中起作用的主要是連續(xù)X X射線。射線。1.2.3 .2.3 射線的產生及特點射線的產生及特點 1 1、 射線的產生射線的產生 射線是放射性同位素經過射線是放射性同位素經過 或或 衰變后，在激發(fā)態(tài)向衰變后，在激發(fā)態(tài)向穩(wěn)定態(tài)過渡的過程中從原子核內發(fā)出的，這一過程稱穩(wěn)定態(tài)過渡的過程中從原子核內發(fā)出的，這一過程稱作作 衰變，也稱為衰變，也稱為 躍遷。躍遷。 與核外電子的躍遷一樣，與核外電子的躍遷一樣， 躍遷也可以

58、放出光子。躍遷也可以放出光子。其不同之處是，其不同之處是， 躍遷是核內能級之間的躍遷，其放出躍遷是核內能級之間的躍遷，其放出的的 光子能量在幾千電子伏到十幾兆電子伏之間，而核光子能量在幾千電子伏到十幾兆電子伏之間，而核外電子躍遷放出的外電子躍遷放出的x x光子能量只有幾電子伏到幾千電子光子能量只有幾電子伏到幾千電子伏。伏。2 2、 射線的特點射線的特點 、 射線的能量是由放射性同位素的種類決定的。射線的能量是由放射性同位素的種類決定的。 一種放射性同位素可能放射出許多一種放射性同位素可能放射出許多 60 種能量的種能量的 射線，對此取其所輻射出的所有能量的平均值作射線，對此取其所輻射出的所有能

59、量的平均值作為該同位素的輻射能量。如為該同位素的輻射能量。如C C O O6060的平均能量為（的平均能量為（1.17+1.331.17+1.33）/2=1.25MeV/2=1.25MeV。 、 射線的能譜為線狀譜，譜線只出現在特定波長射線的能譜為線狀譜，譜線只出現在特定波長的若干點上。的若干點上。 61 3 3、放射性活度和比活度、放射性活度和比活度 (1) (1)、放射性活度、放射性活度是指放射性材料單位時間內原是指放射性材料單位時間內原子的衰變數子的衰變數, , 標準度量單位為貝可標準度量單位為貝可(Bq),1Bq(Bq),1Bq表示每秒鐘表示每秒鐘內有一個原子發(fā)生衰變，即內有一個原子發(fā)

60、生衰變，即1Bq=1/s1Bq=1/s。 放射性活度的常用單位為居里（放射性活度的常用單位為居里（CiCi）,1Ci,1Ci表示放射表示放射性材料每秒鐘有性材料每秒鐘有3.73.710101 01 0個原子發(fā)生衰變，即個原子發(fā)生衰變，即1Ci=3.71Ci=3.710101010 /s /s。 對于同一種放射源來說，放射性活度大的源對于同一種放射源來說，放射性活度大的源, ,單位單位時間內衰變的原子數目多，因而放射的時間內衰變的原子數目多，因而放射的 射線多，其射線多，其 射射線強度就大。線強度就大。62 但對不同的放射源來說，即使放射性活度相同，也但對不同的放射源來說，即使放射性活度相同，也