第1章原子結(jié)構(gòu)及電離輻射

1、第一章第一章 原子結(jié)構(gòu)和電離輻射原子結(jié)構(gòu)和電離輻射駐馬店衛(wèi)生學(xué)校影像室董戰(zhàn)軍第一節(jié)第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)l自然界存在的一切物質(zhì)，都是有元素組成的。目前已知的地球元素有118種，其中94種是地球上天然存在的。l原子都是由小而致密的原子核和核外高速繞行的電子所組成的。l原子的直徑約10-10m。l一個原子的結(jié)構(gòu)就像太陽系一樣，它的核如同太陽，圍繞的電子如同行星，并沿一定的軌道旋轉(zhuǎn)。l相對而言，原子核可以看成是不運(yùn)動的，而電子在運(yùn)動。原子核只占據(jù)整個原子極小的一部分空間，其直徑不及原子直徑的1/10000。核外電子的直徑比原子核小得多，卻占據(jù)原子大部分空間。l原子內(nèi)有一個相對“很大”的空間，就像我

2、們的太陽系，星體之間都有很大的空間。所以一個高速電子或高能光子可以很容易地穿過原子。一、原子核一、原子核（一）原子核的組成原子核：由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成。（二）放射性核素（二）放射性核素l各種元素原子的結(jié)構(gòu)都很相似，但組成不同元各種元素原子的結(jié)構(gòu)都很相似，但組成不同元素的質(zhì)子、中子和電子數(shù)目不同，因而決定不素的質(zhì)子、中子和電子數(shù)目不同，因而決定不同元素具有不同的性質(zhì)。用符號同元素具有不同的性質(zhì)。用符號 表示某表示某種原子。種原子。l 其中其中X X代表元素的化學(xué)符號；代表元素的化學(xué)符號；Z Z為原子序數(shù)，為原子序數(shù)，不同的不同的Z Z值代表不同的元素，其值等于原子核值代表不同的元素，

3、其值等于原子核中的質(zhì)子數(shù)，與繞在核外的電子數(shù)相等；中的質(zhì)子數(shù)，與繞在核外的電子數(shù)相等；A A為為原子質(zhì)量數(shù)，其值等于原子核中質(zhì)子數(shù)和中子原子質(zhì)量數(shù)，其值等于原子核中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的總和，中子數(shù)目是數(shù)的總和，中子數(shù)目是A-ZA-Z。AZXl原子序數(shù)（原子序數(shù)（Z Z）質(zhì)子數(shù)（）質(zhì)子數(shù)（p p）電子數(shù)（）電子數(shù)（e e）l質(zhì)量數(shù)（質(zhì)量數(shù)（A A）質(zhì)子數(shù)（）質(zhì)子數(shù)（p p）+ +中子數(shù)（中子數(shù)（n n）l中子數(shù)（中子數(shù)（n n）質(zhì)量數(shù)（）質(zhì)量數(shù)（A A）- -原子序數(shù)（原子序數(shù)（Z Z）核素、同位素核素、同位素1.核素的概念： 具有一定質(zhì)子數(shù)、中子數(shù)，并牌特定能量狀態(tài)的原子或原子核稱為核素。已知有2

4、000多種，分別屬于100多種元素。2.同位素的概念 具有相同質(zhì)子數(shù)、不同的中子數(shù)的核素互稱為同位素。幾乎所有的元素都有同位素。l核素：穩(wěn)定性核素和不穩(wěn)定性核素（放射性核素）。l1）穩(wěn)定性核素：對核子總數(shù)有一定限度（一般為A209），而且中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)應(yīng)保持一定的比例（一般為N/Z=11.5，也有個別例外）。l2）不穩(wěn)定性核素（放射性核素）：任何含有過多核子或N/Z不適當(dāng)?shù)暮怂兀际遣环€(wěn)定的。A209的核素。 放射性核素的原子核能自發(fā)地衰變放射出、和射線，這個過程稱為核衰變。l射線： 射線是由粒子組成的放射線。 粒子是由2個質(zhì)子和2個中子組成的帶有2個正電荷的高速運(yùn)動的氦核。 l射線： 射線是

5、由粒子組成的放射線。 粒子是帶有一負(fù)電荷的電子。是從原子核內(nèi)發(fā)射出來的，故稱為粒子。衰變時，放出的粒子的能量是一個連續(xù)的能量。l射線： 射線是由光子組成的放射線。 光子是一種中性高能光子，沒有靜止質(zhì)量。 光子與X射線光子本質(zhì)相同，只是產(chǎn)生的途徑不同。 處于激發(fā)態(tài)的原子核是不穩(wěn)定的，它會直接退回或級聯(lián)退回到低能的基態(tài)。 原子核從激發(fā)態(tài)向低能態(tài)轉(zhuǎn)變時發(fā)射光子。 光子的能量等于兩個能態(tài)所具有的能量之差。二、核外電子結(jié)構(gòu)二、核外電子結(jié)構(gòu)（一）核外電子的排布 按照玻爾的理論，原子核周圍的每一個繞行電子都有其一定的軌道，這些確定的軌道組成一系列的殼層，每一殼層均可近似地看作是原子核的同心圓球。最靠近原子核

6、的叫K層，順序往外稱為L、M、N、O、P、Q殼層。分別對應(yīng)主量子數(shù)n1、2、3、4、5、6、7 。每個殼層最多容納的電子 數(shù)不超過2n2個，每個原子的最外層電子數(shù)不得超過8個（K層為最外時不超過2個）。 一般規(guī)律是，電子先將內(nèi)層填滿，然后逐層向外填。二、核外電子結(jié)構(gòu)二、核外電子結(jié)構(gòu)（二）原子能級 軌道電子具有一定能量動能和勢能的代數(shù)和。 電子在軌道上運(yùn)動時具有的能量為：242222me Zh nE 242192221.6 10me Zh nE 上公式單位是焦耳（上公式單位是焦耳（J J），下公式單位電子伏特（），下公式單位電子伏特（eVeV）二、核外電子結(jié)構(gòu)二、核外電子結(jié)構(gòu)（二）原子能級 以氫

7、原子為例說明原子所具有的能量，若把已知的常數(shù)代入上式，且Z1，得出氫原子的能級公式：E-13.6/n2，單位電子伏特（eV）。 當(dāng)n1時 E1-13.6eV n2 E2-3.40eV n3 E3-1.51eV n4 E4-0.850eV n5 E5-0.544eV n Enl把由于電子處于不同軌道而原子具有一系列不連續(xù)的能量數(shù)值稱為原子能級。l不同元素的原子，它們的能級值也各不相同。但可用一定的能級公式算出。l原子能級還可以形象地用一系列平行直線表示，每條水平線代表一個能級，各水平線間的距離表示能級差的大小，以些標(biāo)準(zhǔn)繪制的圖稱為原子能級圖（圖1-2）。二、核外電子結(jié)構(gòu)二、核外電子結(jié)構(gòu)l由圖可知

8、，隨著n值的增大，能級間的差愈來愈小。當(dāng)n時，相鄰兩能級差趨近似于零。l結(jié)合力：原子核對核外電子有很的吸引力，這種力稱為結(jié)合力。l最靠近原子核的殼層電子結(jié)合力最大，距核越遠(yuǎn)的電子結(jié)合力越小。結(jié)合力還與原子序數(shù)Z有關(guān)，Z越高，核內(nèi)正電荷越多，對電子的吸引力也越大。 結(jié)合能：把移走原子中某殼層軌道電子所需要的最小能量，稱為該殼層電子在原子中的結(jié)合能。 原子能級是結(jié)合能的負(fù)值。原子中結(jié)合能最大的是K電子，其能級最低；而結(jié)合能較小的外層電子能級則較高。二、核外電子結(jié)構(gòu)二、核外電子結(jié)構(gòu)（三）原子激發(fā)和躍遷（三）原子激發(fā)和躍遷 基態(tài)基態(tài) （正常態(tài)）：（正常態(tài)）：原子處于最低能量狀態(tài)，電子運(yùn)行時如既原子處于

9、最低能量狀態(tài)，電子運(yùn)行時如既不向外界輻射也不向外界吸收能量，處于基態(tài)的原子最穩(wěn)定。不向外界輻射也不向外界吸收能量，處于基態(tài)的原子最穩(wěn)定。 受激態(tài)（原子激發(fā)）：受激態(tài)（原子激發(fā)）：電子吸收了一定大小的能量后（某兩個電子吸收了一定大小的能量后（某兩個能級差的能量），電子跳躍到一更高的能級軌道上，此時原子不能級差的能量），電子跳躍到一更高的能級軌道上，此時原子不穩(wěn)定，稱受激態(tài)。穩(wěn)定，稱受激態(tài)。 躍遷：躍遷：激發(fā)態(tài)的原子激發(fā)態(tài)的原子 大極短的時間（大極短的時間（1010-8-8s s）內(nèi)，外層軌道電）內(nèi)，外層軌道電子或自由電子填充空位，同時放出一個能量為子或自由電子填充空位，同時放出一個能量為hvhv

10、的光子。（該的光子。（該光子的能量大小取決于兩軌道之間的能級差）光子的能量大小取決于兩軌道之間的能級差） 電離：電離：電子吸收了足夠大的能量而擺脫原子核的束縛而成為自電子吸收了足夠大的能量而擺脫原子核的束縛而成為自由電子。由電子。激發(fā)和電離都使原子的能量狀態(tài)升高，使原子處于激發(fā)態(tài)而不穩(wěn)激發(fā)和電離都使原子的能量狀態(tài)升高，使原子處于激發(fā)態(tài)而不穩(wěn)定的。定的。 hv 基態(tài)基態(tài) 受激態(tài)受激態(tài) 基態(tài)基態(tài) 激發(fā)激發(fā) 躍遷躍遷 l由此可見，當(dāng)原子的殼層電子從一個能量為En2狀態(tài)過渡（激發(fā)或躍遷）到另一個能量為En1的狀態(tài)時，它將吸收（或發(fā)射）具有一定能量的光子。光子具有的能量等于電子在躍遷前后所具有的能量差，

11、即： EhvEn2En1其光子頻率為：21nnEEh【例】當(dāng)氫原子內(nèi)的電子在激發(fā)狀態(tài)也發(fā)生躍遷，若電子被激發(fā)到n=3的可能軌道上，它躍遷到n=2的可能軌道上時，所釋放的能量和頻率各是多少？解：已知?dú)湓覯和 L軌道電子結(jié)合能值，取其負(fù)值即為能級值代入公式： EhvEn2En1 -1.51-（-3.40）1.90（ev）放出光子頻率為：21nnEEh19341.51 ( 3.40) 1.6 10156.626 104.57 10 ()Hz 第二節(jié)第二節(jié) 電離輻射和電磁輻射電離輻射和電磁輻射l一、電離輻射l二、電磁輻射一、電離輻射一、電離輻射l電離：當(dāng)原子中殼層電子吸收的能量大于其結(jié)合能時，電子將

12、脫離原子核的束縛，離開原子成為自由電子，這個過程稱為電離。l電離輻射：具有足夠的動能，直接或間接引起物質(zhì)電離或激發(fā)，故稱為電離輻射。簡稱輻射或放射。電離輻射又分直接電離輻射和間接電離輻射。直接電離輻射是帶電粒子輻射（正、負(fù)電子，質(zhì)子和 粒子等）；間接電離輻射是不帶電粒子（如x射線、光子、中子等）。 l帶電粒子電離過程：主要是具有足夠能量的帶電粒子與原子核外電子的碰撞引起的電離過程。所以帶電粒子電離稱為直接致電離輻射。l不帶電粒子電離過程：由它們本身造成的電離與它們所產(chǎn)生的次級帶電粒子引起的電離過程。不帶電粒子的電離輻射引起的物質(zhì)電離，主要是其所產(chǎn)生的次級電子所引起的。所以不帶電粒子的電離輻射又

13、稱為間接致電離輻射。l電離輻射可以是一種電離粒子組成的輻射，也可以是兩者或兩者以上電離粒子混合組成的輻射。二、電磁輻射二、電磁輻射l電磁輻射電磁輻射是帶靜電荷的粒子被加速時，所發(fā)出是帶靜電荷的粒子被加速時，所發(fā)出的輻射，又稱為電磁波。也稱為電子煙霧，是的輻射，又稱為電磁波。也稱為電子煙霧，是由空間共同移送的電能量和磁能量所組成。由空間共同移送的電能量和磁能量所組成。 （一）電磁輻射的基本性質(zhì)（一）電磁輻射的基本性質(zhì)1.電磁波的基本性質(zhì)電磁波的基本性質(zhì) 變化電場和變化磁場相互激發(fā)交替產(chǎn)生并變化電場和變化磁場相互激發(fā)交替產(chǎn)生并攜帶著能量由近及遠(yuǎn)的傳播過程。電磁波是橫攜帶著能量由近及遠(yuǎn)的傳播過程。電

14、磁波是橫波。波。二、電磁輻射二、電磁輻射（一）電磁輻射的基本性質(zhì)（一）電磁輻射的基本性質(zhì)2.電磁波的波長、頻率和波速 波長：是指在一個振動周期內(nèi)電磁波傳播的距離。波長用字母表示，國際單位（SI）是米（m）。由于波長甚短，還可用納米（nm）表示。頻率：是指電磁波在1秒鐘內(nèi)完成全振動的次數(shù)。頻率用字母表示，SI單位是赫茲（Hz），還用千赫茲（kHz），兆赫茲（MHz）。波速：是指電磁波在1秒鐘內(nèi)傳播的距離。電磁波在真空中的傳播速度，即光速c3108ms-1。電磁波在空氣中的傳播速度近似等于其在真空中的傳播速度。波長、頻率、波速的關(guān)系波長、頻率、波速的關(guān)系: : 波速波速= =波長波長頻率頻率 即c

15、 ；c/二、電磁輻射二、電磁輻射（二）電磁輻射譜 電磁輻射所衍生的能量，取決于頻率的高低，頻率愈高，能量愈大。 電磁輻射由于波長（或能量）不同，具有不同的特性。 為了方便應(yīng)用，將電磁波分成若干段，每個波段有各自的名稱，并按波長順序排列成譜，即電磁輻射譜。電磁波譜：電磁波譜：按電磁波的波長或頻率大小的順序把按電磁波的波長或頻率大小的順序把它們排列成譜，叫它們排列成譜，叫電磁波譜電磁波譜l 根據(jù)電磁波學(xué)說，光波與電磁波本質(zhì)上是一樣的。電磁輻射包括的范圍極廣，包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、 射線均屬于電磁輻射范疇。l電磁波譜中X射線范圍為1010-3nm，其波長短，能量高。醫(yī)用

16、診斷X線是在X射線管中產(chǎn)生的，治療用高能X射線是在電子加速器中產(chǎn)生的。l射線是比X 射線波長更短的電磁波，它是放射性核素在衰變時從核內(nèi)釋放出來的一種射線。l想一想 電離輻射是電磁輻射嗎？所有的電離輻射都不是電磁輻射嗎？電離輻射與電磁輻射是什么關(guān)系？三、輻射的二象性三、輻射的二象性（一）電磁輻射的二象性l電磁輻射同時具有波動性和粒子性，即波粒二象性。光在傳播過程中有波長、頻率、反射、折射、散射、干涉、衍射等波動的特性。光的衍射：光繞過障礙物偏離直線傳播路徑而進(jìn)入陰影區(qū)里的現(xiàn)象，l光在發(fā)射和吸收過程中，表現(xiàn)出粒子的性質(zhì)，光只能一份份地發(fā)射，一份份地吸收。發(fā)射或吸收的能量是某一最小能量的整數(shù)倍，這份

17、最小的一份能量稱為光量子，簡稱光子。光子的能量可用普朗克公式計(jì)算，即=h。 此公式本身表明了光的粒子性和波動性的雙重特性。X線是電磁輻射，也同樣具有波粒二象性。l將波長公式c/代入=h此公式得： =hc/ 由上式可以看出，電磁波的波長越短，其光子能量越大；波長越長，其光子能量越?。ǘщ娏Ｗ虞椛涞亩笮?實(shí)驗(yàn)證明，電子、質(zhì)子、粒子等具有靜止質(zhì)量的微觀粒子，在運(yùn)動過程中也表現(xiàn)出波動的特性，這種波動稱為物質(zhì)波。因此，帶電粒子輻射也具有波粒二象性。l否，原因：電離輻射是一切能引起物質(zhì)電離的輻射總否，原因：電離輻射是一切能引起物質(zhì)電離的輻射總稱，其種類很多。電磁輻射是由空間共同移送的電能稱，其種類很

18、多。電磁輻射是由空間共同移送的電能量和磁能量所組成，而該能量是由電荷移動所產(chǎn)生量和磁能量所組成，而該能量是由電荷移動所產(chǎn)生 。l電磁輻射里面波長較短，頻率較高的那部分能使物質(zhì)電磁輻射里面波長較短，頻率較高的那部分能使物質(zhì)產(chǎn)生電離的屬于電離輻射如產(chǎn)生電離的屬于電離輻射如X X射線、射線、 射線。射線。l l不同：不同：1.1.電離輻射是一切能引起物質(zhì)電離的輻射，而電離輻射是一切能引起物質(zhì)電離的輻射，而電磁輻射是由空間共同移送的電能量和磁能量所組成。電磁輻射是由空間共同移送的電能量和磁能量所組成。 2.2.電離輻射存在于自然界，但目前人工輻射已遍及各電離輻射存在于自然界，但目前人工輻射已遍及各個領(lǐng)域。而電磁輻射的來源有多種。人體內(nèi)外均布滿個領(lǐng)域。而電磁