X射線產(chǎn)生原理課件

1、第1章 物質結構基礎 福醫(yī)大附屬二院 放射科 林朝暉世界是由物質組成的 1964年10月16日我國第一顆原子彈爆炸成功，由此提高了我國在國際上的地位。為什么“原子彈的爆炸”會產(chǎn)生如此巨大的能量呢？要了解這個問題，我們首先要弄清原子結構的奧秘。第一節(jié) 原子結構初期理論的實驗基礎 很早以前，人們就知道原子是組成物質的最小微粒，但是原子內部結構是怎樣的呢？20世紀初，實驗證實電子是一切原子的組成成分，人們意識 到原子是可以再分的。由于物質是中性的，可見原子中一定有帶正電的部分。通過對電子的荷質比e/m的測量，知道電子的質量差不多是原子質量的1/2000。這些實驗結果和當時的經(jīng)典理論為確立原子 結構的

2、模型提供了理論依據(jù)。 湯姆遜（JJ Thomson）模型Thomson ，（1856-1940），英國人，著名的物理學家，諾貝爾物理學獎獲得者（發(fā)現(xiàn)電子及算出電子在原子里的質量比）。1903年提出“葡萄干蛋糕模型”。勒內特（Lenard）所做的電子在金屬膜上的散射實驗證實構建Thomson模型的困難。 盧瑟福（E Rutherford）的粒子散射實驗否定了Thomson模型，建立原子核式的結構模型。粒子粒子是從放射性物體中發(fā)射出來的快速粒子。帶2個單位正電荷具有氦原子的質量，是電子質量的7300倍后來證明它就是氦原子核粒子散射實驗盧瑟福原子核模型（1911）氫原子的行星繞太陽模型在原子的中心有

3、一個很小的核，原子的全部正電荷和幾乎全部的質量集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間繞核運動，就像行星環(huán)繞太陽運動那樣。實驗粒子散射實驗玻爾的原子模型一，氫原子光譜的規(guī)律性玻爾的原子模型 原子光譜為線狀光譜，每條譜線長度代表一個波長，譜線是分明、清楚的。從氫氣放電管可以獲得氫原子光譜。 氫原子光譜在可見區(qū)和近紫外區(qū)有好多譜線，構成一個有規(guī)律的系統(tǒng)，譜線的間隔和強度都向著短波方向遞減。氫原子光譜的巴爾末系示意圖=1/=RH1/22-1/n 2 (n=3,4,5) 式中稱為波數(shù)，即單位長度間隔內所包含的波長數(shù)目；常數(shù)RH=4/B稱為里德伯常數(shù)，RH=1.0967758*107m-1。 氫原子光譜的

4、其它譜線系，也先后被發(fā)現(xiàn)，一個在紫外區(qū)，由賴曼發(fā)現(xiàn)（T Lyman），還有三個在紅外區(qū)，分別由帕邢（F Paschen）、布喇開（F Brachett)和普豐特（HA Pfund）發(fā)現(xiàn)。這些譜線像巴爾末系一樣，可以用一個簡單的公式表達。賴曼系=RH1/12-1/n 2 n=2,3,4, 巴爾末系=RH1/22-1/n 2 n=3,4,5 帕邢系=RH1/32-1/n 2 n=4,5,6, 布喇開系 =RH1/42-1/n 2 n=5,6,7, 普豐特系 =RH1/52-1/n 2 n=6,7,8, 根據(jù)各譜線系的相同形式和共同特征，可以把氫原子光譜的波數(shù)用通式來表示： =RH1/m2-1/n

5、2 上式中，m= 1,2,3,; 對于每個m, n=m+1,m+2,m+3,構成一個譜線系。令T（m）=RH/ m2 ，T(n) =RH/ n2, 則有 =T(m)-T(n)，T稱為光譜項。以上 可知：1）氫原子光的譜是線狀的，譜線有一定位置，有確定的波長值，而且是彼此分立的；2）譜線間有一定的關系；3）每一譜線的波數(shù)都可以表達為兩光譜項之差。玻爾的原子模型原子是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)原子光譜應是連續(xù)的光譜與氫原光譜實驗不符1913年，玻爾提前三個假設玻爾原子模型 電子在原子核外空間的一定軌道上分層繞核做高速的圓周運動。1913年氫原子的電子軌道U= -1/40Ze2/r電子的總能量公式：En =

6、-me4/8h402Z2/n2有關量子化能量的概念能量量子化：原子系統(tǒng)的能量是不連續(xù)的，即能量的量子化?；鶓B(tài)：原子處于最低能量狀態(tài)，電子運行時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。受激態(tài)：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，此時原子不穩(wěn)定，稱受激態(tài)。有關量子化能量的概念躍遷：外層軌道電子或自由電子填充空位，同時放出一個能量為hv的光子。（該光子的能量大小取決于兩軌道之間的能級差）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由電子。氫原子的能級圖 hv基態(tài) 受激態(tài) 基態(tài) 激發(fā) 躍遷當原子從基態(tài) 到受激態(tài)再回到基態(tài)時，它將發(fā)射

7、（或吸收）具有一定頻率的單色光子，其頻率為 ： E2 E1 = - h核外電子結構空間量子化元素的性質決定于原子的結構，即原子中電 子所處的狀態(tài)。電子的狀態(tài)主要決定于四個量子數(shù)主量子數(shù) n ：即電子云分布排層。用K、L、M、N、O、P、Q等符號表示。軌道量子數(shù): 原子核外任一電子，在空間出現(xiàn)的幾率大小是有規(guī)律，即電子的運動有一定的規(guī)律性空間量子化軌道量子數(shù)其取值決定于主量子數(shù)n。即 =0,1,2,3, (n-1) 軌道電子數(shù)對原子能級也有一定影響。3）磁量子數(shù)m 代表軌道取向的量子數(shù)，即代表軌道角動量在某一特殊方向（如磁場方向）的分量。4）自旋量子數(shù)ms 代表電子自旋的取向，也可以說代表電子自

8、旋角動量在某一特殊方向（如磁場方向）的分量。電子的殼層結構對于多電子的原子來說，核外電子的運動較為復雜。但同一原子中，不可能有兩個運動狀態(tài)完全相同的電子存在。原子中具有相同量子數(shù)n的電子構成一個殼層。對于主量子數(shù)為n的殼層，可容納的最多電子數(shù)為：Nn=2n2。原子核外殼層電子的結合能把移走原子某殼層電子所需要的最小能量，稱為該殼層電子在原子中的結合能（blinding energy）原子的能級：電子在不連續(xù)的軌道上運動,原子所具有的能量也是不連續(xù)的,這種不連續(xù)的能量狀態(tài)稱為原子的能級。原子能級是結合能的負值，兩者絕對值相等、符號相反。第二節(jié) 原子核的結構原子核的組成 原子核的線度只有原子的1/

9、10000、 體積只有原子體積的1/1015，但原子核集中了原子的全部正電荷和幾乎全部質量。 原子是由一個居中心的帶正電荷的原子核與帶負電荷的核外電子構成; 電子在原子核周圍作高速運動。 一 原子核的組成 質子：原子核帶正電，數(shù)量是氫核正電 荷的整數(shù)倍。氫核稱為質子。 中子：質量和質子相近但不帶電。 核子：質子和中子的統(tǒng)稱。 原子序數(shù)：即質子數(shù)，用Z表示 中子數(shù)：N表示 質量數(shù)：質子數(shù)和中子數(shù)的和，用A表示。 原子核（ 原子核的質量 質子和中子的質量大約是電子質量的1840倍。 原子核的質量常用統(tǒng)一的原子質量單位來表示。 國際上以自然界中最豐富的元素碳原子質量的1/12為一個質量單位1u。核素

10、 核素：質子和中子數(shù)相同且能量狀態(tài)也 相同的一類原子或原子的集合。 同位素：有相同的質子數(shù)（原子序數(shù)）和不同的中子數(shù)的同一類元素。 幾乎所有元素都有同位素。例如氫元素H， H在元素周期表中處于同一位置，因質量數(shù)不同它有三種核素，分別為氕、氘、氚。其中，氕是一個不含中子的氫原子，氘含有一個中子，是重氫，氚則含有兩個中子，是超重氫，但它們的原子序數(shù)相同，可互稱同位素。重氫和超重氫是制造氫彈的原材料。 已知107種元素有2000余種同位素。同位素又有穩(wěn)定性同位素和不穩(wěn)定性同位素之分。不穩(wěn)定性同位素又稱為放射性同位素。放射性同位素又分為天然放射性和人工放射性同位素。人造放射性同位素主要由反應堆和加速器制備。原子序數(shù)很高的那些重元素，如鈾(u)、釷(Tu)、鐳(Ra)等，它們的核很不穩(wěn)定，自發(fā)地放出射線，變?yōu)榱硪环N元素的原子核。 同質異能素：質子數(shù)和中子數(shù)都相同，但能量狀態(tài)不同的核素稱之。 同量異能素：質子數(shù)不同而質量數(shù)相同的核素。 核力 核力：一種把所有核子結合在極小的空間里的很強的引力。 是一種很強的相互作用力，比電磁力和萬有引力大很多。是一種短程力，它的作用距離為10-15m的數(shù)量級。二 原子核的結合能 單個核子結合成一個核時所能釋放的能量。 用愛因斯坦相對論的質能關系來計算。三 原子核的穩(wěn)定性1）