第1章原子結(jié)構(gòu)和電離輻射

第一章原子結(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)原子結(jié)構(gòu)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。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。原子的直徑約10-10m。一個(gè)原子的結(jié)構(gòu)就像太陽(yáng)系一樣，它的核如同太陽(yáng)，圍繞的電子如同行星，并沿一定的軌道旋轉(zhuǎn)。相對(duì)而言，原子核可以看成是不運(yùn)動(dòng)的，而電子在運(yùn)動(dòng)。原子核只占據(jù)整個(gè)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。原子內(nèi)有一個(gè)相對(duì)“很大”的空間，就像我們的太陽(yáng)系，星體之間都有很大的空間。所以一個(gè)高速電子或高能光子可以很容易地穿過(guò)原子。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，因而決定不同元素具有不同的性質(zhì)。用符號(hào)表示某種原子。其中X代表元素的化學(xué)符號(hào)；Z為原子序數(shù)，不同的Z值代表不同的元素，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；A為原子質(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A-Z。原子序數(shù)（Z）＝質(zhì)子數(shù)（p）＝電子數(shù)（e）質(zhì)量數(shù)（A）＝質(zhì)子數(shù)（p）+中子數(shù)（n）中子數(shù)（n）＝質(zhì)量數(shù)（A）-原子序數(shù)（Z）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2000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。核素：穩(wěn)定性核素和不穩(wěn)定性核素（放射性核素）。1）穩(wěn)定性核素：對(duì)核子總數(shù)有一定限度（一般為A≤209），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=1～1.5，也有個(gè)別例外）。2）不穩(wěn)定性核素（放射性核素）：任何含有過(guò)多核子或N/Z不適當(dāng)?shù)暮怂?，都是不穩(wěn)定的。A≥209的核素。放射性核素的原子核能自發(fā)地衰變放射出α、β和γ射線，這個(gè)過(guò)程稱為核衰變。α射線：α射線是由α粒子組成的放射線。α粒子是由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成的帶有2個(gè)正電荷的高速運(yùn)動(dòng)的氦核。

β射線：β射線是由β粒子組成的放射線。β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(lái)的，故稱為β粒子。衰變時(shí)，放出的β粒子的能量是一個(gè)連續(xù)的能量。γ射線：γ射線是由γ光子組成的放射線。γ光子是一種中性高能光子，沒(méi)有靜止質(zhì)量。γ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(huì)直接退回或級(jí)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(shí)發(fā)射γ光子。

γ光子的能量等于兩個(gè)能態(tài)所具有的能量之差。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(gè)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。最靠近原子核的叫K層，順序往外稱為L(zhǎng)、M、N、O、P、Q‥‥‥殼層。分別對(duì)應(yīng)主量子數(shù)n＝1、2、、3、4、5、6、7‥‥‥。每個(gè)殼層最多容納的電子數(shù)不超過(guò)2n2個(gè)，每個(gè)原子的最外層電子數(shù)不得超過(guò)8個(gè)（K層為最外時(shí)不超過(guò)2個(gè)）。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）原子能級(jí)軌道電子具有一定能量＝動(dòng)能和勢(shì)能的代數(shù)和。電子在軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)具有的能量為：上公式單位是焦耳（J），下公式單位電子伏特（eV）二、核外電子結(jié)構(gòu)（二）原子能級(jí)以氫原子為例說(shuō)明原子所具有的能量，若把已知的常數(shù)代入上式，且Z＝1，得出氫原子的能級(jí)公式：E＝-13.6/n2，單位電子伏特（eV）。當(dāng)n＝1時(shí)E1＝-13.6eVn＝2E2＝-3.40eVn＝3E3＝-1.51eVn＝4E4＝-0.850eVn＝5E5＝-0.544eVn＝…En＝…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(jí)。不同元素的原子，它們的能級(jí)值也各不相同。但可用一定的能級(jí)公式算出。原子能級(jí)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(gè)能級(jí)，各水平線間的距離表示能級(jí)差的大小，以些標(biāo)準(zhǔn)繪制的圖稱為原子能級(jí)圖（圖1-2）。二、核外電子結(jié)構(gòu)由圖可知，隨著n值的增大，能級(jí)間的差愈來(lái)愈小。當(dāng)n→∞時(shí)，相鄰兩能級(jí)差趨近似于零。結(jié)合力：原子核對(duì)核外電子有很的吸引力，這種力稱為結(jié)合力。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(duì)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(jí)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(jí)最低；而結(jié)合能較小的外層電子能級(jí)則較高。二、核外電子結(jié)構(gòu)（三）原子激發(fā)和躍遷

基態(tài)（正常態(tài)）：原子處于最低能量狀態(tài)，電子運(yùn)行時(shí)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。

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(gè)能級(jí)差的能量），電子跳躍到一更高的能級(jí)軌道上，此時(shí)原子不穩(wěn)定，稱受激態(tài)。

躍遷：激發(fā)態(tài)的原子大極短的時(shí)間（10-8s）內(nèi)，外層軌道電子或自由電子填充空位，同時(shí)放出一個(gè)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(jí)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。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。hv↗基態(tài)→受激態(tài)→基態(tài)

↑↑激發(fā)躍遷由此可見(jiàn)，當(dāng)原子的殼層電子從一個(gè)能量為En2狀態(tài)過(guò)渡（激發(fā)或躍遷）到另一個(gè)能量為En1的狀態(tài)時(shí)，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，即：E＝hv＝En2－En1其光子頻率為：【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(shí)，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(jí)值代入公式：

E＝hv＝En2－En1＝-1.51-（-3.40）＝1.90（ev）放出光子頻率為：第二節(jié)電離輻射和電磁輻射一、電離輻射二、電磁輻射一、電離輻射電離：當(dāng)原子中殼層電子吸收的能量大于其結(jié)合能時(shí)，電子將脫離原子核的束縛，離開(kāi)原子成為自由電子，這個(gè)過(guò)程稱為電離。電離輻射：具有足夠的動(dòng)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(jiǎn)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α粒子等）；間接電離輻射是不帶電粒子（如x射線、γ光子、中子等）。帶電粒子電離過(guò)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(guò)程。所以帶電粒子電離稱為直接致電離輻射。不帶電粒子電離過(guò)程：由它們本身造成的電離與它們所產(chǎn)生的次級(jí)帶電粒子引起的電離過(guò)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(jí)電子所引起的。所以不帶電粒子的電離輻射又稱為間接致電離輻射。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、電磁輻射電磁輻射是帶靜電荷的粒子被加速時(shí)，所發(fā)出的輻射，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。（一）電磁輻射的基本性質(zhì)1.電磁波的基本性質(zhì)變化電場(chǎng)和變化磁場(chǎng)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(guò)程。電磁波是橫波。二、電磁輻射（一）電磁輻射的基本性質(zhì)2.電磁波的波長(zhǎng)、頻率和波速波長(zhǎng)：是指在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)電磁波傳播的距離。波長(zhǎng)用字母λ表示，國(guó)際單位（SI）是米（m）。由于波長(zhǎng)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(dòng)的次數(shù)。頻率用字母ν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c＝3×108m·s-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(zhǎng)、頻率、波速的關(guān)系:波速=波長(zhǎng)×頻率即c＝λν；λ＝c/ν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(zhǎng)（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(gè)波段有各自的名稱，并按波長(zhǎng)順序排列成譜，即電磁輻射譜。電磁波譜：按電磁波的波長(zhǎng)或頻率大小的順序把它們排列成譜，叫電磁波譜根據(jù)電磁波學(xué)說(shuō)，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(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線、γ射線均屬于電磁輻射范疇。電磁波譜中X射線范圍為10～10-3nm，其波長(zhǎng)短，能量高。醫(yī)用診斷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。γ射線是比X射線波長(zhǎng)更短的電磁波，它是放射性核素在衰變時(shí)從核內(nèi)釋放出來(lái)的一種射線。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（一）電磁輻射的二象性電磁輻射同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性，即波粒二象性。光在傳播過(guò)程中有波長(zhǎng)、頻率、反射、折射、散射、干涉、衍射等波動(dòng)的特性。光的衍射：光繞過(guò)障礙物偏離直線傳播路徑而進(jìn)入陰影區(qū)里的現(xiàn)象，光在發(fā)射和吸收過(guò)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，這份最小的一份能量稱為光量子，簡(jiǎn)稱光子。光子的能量可用普朗克公式計(jì)算，即ε=hν。此公式本身表明了光的粒子性和波動(dòng)性的雙重特性。X線是電磁輻射，也同樣具有波粒二象性。將波長(zhǎng)公式λ＝c/ν代入ε=hν此公式得：

ε=hc/λ由上式可以看出，電磁波的波長(zhǎng)越短，其光子能量越大；波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其光子能量越小（二）帶電粒子輻射的二象性實(shí)驗(yàn)證明，電子、質(zhì)子、α粒子等具有靜止質(zhì)量的微觀粒子，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也表現(xiàn)出波動(dòng)的特性，這種波動(dòng)稱為物質(zhì)波。因此，帶電粒子輻射也具有波粒二象性。謝謝！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量和磁能量所組成，而該能量是由電荷移動(dòng)所產(chǎn)生。電磁輻射里面波長(zhǎng)較短，頻率較高