新射线检测一、二章

1、 第一章第一章 射线检测的射线检测的 物理基础物理基础1389295183213892951832弋楠（易难）弋楠（易难） 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： 、原子定义：、原子定义： 原子是化学反应的基本微粒，原子在化学反应中原子是化学反应的基本微粒，原子在化学反应中不可分割。不可分割。 原子是化学变化中的最小微粒。在化学反应中，原子是化学变化中的最小微粒。在化学反应中，原子的种类和性质不会发生变化。原子的种类和性质不会发生变化。 、原子的组成：、原子的组成： 原子是由一个原子核和若干个核外电子组成的，原子是由一个原子核和

2、若干个核外电子组成的，而原子核又是由更小的微粒而原子核又是由更小的微粒- -质子和中子组成的。质子和中子组成的。2 原子很小，其直径大约只有原子很小，其直径大约只有1010-8 -8cmcm，原子核和电子更，原子核和电子更小，原子核的直径约在小，原子核的直径约在1010-14-14-10-10-12-12cmcm之间，电子直径约之间，电子直径约1010- -1313cmcm。 原子核位于原子中心，电子围绕核运动，原子内部原子核位于原子中心，电子围绕核运动，原子内部大部分是大部分是“空空”的。的。 、原子的电荷、原子的电荷 质子带一个单位正电荷，中子不带电，所以原子核质子带一个单位正电荷，中子不

3、带电，所以原子核带正电，核电荷数等于质子数，用符号带正电，核电荷数等于质子数，用符号“Z”“Z”表示。表示。 电子带一个单位负电荷，由于核内的质子数等于核电子带一个单位负电荷，由于核内的质子数等于核外电子数，所以原子核带的正电荷数外电子数，所以原子核带的正电荷数3 等于核外电子所带的负电荷数，整个原子是电中性的。等于核外电子所带的负电荷数，整个原子是电中性的。核电荷数（核电荷数（Z Z）= =核内质子数核内质子数= =核外电子数核外电子数 、原子的质量、原子的质量 质子的质量为质子的质量为1.67261.67261010- 2 4- 2 4克，中子质量为克，中子质量为1.67491.67491

4、010-24-24克，电子的质量仅为质子质量的克，电子的质量仅为质子质量的1/18371/1837，原，原子的质量主要集中在原子核上。子的质量主要集中在原子核上。 原子的质量用原子质量单位（原子的质量用原子质量单位（u u）表示。一个原子质）表示。一个原子质量单位定义为碳原子（量单位定义为碳原子（ ）质量的）质量的1/121/12， 质量为质量为1.99271.99271010-23-23克，所以克，所以1u=1.66061u=1.66061010-24-24克。克。4C126C126 用原子质量单位表示，质子和中子的质量分别为用原子质量单位表示，质子和中子的质量分别为1.0071.007和和

5、1.0081.008。 、质量数：、质量数： 原子的原子的质子数（质子数（Z Z）与中子数（）与中子数（N N）之和，称为原子）之和，称为原子的质量数（的质量数（A A）。）。 A=Z+N A=Z+N 知道了上述三个数值中的两个，就可用上述关系求出知道了上述三个数值中的两个，就可用上述关系求出第三个。第三个。 例如硫原子量为例如硫原子量为32.0632.06，核电荷数为，核电荷数为1616，则硫原子的中，则硫原子的中子数为子数为32-16=1632-16=16（个）（个）5 归纳起来，原子的组成可以表示如下：归纳起来，原子的组成可以表示如下：2 2、元素、元素 、元素：元素： 、定义：、定义：

6、具有相同质子数具有相同质子数( (核电荷数核电荷数) )的同一类的同一类原子叫做元素。原子叫做元素。原子的质子数决定着原子的种类。原子的质子数决定着原子的种类。6核外电子(Z个)核外电子(Z个)中子(N个)中子(N个)质子(Z个)质子(Z个)原子核原子核X XA AZ Z例如：例如： 含有一个质子的所有原子都是氢原子；含有一个质子的所有原子都是氢原子； 含有二个质子的所有原子都是氦原子；含有二个质子的所有原子都是氦原子； 含有三个质子的所有原子都是锂原子；含有三个质子的所有原子都是锂原子； 含有四个质子的所有原子都是铍原子含有四个质子的所有原子都是铍原子 依次类推。目前已经发现的元素有依次类推

7、。目前已经发现的元素有118118种，它们原种，它们原子中依次含有子中依次含有1-1181-118个质子。个质子。 、原子序数：原子序数： 元素在元素周期表中的序号叫做元素的原子序数，元素在元素周期表中的序号叫做元素的原子序数，它等于原子中的质子数，用它等于原子中的质子数，用“Z”“Z”表示。表示。 7 每一种元素都有一个名称、一个元素符号和每一种元素都有一个名称、一个元素符号和一个原子序数。例如含一个质子的元素叫一个原子序数。例如含一个质子的元素叫“氢氢”，元素符号是元素符号是“H”“H”，原子序数是，原子序数是“1”“1”。 3 3、同位素：同位素： 、定义：、定义： 具有相同质子数和不同

8、中子数的同一种元素具有相同质子数和不同中子数的同一种元素的原子互称同位素。的原子互称同位素。 同种元素的原子具有相同的质子数，但它们同种元素的原子具有相同的质子数，但它们的中子数并不一定相同，例如，氢元素的原子，的中子数并不一定相同，例如，氢元素的原子，有的不含中子，有的含有一个中子，有的含有二有的不含中子，有的含有一个中子，有的含有二个中子。个中子。8 不含中子的氢原子叫不含中子的氢原子叫“氕氕”（ ） 含一个中子的氢原子叫含一个中子的氢原子叫“氘氘”（ ） 含二个中子的氢原子叫含二个中子的氢原子叫“氚氚”（ ） 氕、氘、氚便是氢的三种同位素。氕、氘、氚便是氢的三种同位素。 许多元素都有同位

9、素，如铀有许多元素都有同位素，如铀有 、 、 等多种同位素；碳有等多种同位素；碳有 、 、 等几种同位素。等几种同位素。 、同位素的类型、同位素的类型 、稳定同位素和不稳定同位素。不稳定的同位素又称放稳定同位素和不稳定同位素。不稳定的同位素又称放射性同位素，它能自发地放射出某种射线射性同位素，它能自发地放射出某种射线 、 或或 射线而射线而变为另一种元素。变为另一种元素。 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矿物。一般天然放射性同位素是自然界

10、存在的矿物。一般Z88Z88的许多元素及其化合物具有放射性。的许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轰击稳定同位人工放射性同位素可用高能粒子轰击稳定同位素的核使其变为放射性同位素。射线检测用的放素的核使其变为放射性同位素。射线检测用的放射性同位素均为人工放射性同位素。射性同位素均为人工放射性同位素。 10 5 5、核素、核素 、定义：、定义： 核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。子。 例如，原子核里有例如，原子核里有6 6个质子和个质子和6 6个中子的个中子的碳原碳原子，质量子，质量数是数是1212，称为碳，称为

11、碳-12-12核素，或写成核素，或写成12C12C核素。原子核里有核素。原子核里有6 6个质子和个质子和7 7个中子的碳原子，质量数为个中子的碳原子，质量数为1313，称，称13C13C核素。氧核素。氧元素有元素有16O16O，17O17O，18O18O三种核素。三种核素。 、核素概念的引入：、核素概念的引入： 核素概念最初是为了确切描述元素的核素概念最初是为了确切描述元素的原子量原子量而引入的。而引入的。 后来发现地球上天然存在的和人工制造的原子核都有后来发现地球上天然存在的和人工制造的原子核都有“同核异能态同核异能态”的现象，即具有相同质子数和中子数的原子的现象，即具有相同质子数和中子数的

12、原子核所显现出来的核性质，如衰变方式、半衰期、能量等等可核所显现出来的核性质，如衰变方式、半衰期、能量等等可以不同。同核异能态是原子核层次的以不同。同核异能态是原子核层次的“同分异构体同分异构体”，“同同分分”是指相同数目的质子和中子，是指相同数目的质子和中子，“异构异构”则表示它们构成则表示它们构成原子核的方式不同。但同位素概念不足以反映这种原子核的方式不同。但同位素概念不足以反映这种“同分异同分异构构”现象。如果把核素概念定义为同一同位素的核性质不同现象。如果把核素概念定义为同一同位素的核性质不同的原子核，就可以概括核的的原子核，就可以概括核的同分异构现象同分异构现象。因此，核素也就。因此

13、，核素也就成了表达核性质的独立概念。成了表达核性质的独立概念。 6 6、元素、核素和同位素之间的区别与关系、元素、核素和同位素之间的区别与关系 、元素：、元素： 元素是同一类原子的总称，即具有相同核电荷数的一类元素是同一类原子的总称，即具有相同核电荷数的一类原子的总称。原子的总称。 元素是以核电荷数为标准而对原子进行分类的，也就是元素是以核电荷数为标准而对原子进行分类的，也就是说原子的核电荷数决定着元素的种类。因此，不同种的元素说原子的核电荷数决定着元素的种类。因此，不同种的元素具有不同的核电荷数，例如：具有不同的核电荷数，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： 核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。 核素是指某种原子，有多少种原子就有多少种核素。核素是指某种原子，有多少种原子就有多少种核素。例如：例如：1H1H、2H2H、3H3H是是3 3种不同的核素，但都属于种不同的核素，但都属于H H元素。元素。 、同位素、同位素 质子数相同，中子数不同的同一元素的不同原子间，质子数相同，中子数不同的同一元素的不同原子间，互称同位素，因为它们处于周期表中同一位置上。即同互称同位素，因为它们处于周期表中同一位置上。即同一元素的不同核素间互称同位素。例如：一元素的不同

15、核素间互称同位素。例如：1H1H、2H2H、3H3H（数字下标）就互为同位素。（数字下标）就互为同位素。 1.1.2 1.1.2 核外电子运动规律核外电子运动规律 1 1、原子的结构、原子的结构 、道尔顿模型（实心球体）道尔顿模型（实心球体） 1808 1808年，英国自然科学家约翰年，英国自然科学家约翰道尔顿提出了世道尔顿提出了世界上第一个原子的理论模型。他的理论主要有以下三界上第一个原子的理论模型。他的理论主要有以下三点：点： 、原子都是不能再分的粒子；、原子都是不能再分的粒子； 、同种元素的原子的各种性质和质量都相同；、同种元素的原子的各种性质和质量都相同； 、原子是微小的实心球体。、原

16、子是微小的实心球体。 这是一个失败的理论模型，但道尔顿第一次将原这是一个失败的理论模型，但道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中。被称为子从哲学带入化学研究中。被称为“近代化学之父近代化学之父”。15、汤姆逊模型（葡萄干布丁模型）汤姆逊模型（葡萄干布丁模型） 1897 1897年年 汤姆生发现了电子，从而否定了原子不可分割汤姆生发现了电子，从而否定了原子不可分割的说法。的说法。19081908年，汤姆逊在发现电子的基础上提出了原子年，汤姆逊在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干布丁模型，汤姆生认为：的葡萄干布丁模型，汤姆生认为： 、电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布、电子是平均的分布在整

17、个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。电荷相互抵消。 、在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。、在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。 汤姆逊的学生卢瑟福完成的汤姆逊的学生卢瑟福完成的 粒子轰击金箔实验（散射粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了葡萄干布丁模型的正确性。实验），否认了葡萄干布丁模型的正确性。17 、卢瑟福模型（行星模型）卢瑟福模型（行星模型） 18 1911 1911年英国科学家卢瑟福以经典电磁学为理论年英国科学家卢瑟福以经典电磁学为理论基础提出原子的行星模型说，主要内容

18、有：基础提出原子的行星模型说，主要内容有： 、原子的大部分体积是空的。、原子的大部分体积是空的。 、在原子的中心有一个很小的原子核。、在原子的中心有一个很小的原子核。 、原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全、原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核外部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核外空间进行绕核运动。空间进行绕核运动。19 、玻尔模型玻尔模型 1913 1913年年 丹麦科学家玻尔在行星模型的基础上运用量子丹麦科学家玻尔在行星模型的基础上运用量子力学思想提出了核外电子分层排布的原子结构模型。其基力学思想提出了核外电子分层排布的原子结构模型。其基本

19、观点是：本观点是： 、原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原、原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，不辐射能量。子核运动，不辐射能量。 、在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（、在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E E），），且能量是量子化的，不同的轨道分别被命名为且能量是量子化的，不同的轨道分别被命名为K K、L L、N N、O O、P P。 、当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，、当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱。表现并被记

20、录下来，就形成了光谱。20 、现代模型（电子云模型）（略）、现代模型（电子云模型）（略） 21 实际上，核外电子并不象行星那样在固定的轨道实际上，核外电子并不象行星那样在固定的轨道上运行。所谓电子轨道只是在三维空间找到的该运动上运行。所谓电子轨道只是在三维空间找到的该运动电子的某个区域。核外电子在某一时刻所处的位置和电子的某个区域。核外电子在某一时刻所处的位置和速度无法同时准确测出，也不能描绘出它的运动轨迹。速度无法同时准确测出，也不能描绘出它的运动轨迹。 因此，描述核外电子的运动只能采用统计的方法，因此，描述核外电子的运动只能采用统计的方法，把电子在空间出现的概率密度分布用图象表示出来，把电

21、子在空间出现的概率密度分布用图象表示出来，即以单位体积内电子出现几率，即几率密度大小，用即以单位体积内电子出现几率，即几率密度大小，用小白点的疏密来表示。小白点密处表示电子出现的几小白点的疏密来表示。小白点密处表示电子出现的几率密度大，小白点疏处几率密度小，看上去好像一片率密度大，小白点疏处几率密度小，看上去好像一片带负电的云状物笼罩在原子核周围，因此叫电子云。带负电的云状物笼罩在原子核周围，因此叫电子云。 22 描述电子轨道和电子云的参数有：描述电子轨道和电子云的参数有： 、主量子数、主量子数n n：用于确定电子的电子层和轨道能级。：用于确定电子的电子层和轨道能级。（各电子层分别用（各电子层

22、分别用K K、L L、MM、N N、表示）。表示）。 、角量子数、角量子数l l。用于确定每个电子层所包含的亚层，。用于确定每个电子层所包含的亚层，同时还代表了电子的角动量和原子轨道的形状（各亚层分同时还代表了电子的角动量和原子轨道的形状（各亚层分别用别用s s、p p、d d、f f、表示）。表示）。 、磁量子数、磁量子数m m：用于确定原子轨道在空间的伸展方向。：用于确定原子轨道在空间的伸展方向。 、自旋量子数、自旋量子数msms：23 这样，这样，原子的结构可以简要概括为：在原子中，原原子的结构可以简要概括为：在原子中，原子核位于中心，核外电子分层排布，每层都有若干亚子核位于中心，核外电

23、子分层排布，每层都有若干亚层，每个亚层有确定的轨道，每个轨道包含两个自旋层，每个亚层有确定的轨道，每个轨道包含两个自旋方向相反的电子。方向相反的电子。如以如以n n表示电子层数，原子的结构可表示电子层数，原子的结构可简单表示如下：简单表示如下：24 2 2、原子的能级概念原子的能级概念 原子中，电子受到原子核的吸引作用，能量高的电子原子中，电子受到原子核的吸引作用，能量高的电子具有较强的抗力，处在离核较远的轨道上；能量较低具有较强的抗力，处在离核较远的轨道上；能量较低的电子抗力较小，处在离核较近的轨道上。的电子抗力较小，处在离核较近的轨道上。 因此，因此，位于不同层的电子具有不同的能量，通常把

24、它位于不同层的电子具有不同的能量，通常把它们叫做处于不同的能级。各层电子的能量按们叫做处于不同的能级。各层电子的能量按K K、L L、MM、N N的次序递增。的次序递增。 按照能量排布规律，核外电子总是尽先占有能量最低按照能量排布规律，核外电子总是尽先占有能量最低的轨道，只有当能量最低的轨道占满后才依次进入级的轨道，只有当能量最低的轨道占满后才依次进入级量较高的轨道。因此，在正常情况下，原子处于最低量较高的轨道。因此，在正常情况下，原子处于最低的能量状态，这种状态称为的能量状态，这种状态称为“基态基态”。基态的原子是。基态的原子是稳定的，这时稳定的，这时25 虽然核外电子不停地绕核运动，但并不

25、向外辐射能量。虽然核外电子不停地绕核运动，但并不向外辐射能量。 原子从外界吸收一定能量时，电子就由较低能级原子从外界吸收一定能量时，电子就由较低能级跳跃的较高的能级上去，这一过程称为跳跃的较高的能级上去，这一过程称为“跃迁跃迁”，这，这时原子的状态变为激发态。时原子的状态变为激发态。 激发态的原子是不稳定的，它将再次跃迁到较低激发态的原子是不稳定的，它将再次跃迁到较低的能级，多余的能量以电磁波或其它形式释放出来，的能级，多余的能量以电磁波或其它形式释放出来，即：即： 式中：式中：h-h-光子能量；光子能量； E E- -较高能级能量；较高能级能量； E- E-较低能级能量。较低能级能量。26E

26、Eh1.1.3 1.1.3 原子核结构原子核结构27 1 1、原子核的组成、原子核的组成 、英国物理学家卢瑟福在、英国物理学家卢瑟福在19191919年做核反应实验时发现年做核反应实验时发现了了质子质子，经过研究证明，质子带正电荷，其电量和一个电，经过研究证明，质子带正电荷，其电量和一个电子的电量相同，它的质量等于一个电子质量的子的电量相同，它的质量等于一个电子质量的18361836倍倍. .进一进一步研究表明，质子的性质和氢原子核的性质完全相同，所步研究表明，质子的性质和氢原子核的性质完全相同，所以质子就是氢原子核以质子就是氢原子核. . 、19321932年英国物理学家查德威克又发现了年英

27、国物理学家查德威克又发现了中子中子，通，通过研究证明中子的质量和质子的质量基本相同，但是不带过研究证明中子的质量和质子的质量基本相同，但是不带电电. .是中性粒子是中性粒子. .在对各种原子核进行的实验中，发现质子和在对各种原子核进行的实验中，发现质子和中子是组成原子核的两种基本粒子中子是组成原子核的两种基本粒子. .28 29 、原子核的组成原子核的组成 2 2、核力：在原子核内，带正电的质子间存在着库仑斥力，、核力：在原子核内，带正电的质子间存在着库仑斥力，但质子和中子仍能非常紧密地结合在一起，这说明核内存但质子和中子仍能非常紧密地结合在一起，这说明核内存在着一个非常大的力，即核力。核力具

28、有以下性质：在着一个非常大的力，即核力。核力具有以下性质： 、核力与电荷无关，无论中子还是质子都受到核力、核力与电荷无关，无论中子还是质子都受到核力的作用；的作用； 、核力是短程力，只有在相邻原子核之间发生作用。、核力是短程力，只有在相邻原子核之间发生作用。因此，一个核子所能相互作用的其他核子的数目是有限的。因此，一个核子所能相互作用的其他核子的数目是有限的。称为核力的饱和性。称为核力的饱和性。 、核力比库仑力约大、核力比库仑力约大100100倍，是一种强相互作用。倍，是一种强相互作用。 、核力能促成粒子的成对结合以及对对结合。、核力能促成粒子的成对结合以及对对结合。 30 3 3、原子核的稳

29、定性：、原子核的稳定性： 原子核的稳定性与中子数、质子数有关。原子核的稳定性与中子数、质子数有关。 其关系为：其关系为： 、对小质量数的核：、对小质量数的核：N/ZN/Z1 1附近较稳定，这个比值附近较稳定，这个比值随核质量数的增大而增大；随核质量数的增大而增大； 、对大质量数的核：、对大质量数的核：N/ZN/Z1.61.6附近的核较稳定。附近的核较稳定。31 科学研究表明，稳定性核素对核子总数有一定限度（一科学研究表明，稳定性核素对核子总数有一定限度（一般为般为A209A209），而且中子数和质子数应保持一定的比例（一），而且中子数和质子数应保持一定的比例（一般为般为N/Z=1N/Z=11.

30、51.5，也有个别例外）。，也有个别例外）。 任何含有过多核子或任何含有过多核子或N/ZN/Z不适当的核素，都是不稳定的。不适当的核素，都是不稳定的。A209A209的核素，即元素周期表中钋（的核素，即元素周期表中钋（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（钋之前的元素，有的核素也具有放射核素都具有放射性（钋之前的元素，有的核素也具有放射性），它们或是自发地放射出性），它们或是自发地放射出 射线（即射线（即HeHe核），而转变成核），而转变成A A较小的新核；或是因核素的较小的新核；或是因核素的N/ZN/Z不适当，其核内的中子与质不适当，其核内的中子与质子会自发地相互转变

31、，从而改变子会自发地相互转变，从而改变N/ZN/Z的值，并同时放出一个的值，并同时放出一个-（或（或+）粒子。）粒子。 核素衰变后产生的新核几乎都是处在激发态，这样的核核素衰变后产生的新核几乎都是处在激发态，这样的核或是自发地放射出或是自发地放射出 光子而转变到基态或较低能态，或是继光子而转变到基态或较低能态，或是继续进行续进行 衰变（或衰变（或 衰变衰变），直到变成一个稳定的核素为止。），直到变成一个稳定的核素为止。33 4、放射性衰变、放射性衰变 、放射性同位素的原子核自发地放射粒子或波放射性同位素的原子核自发地放射粒子或波的过程叫放射性衰变。的过程叫放射性衰变。 放射性同位素发生衰变后，

32、产生新元素，新元素放射性同位素发生衰变后，产生新元素，新元素可能是稳定的，也可能是不稳定的，不稳定的元素要可能是稳定的，也可能是不稳定的，不稳定的元素要进一步衰变，直到产生稳定同位素为止。进一步衰变，直到产生稳定同位素为止。 例如，铀例如，铀238238衰变后产生钍，钍进一步衰变产生镭，衰变后产生钍，钍进一步衰变产生镭，镭进一步衰变产生氡，氡又经过一系例衰变，最后产镭进一步衰变产生氡，氡又经过一系例衰变，最后产生稳定的同位素铅而告终。生稳定的同位素铅而告终。 放射性衰变由原子核本身的性质所决定，不受外放射性衰变由原子核本身的性质所决定，不受外部环境如温度、压力、电磁场等物理和化学条件的影部环境

33、如温度、压力、电磁场等物理和化学条件的影响，且无法加以控制。响，且无法加以控制。34 、放射性同位素的衰变方式有多种，最常见的是放射性同位素的衰变方式有多种，最常见的是 衰变和衰变和 衰变，衰变， . .衰变衰变放射性同位素的原子核放射放射性同位素的原子核放射 粒子的衰粒子的衰变过程叫做变过程叫做 衰变。衰变。 粒子由两个质子和两个中子组成，带有两个正电粒子由两个质子和两个中子组成，带有两个正电荷，它实际上是一个氦原子核。荷，它实际上是一个氦原子核。 有些放射性同位放射有些放射性同位放射 粒子的同时，伴随能量的跃粒子的同时，伴随能量的跃迁同时放射出迁同时放射出 射线。这种衰变过程可以用下式表示

34、：射线。这种衰变过程可以用下式表示： HeYXAZAZ4242衰变35 由此可以看出，放射性同位素原子核（母核）经由此可以看出，放射性同位素原子核（母核）经过过 衰变之后，产生一种新元素（子核），其原子序衰变之后，产生一种新元素（子核），其原子序数减小数减小2 2，质量数减小，质量数减小4 4。 例如：例如： 衰变，放射一个衰变，放射一个 粒子，产生一种新元粒子，产生一种新元素素 ，同时放射，同时放射 射线，其衰变过程可表示为：射线，其衰变过程可表示为：Ra22688Rn22286HeRnRaa42222862268836 、 衰变衰变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、衰变过程叫做子的衰变过程叫做 衰变。衰变。 粒子带一个负电荷，粒子带一个负电荷，实际上是由核内的一个中子放射出来的电子。实际上是由核内的一个中子放射出来的电子。 有的元素发生有的元素发生 衰变时伴随能量的跃迁同时放衰变时伴随能量的跃迁同时放射出射出 射线，其衰变过程可以用下式表示：射线，其衰变过程可以用下式表示： 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）发生发生 衰变时，产生一种新元素（子核），其原子衰变时，产生一种新元素（子核），其原子序数加一，质量数不变。序数加一，质量数不变。eYXAZAZ01137 例如：例如： 衰变，放射一个衰变，放射一个 粒子

36、，产生新元粒子，产生新元素素 ，同时放射，同时放射 射线；射线； 衰变，放射一个衰变，放射一个 粒子，粒子，产生新元素产生新元素 ，同时放射，同时放射 射线。它们的衰变过程可射线。它们的衰变过程可表示为：表示为： 、 衰变衰变 衰变总是伴随着衰变总是伴随着 衰变和衰变和 衰变面发生。是衰变面发生。是原子核由激发态过渡到正常态，由高能跃迁到低能级原子核由激发态过渡到正常态，由高能跃迁到低能级而产生的。而产生的。Co6027Ni6028Ir19277Pt19278ePtIreNiCo0119278192770160286027 2 2 衰变衰变 衰变又分衰变又分-衰变、衰变、+衰变和轨道电子俘获三

37、种方式。衰变和轨道电子俘获三种方式。 (1) -(1) -衰变衰变放射出放射出-粒子（高速电子）的衰变。一般地，中子相对粒子（高速电子）的衰变。一般地，中子相对丰富的放射性核素常发生丰富的放射性核素常发生-衰变。这可看作是母核中的一个衰变。这可看作是母核中的一个中子转变成一个质子的过程。中子转变成一个质子的过程。 (2) +(2) +衰变衰变 放射出放射出+粒子（正电子）的衰变。一般地，中子相对粒子（正电子）的衰变。一般地，中子相对缺乏的放射性核素常发生缺乏的放射性核素常发生+衰变。这可看作是母核中的一个衰变。这可看作是母核中的一个质子转变成一个中子的过程。质子转变成一个中子的过程。 (3)

38、(3) 轨道电子俘获轨道电子俘获(K(K、L L俘获）俘获）原子核俘获一个原子核俘获一个K K层或层或L L层电子而衰变成核电荷数减少层电子而衰变成核电荷数减少1 1，质量数不变的另一种原子核。由于质量数不变的另一种原子核。由于K K层最靠近核，所以层最靠近核，所以K K俘俘获最易发生。在获最易发生。在K K俘获发生时，必有外层电子去填补内层上俘获发生时，必有外层电子去填补内层上的空位，并放射出具有子体特征的标识的空位，并放射出具有子体特征的标识X X射线。这一能量也射线。这一能量也可能传递给更外层电子，使它成为自由电子发射出去，这个可能传递给更外层电子，使它成为自由电子发射出去，这个电子称作

39、电子称作“俄歇电子俄歇电子”。 3 3、 衰变和内变换衰变和内变换 (1) (1) 衰变衰变 处于激发态的核，通过放射出处于激发态的核，通过放射出 射线而跃迁到基态或较射线而跃迁到基态或较低能态的现象。低能态的现象。 射线的穿透力很强。射线的穿透力很强。 射线在医学核物理技射线在医学核物理技术等应用领域占有重要地位。术等应用领域占有重要地位。 (2) (2) 内变换内变换有时处于激发态的核可以不辐射有时处于激发态的核可以不辐射 射线回到基态或较低射线回到基态或较低能态，而是将能量直接传给一个核外电子（主要是能态，而是将能量直接传给一个核外电子（主要是K K层电层电子），使该电子电离出去。这种现

40、象称为内变换，所放出的子），使该电子电离出去。这种现象称为内变换，所放出的电子称作内变换电子。电子称作内变换电子。1.2 1.2 射线的种类和性质射线的种类和性质12.112.1、x x射线和射线和 射线的性质射线的性质 1 1、电磁波、电磁波 电磁波是周期性变化的电磁场在空间由近及电磁波是周期性变化的电磁场在空间由近及远的传播，我们所熟知的可见光、无线电波、红远的传播，我们所熟知的可见光、无线电波、红外线、紫外线以及外线、紫外线以及x x射线、射线、 射线等都是电磁波。射线等都是电磁波。 电磁波在物理学上通常用波速电磁波在物理学上通常用波速C C、波长、波长 和频和频率率 来描述，它们之间的

41、关系是：来描述，它们之间的关系是： 41/C电磁波谱电磁波谱 电磁波的频谱范围大致如下所示：电磁波的频谱范围大致如下所示： 射线：射线：0.003-0.1390.003-0.139 X X射线射线: 0.006-1019 : 0.006-1019 紫外线：紫外线：200-3900 200-3900 可见光：可见光：3900-7800 3900-7800 红外线：红外线：7800 -0.3mm7800 -0.3mm 无线电波无线电波: 0.3mm-30Km: 0.3mm-30Km 可以看出，电磁波的频率范围非常宽，如无线电可以看出，电磁波的频率范围非常宽，如无线电波的波长可达数十公里，而波的波长

42、可达数十公里，而X X射线和射线和 射线的波长可小射线的波长可小至若干亿分之一厘米。至若干亿分之一厘米。 还可看出，不同类型的电磁波具有不同的波长范还可看出，不同类型的电磁波具有不同的波长范围，而一定范围波长的电磁波具有一定的性质，超出围，而一定范围波长的电磁波具有一定的性质，超出这个范围时，电磁波的性质就起了变化。这个范围时，电磁波的性质就起了变化。43 2 2、x x射线和射线和 射线的性质射线的性质 x x射线和射线和 射线就其本质而言，与可见光、无线电射线就其本质而言，与可见光、无线电波相同，统统属于电磁波。其区别只是产生方式不同波相同，统统属于电磁波。其区别只是产生方式不同和波长范围

43、不同，因此它们除与可见光和无线电波等和波长范围不同，因此它们除与可见光和无线电波等具有许多共性之外，也具有不同于可见光的特性。其具有许多共性之外，也具有不同于可见光的特性。其主要性质可简述如下：主要性质可简述如下： 、在真空中以直线传播。、在真空中以直线传播。 、 本身不带电，不受电场和磁场的影响。本身不带电，不受电场和磁场的影响。 、在媒质界面只能发生漫反射，而不能像可见光、在媒质界面只能发生漫反射，而不能像可见光一样产生镜面反射；一样产生镜面反射；X X射线和射线和 射线的折射系数非常接射线的折射系数非常接近于近于1 1，折射方向改变不明显。，折射方向改变不明显。44、可发生干涉和衍射现象

44、，但只能在非常、可发生干涉和衍射现象，但只能在非常小的，例如晶体组成的光阑中才能发生这种现象。小的，例如晶体组成的光阑中才能发生这种现象。 、不可见，能穿透可见光所不能穿透的物、不可见，能穿透可见光所不能穿透的物质。质。 、在穿透物质过程中，会与物质发生非常、在穿透物质过程中，会与物质发生非常复杂的物理和化学作用，例如电离作用、荧光作复杂的物理和化学作用，例如电离作用、荧光作用、热作用及光化学作用。用、热作用及光化学作用。 、具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，、具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，破坏生物组织。破坏生物组织。45 1.2.2 1.2.2 X X射线的产生及其特点射线的产生及其

45、特点 1 1、产生、产生X X射线的条件射线的条件 X X射线是由高速运动的电子与物质的相互作用产生射线是由高速运动的电子与物质的相互作用产生的，从本质上讲，当高速运动的电子与原子内部的原的，从本质上讲，当高速运动的电子与原子内部的原子核或核外电子作用时，以子核或核外电子作用时，以X X射线的形式释放能量。射线的形式释放能量。 产生产生X X射线须具备的条件包括：射线须具备的条件包括： （1 1）具有电子源）具有电子源将金属丝（一般为钨丝）通电加将金属丝（一般为钨丝）通电加热到白炽状态使电子逸出成为自由电子，通常将金属热到白炽状态使电子逸出成为自由电子，通常将金属丝称之为丝称之为“灯丝灯丝”。

46、 （2 2）具有加速电子的手段）具有加速电子的手段高压电场，灯丝与阴极高压电场，灯丝与阴极相连，使电子在电场作用下飞向阳极。相连，使电子在电场作用下飞向阳极。46 （3 3）可使电子聚焦）可使电子聚焦将灯丝置于杯状或槽形阴将灯丝置于杯状或槽形阴极聚焦窒中，使电子聚成一束定向发射。极聚焦窒中，使电子聚成一束定向发射。 （4 4）能接受电子轰击的靶）能接受电子轰击的靶将一块高熔点金属将一块高熔点金属（一般为钨）嵌入阳极，接受电子轰击。（一般为钨）嵌入阳极，接受电子轰击。 （5 5）具备高真空度）具备高真空度用玻璃或其它材料作成壳体，用玻璃或其它材料作成壳体，使阴极和阳极之间保持高真空度，以保证高速

47、电子不使阴极和阳极之间保持高真空度，以保证高速电子不受气体阻挡、灯丝不被氧化受气体阻挡、灯丝不被氧化。 满足上述条件的装置称之为满足上述条件的装置称之为“X“X射线管射线管”，X X射线射线就是在就是在X X射线管中发生的。射线管中发生的。 47 2 2、X X射线谱及其组成射线谱及其组成 X X射线波谱由连射线波谱由连续谱和标识谱两部分续谱和标识谱两部分组成。连续谱是波长组成。连续谱是波长连续变化的部分；标连续变化的部分；标识谱重叠在连续谱上，识谱重叠在连续谱上，如同山丘上的宝塔。如同山丘上的宝塔。 493 3、 X X射线的产生机理射线的产生机理 、连续谱的产生及特点连续谱的产生及特点 高

48、速电子与原子核外库仑场作用产生的高速电子与原子核外库仑场作用产生的X X射线叫做连续射线叫做连续X X射线（又叫做多色射线（又叫做多色X X射线、白色射线、白色X X射线或韧致辐射）射线或韧致辐射）。 当高速电子与靶相撞时，受原子核外库仑当高速电子与靶相撞时，受原子核外库仑场的作用，运动方向发生偏转且速度减慢，这时场的作用，运动方向发生偏转且速度减慢，这时电子的一部分能量便以电子的一部分能量便以X X射线的形式释放出来。射线的形式释放出来。 由于高速电子的能量不同，受阻程度和减由于高速电子的能量不同，受阻程度和减速过程不同，所以产生的速过程不同，所以产生的X X射线具有各种波长，射线具有各种波

49、长，其波谱呈连续分布。其波谱呈连续分布。50 在在X X射线的连续谱中存在着一个射线的连续谱中存在着一个最短的波长，其最短的波长，其值可以用下式计算：值可以用下式计算： 式中：式中：VV管电压，单位管电压，单位kVkV。 由上式可以看出，连续由上式可以看出，连续X X射线的波长（能量）取射线的波长（能量）取决于管电压。管电压越高，波长越短，决于管电压。管电压越高，波长越短，X X射线的能量越射线的能量越高。高。 在连续谱中，最大强度对应的波长为：在连续谱中，最大强度对应的波长为： 实际射线检测中，以最大强度波长为中心的邻近波实际射线检测中，以最大强度波长为中心的邻近波段的射线起主要作用。段的射

50、线起主要作用。 min.(VA)12 4IMmin= 1.551 高速电子轰击靶时产生的高速电子轰击靶时产生的X X射线总强度由下式确射线总强度由下式确定：定： 式中：式中： I I管电流管电流 Z Z靶材料的原子序数靶材料的原子序数 V V管电压（单位管电压（单位V V） 由上式可知，由上式可知，连续连续X X射线的强度取决于管电流、管电射线的强度取决于管电流、管电压和靶材料的原子序数。压和靶材料的原子序数。 （与管电流成正比，与管电（与管电流成正比，与管电压的平方成正比）。压的平方成正比）。2VZIIT9104.11.153 X X射线的产生效率可由下式确定：射线的产生效率可由下式确定：

51、式中：式中： Z Z靶材料的原子序数；靶材料的原子序数； V V管电压（单位管电压（单位KVKV）。）。 由上式计算可知，由上式计算可知，X X射线的发生效率是相当低的，射线的发生效率是相当低的，例如，当管电压为例如，当管电压为200kv200kv时，其时，其X X射线发生效率只有射线发生效率只有2%2%左右。左右。 在在X X射线产生过程中，能量转换方式主要是热射线产生过程中，能量转换方式主要是热，高，高速电子的绝大部分能量都转变为热量。速电子的绝大部分能量都转变为热量。VZ 9104.11.1 计算题计算题1.4 1.4 求管电压为求管电压为250KV250KV的的X X射线机和能量射线机

52、和能量为为4MeV4MeV的直线加速器辐射的连续的直线加速器辐射的连续X X射线的发生效率射线的发生效率（设靶材为钨（设靶材为钨Z Z7474，比例常数，比例常数 1.21.210106 6）。）。 解：公式解：公式 X X射线机：射线机： ZV ZV 1.21.210106 67474250=2.22%250=2.22% 直线加速器：直线加速器： ZVZV1.21.210106 674744000=35.52%4000=35.52%VZ 1.6 1.6 当当X X射线管的管电压为射线管的管电压为150kV150kV时，产生的时，产生的X X射线的最射线的最短波长为多少？若连续短波长为多少？若

53、连续X X射线最大强度所对应的波长为最短射线最大强度所对应的波长为最短波长的波长的1.51.5倍，求最大强度处的光子能量为多少？倍，求最大强度处的光子能量为多少？ 1.5 1.5 已知已知CO60CO60 源辐射两种能量的光子，一种是源辐射两种能量的光子，一种是1.17MeV1.17MeV，另一种是另一种是1.33MeV.1.33MeV.求它们的波长分别为多少？求它们的波长分别为多少？ 、标识谱的的产生及特点标识谱的的产生及特点 高速电子与原子的内层电子作用时产生的高速电子与原子的内层电子作用时产生的X X射线叫射线叫做标识做标识X X射线（或特征射线（或特征X X射线）。射线）。 当高速电子

54、与原子内层的轨道电子作用时，将内当高速电子与原子内层的轨道电子作用时，将内层电子撞出原子，内层轨道上留下一个空位，这时外层电子撞出原子，内层轨道上留下一个空位，这时外层轨道上的电子便会跃迁到内层轨道填补这个空位。层轨道上的电子便会跃迁到内层轨道填补这个空位。由于外层电子处于较高的能级，当它跃迁到内层轨道由于外层电子处于较高的能级，当它跃迁到内层轨道时，多余的能量便以时，多余的能量便以X X射线的形式释放出来，其能量等射线的形式释放出来，其能量等于两个轨道的能量差：于两个轨道的能量差：57hEEE12 电子在不同的轨道之间跃迁产生不同的标识电子在不同的轨道之间跃迁产生不同的标识X X射线，射线，

55、例如例如L L、MM、N N层电子向层电子向K K层跃迁产生层跃迁产生K K系标识系标识X X射线，射线，MM、N N层电子向层电子向L L层跃迁产生层跃迁产生L L系标识系标识X X射线，射线，依次类依次类推。推。 标识标识X X射线呈单个或多个线状谱，其能量与高速电射线呈单个或多个线状谱，其能量与高速电子的能量无关，只取决于轨道电子的能级和能级差，子的能量无关，只取决于轨道电子的能级和能级差，也就是说，它只与靶材料的原子结构有关。也就是说，它只与靶材料的原子结构有关。 依据这种性质，标识依据这种性质，标识X X射线可用于金属成分和结构射线可用于金属成分和结构分析。由于它的能量很低，在射线探

56、伤中没有多大作分析。由于它的能量很低，在射线探伤中没有多大作用。用。 58 、连续、连续X X射线与标识射线与标识X X射线的不同之处射线的不同之处 、产生机理不同：连续、产生机理不同：连续X X射线是高速电子与原子核外射线是高速电子与原子核外库仑场作用产生的；标识库仑场作用产生的；标识X X射线是高速电子与原子的内层轨射线是高速电子与原子的内层轨道电子作用产生的。道电子作用产生的。 、频谱不同：、频谱不同： 连续连续X X射线是连续谱，标识射线是连续谱，标识X X射线是线射线是线状谱。状谱。 、连续、连续X X射线的能量取决于管电压，标识射线的能量取决于管电压，标识X X射线的能射线的能量与

57、管电压无关，只取决于靶材。量与管电压无关，只取决于靶材。 标识标识X X射线能量低线质软，在探伤中基本上不起作用，射线能量低线质软，在探伤中基本上不起作用，工业探伤中起作用的主要是连续工业探伤中起作用的主要是连续X X射线。射线。1.2.3 .2.3 射线的产生及特点射线的产生及特点 1 1、 射线的产生射线的产生 射线是放射性同位素经过射线是放射性同位素经过 或或 衰变后，在激发态向衰变后，在激发态向稳定态过渡的过程中从原子核内发出的，这一过程称稳定态过渡的过程中从原子核内发出的，这一过程称作作 衰变，也称为衰变，也称为 跃迁。跃迁。 与核外电子的跃迁一样，与核外电子的跃迁一样， 跃迁也可以

58、放出光子。跃迁也可以放出光子。其不同之处是，其不同之处是， 跃迁是核内能级之间的跃迁，其放出跃迁是核内能级之间的跃迁，其放出的的 光子能量在几千电子伏到十几兆电子伏之间，而核光子能量在几千电子伏到十几兆电子伏之间，而核外电子跃迁放出的外电子跃迁放出的x x光子能量只有几电子伏到几千电子光子能量只有几电子伏到几千电子伏。伏。2 2、 射线的特点射线的特点 、 射线的能量是由放射性同位素的种类决定的。射线的能量是由放射性同位素的种类决定的。 一种放射性同位素可能放射出许多一种放射性同位素可能放射出许多 60 种能量的种能量的 射线，对此取其所辐射出的所有能量的平均值作射线，对此取其所辐射出的所有能

59、量的平均值作为该同位素的辐射能量。如为该同位素的辐射能量。如C C O O6060的平均能量为（的平均能量为（1.17+1.331.17+1.33）/2=1.25MeV/2=1.25MeV。 、 射线的能谱为线状谱，谱线只出现在特定波长射线的能谱为线状谱，谱线只出现在特定波长的若干点上。的若干点上。 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单位时间内原是指放射性材料单位时间内原子的衰变数子的衰变数, , 标准度量单位为贝可标准度量单位为贝可(Bq),1Bq(Bq),1Bq表示每秒钟表示每秒钟内有一个原子发生衰变，即内有一个原子发

60、生衰变，即1Bq=1/s1Bq=1/s。 放射性活度的常用单位为居里（放射性活度的常用单位为居里（CiCi）,1Ci,1Ci表示放射表示放射性材料每秒钟有性材料每秒钟有3.73.710101 01 0个原子发生衰变，即个原子发生衰变，即1Ci=3.71Ci=3.710101010 /s /s。 对于同一种放射源来说，放射性活度大的源对于同一种放射源来说，放射性活度大的源, ,单位单位时间内衰变的原子数目多，因而放射的时间内衰变的原子数目多，因而放射的 射线多，其射线多，其 射射线强度就大。线强度就大。62 但对不同的放射源来说，即使放射性活度相同，也但对不同的放射源来说，即使放射性活度相同，也