第1章原子结构及电离辐射

1、第一章第一章 原子结构和电离辐射原子结构和电离辐射驻马店卫生学校影像室董战军第一节第一节 原子结构原子结构l自然界存在的一切物质，都是有元素组成的。目前已知的地球元素有118种，其中94种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绕行的电子所组成的。l原子的直径约10-10m。l一个原子的结构就像太阳系一样，它的核如同太阳，围绕的电子如同行星，并沿一定的轨道旋转。l相对而言，原子核可以看成是不运动的，而电子在运动。原子核只占据整个原子极小的一部分空间，其直径不及原子直径的1/10000。核外电子的直径比原子核小得多，却占据原子大部分空间。l原子内有一个相对“很大”的空间，就像我

2、们的太阳系，星体之间都有很大的空间。所以一个高速电子或高能光子可以很容易地穿过原子。一、原子核一、原子核（一）原子核的组成原子核：由带正电的质子和不带电的中子组成。（二）放射性核素（二）放射性核素l各种元素原子的结构都很相似，但组成不同元各种元素原子的结构都很相似，但组成不同元素的质子、中子和电子数目不同，因而决定不素的质子、中子和电子数目不同，因而决定不同元素具有不同的性质。用符号同元素具有不同的性质。用符号 表示某表示某种原子。种原子。l 其中其中X X代表元素的化学符号；代表元素的化学符号；Z Z为原子序数，为原子序数，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质子数，与绕在核外的电子数相等；中的质子数，与绕在核外的电子数相等；A A为为原子质量数，其值等于原子核中质子数和中子原子质量数，其值等于原子核中质子数和中子数的总和，中子数目是数的总和，中子数目是A-ZA-Z。AZXl原子序数（原子序数（Z Z）质子数（）质子数（p p）电子数（）电子数（e e）l质量数（质量数（A A）质子数（）质子数（p p）+ +中子数（中子数（n n）l中子数（中子数（n n）质量数（）质量数（A A）- -原子序数（原子序数（Z Z）核素、同位素核素、同位素1.核素的概念： 具有一定质子数、中子数，并牌特定能量状态的原子或原子核称为核素。已知有2

4、000多种，分别属于100多种元素。2.同位素的概念 具有相同质子数、不同的中子数的核素互称为同位素。几乎所有的元素都有同位素。l核素：稳定性核素和不稳定性核素（放射性核素）。l1）稳定性核素：对核子总数有一定限度（一般为A209），而且中子数和质子数应保持一定的比例（一般为N/Z=11.5，也有个别例外）。l2）不稳定性核素（放射性核素）：任何含有过多核子或N/Z不适当的核素，都是不稳定的。A209的核素。 放射性核素的原子核能自发地衰变放射出、和射线，这个过程称为核衰变。l射线： 射线是由粒子组成的放射线。 粒子是由2个质子和2个中子组成的带有2个正电荷的高速运动的氦核。 l射线： 射线是

5、由粒子组成的放射线。 粒子是带有一负电荷的电子。是从原子核内发射出来的，故称为粒子。衰变时，放出的粒子的能量是一个连续的能量。l射线： 射线是由光子组成的放射线。 光子是一种中性高能光子，没有静止质量。 光子与X射线光子本质相同，只是产生的途径不同。 处于激发态的原子核是不稳定的，它会直接退回或级联退回到低能的基态。 原子核从激发态向低能态转变时发射光子。 光子的能量等于两个能态所具有的能量之差。二、核外电子结构二、核外电子结构（一）核外电子的排布 按照玻尔的理论，原子核周围的每一个绕行电子都有其一定的轨道，这些确定的轨道组成一系列的壳层，每一壳层均可近似地看作是原子核的同心圆球。最靠近原子核

6、的叫K层，顺序往外称为L、M、N、O、P、Q壳层。分别对应主量子数n1、2、3、4、5、6、7 。每个壳层最多容纳的电子 数不超过2n2个，每个原子的最外层电子数不得超过8个（K层为最外时不超过2个）。 一般规律是，电子先将内层填满，然后逐层向外填。二、核外电子结构二、核外电子结构（二）原子能级 轨道电子具有一定能量动能和势能的代数和。 电子在轨道上运动时具有的能量为：242222me Zh nE 242192221.6 10me Zh nE 上公式单位是焦耳（上公式单位是焦耳（J J），下公式单位电子伏特（），下公式单位电子伏特（eVeV）二、核外电子结构二、核外电子结构（二）原子能级 以氢

7、原子为例说明原子所具有的能量，若把已知的常数代入上式，且Z1，得出氢原子的能级公式：E-13.6/n2，单位电子伏特（eV）。 当n1时 E1-13.6eV n2 E2-3.40eV n3 E3-1.51eV n4 E4-0.850eV n5 E5-0.544eV n Enl把由于电子处于不同轨道而原子具有一系列不连续的能量数值称为原子能级。l不同元素的原子，它们的能级值也各不相同。但可用一定的能级公式算出。l原子能级还可以形象地用一系列平行直线表示，每条水平线代表一个能级，各水平线间的距离表示能级差的大小，以些标准绘制的图称为原子能级图（图1-2）。二、核外电子结构二、核外电子结构l由图可知

8、，随着n值的增大，能级间的差愈来愈小。当n时，相邻两能级差趋近似于零。l结合力：原子核对核外电子有很的吸引力，这种力称为结合力。l最靠近原子核的壳层电子结合力最大，距核越远的电子结合力越小。结合力还与原子序数Z有关，Z越高，核内正电荷越多，对电子的吸引力也越大。 结合能：把移走原子中某壳层轨道电子所需要的最小能量，称为该壳层电子在原子中的结合能。 原子能级是结合能的负值。原子中结合能最大的是K电子，其能级最低；而结合能较小的外层电子能级则较高。二、核外电子结构二、核外电子结构（三）原子激发和跃迁（三）原子激发和跃迁 基态基态 （正常态）：（正常态）：原子处于最低能量状态，电子运行时如既原子处于

9、最低能量状态，电子运行时如既不向外界辐射也不向外界吸收能量，处于基态的原子最稳定。不向外界辐射也不向外界吸收能量，处于基态的原子最稳定。 受激态（原子激发）：受激态（原子激发）：电子吸收了一定大小的能量后（某两个电子吸收了一定大小的能量后（某两个能级差的能量），电子跳跃到一更高的能级轨道上，此时原子不能级差的能量），电子跳跃到一更高的能级轨道上，此时原子不稳定，称受激态。稳定，称受激态。 跃迁：跃迁：激发态的原子激发态的原子 大极短的时间（大极短的时间（1010-8-8s s）内，外层轨道电）内，外层轨道电子或自由电子填充空位，同时放出一个能量为子或自由电子填充空位，同时放出一个能量为hvhv

10、的光子。（该的光子。（该光子的能量大小取决于两轨道之间的能级差）光子的能量大小取决于两轨道之间的能级差） 电离：电离：电子吸收了足够大的能量而摆脱原子核的束缚而成为自电子吸收了足够大的能量而摆脱原子核的束缚而成为自由电子。由电子。激发和电离都使原子的能量状态升高，使原子处于激发态而不稳激发和电离都使原子的能量状态升高，使原子处于激发态而不稳定的。定的。 hv 基态基态 受激态受激态 基态基态 激发激发 跃迁跃迁 l由此可见，当原子的壳层电子从一个能量为En2状态过渡（激发或跃迁）到另一个能量为En1的状态时，它将吸收（或发射）具有一定能量的光子。光子具有的能量等于电子在跃迁前后所具有的能量差，

11、即： EhvEn2En1其光子频率为：21nnEEh【例】当氢原子内的电子在激发状态也发生跃迁，若电子被激发到n=3的可能轨道上，它跃迁到n=2的可能轨道上时，所释放的能量和频率各是多少？解：已知氢原子M和 L轨道电子结合能值，取其负值即为能级值代入公式： EhvEn2En1 -1.51-（-3.40）1.90（ev）放出光子频率为：21nnEEh19341.51 ( 3.40) 1.6 10156.626 104.57 10 ()Hz 第二节第二节 电离辐射和电磁辐射电离辐射和电磁辐射l一、电离辐射l二、电磁辐射一、电离辐射一、电离辐射l电离：当原子中壳层电子吸收的能量大于其结合能时，电子将

12、脱离原子核的束缚，离开原子成为自由电子，这个过程称为电离。l电离辐射：具有足够的动能，直接或间接引起物质电离或激发，故称为电离辐射。简称辐射或放射。电离辐射又分直接电离辐射和间接电离辐射。直接电离辐射是带电粒子辐射（正、负电子，质子和 粒子等）；间接电离辐射是不带电粒子（如x射线、光子、中子等）。 l带电粒子电离过程：主要是具有足够能量的带电粒子与原子核外电子的碰撞引起的电离过程。所以带电粒子电离称为直接致电离辐射。l不带电粒子电离过程：由它们本身造成的电离与它们所产生的次级带电粒子引起的电离过程。不带电粒子的电离辐射引起的物质电离，主要是其所产生的次级电子所引起的。所以不带电粒子的电离辐射又

13、称为间接致电离辐射。l电离辐射可以是一种电离粒子组成的辐射，也可以是两者或两者以上电离粒子混合组成的辐射。二、电磁辐射二、电磁辐射l电磁辐射电磁辐射是带静电荷的粒子被加速时，所发出是带静电荷的粒子被加速时，所发出的辐射，又称为电磁波。也称为电子烟雾，是的辐射，又称为电磁波。也称为电子烟雾，是由空间共同移送的电能量和磁能量所组成。由空间共同移送的电能量和磁能量所组成。 （一）电磁辐射的基本性质（一）电磁辐射的基本性质1.电磁波的基本性质电磁波的基本性质 变化电场和变化磁场相互激发交替产生并变化电场和变化磁场相互激发交替产生并携带着能量由近及远的传播过程。电磁波是横携带着能量由近及远的传播过程。电

14、磁波是横波。波。二、电磁辐射二、电磁辐射（一）电磁辐射的基本性质（一）电磁辐射的基本性质2.电磁波的波长、频率和波速 波长：是指在一个振动周期内电磁波传播的距离。波长用字母表示，国际单位（SI）是米（m）。由于波长甚短，还可用纳米（nm）表示。频率：是指电磁波在1秒钟内完成全振动的次数。频率用字母表示，SI单位是赫兹（Hz），还用千赫兹（kHz），兆赫兹（MHz）。波速：是指电磁波在1秒钟内传播的距离。电磁波在真空中的传播速度，即光速c3108ms-1。电磁波在空气中的传播速度近似等于其在真空中的传播速度。波长、频率、波速的关系波长、频率、波速的关系: : 波速波速= =波长波长频率频率 即c

15、 ；c/二、电磁辐射二、电磁辐射（二）电磁辐射谱 电磁辐射所衍生的能量，取决于频率的高低，频率愈高，能量愈大。 电磁辐射由于波长（或能量）不同，具有不同的特性。 为了方便应用，将电磁波分成若干段，每个波段有各自的名称，并按波长顺序排列成谱，即电磁辐射谱。电磁波谱：电磁波谱：按电磁波的波长或频率大小的顺序把按电磁波的波长或频率大小的顺序把它们排列成谱，叫它们排列成谱，叫电磁波谱电磁波谱l 根据电磁波学说，光波与电磁波本质上是一样的。电磁辐射包括的范围极广，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、 射线均属于电磁辐射范畴。l电磁波谱中X射线范围为1010-3nm，其波长短，能量高。医用

16、诊断X线是在X射线管中产生的，治疗用高能X射线是在电子加速器中产生的。l射线是比X 射线波长更短的电磁波，它是放射性核素在衰变时从核内释放出来的一种射线。l想一想 电离辐射是电磁辐射吗？所有的电离辐射都不是电磁辐射吗？电离辐射与电磁辐射是什么关系？三、辐射的二象性三、辐射的二象性（一）电磁辐射的二象性l电磁辐射同时具有波动性和粒子性，即波粒二象性。光在传播过程中有波长、频率、反射、折射、散射、干涉、衍射等波动的特性。光的衍射：光绕过障碍物偏离直线传播路径而进入阴影区里的现象，l光在发射和吸收过程中，表现出粒子的性质，光只能一份份地发射，一份份地吸收。发射或吸收的能量是某一最小能量的整数倍，这份

17、最小的一份能量称为光量子，简称光子。光子的能量可用普朗克公式计算，即=h。 此公式本身表明了光的粒子性和波动性的双重特性。X线是电磁辐射，也同样具有波粒二象性。l将波长公式c/代入=h此公式得： =hc/ 由上式可以看出，电磁波的波长越短，其光子能量越大；波长越长，其光子能量越小（二）带电粒子辐射的二象性 实验证明，电子、质子、粒子等具有静止质量的微观粒子，在运动过程中也表现出波动的特性，这种波动称为物质波。因此，带电粒子辐射也具有波粒二象性。l否，原因：电离辐射是一切能引起物质电离的辐射总否，原因：电离辐射是一切能引起物质电离的辐射总称，其种类很多。电磁辐射是由空间共同移送的电能称，其种类很

18、多。电磁辐射是由空间共同移送的电能量和磁能量所组成，而该能量是由电荷移动所产生量和磁能量所组成，而该能量是由电荷移动所产生 。l电磁辐射里面波长较短，频率较高的那部分能使物质电磁辐射里面波长较短，频率较高的那部分能使物质产生电离的属于电离辐射如产生电离的属于电离辐射如X X射线、射线、 射线。射线。l l不同：不同：1.1.电离辐射是一切能引起物质电离的辐射，而电离辐射是一切能引起物质电离的辐射，而电磁辐射是由空间共同移送的电能量和磁能量所组成。电磁辐射是由空间共同移送的电能量和磁能量所组成。 2.2.电离辐射存在于自然界，但目前人工辐射已遍及各电离辐射存在于自然界，但目前人工辐射已遍及各个领域。而电磁辐射的来源有多种。人体内外均布满个领域。而电磁