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1、,内容导入：射线检测的原理是射线在穿透物质时，由于吸收和散射，通过不同区域的射线强度不同，用胶片把这种差异记录下来，经过暗室处理,就得到了黑白程度不同的影像，对影像进一步分析，进而进行质量评价。射线有哪些种类，它是怎样产生的，在穿透物质时与物质的相互作用等物理基础是本章的主要内容,第一单元 射线检测的物理基础,一、元素与原子 一切物质都是由元素构成的，迄今为止，已发现的元素有100多种，其中自然存在的有94种，人工合成的有十几种。为了便于表达和书写，每种元素都用一定的英文字母来表示，称为元素符号。例如，碳的元素符号是C，钴的元素符号是Co，铁的元素符号是Fe。 原子是元素的具体存在，是体现元素
2、性质的最小微粒。原子质量极其微小，例如氢原子质量为1.67310-24g，以常用质量单位表示很不方便，因此物理学中采用“原子质量单位”，用符号“u”表示，即规定碳同位素612C质量的1/12为1u ,而原子量就是某元素原子的平均质量相对于612C原子质量单位的比值。照此规定，氢元素的原子量为1，氧元素的原子量为16。,模块一 原子与原子结构,原子由一个原子核和若干个核外电子组成。原子核带正电荷，位于原子中心，电子带负电荷，在原子核周围高速运动。原子核所带的正电荷与核外电子所带的负电荷数量相同，所以整个原子呈点中性，核外电子数等于核电子数。不同元素的核电荷数不同，核外电子数也不同。原子核仍然可以
3、再分，试验证明，原子核是由两种更小的粒子即质子和中子组成的。中子不带电，1个质子带1个单位正电荷。原子核中有几个质子，就有几个核电荷，因此得到以下关系 质子数=核电荷数=核外电子数=原子序数 原子量=质子数+中子数 中子数=原子量-质子数=原子量-原子序数Z,模块一 原子与原子结构,二、核外电子运动规律 1911年，物理学家卢瑟福根据 粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型。他设想，原子中的带正电部分集中在很小的中心体内，即原子核，并占有原子的绝大部分质量，原子核外散布着带负电的电子。这个模型很快被广泛接受，但是，核外电子的分布情况并不清楚。 1913年，物理学家玻尔在原子核式结构模型的基础上
4、，提出了后人称为卢瑟福-玻尔原子模型的原子结构模型，即原子结构的行星模型。 原子结构的行星模型认为，原子由带正电荷的原子核和Z个核外电子组成，Z为原子序数。原子核位于原子的中心，电子围绕原子核运动。但电子绕核运动的轨道不是任意的，也不能连续变化。电子只能沿一些分立的满足一定条件的轨道运动，这些轨道称为量子轨道。,模块一 原子与原子结构,关于原子结构，玻尔提出了两条假设：一是原子只能存在于一些具有一定分立能量为E1、E2、E3、的稳定状态上。处于稳定状态的原子不辐射能量，只有在原子从一个稳定状态跃迁到另一个稳定状态时，它的能量才发生改变。这些稳定态对应的不连续的能量数值组成原子的能级。二是原子从
5、能量为En的稳定态跃迁到能量为Em的稳定态时，将发射或吸收一个频率为的光子， 这些稳定态称为“定态”，能量最低的定态称为“基态”，其他定态均称为“激发态”。处于基态的自由原子相当稳定，处于激发态的原子均不稳定，在很短的时间后将释放能量回到基态。,模块一 原子与原子结构,按照玻尔的理论，原子内部的电子呈壳层分布，这些壳层叫作电子壳层或电子层。电子壳层的分布按原子内电子所具有的能量大小排列而成，能量越大的电子，离核的平均距离越远。 不同能量的电子运动状态不同，能量低的电子通常在核附近的区域运动，能量高的电子通常在离核较远的区域运动。也就是说，能量低的电子出现在离核较近区域的机会多，能量高的电子出现
6、在离核较远区域的机会多。如果把在一定电子层上的电子所占据的空间称为一个“轨道”，则电子在不同的轨道上运动，但这并不是通常所说的运动轨道。按照这种理论，核外电子也可以称为轨道电子。核外电子的分层排布服从下列规律： 1）泡利不相容原理：在同一原子中，不能存在运动状态完全相同的电子。 2）能量最低原理：核外电子总是先排布在可能的能量最低的轨道上，使原子的能量处于最低的状态，这时候原子才是稳定的。,模块一 原子与原子结构,三、原子核结构 原子核由质子和中子组成。质子是一种物质微粒，带有一个单位的正电荷,中子也是一种物质微粒，不带电荷。不同原子的原子核含有的质子数和中子数不同。在原子核中，作用的力除了库
7、仑力、万有引力、磁力外，还存在强大的核力，其他力远小于核力，核力具有下列特性： 1）核力是一种短程力，随着距离的增大，作用力急剧减小。 2）核力具有饱和性。 3）核力与电荷大小无关，它比电场力强得多，质子和中子都受到核力的作用。,模块一 原子与原子结构,核力的上述性质决定了原子核的稳定特性，精确的测定发现，原子核的质量总是小于构成原子核的质子和中子的质量和，这种现象叫做质量亏损。 物质的能量和质量之间存在着密切的联系，它们之间的关系是 E=mc2 这就是著名的质能方程。这个方程告诉我们，物质具有的能量与它的质量存在着简单的正比关系。核子在结合成原子核时出现质量亏损，所以要放出能量，大小为 E=
8、mc2 （1-3） 例如中子和质子组成氘核时，由于质量亏损，放出2.2MeV的能量，可见核反应涉及的能量十分巨大。我们把核子结合成原子核时释放的能量称为原子核的结合能。原子核不同，结合能也不同，每个核子的平均结合能也不同。结合能越大原子核就越稳定。,模块一 原子与原子结构,通常所说的射线可以分为两类，一类是电磁辐射，另一类是粒子辐射。X射线、射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线一样都属于电磁辐射,电磁辐射的能量子是光（量）子，电磁辐射与物质的作用是光子与物质的相互作用。粒子辐射是指各种粒子射线，如 粒子、 粒子、质子、 电子 、中子等，都属于粒子辐射。粒子辐射与电磁辐射的基本区别是都具有确定
9、的静止质量。粒子辐射与物质的相互作用是粒子与物质的作用，不同粒子特性不同，作用的机制和过程也不同。显然，两类辐射在本质上有不同，在与物质作用时也具有各自的规律和特点（实际上，不同的粒子也不同）。,模块二 X射线与射线,模块二 X射线与射线,一、X射线与射线的性质 X射线和射线具有以下性质： 1)在真空中以光速直线传播。 2)本身不带电，不受电场和磁场的影响。 3)在媒质界面上只能发生漫反射，而不能像可见光那样产生镜面反射。X射线和射线的折射系数非常接近于1，所以折射的方向改变不明显。 4)可以发生干涉和衍射现象，但只能在非常小的缝隙中发生，例如晶体组成的光栅中才能发生这种现象。 5)不可见，能
10、够穿透可见光不能穿透的物质。 6)在穿透物质过程中，会与物质发生复杂的物理和化学作用，例如电离作用、荧光作用、热作用，以及光化学作用。 7)具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，破坏生物组织。,模块二 X射线与射线,二、X射线的产生及特点 1895年，物理学家伦琴在暗室里做阴极射线气体放电的实验时，发现了一种奇异的射线，这种射线不可见，能使荧光材料发光，考虑到射线的神秘性及本性的不确定性，当时伦琴把它称之为X射线。实验证明，X射线是由高速运动的电子撞击金属靶时产生的射线。高速电子急剧减速，其动能转化为电磁辐射，产生X射线。 X射线谱由两部分组成：连续X射线谱（钨靶）和特征X射线谱（钼靶，标识X射
11、线谱)。连续谱是图中从最短波长开始，随着波长的增长强度逐渐变化的部分。特征谱是在某些波长的强度变化叠加在连续谱上的线状谱线部分。两种谱的特点不同，产生的机理也不同。,模块二 X射线与射线,在X射线管中，灯丝加热后，将发射电子，这些电子在X射线管两端所施加的高压电场的作用下，高速飞向阳极，那么一个电子到达阳极时获得的最大动能为 EK=(1/2)mv2 当它到达阳极时，如全部能量转化成动能，由此发射的光子可能有的最大能量为 Ek= ev = hVhc/min 代入各值，则得 min=hc/ev12.4/V(Kv) 式中 e 电子的电量（C），1.6010-19C； C 光速，3108m/s（米秒）
12、； V 管电压，单位千伏特（kv）； h 普朗光恒量，6.62610-34J.s。,模块二 X射线与射线,连续谱的分布特点可以理解如下：在一定加速电压下获得一定能量的大量电子,在靶面上的减速过程将是各种各样的，不同的减速过程发生的可能性不同,极少量的电子经过一次或很少次数的撞击，就损失了全部的能量,多数电子需经过多次撞击过程逐渐损失掉全部能量,因此,辐射的光子能量有小有大，多种多样,这样就形成了连续谱。,模块二 X射线与射线,在X射线管中，连续谱X射线转换效率等于连续谱X射线总强度与X射线管输入功率之比，显然它等于 I/Vi= Kiziv2Vi=Kizv 可见，X射线的转换效率与管电压和靶物质
13、原子序数成正比。在其他条件相同的情况下，管电压越高，转换效率越高；管电压的高压波形越接近恒电压，转换效率也越高。实际上，X射线的转换效率是比较低的，输入的能量绝大部分转换为热能,例如，当电压为100kV时，X射线的转换效率仅为1，而产生4MeV的X射线的加速器 ，其转换效率仅为36，所以，X射线管必须有良好的冷却装置，以保证阳极不被烧坏。,模块二 X射线与射线,当X射线管的管电压超过激发电压Vk时，阴极发射的电子可以获得足够的能量，它与阳极靶相撞时，可以把靶原子内层轨道的电子击出，使内层轨道出现空穴，邻近电子层的电子跃迁到空位，同时放出一个光子。光子的能量等于发生跃迁的两能级能值之差。不同原子
14、其原子层结构不同，各层之间的能量差也就不同，因此，辐射光子的能量也就不同，形成了特定波长的光子。从这些谱线的波长能够识别原子的结构特点，也因为如此，才称这些谱线为特征谱线或标识谱线。特征谱线的能量很低，在X射线检测中，特征谱不起什么作用。,模块二 X射线与射线,特征谱的主要特点是： 1)每一谱线都有特定的波长，电子撞击的物质不同，这些特定波长的值也不同。 2)特征谱可以分成若干组,称为系，每一系的谱线都有自己特定的结构和激发电压，只有电子的加速电压超过激发电压时，才能产生该系的特征谱线。,模块二 X射线与射线,X射线特征谱 特征谱产生示意图,射线是具有特定能量的光子流。简单地说，射线是在放射性
15、同位素的原子核发生衰变过程中产生的，其实质是在放射性衰变过程中所产生的处于激发态的核，在向低能级的激发态或基态跃迁过程中产生的辐射。显然，射线的产生过程不同于X射线。 不同的原子核具有不同的能级结构，所以，不同的放射性元素辐射的射线具有不同的能量，其射线为线状谱。 射线也是波长很短的电磁波，在本质上与X射线相同。,模块二 X射线与射线,【想一想】 当电压为100kV时X射线的转换效率仅为1，此时靶是什么材料？如果转换效率提高到3，电压需提高多少？,模块二 X射线与射线,三、放射性与放射性衰变 1896年,法国物理学家贝克勒尔发现铀和含铀的矿物能发射出看不见的射线，这种射线能使胶片感光。物质发射这种射线的性质称为放射性，具有这种性质的元素称为放射性元素，自然界存在的放射性元素称为天然放射性元素。原子序数高于83的天然存在的元素都具有放射性。某些元素的同位素也具有放射性，称为放射性同位素。通过人工方法得到的放射性同位素，称为人工放射性同位素。天然放射性同位素仅有60多种，人工放射性同位素已有一千六百多种，在射线检测中应用的Y射线源，大都是人工放射性同位素。,模块二 X射线与射线,在人们发现的两千种核素中，绝大部分是不稳定的，它们会自发变为另一种核素，同时放出各种射线，这种现象称为放射性衰变。 放射性衰变有多种形式，其中最主要的有：
