第十三章光谱激光X射线

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1、第十三章第十三章 激光和激光和X射线射线激 光1.1.1.1.受激吸收、自发辐射、受激辐射受激吸收、自发辐射、受激辐射受激吸收、自发辐射、受激辐射受激吸收、自发辐射、受激辐射 如果原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到如果原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到较高能态，这种过程就称为较高能态，这种过程就称为受激吸收。受激吸收。 受激吸收受激吸收 没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低能态，并辐射一个光子，这种过程叫能态，并辐射一个光子，这种过程叫自发辐射自发辐射。 自发辐射自发辐射各个原子自发辐射的光是非相干光各个原子自发辐射的光是非相干光自发辐射自发

2、辐射自发辐射自发辐射 若原子受到一个满足频率条件的外来光子的若原子受到一个满足频率条件的外来光子的激励，由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同激励，由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同频率的光子来，这种过程叫做频率的光子来，这种过程叫做受激辐射受激辐射。 受激辐射受激辐射各个原子受各个原子受激激辐射的光是相干光辐射的光是相干光自发辐射自发辐射自发辐射自发辐射 在通常情况下，原子在各能级上的分布服从在通常情况下，原子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较多玻尔兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较多, ,光通过物质时，受激吸收占优势。光通过物质时，受激吸收占优势。 激光就是由受

3、激辐射产生的被放大了的相干光。激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。激光的英文名为激光的英文名为“light amplification by stimulated emission of radiation”第一个字母的缩写。第一个字母的缩写。 在通常状态下，三种跃迁同时存在，受激吸收在通常状态下，三种跃迁同时存在，受激吸收使光子数减少，受激辐射使光子数增加。哪种跃使光子数减少，受激辐射使光子数增加。哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。迁占优势取决于高低能级的原子数。 （1 1）粒子数反转）粒子数反转 要要使使受激辐射占受激辐射占优势，必须使处在高优势，必须使处在高能级的原子数多于低能

4、级的原子数多于低能级的原子数，这种能级的原子数，这种分布与正常分布相反，分布与正常分布相反，称为称为粒子数布居反转粒子数布居反转分布分布。粒子数反转粒子数反转 存在粒子数反存在粒子数反转分布的物质称为转分布的物质称为激活介质。激活介质。2.2.产生激光的基本条件产生激光的基本条件 在激活介质的在激活介质的两端安置两块反射两端安置两块反射镜面，一个是全反镜面，一个是全反射镜，一个是部分射镜，一个是部分反射镜，这对反射反射镜，这对反射镜面及其间的空间镜面及其间的空间称为称为光学谐振腔。光学谐振腔。（2 2）光学谐振腔）光学谐振腔 要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采要得到方向性和单色性很好的激

5、光，还必须采用用光学谐振腔。光学谐振腔。光学谐振腔光学谐振腔产生激光的基本条件产生激光的基本条件产生激光的基本条件产生激光的基本条件 最初的受激辐射源于自发辐射，只有与反射最初的受激辐射源于自发辐射，只有与反射镜轴向平行的一定波长的光能在激活介质内来回镜轴向平行的一定波长的光能在激活介质内来回反射，雪崩式地放大，在一定条件下形成稳定的反射，雪崩式地放大，在一定条件下形成稳定的强光光束，从部分反射镜面输出，得到激光。强光光束，从部分反射镜面输出，得到激光。 光学谐振腔对光的方向选择性光学谐振腔对光的方向选择性产生激光的基本条件产生激光的基本条件产生激光的基本条件产生激光的基本条件（3）阈）阈值值

6、条件条件 在谐振腔内，除了有光的增益，还存在在谐振腔内，除了有光的增益，还存在工作物质对光的吸收、散射以及反射镜的吸工作物质对光的吸收、散射以及反射镜的吸收和透射等造成的各种损耗，只有当光在谐收和透射等造成的各种损耗，只有当光在谐振腔内来回一次所得的增益大于损耗时，才振腔内来回一次所得的增益大于损耗时，才能形成激光。增益大于损耗的条件称为阈值能形成激光。增益大于损耗的条件称为阈值条件。条件。产生激光的基本条件产生激光的基本条件产生激光的基本条件产生激光的基本条件3.3.3.3.激光器的组成和常见激光器激光器的组成和常见激光器激光器的组成和常见激光器激光器的组成和常见激光器常用激光器由三部分组成

7、：常用激光器由三部分组成： 工作物质工作物质 激励能源激励能源 光学谐振腔光学谐振腔激光激光工作物质工作物质激励能源激励能源谐振腔谐振腔激光器结构示意图激光器结构示意图按按输出方式分：输出方式分：脉冲输出脉冲输出连续输出连续输出半导体激光器半导体激光器按工作物质分按工作物质分 ：气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器液体激光器液体激光器自由电子激光器自由电子激光器激光器的分类激光器的分类激光器的组成和常见激光器激光器的组成和常见激光器激光器的组成和常见激光器激光器的组成和常见激光器4.4.4.4.激光的特性及其应用激光的特性及其应用激光的特性及其应用激光的特性及其应用（1 1）方向性好）方向

8、性好 激光束的发散角很小，激光束的发散角很小，一般为一般为 激光定位、导向、激光定位、导向、测距等就利用了方向测距等就利用了方向性好的特点。性好的特点。（2 2）单色性好）单色性好 在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准器的氪灯（器的氪灯（K K1 18686）, ,它的谱线宽度为它的谱线宽度为4.7104.710-3-3纳米纳米; ;而激光谱线宽为而激光谱线宽为 纳米，为氪灯谱线宽度的纳米，为氪灯谱线宽度的5 5万分万分之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单色性。色性。 计量工作的标准光源、激光通讯等

9、利用了计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。单色性好的特点。激光的特性及其应用激光的特性及其应用激光的特性及其应用激光的特性及其应用(3)(3)亮度高亮度高 亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。位立体角内发射的功率。 激光的功率密度特别大，因而其亮度也特别激光的功率密度特别大，因而其亮度也特别大。大。激光的特性及其应用激光的特性及其应用激光的特性及其应用激光的特性及其应用 激光能量在时间和空间上高度集中，能在极激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。小区域产生几百万度的高温。 激光加工、激光手术

10、、激光武器等就利用激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。了高亮度的特点。(4)(4)相干性好相干性好 激光具有很好的相干性。激光具有很好的相干性。 普通光源的相干长度约为普通光源的相干长度约为1 1毫米至几十厘米，毫米至几十厘米，激光可达几十公里。激光可达几十公里。 全息照相、全息全息照相、全息存储等就利用了相干存储等就利用了相干性好的特点。性好的特点。全息照相全息照相激光的特性及其应用激光的特性及其应用激光的特性及其应用激光的特性及其应用X 射 线 图为图为“钱德拉钱德拉”拍摄到的月球明亮区域由拍摄到的月球明亮区域由氧、镁、铝和硅原子发出的氧、镁、铝和硅原子发出的X射线照片。射

11、线照片。X射线的发现 1895年德国物理学家伦琴（W.C.Rontgen） 在用放电管研究阴极射线时，发现在离放电管 数米远放置的铂氰化钡发出了荧光。进一步实 验证实，这是由于放电管管壁受到高速电子撞 击时，放出的一种人眼看不到的射线引起的， 后来这种看不见的射线被称为X射线。（实验 还拍到了伦琴夫人手掌的X光照片）第一张X光照片 一 、 X射线的发生装置 主要组成部分： 1、X射线管 2、低压电源 供阴极发射电子 3、高压直流电源 供给阴、阳两极之间所需的直流高压第一节 X射线的产生极其性质 X射线是高速电子流在运动中突然受到物体阻止而产生的。 X射线的产生必须满足两个条件： 1、 必须有高

12、速度的电子流。 2 、必须有阻止电子运动的障碍物，将电子的动能转化为X射线的能量。 X射线管是X射线发生装置的核心。现代X射线管都是热阴极式的。这种X射线管的外壳用硬质玻璃制成，管内封装有阴极阴极和阳极阳极，内部抽成高度真空。阳极由高熔点的钨丝制成，通电加热时可以发射电子，故称阴极。而阳极常有一小块钨板嵌在铜柱体的斜面上做成。阴极与阳极之间加有几万伏至几十万伏的直流高压电源称为管电压。X射线工作时通过两极之间的电流称为管电流。阴极通电加热之后，从阴极发射出来的电子，在强电场力的作用下，高速飞向阳极，轰击阳极靶时突然受阻，急剧减速，部分电子动能转化为X光子的能量向外辐射，就产生了X射线。二、 X

13、射线的基本性质 X射线是波长在1010-3 nm 范围的电磁波。 它具有一切电磁波的特性:反射、折射、 干涉、衍射和偏振。 X射线的波长很短，能量很大，因此，它 还具有以下几个特性： X射线的波长短，能量大（W=hf=hc/） ， 对物质穿透本领很强。 X射线对人体各种组织的穿透能力的分类 如下：可穿透组织 体内气体、脂肪、肌肉等 中等可透组织 结缔组织、软骨等 不易透过组织 骨骼等 1、 贯穿本领结论： X射线对人体不同组织穿透性的差别就是X射线透视和摄影时得以形成不同组织影像的基础 2 、电离作用 X射线能使一些物质的原子或分子电离。在X射线照射下的气体能电离而导电，电离电流与X射线的强度

14、成正比。 3 、感光作用 X射线照射某些物质能引起光化反应，使照相底片感光。如：摄影 4、荧光作用 X射线照射某些物质，（如硫化锌、铂氰化钡、钨酸钙、磷等）可以产生荧光。荧光亮度与X射线的强弱有关。如：透视X射线的强度和硬度 X射线的强度 它表示X射线的量，决定影像的明亮程度。 定义为单位时间内通过与X射线方向垂直的单位面积的辐射能量，用 I 表示。单位（瓦/米2 ）。若单位时间内打到靶上的电子数越多，转变为光子的数也越多， X射线的强度就越大，即强度与管电流成正比。通常用管电流的毫安数来表示X射线的强度。 X射线的硬度 就是指X射线的穿透本领，表示X射线的质。它取决于X光子的能量，与光子数目

15、无关。 X光子的能量与管电压成正比。通常用管电压的千伏数来表示X射射线的硬度。 在X射线的医学治疗中，都必须掌握合适 的强度和硬度，不足或过量不但达不到 预期效果，还会产生副作用。 在医疗上按照硬度将X射线分类如下：名称管电压最短波长主要用途极软X射线5-200.25-0.062软组织摄影，表皮治疗软X射线20-1000.062-0.012透视和摄影硬X射线100-2500.012-0.005较深部组织治疗极硬X射线250以上0.005以下深部组织治疗第二节 X射线谱X射线的波长很短，穿透本领很强，因此很难用普通的光学光栅来进行衍射实验。直到1912年，德国物理学家劳厄才利用晶体作为空间光栅，

16、首次获得X射线的衍射图象，证明了X射线的波动性质，并证明了晶体的点阵结构。利用X射线照射到晶体上产生衍射的方法，可以获得X射线谱。下图是X射线摄谱装置的原理图： X射线管发出的X射线经过两块铅屏上的狭缝然后投射到晶体上。晶体可以绕着通过晶体中心与表面平行的轴转动，这样，连续转动晶体改变角时，不同波长的X射线将得到不同方向的加强，在圆弧形照相底片上就得到多种波长X射线束按波长排列展开的X射线谱。下图是钨靶X射线管的X射线谱一、连续X射线谱当高速电子轰击阳极靶时，电子受原子核电场作用而急剧减速，部分动能转化为X光子的能量辐射出来，这种辐射称为轫致辐射。每个电子可能产生多次轫致辐射，且各个电子与原子

17、核的距离不同，即受阻情况不同，所以损失的动能有各种不同的数值， X光子的能量就不一致，从而形成了各种波长的连续谱。 右图是钨靶X射线管在四种较低管电压时的X射线谱：谱线的强度随波长发生变化，从长波向短波方向其强度逐渐上升，到最大值后迅速下降，与强度下降至零相对应的波长是连续谱中最短的波长，称为短波极限短波极限。 比较图中曲线可知，每条曲线都有一个强度最大值和一个短波极限。当管电压增大时，各波长的X射线强度都随之增高，而且强度最大的波长和短波极限都向短波方向移动。连续X射线谱的短波极限与管电压成反比 假设光子的能量最大值为h，对应与连续谱中短波极限为。管电压为，电子的电量为e，加速电场对电子所作

18、功为e，电子获得的动能为 若此动能全部转化为光子的最大能量h，则： 二、标识X射线谱 线状谱线的波长决定于阳极靶的材料，与管电压无关。不同元素制作的靶，具有不同波长的线状X射线谱，而这些谱线可以作为这些元素的标志，所以称为标识X射线谱。 标识X射线的产生，是由于管电压很高，高速电子轰击阳靶时具有足够大的动能，能够与靶原子的内层电子发生强烈的相互作用，使内层电子从原子中脱出，在原子的内层出现一个空位。如果打走的是K层电子，则空出来的位置就会被L、M或更外层的电子所填补。（如图）并在电子跃迁过程中发射出X光子，所发射光子的能量等于跃迁始末能级的能量差。这些跃迁不是同时在同一个原子中发生的，而是大量

19、原子发生的，所以能形成一定强度的谱线。不同元素的线状X射线谱的结构是相似的，但其波长随着原子序数增加而变短。物质对X射线的吸收一、物质对X射线的吸收规律： X射线通过物质时，原进行方向强度逐渐减弱的现象。 I0是X=0处射线的强度（入射强度），I 是通过厚度为X的物质层后的射线强度（出射强度），则 I= I0e-x . (1)（1） 式表明X射线通过吸收物质时其强度按指数规律减小。 常数称为线性吸收系数，若厚度的单位为m，则的单位为m-1，由（1）式可知越大，则x射线在物质中强度减弱的越快，即被吸收越多；反之强度减弱的越慢，即被吸收越少。1、质量吸收系数、质量吸收系数物质性质或状态不同， 值也

20、就不同。 同一种物质的线性吸收系数与它的密度是成正比的，其比值称为质量吸收系数质量吸收系数，即 m =/ . （2） 可见， m 与无关，也就是与物质状态无关。为了比较各种物质对X射线的吸收本领，则（1）式可改为I= I0e-m m . (3) 其中m =,称为质量厚度，等于单位面积 中厚度为x的吸收层的质量。 m 的单位为kgm-2, m 的单位为m2kg-1 低能X射线质量吸收系数可近似地写为 m= k 3z3 式中为k比例系数，z为原子序数。 由此可见，对于低能X射线来说，若波长一定， 则原子序数愈大的物质，吸收本领也愈大。对一定的物质，波长愈长的X射线就愈容易被吸收。 2、半价层 物质

21、对X射线强度吸收一半的厚度（或质量厚度）称为该物质的半价层，用x1/2 （或xm1/2 ）表示，通常也用半价层来比较物质对X射线的吸收本领。 由（2）和（3）式可得 ： x1/2=2/=0.693/ xm1/2= 2/m=0.693/ m X射线在物质中经过n个半价层的强度为I=I01/2n各种物质的吸收系数与X射线的波长有关，不同的波长吸收系数不同，因此，以上各式只适用于单色X射线。X射线连续谱包含各种波长，混合X射线的总强度并不是严格地按指数规律减弱。实际应用时，可以近似地按指数规律处理，公式中 （m）用各种波长吸收系数的平均值代替。 二、物质吸收X射线的机理1、光电效应 X射线通过物质时

22、，X光子与物质中的原子相互作用，全部能量交给一个内层电子，光子本身消失而电子飞出原子的现象。飞出的光子称为光电子。 2、康普顿散射 X射线通过物质时，X光子与物质中的原子相互作用，部分能量交给电子，使电子飞出原子，而本身能量减少且改变运动方向的现象。飞出的电子称为反冲电子。 在散射实验中，有的X光子碰撞后能量不变，只是改变了运动方向，称为不变散射。 X光子能量在50keV以下时，光电吸收为主；能量在6090keV之间，光电吸收和康普顿散射吸收同样重要；能量在200keV2MeV之间则以康普顿散射吸收为主。第四节 X射线的医学应用一.透视和摄影1.X射线透视 人体不同组织对射线的吸收系数是不同的

23、，因此，同样强度的射线通过人体后强度就不同了，投射在荧光屏上形成明暗不同的图象2.X射线摄影 让通过人体后的射线投射在照相底片上，得到明暗不同的照片3. 举例： 检查骨折 ，肺结核病灶，确定肿瘤的位置和大小，断定体内有无异物 二.人工造影人工造影： 体内有些器官与周围组织对射线的吸收相差很小，在荧光屏上或照片上的差别就很小，不易分辨。将一些原子叙述大的或小的物质注入这些器官，以增大它们的影象反差，从而增加它们与周围组织的差别，达到诊断的目的。造影剂： 这些注入器官的物质称为造影剂应用举例： 检查肠胃的钡餐，检查关节的空气三. 软X射线摄影 为了区别密度差别很小的软组织的影像，常采用波长较长的软

24、 射线对组织进行摄影。 因为物质对射线的吸收本领与波长的三次方成正比，所以软组织对射线的吸收随波长的增加而显著增加，这样软组织之间的微小差别在底片上就比较明显四 电子计算机断层摄影装置(CT) 基本原理： 将射线高度准直后，围绕病人身体某一部分作横断扫描，用灵敏的探测器接受的射线，用计算机计算出该层面各点的射线吸收系数值，再由图象显示器将不同的数据用不同的灰度等级显示出来，即得到该断层面的解剖结构图像 人体由不同成分的物质组成，因此，射线到达某一部位时，实际上射线已通过了几个不同的物质层1 每一个小立方体的吸收系数不相同每一个小立方体的厚度相等为x，则 I1=I0e-u1x I2=I1e-ux

25、 =I0e-(u1+u2) In=I0e-(u1+u2+U3+un-1) X射线穿过路径的吸收系数为 u1+u2+ui+un=1/xI0/I1因此，透射 线强度 的大小与该射线进行方向上各小立方体的吸收系数的总合有关。2每一小立方体的吸收系数不同 把某一组织断层面分为n*n个微小的体积元（称为像素）， 如图所示当射线管和探测器作同步移动时，可以记录m个强度值。射线管和探测器一起转动一个小角度再作同步移动，就可以记录第m个强度分度值。继续转动，知道各个像素的吸收系数所组成的方程个数多于像素个数为止五五 放射治疗和预防放射治疗和预防 治疗： 生物细胞经一定量的射线照射后，便产生电离和激发，细胞受到损伤，抑制甚至死亡，尤其对分裂活动旺盛的或正在分裂的细胞破坏力更强，所以射线对某些癌症有一定疗效。 防护：过量的受射线照射对身体有损害作用，因此医务工作者应注意防护