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1、关于射线检测的物理基础(2)第1页，讲稿共70张，创作于星期日 第第1 1章章 射线检测物理基础射线检测物理基础1.1 1.1 原子与原子结构原子与原子结构 1.2 1.2 射线种类和性质射线种类和性质1.3 1.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用1.4 1.4 射线照相法的原理与特点射线照相法的原理与特点第2页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.1 1.1.1 元素与原子元素与原子元素：所元素：所具有相同核电荷的一类原子的总称。具有相同核电荷的一类原子的总称。例如：只有例如：只有1个核电荷数的原子称为氢元素个核电荷数的原子称为氢元素 所有所有8个核电荷数的原子称为氧元素。个核电荷数
2、的原子称为氧元素。世界上一切物质都是由元素构成的，世界上一切物质都是由元素构成的，已发现的元素有已发现的元素有100100多种，其中天然存在的有多种，其中天然存在的有9090多种，多种，人工人工制造制造的十多种。的十多种。元素的表达和书写元素的表达和书写每种元素都用一定的符号来表示，称作元素符号。每种元素都用一定的符号来表示，称作元素符号。元素符号采用该元素拉丁文名称第一个字母的大写，元素符号采用该元素拉丁文名称第一个字母的大写，或再附加一个小写字母。例如，碳的元素符号是或再附加一个小写字母。例如，碳的元素符号是C C，钴的元素符号是钴的元素符号是CoCo，铁的元素符号是，铁的元素符号是FeF
3、e，等等。，等等。第3页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.1 1.1.1 元素与原子元素与原子原子：元素的具体存在，是体现元素性质的最小微粒，原子：元素的具体存在，是体现元素性质的最小微粒，化学反应中不可再分的基本微粒。化学反应中不可再分的基本微粒。原子在化学反应中不可分割，化学反应前后的原子种类原子在化学反应中不可分割，化学反应前后的原子种类和性质不会发生变化。和性质不会发生变化。原子在物理状态中可以分割：原子在物理状态中可以分割：由一个原子核和若干核外电子构成。原子核带正由一个原子核和若干核外电子构成。原子核带正电荷，位于原子中心，核外电子带负电荷，绕原电荷，位于原子中心，核外电子带负电
4、荷，绕原子核做高速运动；子核做高速运动；原子核所带正电荷数与核外电子所带负电荷数相原子核所带正电荷数与核外电子所带负电荷数相等，整个原子对外呈电中性。等，整个原子对外呈电中性。第4页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.1 1.1.1 元素与原子元素与原子原子序数原子序数Z Z：元素在周期表中的排列顺序号：元素在周期表中的排列顺序号而元素周期表中元素是按其原子核电荷数排列的。而元素周期表中元素是按其原子核电荷数排列的。原子核电荷数即原子核所带正电荷数；原子核电荷数即原子核所带正电荷数；一个电子带一个负电荷一个电子带一个负电荷核外电子数等于核电荷数核外电子数等于核电荷数原子序数原子序数Z等于核电荷
5、数等于核电荷数不同元素核电荷数不同，核外电子数也不同。不同元素核电荷数不同，核外电子数也不同。第5页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.1 1.1.1 元素与原子元素与原子原子核可再分为两种更小的粒子：原子核可再分为两种更小的粒子：质子：一个质子带一个正电荷，原子核所带正电荷质子：一个质子带一个正电荷，原子核所带正电荷来源于质子，原子核所带正电荷数是多少，原子核中来源于质子，原子核所带正电荷数是多少，原子核中应有相应个数的质子；应有相应个数的质子；中子：不带电荷。中子：不带电荷。质子数质子数=核电荷数核电荷数=核外电子数核外电子数=原子序数原子序数（中子数？）（中子数？）原子以及作为其组成部分
6、的质子、中子和电子都是有质原子以及作为其组成部分的质子、中子和电子都是有质量，只是它们的质量都极其微小。量，只是它们的质量都极其微小。常用质量单位不便表示，以常用质量单位不便表示，以“原子质量单位原子质量单位u”来表示。来表示。第6页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.1 1.1.1 元素与原子元素与原子原子质量单位原子质量单位u：碳同位数：碳同位数126C原子质量的原子质量的1/12。126C原子质量原子质量1.99310-23g，1u=1.66110-24g原子量：元素原子平均质量相对于原子量：元素原子平均质量相对于126C原子质量的原子质量的1/12 的比值。的比值。构成原子构成原子的微
7、粒的微粒电电 子子原子核原子核质子质子中子中子质量质量/g/g9.1099.1091010-28-281.67261.67261010-24-241.67491.67491010-24-24相对质量相对质量1u/18371u/18371.007277u1.007277u1.00865u1.00865u第7页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.1 1.1.1 元素与原子元素与原子质子、中子的相对质量都接近于质子、中子的相对质量都接近于1，而电子质量则太轻，而电子质量则太轻，计算原子质量时可以忽略，可以得出：计算原子质量时可以忽略，可以得出：相对原子质量相对原子质量=质子数质子数+中子数中子数中子
8、数中子数=相对原子质量相对原子质量-质子数质子数=相对原子质量相对原子质量-原子序数原子序数核素：核素：具有一定质子数、中子数并处于特定能量状态的原子或原子具有一定质子数、中子数并处于特定能量状态的原子或原子核核核素的表示核素的表示:第8页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.1 1.1.1 元素与原子元素与原子同位素：同位素：质质子数相同而中子数不同的各种原子互子数相同而中子数不同的各种原子互为为同位素。同位素。核素的核素的稳稳定性：定性：稳稳定的核素很少，半衰期不少于定的核素很少，半衰期不少于1015年，如年，如U235，235U、重水、重水、6Li、10B 放射性核素：不放射性核素：不稳稳
9、定的核素，能自定的核素，能自发发衰衰变变。C14半衰期接近半衰期接近6000年，也属于不年，也属于不稳稳定的核素定的核素。第9页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.1 1.1.1 元素与原子元素与原子放射性核素有天然的和人工制造的两类：放射性核素有天然的和人工制造的两类：天然的：存在于自然界的矿物中，天然的：存在于自然界的矿物中，Z83的许多元素及其的许多元素及其化合物具有天然放射性，符合射线检测需要的天然放射性核素化合物具有天然放射性，符合射线检测需要的天然放射性核素稀少，不易提炼，价格贵；稀少，不易提炼，价格贵；人工制造的：用高能粒子（如中子、质子或其他基本人工制造的：用高能粒子（如中子、
10、质子或其他基本粒子）轰击稳定核素的核，改变核内质子数或中子数，粒子）轰击稳定核素的核，改变核内质子数或中子数，制造出新的核素或使稳定核素变为不稳定核素，从而使制造出新的核素或使稳定核素变为不稳定核素，从而使其具有放射性，种类多，易生产，价格便宜，常用。其具有放射性，种类多，易生产，价格便宜，常用。放射性核素衰变：不稳定的核素会自发蜕变，变为另放射性核素衰变：不稳定的核素会自发蜕变，变为另一核素，同时放出各种射线一核素，同时放出各种射线。第10页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.1 1.1.1 元素与原子元素与原子放射性核素衰变模式放射性核素衰变模式衰变：母核放出带衰变：母核放出带2 2个正电
11、荷的氦核，衰变后的子核核电个正电荷的氦核，衰变后的子核核电荷数小荷数小2 2，质量数少，质量数少4 4，在元素周期表上前移，在元素周期表上前移2 2位；位；衰变衰变+衰变：母核中一个质子放出一个正电子而变成中子，衰变：母核中一个质子放出一个正电子而变成中子，子核核电荷数少子核核电荷数少1 1，质量数不变，在元素周期表上前移，质量数不变，在元素周期表上前移1 1位；位；-衰变：母核中一个中子放出一个负电子而变成质子，衰变：母核中一个中子放出一个负电子而变成质子，子核核电荷数多子核核电荷数多1 1，质量数不变，在元素周期表上后移，质量数不变，在元素周期表上后移1 1位；位；第11页，讲稿共70张，
12、创作于星期日1.1.1 1.1.1 元素与原子元素与原子放射性核素衰变模式放射性核素衰变模式衰变衰变轨道电子俘获：母核俘获核外轨道上的一个电子，核轨道电子俘获：母核俘获核外轨道上的一个电子，核中的一个质子转为中子，子核核电荷数少中的一个质子转为中子，子核核电荷数少1 1，质量数不，质量数不变，在元素周期表上前移变，在元素周期表上前移1 1位。位。衰变衰变：放出波长很短的电磁辐射，衰变前后核的质量数和电放出波长很短的电磁辐射，衰变前后核的质量数和电荷数均不变。荷数均不变。衰变伴随着衰变伴随着衰变或衰变或衰变而发生的。母核经衰变而发生的。母核经衰衰变或变或衰变得到的子核处于激发态，不衰变得到的子核
13、处于激发态，不稳定，要通过稳定，要通过衰变释放能量过渡到正常态。衰变释放能量过渡到正常态。射线是原子核由高能级跃迁低能级而产生的。射线是原子核由高能级跃迁低能级而产生的。第12页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.2 1.1.2 核外电子运动规律核外电子运动规律原子理论的变迁原子理论的变迁第13页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.2 1.1.2 核外电子运动规律核外电子运动规律玻尔理论假设：玻尔理论假设：原子中的电子沿着圆形轨道绕核运行，各条轨道有不原子中的电子沿着圆形轨道绕核运行，各条轨道有不同的参量状态，叫做能级，各能级的能值是确定的，正同的参量状态，叫做能级，各能级的能值是确定的，正常
14、情况下电子总是在能级最低的轨道上运行，这样的原常情况下电子总是在能级最低的轨道上运行，这样的原子状态叫做基态。子状态叫做基态。当原子从外界吸收一定能量时，电子就由低能级跳到较高能当原子从外界吸收一定能量时，电子就由低能级跳到较高能级，称为跃迁，此时原子的状态为激发态，不稳定，电子将再级，称为跃迁，此时原子的状态为激发态，不稳定，电子将再次跃迁回较低能级，先后两个能级的能值差就会以光能的形式次跃迁回较低能级，先后两个能级的能值差就会以光能的形式辐射出来辐射出来hv=E-Ehv：光子能量；：光子能量；EE、E E：不同能级对应的能值。不同能级对应的能值。第14页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.
15、2 1.1.2 核外电子运动规律核外电子运动规律氢原子的能级图氢原子的能级图第15页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.3 原子核结构原子核结构原子半径为原子半径为10-8cm数量级，原子核半径为数量级，原子核半径为 10-13 10-12 cm 数数量级。两者相差约量级。两者相差约 100000 倍，相当于核的半径为倍，相当于核的半径为 1cm时时 原原子半径要有子半径要有1km。原子核占有原子质量的原子核占有原子质量的99%以上，因为电子质量很少，质子以上，因为电子质量很少，质子和中子质量比电子的电子大很多。和中子质量比电子的电子大很多。原子核外电子处于运动状态，核中的质子和中子也处于原子
16、核外电子处于运动状态，核中的质子和中子也处于运动状态，具有角动量和磁矩，且是量子化的。运动状态，具有角动量和磁矩，且是量子化的。原子核的总质量总是小于它的组成部分的质量和。原子核的总质量总是小于它的组成部分的质量和。减少的部分质量用于转换成原子核的结合能减少的部分质量用于转换成原子核的结合能，相，相当于克服原子核中粒子结合在一起的吸引力有关当于克服原子核中粒子结合在一起的吸引力有关的负电位能的质量当量。的负电位能的质量当量。第16页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.3 原子核结构原子核结构原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，当质子数量原子核由质子和中子组成，质子带正电荷，当质子数量超过超过
17、1个时，正电荷之间有库仑斥力，但质子和中子仍能个时，正电荷之间有库仑斥力，但质子和中子仍能非常紧密地结合地一起，是由于核内存在一个非常强大的非常紧密地结合地一起，是由于核内存在一个非常强大的核力，存在于质子和中子之间，不光把质子和中子结合起核力，存在于质子和中子之间，不光把质子和中子结合起来，还克服库仑斥力的作用，把质子与质子结合起来。来，还克服库仑斥力的作用，把质子与质子结合起来。核力的性质：核力的性质：核力与电荷无关，无论质子还是中子都受核力的作核力与电荷无关，无论质子还是中子都受核力的作用；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，一个核
18、子所能相互作用的其他核子数目有限，具有一个核子所能相互作用的其他核子数目有限，具有饱和性；饱和性；第17页，讲稿共70张，创作于星期日1.1.3 原子核结构原子核结构核力的性质：核力的性质：核核力力 100100倍库仑力，是强相互作用力；倍库仑力，是强相互作用力；核力促成核子的成对结合核力促成核子的成对结合成对结合：两个自旋相反的质子或中子成对结合：两个自旋相反的质子或中子对对结合：总自旋为零的一对质子对对结合：总自旋为零的一对质子+一对中子一对中子 核稳定性与质子数、中子数的关系：核稳定性与质子数、中子数的关系：对于小质量数的核，对于小质量数的核，N/Z=1N/Z=1附近较稳定，这个比值附近
19、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于大质量数的核，对于大质量数的核，N/Z=1.6N/Z=1.6附近较稳定，附近较稳定，第18页，讲稿共70张，创作于星期日1.2 射线的种类和性质射线的种类和性质1.2.1 X射线和射线和射线的性质射线的性质本质：一种电磁波，与无线电波、红外线、可见光、紫外线本质：一种电磁波，与无线电波、红外线、可见光、紫外线的区别是波长不同和产生方法不同的区别是波长不同和产生方法不同具有电磁波的共性，也具有不同于可见光和无线电波等其他具有电磁波的共性，也具有不同于可见光和无线电波等其他电磁辐射的特性。电磁辐射的特性。电磁波的波长电磁波的波长与频率
20、与频率以及光速以及光速c的关系式的关系式：=c/=c/第19页，讲稿共70张，创作于星期日1.2.1 1.2.1 X射线和射线和射线的性质射线的性质性质：性质：在真空中以光速传播；在真空中以光速传播；不带电，不受电场和磁场的影响；不带电，不受电场和磁场的影响；在媒质界面上只能发生漫反射，而不能产生镜面反在媒质界面上只能发生漫反射，而不能产生镜面反射，折射系数非常接近于射，折射系数非常接近于1 1，折射方向改变不明显。，折射方向改变不明显。可以发生干涉和衍射，但只能在非常小的光阑中发可以发生干涉和衍射，但只能在非常小的光阑中发生；生；不可见，能够穿透可见光不能穿透的物质；不可见，能够穿透可见光不
21、能穿透的物质；在穿透物质过程中，会与物质发生复杂的物理和化在穿透物质过程中，会与物质发生复杂的物理和化学作用，如电离作用、荧光作用、热作用以及光化学学作用，如电离作用、荧光作用、热作用以及光化学作用；作用；具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，破坏生物具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，破坏生物组织。组织。第20页，讲稿共70张，创作于星期日1.2.2 X射线的产生及其特点射线的产生及其特点 X X射线的产生射线的产生射线的产生射线的产生在在X X射线管中产生射线管中产生X射线管为真空管，内有阴极射线管为真空管，内有阴极灯丝和阳极金属靶灯丝和阳极金属靶外部在阳极金属靶与阴极灯外部在阳极金属靶与阴
22、极灯丝间有高压线圈丝间有高压线圈阴极灯丝通电加热阴极灯丝通电加热阴极灯丝通电加热阴极灯丝通电加热-放出电子放出电子放出电子放出电子-在高压电场作用下高速撞击在高压电场作用下高速撞击阳极靶面阳极靶面-大部分以热量形式大部分以热量形式大部分以热量形式大部分以热量形式释放出来，小部分以释放出来，小部分以释放出来，小部分以释放出来，小部分以X射线能量射线能量射线能量射线能量形式辐射出来。形式辐射出来。形式辐射出来。形式辐射出来。-+第21页，讲稿共70张，创作于星期日1、连续谱的产生与特点、连续谱的产生与特点韧致辐射：带电粒子在加速或减速时必然伴随电磁辐射，韧致辐射：带电粒子在加速或减速时必然伴随电磁
23、辐射，当带电粒子与原子相碰撞而发生骤然减速时伴随产生的辐当带电粒子与原子相碰撞而发生骤然减速时伴随产生的辐射射大量电子与靶相撞，相撞前电子初速度各不相同，相撞时减速大量电子与靶相撞，相撞前电子初速度各不相同，相撞时减速过程也各不相同，少量电子经一次撞击就失去全部动能，而大过程也各不相同，少量电子经一次撞击就失去全部动能，而大部分电子经过多次制动逐步丧失动能。使得能量转换过程所发部分电子经过多次制动逐步丧失动能。使得能量转换过程所发出的电磁辐射具有各种不同的波长，出的电磁辐射具有各种不同的波长，X射线的波谱连续分布。射线的波谱连续分布。连续谱最短波长连续谱最短波长min，其数值只依赖于外加电压，
24、其数值只依赖于外加电压V而与靶材无而与靶材无关，公式：关，公式：第22页，讲稿共70张，创作于星期日1、连续谱的产生与特点、连续谱的产生与特点连续谱的最大强度对应的波长与最短波长的关系：连续谱的最大强度对应的波长与最短波长的关系：IM=1.5min实际检测中起作用的是以最大强度波长实际检测中起作用的是以最大强度波长IM为中心的邻近为中心的邻近波段的射线为主。波段的射线为主。第23页，讲稿共70张，创作于星期日1、连续谱的产生与特点、连续谱的产生与特点连续连续X射线的总强度射线的总强度IT用连续谱曲线下所包含的面积表用连续谱曲线下所包含的面积表示，与管电流示，与管电流i、管电压、管电压V、靶材原
25、子序数、靶材原子序数Z的关系：的关系：IT=KiZiV2第24页，讲稿共70张，创作于星期日1、连续谱的产生与特点、连续谱的产生与特点管电流越大，表明单位时间管电流越大，表明单位时间内撞击靶的电子数量越多，内撞击靶的电子数量越多，产生的射线强度越大；产生的射线强度越大；第25页，讲稿共70张，创作于星期日1、连续谱的产生与特点、连续谱的产生与特点管电压增加时，虽然电子管电压增加时，虽然电子数目不变，但每个电子获数目不变，但每个电子获得的能量增加，因而短波得的能量增加，因而短波成分射线增加，且碰撞发成分射线增加，且碰撞发生的能量转换过程增加，生的能量转换过程增加，射线强度同样增加；射线强度同样增
26、加；第26页，讲稿共70张，创作于星期日1、连续谱的产生与特点、连续谱的产生与特点靶材原子序数越大，核库仑场靶材原子序数越大，核库仑场越强，韧致辐射作用越强，射越强，韧致辐射作用越强，射线强度也会增加，靶一般采用线强度也会增加，靶一般采用高原子序数的钨制作。高原子序数的钨制作。第27页，讲稿共70张，创作于星期日1、连续谱的产生与特点、连续谱的产生与特点X射线产生效率射线产生效率等于产生等于产生X射线的总强度射线的总强度IT与所消耗能量与所消耗能量（管电流与管电压的乘积）的比值，（管电流与管电压的乘积）的比值，X射线的产生效率与管电压和靶材原子序数成正比，射线的产生效率与管电压和靶材原子序数成
27、正比，其他条件相同的情况下，管电压越高，其他条件相同的情况下，管电压越高，X射线产生效率越射线产生效率越高，管电压的高压波形越接近恒压，高，管电压的高压波形越接近恒压，X射线产生效率也越高。射线产生效率也越高。例：例：V=100kV，1%1%V=4MV=4000kV，36%36%说明输入的绝大部分能量转换为热量，要求说明输入的绝大部分能量转换为热量，要求X X射线管必射线管必须有良好的冷却装置，保证阳极不被烧坏。须有良好的冷却装置，保证阳极不被烧坏。第28页，讲稿共70张，创作于星期日2、标识谱的产生与特点、标识谱的产生与特点当当X射线管两端所加的电压超过某个临界值射线管两端所加的电压超过某个
28、临界值Vk时，波谱曲线上除连续谱外，还将在特定波长位置出现强度时，波谱曲线上除连续谱外，还将在特定波长位置出现强度很大的线状谱线，这种线状谱的波长只与阳极靶材有关，与很大的线状谱线，这种线状谱的波长只与阳极靶材有关，与管电压和管电流都无关。管电压和管电流都无关。标识靶材料特征的波谱标识靶材料特征的波谱标识谱标识谱激发电压激发电压Vk：激发出标识谱的临界电压，不同材料的激：激发出标识谱的临界电压，不同材料的激发电压不同。发电压不同。第29页，讲稿共70张，创作于星期日2、标识谱的产生与特点、标识谱的产生与特点标识标识X射线产生机理射线产生机理如果如果X射线管的管电压超过射线管的管电压超过Vk，阴
29、极发射的电子可，阴极发射的电子可以获得足够的能量，与阳极靶相撞时，可以把靶原以获得足够的能量，与阳极靶相撞时，可以把靶原子的内层电子逐出壳层之外，使该原子处于激发状子的内层电子逐出壳层之外，使该原子处于激发状态，此时外层电子将向内层跃迁，同时放出态，此时外层电子将向内层跃迁，同时放出1个光子，个光子，光子的能量等于发生跃迁的两能级能值之差。光子的能量等于发生跃迁的两能级能值之差。K标志射线是标志射线是L层电子跃迁到层电子跃迁到K层；层；K标志射线是标志射线是N层电子跃迁到层电子跃迁到K层。层。标识标识X射线强度只占射线强度只占X射线总强度的很少部分，能量也低，射线总强度的很少部分，能量也低，射
30、线检测中不起作用。射线检测中不起作用。第30页，讲稿共70张，创作于星期日1.2.3 射线射线 的产生与特点的产生与特点射线是放射性同位素经过射线是放射性同位素经过衰变或衰变或衰变之后，子核衰变之后，子核从高能级的激发状态向低能级的稳定态过渡的过程中从高能级的激发状态向低能级的稳定态过渡的过程中从原子核内发出的，从原子核内发出的，产生机理是核内能级之间的跃迁产生的。产生机理是核内能级之间的跃迁产生的。与原子核外电子跃迁一样，以放出光子的形式释放能量，与原子核外电子跃迁一样，以放出光子的形式释放能量，不同之处是原子核外电子跃迁放出的光子能量在几不同之处是原子核外电子跃迁放出的光子能量在几eV到到
31、几千几千eV之间，而核内能级的跃迁放出的光子能量在几千之间，而核内能级的跃迁放出的光子能量在几千eV到十几兆到十几兆eV之间。之间。第31页，讲稿共70张，创作于星期日1.2.3 射线射线 的产生与特点的产生与特点Co60经过一次经过一次-衰变变成为处于衰变变成为处于2.5MeV激发态的激发态的Ni60，随随后放出能量分别为后放出能量分别为1.17MeV和和1.33MeV的两种而跃迁的两种而跃迁到基态。到基态。射线能量决定于放射性同位素种类。射线能量决定于放射性同位素种类。一种放射性同位素可能放出多种能量的一种放射性同位素可能放出多种能量的射线射线，以多种能，以多种能量的平均值作为该同位素的辐
32、射能量。量的平均值作为该同位素的辐射能量。射线的能谱是线状谱，射线的能谱是线状谱，谱线只出现在特定波长谱线只出现在特定波长 的若干点上。的若干点上。第32页，讲稿共70张，创作于星期日1.2.3 射线射线 的产生与特点的产生与特点放射性同位素的衰变规律放射性同位素的衰变规律原子核衰变是自发性进行的，某一个放射性核何时原子核衰变是自发性进行的，某一个放射性核何时衰变具有偶然性，不可预测，但对于足够多的放射衰变具有偶然性，不可预测，但对于足够多的放射性核的集合，它的衰变服从指数规律性核的集合，它的衰变服从指数规律:式中：式中：No初始状态的放射性原子核数；初始状态的放射性原子核数；N 经过经过t
33、时间后的放射性原子核数；时间后的放射性原子核数；衰变常数。衰变常数。衰变常数反映放射性物质的固有属性，衰变常数反映放射性物质的固有属性，值越大，物值越大，物质越不稳定，衰变速度越快。质越不稳定，衰变速度越快。第33页，讲稿共70张，创作于星期日1.2.3 射线射线 的产生与特点的产生与特点放射性同位素的半衰期放射性同位素的半衰期T1/2放射性同位素衰变掉原有核数的一半所需要的时间。放射性同位素衰变掉原有核数的一半所需要的时间。T1/2也反映了放射性物质的固有属性，也反映了放射性物质的固有属性，越大，越大，T1/2越越小小第34页，讲稿共70张，创作于星期日1.3 射线与物质的相互作用射线与物质
34、的相互作用 射线穿过物质时，会与物质发生相互作用而使强度减射线穿过物质时，会与物质发生相互作用而使强度减弱。弱。导致强度减弱的原因：吸收和散射导致强度减弱的原因：吸收和散射吸收：一种能量转换，光子能量被物质吸收后转换成其他吸收：一种能量转换，光子能量被物质吸收后转换成其他形式的能量；形式的能量；散射：使光子的运动方向改变，其效果等于在束流散射：使光子的运动方向改变，其效果等于在束流中移中移去入射光子。去入射光子。在在X射射线线和和射射线线能量范能量范围围内，光子与物内，光子与物质质作用的主要作用的主要有：光有：光电电效效应应、康普、康普顿顿效效应应和和电电子子对对效效应应；光子能量；光子能量较
35、较低低时时，还应还应考考虑虑瑞利散射。瑞利散射。射线通过物质时的强度衰减遵循指数规律，衰减情况射线通过物质时的强度衰减遵循指数规律，衰减情况不仅一吸收物质的性质和厚度有关，还取决于辐射自不仅一吸收物质的性质和厚度有关，还取决于辐射自身的性质。身的性质。第35页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.1 光电效应光电效应光电效应：光电效应：光子与物质原子的束缚电子作用，光子能量光子与物质原子的束缚电子作用，光子能量全部转移给某个电子，使这个电子发射出去（发射出去全部转移给某个电子，使这个电子发射出去（发射出去后称为光电子），光子本身由于能量耗尽而消失。后称为光电子），光子本身由于能量耗尽而消失。第3
36、6页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.1 光电效应光电效应产生条件：产生条件：原子吸收光子全部能量，一部分消耗于光电子脱离原原子吸收光子全部能量，一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能子束缚所需的电离能(电子在原子中的逸出能电子在原子中的逸出能)，另一另一部分作为光电子的动能，部分作为光电子的动能，发生光电效应的前提条件：光子能量必须大于电子的发生光电效应的前提条件：光子能量必须大于电子的逸出能逸出能能量要求：能量要求：Ee(光电子动能光电子动能)=hv(光子能量光子能量)-Ei(逸出能逸出能)当光子的能量低当光子的能量低于于1 MeV时，光电效应是极为重要的时，光电效应是极为重要的过程
37、。过程。光电效应的发生概率与射线能量和物质原子序数有关，光电效应的发生概率与射线能量和物质原子序数有关，它随着光子能量的增大而减小，随着原子序数它随着光子能量的增大而减小，随着原子序数Z的增大的增大而增大。而增大。第37页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.2 康普顿效应康普顿效应康普顿效应：光子与康普顿效应：光子与电子发生非弹性碰撞，一部分能电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它成为反冲电子，而散射光子的能量转移给电子，使它成为反冲电子，而散射光子的能量与运动方向发生变化，量与运动方向发生变化，第38页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.2 康普顿效应康普顿效应产生条件：产生条件：总
38、是发生在自由电子或原子束缚最少的外层电子上，入射总是发生在自由电子或原子束缚最少的外层电子上，入射光子的能量和动量由反冲电子和散射光子分配；光子的能量和动量由反冲电子和散射光子分配；散射光子与入射光子方向间夹角为散射角散射光子与入射光子方向间夹角为散射角，反冲电子，反冲电子运动方向与入射光子方向间夹角为反冲角运动方向与入射光子方向间夹角为反冲角散射角越大，散射光子的能量越小，当散射角散射角越大，散射光子的能量越小，当散射角为为180时，时，散射光子能量最小；散射光子能量最小；康普顿效应发生概率大致与物质原子序数成正比，与康普顿效应发生概率大致与物质原子序数成正比，与光子能量成反比。光子能量成反
39、比。第39页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.3 电子对效应电子对效应 电子对效应电子对效应：光子经过原子核旁边受原子核库仑场：光子经过原子核旁边受原子核库仑场作用转化为一对正负电子，而光子完全消失。作用转化为一对正负电子，而光子完全消失。产生条件：产生条件：遵循能量守恒定律，只有当入射光子能量遵循能量守恒定律，只有当入射光子能量hv大于大于2m0c2，即，即hv1.02MeV时时，才能，才能发发生生电电子子对对效效应应；入射光子能量一部分转变为正负电子对的静止质量，入射光子能量一部分转变为正负电子对的静止质量，其余作为电子对的动能。其余作为电子对的动能。第40页，讲稿共70张，创作于星期日
40、1.3.3 电子对效应电子对效应 电子对效应发生概率与物质原子序数的平方成正比，与电子对效应发生概率与物质原子序数的平方成正比，与光子能量不成比例，但随着光子能量的增加而增加。光子能量不成比例，但随着光子能量的增加而增加。第41页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.4 瑞利散射瑞利散射瑞利散射：入射光子和束缚较牢固的内层电子发生弹性瑞利散射：入射光子和束缚较牢固的内层电子发生弹性碰撞过程中，束缚电子吸收入射光子能量后跃迁到高能碰撞过程中，束缚电子吸收入射光子能量后跃迁到高能级，随即又跃迁回低能级而放出级，随即又跃迁回低能级而放出1个能量约等于入射光个能量约等于入射光子能量的散射光子子能量的散射
41、光子由于束缚电子没有脱离原子，使得整个原子成为反冲体，由于束缚电子没有脱离原子，使得整个原子成为反冲体，光子能量损失可以忽略不计光子能量损失可以忽略不计第42页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.4 瑞利散射瑞利散射由于散射光子能量与入射光子几乎相等，两者的频率或由于散射光子能量与入射光子几乎相等，两者的频率或波长也几乎相等，从而可以发生干涉，因此瑞利散射是波长也几乎相等，从而可以发生干涉，因此瑞利散射是一种相干散射。一种相干散射。瑞利散射的发生概率和物质的原子序数及入射光子的能瑞利散射的发生概率和物质的原子序数及入射光子的能量有关，大致与物质原子序数量有关，大致与物质原子序数Z的平方成正比，
42、并并随的平方成正比，并并随着入射光子能量的增大而急剧减小。着入射光子能量的增大而急剧减小。入射光子能量入射光子能量在在200keV以下以下时，瑞利散射影响不可忽时，瑞利散射影响不可忽略。略。第43页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.5 各种效应发生的相对概率各种效应发生的相对概率光电效应、康普顿效应、电子对效应的发生概率与物质光电效应、康普顿效应、电子对效应的发生概率与物质的原子序数和入射光子的能量有关，对不同物质和不同的原子序数和入射光子的能量有关，对不同物质和不同能量区域，这三种效应的相对重要性不同。能量区域，这三种效应的相对重要性不同。高能量射线和原高能量射线和原子序数高的物质子序数高
43、的物质低能量射线和原子低能量射线和原子序数高的物质序数高的物质中等能量射线和原子中等能量射线和原子序数低的物质序数低的物质第44页，讲稿共70张，创作于星期日铁中各种效应发生的相对概率铁中各种效应发生的相对概率光子能量为光子能量为10keV时，光电效应占绝对优势；时，光电效应占绝对优势；随着能量的增大，光电效应逐渐减小，而康普顿效应的影响随着能量的增大，光电效应逐渐减小，而康普顿效应的影响逐渐增大；逐渐增大；稍过稍过100keV，两种效应相等，瑞利散射在此能量附近发生，两种效应相等，瑞利散射在此能量附近发生概率最大，但不超过概率最大，但不超过10%；第45页，讲稿共70张，创作于星期日铁中各种
44、效应发生的相对概率铁中各种效应发生的相对概率光在光在1MeV左右，射线强度的衰减几乎都康普顿效应造成左右，射线强度的衰减几乎都康普顿效应造成的；的；光子能量继续增大，由电子对效应引起的吸收逐渐增大，光子能量继续增大，由电子对效应引起的吸收逐渐增大，在在10MeV左右，电子对效应与康普顿效应作用大致相等，超过左右，电子对效应与康普顿效应作用大致相等，超过10MeV以后，电子对效应的概率越来越大。以后，电子对效应的概率越来越大。第46页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.5 各种效应发生的相对概率各种效应发生的相对概率各种效应对射线照相质量产生不同影响：各种效应对射线照相质量产生不同影响：光电效应
45、和电子对效应引起的吸收有利于提高照相对比度，光电效应和电子对效应引起的吸收有利于提高照相对比度，而康普顿效应产生的散射线则会降低对比度；而康普顿效应产生的散射线则会降低对比度；轻金属试件照相质量往往比重金属试件照相质量差；使用轻金属试件照相质量往往比重金属试件照相质量差；使用1MeV左右能量的射线照相，其对比度往往不如较低能量左右能量的射线照相，其对比度往往不如较低能量射线或更高能量射线，这些都是康普顿效应影响造成的。射线或更高能量射线，这些都是康普顿效应影响造成的。第47页，讲稿共70张，创作于星期日射线与物质相互作用导致强度的减弱以及能量转化射线与物质相互作用导致强度的减弱以及能量转化第4
46、8页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.6 窄束、单色射线的强度衰减规律窄束、单色射线的强度衰减规律射射线线通通过过一一定定厚厚度度物物质质时时，有有些些光光子子与与物物质质发发生生相相互互作作用用，有有些则没有；些则没有；光电效应和电子对效应引起的是吸收光电效应和电子对效应引起的是吸收康康普普顿顿效效应应引引起起的的是是散散射射，且且散散射射光光子子也也可可能能穿穿过过物物质质层。层。穿过物质层射线的组成：穿过物质层射线的组成：透透射射射射线线：未未与与物物质质发发生生相相互互作作用用的的光光子子，能能量量与与方向都未发生变化，方向都未发生变化，散散射射射射线线：发发生生过过一一次次或或多多
47、次次康康普普顿顿效效应应的的光光子子，能量和方向都发生了变化。能量和方向都发生了变化。第49页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.6 窄束、单色射线的强度衰减规律窄束、单色射线的强度衰减规律窄窄束束射射线线：穿穿过过物物质质的的、仅仅有有未未与与物物质质发发生生相相互互作作用用的的光光子组成而不包括散射光子的射线束；子组成而不包括散射光子的射线束；从从射射线线检检测测实实际际应应用用角角度度，只只要要没没有有散散射射射射线线成成分分，不不管射线束宽度如何，均称为为管射线束宽度如何，均称为为“窄束窄束”。单单色色射射线线：单单一一波波长长的的射射线线，或或是是相相同同能能量量光光子子组组成成的的
48、辐射束流。辐射束流。窄窄束束单单色色射射线线：穿穿过过物物质质后后，不不包包括括散散射射光光子子的的单单一一波波长长的射线。的射线。第50页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.6 窄束、单色射线的强度衰减规律窄束、单色射线的强度衰减规律窄束单色射线强度衰减规律：窄束单色射线强度衰减规律：当当吸吸收收物物质质不不存存在在时时，探探测测器器记记录录的的辐辐射射强强度度为为I0，为辐射原始强度或入射强度；为辐射原始强度或入射强度；放放置置厚厚度度为为T的的薄薄层层吸吸收收物物质质后后，探探测测器器记记录录的的辐辐射射强度为强度为I，为一次透射射线强度。，为一次透射射线强度。强度变化量为强度变化量为I
49、,则有则有 I-I0=-I,负号表示强度减弱负号表示强度减弱假假定定源源发发出出的的是是单单色色射射线线，通通过过两两个个准准直直器器，对对准准探探测测器器，准准直直器器之之间间可可以以放放入入吸吸收物质收物质第51页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.6 窄束、单色射线的强度衰减规律窄束、单色射线的强度衰减规律窄束单色射线强度衰减规律：窄束单色射线强度衰减规律：通通过过不不同同种种类类和和厚厚度度有有吸吸收收物物质质及及不不同同能能量量的的射射线线实实验得到如下关系式：验得到如下关系式：射射线线通通过过薄薄层层物物质质时时，强强度度减减弱弱与与物物质质厚厚度度及及辐辐射射初初始始强度成正比，
50、与强度成正比，与的数值有关。的数值有关。为为线线衰衰减减系系数数，是是射射线线通通过过单单位位厚厚度度物物质质时时与与物物质质相相互互作用的概率，与射线能量、物质的原子序数和密度有关。作用的概率，与射线能量、物质的原子序数和密度有关。对对于于同同一一种种物物质质，射射线线能能量量不不同同时时不不同同，对对于于同同一一能能量的射线，通过不同物质时的量的射线，通过不同物质时的也不同。也不同。第52页，讲稿共70张，创作于星期日1.3.6 窄束、单色射线的强度衰减规律窄束、单色射线的强度衰减规律窄束单色射线的衰减公式：窄束单色射线的衰减公式：射射线线强强度度衰衰减减是是同同几几个个效效应应共共同同作