射线检测的物理基础-2012..

射线检测的物理基础射线检测初、中级人员培训2本章节的内容原子与原子结构射线的种类和性质射线与物质的相互作用射线照相法的原理与特点3第一节原子与原子结构一原子1原子的概念:*定义：组成单质和化合物分子的最小微粒，是元素的具体体现,是体现元素性质的最小微粒,由原子核和核外电子构成。2原子的构成：图11动画演示*原子是由原子核和核外电子所构成。*电子围绕原子核作行星运动；电子在一定轨道上饶核运动。*原子是有质量、有尺寸的一种粒子。（1）质量：几乎集中在原子核内，核的密度非常大！如果：把核集中在1cm3的体积内，那么：这1cm3的体积内核的总重量为108吨！（一万万吨！）4（2）大小：原子半径10-8cm数量级。原子核半径10-13cm数量级。如果：核的半径为1cm核（1cm）电子*——————————*（约1000米）10-8/10-13=100000倍（3）电荷：原子核带正电；电子带负电；原子为中性。（4）构成：原子核（质子+中子）+电子数量关系：原子量=质子数+中子数A=Z+N例：60钴60=27+33质子数Z=核的正电荷数=电子数=原子序数原子结构理论.63原子结构理论*20世纪初二种不同的原子结构模型1903年：汤姆森假设：核子与电子在原子内均匀分布#1911年：卢瑟福模型：行星分布图11*α散射实验否定了汤姆森假设肯定了卢瑟福模型*卢瑟福模型不完善，1913年玻尔提出了完善的原子结构模型---玻尔模型.玻尔理论（玻尔模型）的要点：（1）原子只能存在一些不连续的稳定状态，这些稳定状态各有一定的能量E1、E2、E3.....En。处于稳定状态中运动的电子虽然有加速度，但不发生能量辐射。能量的改变，是由于吸收或放射辐射的结果或由于碰撞的结果。（2）原子从一个能量为En的稳定状态过度到能量为Em的稳定状态时，它发射（或吸收）单色的辐射，其频率υ决定于下列关系式（称为玻尔频率条件）：hυ（光量子能量）=En-EmEn、Em分别为较高、较低能级的能量值。稳定状态的改变（或能量的改变）是不连续的74玻尔理论中的几个概念：图11*基态：原子处于最低能量的状态称为基态，是稳定状态；*激发态：电子获得能量从低能级轨道进入高能级轨道，该过程称为激发；此时原子处于高能量状态，称为激发态，激发态是不稳定的状态；*原子的状态特性：任何不稳定状态的原子必将自动的回到稳定状态即回到基态；该过程将释放出原子高于基态的能量，即产生辐射。释放能量的过程可以一次回到基态，也可以逐次回到基态；*跃迁：电子从一个轨道向另一个轨道的运动，称为跃迁（包括从低到高；或从高到低的运动）；*能级：用平行线表示核外电子所处的能量级别称为能级，外壳层能级最高，但外壳层上的电子结合能最低。8二原子核1原子核的结构*精确的结构模型自今尚未建立*多种模型并存的状态：壳层模型，液滴模型...、2原子核的构成图13*均匀分布*不同数量的质子和不同数量的中子构成不同性质（元素）的原子核*原子的原子量A代表该原子的原子核的质子和中子的总和:A=Z+N3原子核的电荷正电荷=原子序数Z4原子核的半径10-13----10-12cm5原子核的质量原子核的质量电子的质量;原子的质量原子核的质量96核的稳定性*核的稳定性取决于质子与中子数量的组合质子与中子数量：2、8、20、28、50、82、126最稳定。7核内的几种作用力*库仑力：库仑力是静电力，是电荷间的作用力*核力：存在于质子和中子间，是核稳定性的重要因素核力的性质：（1）核力与电荷无关；（2）核力是短程力；（3）核力比库仑力约大100倍，是强相互作用力；（4）核力促成粒子的二种结合形式成对结合：质子+中子对对结合：一对质子+一对中子10三元素及元素周期律1元素的概念（1）定义：具有相同核电荷的一类原子称为元素。例如：所有一个核电荷数的原子称为氢元素，所有八个核电荷数的原子称为氧元素...（2）元素符号:表示某种元素的一个符号A：原子量（原子质量数）。Z：原子序数：原子在元素周期表中的排列序号。原子核所带的正电荷数。图122同位素*质子数相同而质量数不同的元素称为同位素。如：1H，2H，3H图12113元素周期律*1869门捷列夫发现元素周期律*自然定律:玻尔理论对元素周期律的科学解释元素周期律揭示了：元素的性质是随着元素原子序数的增加而呈现出周期性的变化，这一变化的原因是它们的原子结构随着原子序数的增加而呈现周期变化的规律。四放射性衰变1原子核的重要性质----放射性*核的稳定性概念*处于基态的稳定性原子核.…*处于激发态的原子核是不稳定的。总是通过衰变释放能量，变成另一种核素回归到基态。*衰变的定义：在无外界作用下，不稳定原子核自发释放出中子和质子，转变为另一种元素的原子核，这种现象称为衰变。*自然衰变与人工衰变*稳定同位素与不稳定同位素*放射性同位素与人工放射性同位素.射线和辐射射线:由各种放射性核素发射出的、具有特定能量的粒子或光子束流。辐射：射线由射线源向外发射的过程。中子射线射线射线间接电离辐射质子射线射线阴极射线直接电离辐射红外线辐射微波辐射非电离辐射辐射X射线射线、质子射线、中子射线、粒子辐射：射线射线、电磁辐射辐射X:带电离子贯穿物质的本领较差不带电离子电中性贯穿物质的本领较强广泛用于无损检测132α衰变*放射性原子核释放出α粒子的过程称为α衰变，放出带2个正电荷的氦核。*α衰变后，原子核内核子数的变化：α粒子是氦的原子核（He)核内：2个质子，2个中子一次α衰变：质子数减少二个，中子数减少二个，原子量减少4。图13*α粒子所形成的α射线是一种电离辐射。α射线穿透能力很小，在空气中也只能飞行几个厘米，但电离能力很强。3β衰变放射性原子核释放出β粒子的过程称为β衰变。*β衰变后，原子核内核子数的变化：β粒子是电子,一次β衰变：质子数增加一个，原子量不变。图13β粒子所形成的β射线也是一种电离辐射。β射线是正电子流或负电子流,它穿透能力较大，可穿透几毫米厚的铝，但电离作用较弱。144γ衰变(辐射)放射性原子核释放出γ光子的过程称为γ衰变(辐射)。γ衰变通常是在α衰变和β衰变过程中发生的。γ射线的释放不影响原子核的核子数，仅减少原子核的能量。*并非每一个α衰变和β衰变都释放γ光子。γ射线是波长很短的电磁波，穿透物体的能力很强，甚至可以穿透几个厘米厚的铅板，但电离作用很小。5人工放射性用高能粒子轰击稳定原子核，使其变成不稳定的具有放射性的原子核，这些原子核具有人工放射性。*钴60的典型衰变图251.钴60是由稳定同位素钴59被中子照射后形成的。2.钴60不稳定，放出β粒子变成同位素镍60，受激状态的镍60，连续放出2个各带有1.17和1.33MeV的γ射线光子后变为稳定状态。15原子结构汇总16第二节射线的种类和性质*了解射线的各种性质及应用一、X射线和γ射线的本质与性质1本质：电磁波从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁波。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变（如图所示），其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。如太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到太阳光的光与热。由于辐射强度随频率的减小而急剧下降，因此波长为几百千米（105米）的低频电磁波强度很弱，通常不为人们注意。.*X射线、γ射线、可见光、无线电波等都是电磁波*X射线和γ射线是波长较短的电磁波)m01(-9了解波长：无线电波3000米～0.3毫米。红外线0.3毫米～0.75微米。可见光0.7微米～0.4微米。紫外线0.4微米～10毫微米X射线10毫微米～0.1毫微米γ射线0.1毫微米～0.001毫微米高能射线小于0.001毫微米传真（电视）用的波长是3～6米；雷达用的波长更短，3米到几毫米。202波动关系：λ=C/υλ（波长A），C（光速），υ（频率）3波长单位：埃Ǻ=10-10m=10-8cm；纳米nm=10-10m=10-7cm.4性质：（1）不可见，在真空中以光速传播；（2）不带电，不受电场和磁场的影响；（3）具有某些光学特性：产生漫反射（不能产生镜面反射）和折射（折射系数近似1）；（4）能产生干涉和衍射（在铝合金和不锈钢中产生衍射斑纹）；（5）具有极大的能量，能穿透物体；（6）能使物质电离，能产生热效应和光化作用；（7）能杀伤生物细胞，破坏生物组织，具有辐射生物效应。射线的种类和性质二X射线的产生及其特点21X射线的产生：阴极灯丝通电加热---放出电子---在高压下高速撞击阳极靶面---部分以X射线能量形式辐射出来阳极高电压阴极电子-+X射线发生器曝光记录设备X射线产生示意图辐射渗透试样22二连续X射线（白色X射线，多色X射线）*X射线:射线束中包括——连续X射线和特征X射线1产生机理：根据电动力学理论，作加速运动（包括负加速运动）的带电粒子将产生电磁辐射。X射线管内高速运动的电子与靶原子碰撞时，与原子核外库仑场作用，而产生电磁辐射，称为韧致辐射。这种辐射又由于是电子急剧停速引起的所以又称停速辐射图212连续X射线谱及最短波长：图22*根据经典电动力学理论，韧致辐射的能量与停速时间Δt成反比E∽1/ΔtΔt--连续变化，E--连续变化，E=hυ=hc/λλ--连续变化23*λmin的导出：电场能=电子动能=光子能+消耗能eV=MV2/2=hυ+p图21∴hυ=MV2/2-p=eV–p消耗能远小于光子能，故忽略消耗能,即：p—0则hυmaxeVυmax=eV/h;υ=c/λ∴λmin=hc/eV=12.4/V(h、c、e均为常数）单位：λmin：埃。U：千伏。例：U=200kV,λmin=12.4/200=0.062埃24*连续谱变化规律：1.管电压变化；2.管电流变化；3.滤波的影响；4.靶材料原子序数Z的影响。图223连续X射线强度分布曲线及强度计算：图22*连续谱曲线I（λ）极其复杂！总强度：求面积积分*∞*I=∫I（λ）dλ=KZiV2*λmin式中：K--系数1.1--1.4×10-6/KvZ--原子序数；i--管电流(mA)；V--管电压(kV)*影响强度的因素V、Z、i管电压、管电流变化对X射线谱的影响25大家要了解并会运用这个公式，对于特定的射线机，其强度与管电压的平方成正比。曝光量E＝It也就是说曝光时间与管电压的平方成反比。例：某单位用X射线机透照一工件，在150KV的管电压下，曝光5分钟，得2.5的黑度值，其它透照参数不变，现将管电压提到180KV，要得到相同的黑度值(冲洗条件一样），其曝光时间应为多少分钟？解：由题意已知，U1＝150KVt1=5E1=E2(黑度相同）U2＝180KV求t2=？由公式E=ItI=KZiU2可推导出：KZiU12t1=KZiU22t2t2=U12t1/U22=(150/180)2×5=3.5分钟答：180KV时的曝光时间应为3.5分钟26274连续X射线的效率（转换效率）：*计算公式η=连续X射线强度/电功率=KZiV2/iV=KVZ*K值：K=1.1--1.4×10-9/v；K=1.1--1.4×10-6/Kv*影响转换效率的因素K、V、Z*例：Z=74；V=200kV；求ηη=1.4×10-6×74×200=2%5连续X射线的空间强度分布：图23*垂直方向不是强度最大方向*实际曝光场是一个椭圆*通过实验测定曝光场的强度分布28三标识X射线（特征X射线，线状X射线，单色X射线）1标识X射线产生机理图24*能量较大的电子入射到靶材料的原子中，与壳层电子碰撞，击出内电子，使原子处于激发态（吸收）；激发态原子释放能量发射光子（辐射）。即发射标识X射线。产生标识X射线的