射线检测原理屠耀元华东理工大学无损检测教研室1997.10---2009.8第一节原子与原子结构* 学习原子和原子核结构理论了解射线产生的机理一原子1 原子的概念:* 定义：组成单质和化合物分子的最小微粒，由原子核和核外电子构成。
2 原子的构成:* 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！）#（2）大小：原子半径 10-8 cm 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3 原子结构理论---玻尔理论（玻尔模型）* 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，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=En-Em En、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。
4 玻尔理论中的几个概念：* 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。
图11 #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----10-12 cm5 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#6 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* 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≈ 100x库仑力，是强相互作用力；（4）核力促成核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 #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12 #3 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* 原子核的重要性质----放射性1 核的稳定性概念* 处于基态的稳定性原子核.…* 处于激发态的不稳定原子核.... 衰变.…* 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.…2 α衰变* 放射性原子核释放出α粒子的过程称为α衰变。
* 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。
3 β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134 γ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。
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25 #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* X射线、γ射线、可见光、无线电波、红外线都是电磁波* X射线和γ射线是波长较短的电磁波无线电波红外线可见光紫外线 X射线宇宙射线---------|----------|----------|---------|---------------|--------------|----------|γ射线2 波动关系：λ=C/υλ（波长 A），C（光速），υ（频率） 1-1.40(T8)3 波长单位：埃 A=10-8 cm ；纳米 nm=10-7 cm. #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：反射，折射（折射系数近似1），干涉和衍射....；（4）具有极大的能量，能穿透物体；（5）能使物质电离，能产生热效应和光化作用；（6）能杀伤生物细胞，破坏生物组织，具有辐射生物效应。
#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1E∽ ----- Δt--连续变化，E--连续变化，Δt E=hυ=hc / λλ--连续变化#* λmin的导出：电场能 = 电子动能 = 光子能 + 消耗能1Ue = ---- MV2 = hυ + p 图2121∴ hυ= ---- MV2 - p= Ue -p2Ue如果 p -->0 则 hυmax Ue υmax =-----; υ=c/λhc 12.4 h∴λmin = ---- = ------- (h、c、e均为常数）Ue U单位：λmin：埃。
U：千伏。
#例： U=200Kv, λmin =12.4 / 200= 0.062 埃* 连续谱变化规律：1.管电压变；2.管电流变；3.滤波的影响；4.Z的影响。
图22 3 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=K Zi Um =KZiU2 (m=2)* λmin式中：K--系数 1.1--1.4×10-9 /v Z--原子序数； i--管电流； U--管电压* 影响强度的因素 U、Z、i #4 连续X射线的效率（转换效率）：连续X射线强度 KZiU2* 计算公式η=---------------------=----------- =KUZ* 电功率 iU* 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、 U、 Z * 例：Z=74；U=200；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 #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射线的条件：管电压>某一临界值时，才能产生标识X射线。
例： W 靶：69.5KV 开始产生标识X射线；Mo靶：20KV 开始产生标识X射线；2 标识谱及其特征图24* 标识X射线谱是叠加在连续谱上的单色谱。
其线系为：* 入射到K层的发射K系标识X射线， Kα Kβ…* 入射到L层的发射L系标识X射线, Lα Lβ... *入射到M层的发射M系标识X射线, MαMβ....四连续X射线与标识X射线的区别（1）产生机理不同.…（2）能量与波谱不同.…（3）强度不同.…X射线管产生的X射线包括：连续X射线和标识X射线五γ射线 )1 产生原理* 原子核的重要性质----放射性* 贝克勒尔发现α，β，γ射线* 原子核的能级α和β衰变后的能级状况, 多余能量的释放* 放射性同位素产生α或β衰变之后，若仍处于高能级的激发状态，必定要释放多余的能量回到低能级的稳定状态（基态），这时发射γ射线。
图25 #2 衰变规律与半衰期* 衰变规律： N=Noe-λt式中：No--初始状态的放射性原子核数（或强度）；N --t 时间后的放射性原子核数（或强度）；λ --衰变常数。