射线检测物理基础PPT课件.ppt
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1、关于射线检测物理基础第一张,PPT共七十二页,创作于2022年6月 第一节 原子和原子核结构1.元素与原子(了解)1 元素构成物质,每一种元素用元素符号表示(119种)C CO Fe2 原子的概念:定义:体现元素性质的最小微粒。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。第二张,PPT共七十二页,创作于2022年6月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;电子在一定轨道上绕核运动。铁原子 铯原子第三张,PPT共七十二页,创作于2022年6月(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
2、积内核的总重量为 108 吨!(一万万吨!)相对原子质量=质子数+中子数+电子数(电子质量小,忽略)(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 倍原子是有质量、有尺寸的一种粒子。原子质量微小 相对原子质量 第四张,PPT共七十二页,创作于2022年6月(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:钴60 60 =27 +33质子数Z=核的正电荷数=电子数=原子序数
3、 (5)核素:凡是具有一定质子数、中子数并处于特定能量状态的原子或原子核称为核素。(6)同位素:同一种元素的原子具有相同的核电荷数,即核内质子数相同,中子数可以不同(中子不带电)。第五张,PPT共七十二页,创作于2022年6月 稳定核素 不稳定 自发放出、或射线变为另一种元素 放射性核素获得:Z83 用高能粒子轰击稳定核素的核质子数相同而中子数不同(核电荷数相同而相对原子质量不同)的各种原子互为同位素。pie 氕 dao 氘 chuan 氚第六张,PPT共七十二页,创作于2022年6月1913年玻尔提出了完善的原子结构模型 -玻尔模型.3 原子结构理论-玻尔理论(玻尔模型)*20世纪初二种不同
4、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 卢瑟福粒子散射试验1911年:卢瑟福模型:行星分布 古典电磁理论 原子的线状光谱 第七张,PPT共七十二页,创作于2022年6月 玻尔理论(玻尔模型)的要点:(1)原子中的电子沿着圆形轨道绕核运行,各轨道有不同的能量状态,叫做能级,各能级的能值都是确定的。正常情况下电子在能级最低的轨道上运行,这时的原子状态称作基态。(2)原子从外界吸收一定能量时,电子就由最低能级跳到较高能级,这一过程称作跃迁,这时的原子状态称作激发态。激发态是一种不稳定状态,电子将再次跃迁回较低能级:h=En-Em En、Em分别为较高、较低能级的能量值。稳
5、定状态的改变(或能量的改变)是不连续的。第八张,PPT共七十二页,创作于2022年6月第九张,PPT共七十二页,创作于2022年6月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:
6、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。第十张,PPT共七十二页,创作于2022年6月1901年-W.K Rontgen(伦琴)德国-发现X射线(物理)东尼1903年:安亨利贝克勒尔(法国)发现天然放射性;皮埃尔居里(法国)、玛丽居里(波兰裔法国人)发现并研究放射性元素钋和镭1904年:瑞利(英国)气体密度的研究和发现氩1906年:约瑟夫汤姆生(英国)对气体放电理论和实验研究作出重要贡献并发现电子1908年E.卢瑟福(英国人)首先提出放射性元素的蜕变理论1911年M.居里(法国人)发现镭和钋因对X射线、放射性物质及应用作出贡献而获诺贝尔奖的科学家
7、第十一张,PPT共七十二页,创作于2022年6月1914年-M.V Laue(劳厄)-发现晶体的X衍射衍射(物理)1915年-WH.WL.Bragg(布拉格)用X射线分析晶体结构(物理)1917年-C.G Barkla(巴克拉)-发现X射线对元素的特征发射(物理)1921年:阿尔伯特爱因斯坦(德国)他对数学物理学的成就,特别是光电效应定律的发现1922年:尼尔斯亨利克大卫玻尔(丹麦)关于原子结构以及原子辐射的研究1924年-M.G Siegbahn(塞格巴恩)-(瑞典)研究X射线光谱学(物理)1925年:弗兰克赫兹(德国)发现原子和电子的碰撞规律1927年-A.H Compton(康普顿)-发
8、现散射X射线的波长变化(物理)1929年:路易维克多德布罗意(法国)发现电子的波动性1935年:詹姆斯查德威克(英国)发现中子1936年-P.J.W Debye(德拜)-X射线偶极矩和衍射及气体中的电子研究(化学)1946年-H.I Muller(马勒)-X射线辐照引起变异(生理学或医学)第十二张,PPT共七十二页,创作于2022年6月二 原子核(了解)1原子核的构成 原子核=质子+中子 rA1/3 核的密度是相同的2 原子核的质量 *原子核的质量组成部分的质量和;结合能把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。第十三张,PPT共七十二页,创作于2022年6月3 核的稳定性 核
9、力 斥力 核 力 核力的性质:核力与电荷无关,无论中子还是质子 都受到核力的作用。核力是短程力,只在相邻原子核之间发生作用核力比库仑力约大100 倍,是一种强相互作用力核力能促成粒子的成对结合和对对结合第十四张,PPT共七十二页,创作于2022年6月核的稳定性取决于质子与中子数量的组合 对于小质量数的核,N/Z=1 对于大质量数的核,N/Z=1.6 不稳定核素 放射性衰变4 衰变 *放射性原子核释放出粒子的过程称为衰变。*衰变后,原子核内核子数的变化:粒子是氦的原子核(He)核内:2个质子,2个中子 一次衰变:质子数减少二个,中子数减少二个,原子量减少4。*粒子所形成的射线是一种电离辐射。第十
10、五张,PPT共七十二页,创作于2022年6月5 衰变 *放射性原子核释放出粒子的过程称为衰变。*衰变后,原子核内核子数的变化:粒子是电子,一次衰变:质子数增加一个,原子量不变。6 衰变(辐射)*放射性原子核释放出光子的过程称为衰变(辐射)。衰变通常是在衰变和衰变过程中发生的。并非每一个衰变和衰变都释放光子。射线的释放不影响原子核的核子数,仅减少原子核的强度。第十六张,PPT共七十二页,创作于2022年6月第十七张,PPT共七十二页,创作于2022年6月 第二节第二节 射线的种类和性质射线的种类和性质一、X射线和射线的本质与性质(理解)1 本质:电磁波*X射线、射线、可见光、无线电波、红外线都是
11、电磁波*X射线和射线是波长较短的电磁波;区别在于波长不同以及产生方法不同。第十八张,PPT共七十二页,创作于2022年6月2 波动关系:=C/(波长 A),C(光速),(频率)3 波长单位:埃 A=10-8 cm;纳米 nm=10-7 cm.4 X射线和射线性质:(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。第十九张,PPT共七十二页,创作于2022年6月X射线的产生产生机
12、理:作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。连续谱连续谱 最短波长与外加电压有关最短波长与外加电压有关X X射线谱射线谱 特征谱特征谱 波长位置取决于靶材料波长位置取决于靶材料 第二十张,PPT共七十二页,创作于2022年6月2.连续X射线(白色X射线,多色X射线)1、轫致辐射:带电粒子在加速或减速时必然伴随着电磁辐射,当带电粒子与原子相碰撞(更确切地说是与原子核的库伦场相互作用)发生骤然减速时,由此伴随产生的辐射。X射线产生的波谱呈连续分布。连续谱存在着一个最短波长min=12.4/V(),连续谱中最大强
13、度对应波长IM=1.5 min 连续X射线的总强度IT=KiZiV2i变大 电子数增多 I变大V变大 电子能量变大 短波成分射线增大 I变大Z越高 核库仑场越强 轫致辐射作用越强 I变大 第二十一张,PPT共七十二页,创作于2022年6月2、连续X射线谱及最短波长:1.管电流变;2.管电压变;3.滤波的影响;4.Z的影响影响强度的因素 U、Z、i第二十二张,PPT共七十二页,创作于2022年6月3、连续X射线的效率(转换效率):连续X射线强度 KZiU2 *计算公式 =-=KUZ *电功率 iU *K值:K=1.11.410-9 /v;K=1.1-1.410-6 /Kv*影响转换效率的因素 K
14、、U、Z *例:Z=74;U=200;求 =1.410-6 74200=2%第二十三张,PPT共七十二页,创作于2022年6月(5)X射线管采用金属钨作靶的原因:射线管采用金属钨作靶的原因:X射线管采用金属钨作靶的原因:Z=74较大,产生X射线的转换效率高;钨的熔点高,不易热损;钨的饱和蒸气压低,能够使射线管保持高的真空度;钨具有良好的导热性。第二十四张,PPT共七十二页,创作于2022年6月三 标识X射线(特征X射线,线状X射线,单色X射线)标识X射线产生机理 VVK 标识谱 VK 激发电压 不同靶材VK各不相同第二十五张,PPT共七十二页,创作于2022年6月能量较大的电子入射到靶材料的原
15、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。标识X射线强度少,能量低,在工业射线检测中不起作用。2 标识谱特征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。第二十六张,PPT共七十二页,创作于2022年6月四 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
16、线包括:连续X射线和标识X射线五 射线(理解)1 产生原理 射线是放射性同位素经过或衰变后,在激发态向稳定态过渡的过程中从原子核内发出的。*放射性同位素产生或衰变之后,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),这时发射射线。第二十七张,PPT共七十二页,创作于2022年6月核内能级之间的跃迁与核外电子跃迁相同点:放出光子,h=En-Em 不同点:核外电子跃迁h neV 核内能级跃迁h nKeVn10MeV射线能量取决于放射性同位素种类,射线能谱为线状谱,谱线只出现在特定波长的若干点上。一种放射性同位素放出多种能量射线辐射能量的平均值 同位素的辐射能量放射性同位
17、素辐射能量不会衰减,不随时间而改变 nKeV第二十八张,PPT共七十二页,创作于2022年6月2 衰变规律与半衰期衰变定律:在一定量的放射性元素中,虽然所有的核都有可能发生衰变,但各个核并不是同时衰变的,而是有先有后,在一定的时间内,存在确定的几率。*衰变规律:N=Noe-t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);-衰变常数。越大,物质衰变的快*放射性同位素的能量不随时间改变。*半衰期的定义:放射性同位素原子核数(或强度)衰变到一半时所需的时间称为该同位素的半衰期。记以T。第二十九张,PPT共七十二页,创作于2022年6月*半衰期公式的推导:N
18、 1-=-=e-T No 2二边取自然对数,Ln(1/2)=-T -Ln2=0.693所以:0.693 T=-例:Co60 T=5.3年=0.693/5.3年=0.130/年*半衰期的简便计算公式 N 1-=(-)t/T (t/T)即有多少个半衰期 No 2第三十张,PPT共七十二页,创作于2022年6月3 射线的能量 能量决定穿透力 *穿透力取决于源的种类和性质4 射线的强度 *单位时间落到单位面积上的光子数卢瑟福1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型:一种是带正电的射线,极易吸收的,他称之为射线;另一种带负电的射线,有较强的穿透能力,他称之为射线。1900年由法国科学家P.
19、V.维拉德(Paul Ulrich Villard)发现,将含镭的氯化钡通过阴极射线,从照片记录上看到辐射穿过0.2毫米的铅箔,拉塞福称这一贯穿力非常强的辐射为射线,第三十一张,PPT共七十二页,创作于2022年6月5 X射线和射线比较 (理解)*相同点 *(1)都是电磁波,本质相同;*(2)都具有反射,折射等光学性质;*(3)都能使胶片感光;*(4)都是电离辐射能对人和生物造成危害;*(5)穿过物体时具有相同的衰减规律.不同点 *(1)产生方式不同;*(2)能量不同:X-可控,可调,取决于管电压;*-不可控,不可调,取决于源的性质;*(3)强度不同:X-可控,可调,取决于U,i,Z;*-随时
20、间变化;*(4)波谱形式不同。第三十二张,PPT共七十二页,创作于2022年6月 第三节 射线与物质的相互作用射线强度减弱散射吸收射线与物质的主要作用形式光电效应瑞利散射 康普顿效应电子对效应第三十三张,PPT共七十二页,创作于2022年6月一 瑞利散射和汤姆森散射 (了解)*入射光子与原子碰撞,碰撞类型与能量的关系:当入射光子的能量较小时光子不能碰出轨道电子只能产生散射现象。*瑞利散射:光子与内层电子作用时,电子吸收光子能量从低能级跃迁到高能级,同时释放出一个散射光子,其能量与入射光子的能量相同。*汤姆森散射:光子与自由电子碰撞,使电子作同频率振动并释放 出与入射光子能量相同的散射线。外层电
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