辐射之回顾与历史

第一讲：辐射之回顾与历史辐射可被定义成能量经物质或空间的传播。它的形式可为电磁波或带能量粒子。来源：劳伦斯柏克莱实验室, MicroWorlds: Electrmagnetic Spectrum. cited 26 March 2003. /MicroWorlds/ALSTool/EMSpec/EMSpec2.html 游离辐射有能力撞击原子中的电子如产生游离。 阿伐粒子 贝它粒子 中子 加马射线 x射线 非游离辐射并没有足够能量与物质作用以游离原子。 微波 可见光 无线电波 电视波 紫外线辐射(除了非常短的波长以外) 健康效应与辐射如何和生物物质之交互作用的微观层次有关。 辐射以小封包形式传递能量而非均匀地散布在所经过的整个质量之中。 影像已移除。Fig. 1.4 in Hall, Eric J. Radiobiology for the Radiologist, 5th ed. Philadephia PA: Lippincott Williams & Wilkins, 2000.美国公众辐射曝露之来源(from U.S. NRC, Glossary: Exposure. updated 21 July 2003, cited 26 March 2004 /reading-rm/basic-ref/glossary/exposure.html 1895: X-射线的发现 威廉康拉德仑琴(Wilhelm Conrad Roentgen)发现X射线于1895年11月8日 影像已移除克鲁克士/希托夫(Crookes/Hittorf)管 影像已移除第一张仑琴射线影像：1895年12月22日 影像已移除仑琴用x-射线获得的第一次影像中的一张显示一只手的骨头1896：1000篇有关X射线的论文出刊 仑琴于1901年接受第一个诺贝尔物理奖 克鲁克士/希托夫管发生了甚么？ 1. 磷光/荧光：来自管的发光 影像已移除荧光：快 (10-8 10-9 sec) 磷光：慢 影像已移除制动辐射(X-rays)：神秘的射线： 影像已移除仑琴实际上发现的是制动辐射(Bremsstrahlung) (煞车辐射) 当一电子撞击到靶时会发生以下两件事中的一件： 与轨道电子发生碰撞 受原子核力场影响而减速荷电粒子改变加速状态会放射出电磁辐射：x射线 电子的特性 汤姆生(J.J. Thompson)(1897) 在管中有一物体造成阴影 阴极射线管中有一明轮转动，使电子获得动量 这些试验代表一种粒子-电子的发现 汤姆生测量阴极射线的电荷-质量比 量测在一电场中的阴极射线之偏度 e/m = 1.76 x 1011C/kg 比值约为质子的1700倍以上, 换言之，电子的质量远小于氢 汤姆生发展一个正电矩阵嵌入负电之电子的原子模型(葡萄干布丁模型) 影像已移除1896：放射性的发现：亨利贝克勒尔(Henri Becquerel) 影像已移除贝克勒尔研究荧光/磷光物质 在开始测试其它物质： 在黑纸中的摄影板上硫酸铀钾放在日光下 .并不需要日光 1903 诺贝尔物理奖1897：玛莉亚斯可罗多夫居礼(Marie Sklodowska Curie)与皮埃尔居礼的发现 玛莉亚居礼：博士论文以铀(U)与钍(Th)重复贝克勒尔的实验 从沥青铀矿中纯化的物质 比铀或钍更具有放射性.钋 连续地纯化在化学性质上有差异的物质(不可溶的硫酸；钙化钡可溶) 镭的纯化试样(1.00克的纯镭之活性定义为1居礼) 玛莉亚与皮埃尔居礼与贝克勒尔共同分享1903年的诺贝尔物理奖 令人迷惑的特性. 1900：克鲁克士(Crookes) 氢氧化铁在铀盐溶液中沈淀其沈淀物有活性。 几天后沈淀物的活性减少而铀却又恢复活性！ 1899/1900年 阿伐(Alpha), 贝它(Beta)与加马(Gamma) 影像已移除拉瑟福德(Rutherford)：对铀进行研究观察到两类辐射 () 此时对其特性仍不清楚 ( ) 表现出阴极射线电子的特性 ( ) 在法国的维拉德(Villard in France)亦对铀进行研究发现一种非常具穿透力的辐射不同于阿伐与贝它 贝克勒尔式摄影板受到来自铀发射的加马射线之曝露 原子的结构 氢发射光谱： 白光入射光谱仪产生类似彩虹的颜色 燃烧单元素所发射的光谱产生一系列不连续线。这线光谱代表每种元素的特征 影像已移除Fig 2.1 in Turner J. E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed. New York: Wiley-Interscience, 1995.约翰。巴耳曼(Johann Balmer) (1885) 巴耳曼发展一种经验公式来描述氢发射光谱。 R = 1.09737 x 107 m-1 雷得堡(Rydberg)尝数 n 代表任何大于2的整数 例如当n = 3= 6562 当n = 4= 4861 这系列在紫外线范围内 巴耳曼(正确地)推断出在红外与紫外光范围内的其它系列谱线。 影像已移除Fig 4.2(b) in Hall欧内斯特拉瑟福德(Ernest Rutherford) (1909) 这时期的阿伐、贝它与加马射线以为人所知 拉瑟福德利用来自214Po同位素射源放射出的7.69 MeV。 准直过的阿伐粒子直接撞击在薄金属箔片上(60 m). 闪烁屏幕配合显微镜观察到不同的偏向角。 偶尔会有大角度的偏向(对白金而言8000次中有一次 90对金而言20,000次中有一次) 这需要一个巨大的电或磁场才能倒转相对质量重的阿伐粒子之方向。 令人难以置信地就像你用15英吋炮弹射向一张卫生纸而炮弹反射回来袭击你 (E. Rutherford, 1911) 影像已移除Fig 2.7 in Hall带正电荷的原子核之质量重、致密且非常小。 拉瑟福德发展一种原子的行星模型：一个小的原子核有轨道电子围绕着它。 今日我们已经知道原子核半径为 R = 1.3 A x 10-15 m 例如, 金：原子核半径 = 1.3 (197) x 10-15 m= 7.56 x 10-15 m 原子半径= 1.79 x 10-10 m比值= 4.22 x 10-5 (原子核只占原子截面的一小部份)。 影像已移除拉瑟福德模型的问题 一物体若不是被加(减)速就是做直线等速运动 而加速电荷就会发射出电磁辐射并损失能量 一个在绕着原子核轨道上的电子因为损失能量而盘旋坠落于原子核。 马克士蒲郎克(Max Planck) (1900) 光大部分可用波来解释但由实验观察到的并非全部皆适用。著名的例外如光电效应、黑体辐射。 为了解释黑体辐射蒲郎克提出光能量是量子化的。 光波的能量是量子的整数 E = h E = 1量子的能量 是频率(s-1), h = 6.62 x 10-34 J-s (蒲郎克常数) 艾伯特爱因斯坦(Albert Einstein) (1905) 爱因斯坦利用蒲郎克量子理论来解释光电效应 E = hE = 波长越短量子能量越大 这是量子理论的开端与光具有粒子-波的二元性。 对那两个实验所观察结果的成功解释强力的支持的基础新研究。 蒲郎克的光能量是量子化理论在1918年获得诺贝尔奖。 爱因斯坦因为他在光电效应上的研究在1921年获得诺贝尔奖。 波耳(Niels Bohr) (1913) 波耳提出四个革命性的理论导入量子力学中。 波耳由氢能普资料来推论若有观察到特定线谱原子只有能力发射出某几种波长其关联的变化只在一定的能阶中。 波耳假设： 电子只存在于某些特定轨道上 在特定轨道上的电子是稳定而不发出能量 电子在固定的轨道每一轨道有不同能量态故有能阶存在 当电子由某一能阶移到另一能阶会有光子发出或被吸收。 光子能量相当于两能阶的差 由蒲郎克方程式可知波长与能量有关 E光子Ex能阶Ey能阶h 稳定态涉及在圆形轨道上电子的运动 为了获得观察到的氢能谱线需要电子的角动量为整数倍。 mrn n 代表电子能阶变成量