射线检测的物理基础-2012

1、 射线检测的物理基础射线检测初、中级人员培训射线检测初、中级人员培训2本章节的内容n原子与原子结构n射线的种类和性质n射线与物质的相互作用n射线照相法的原理与特点3第一节第一节 原子与原子结构原子与原子结构一一 原子原子 1 1 原子的概念原子的概念: : * * 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是体现元素性质的最小微粒, ,由原子核和核外电子构成。由原子核和核外电子构成。 2 2 原子的构成：图原子的构成：图11 11 动画演示动画演示 * * 原子是由原子核和核外电子所构成。原子是由原

2、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。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。原子是有质量、有尺寸的一种粒子。 （1 1）质量：几乎集中在原子核内，核的密度非常大！）质量：几乎集中在原子核内，核的密度非常大！ 如果：把核集中在如果：把核集中在 1 1cmcm3 3 的体积内，那么：这的体积内，那么：这1 1cmcm3 3 的体积内核的体积内核的总重量为的总重量为 10 108 8 吨！吨！ （一万万吨！）（一万万吨！）4（2）大小：原子半径）大小：原子半径 10-8 cm 数量级。数量级。 原子

3、核半径原子核半径 10- 13cm 数数量级。如果：核的半径为量级。如果：核的半径为 1cm 核（核（1cm） 电子电子 n*（约（约1000米）米）n10-8 / 10-13 = 100000 倍倍（3）电荷：原子核带正电；电子带负电；原子为中性。）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）构成：原子核（质子 + 中子）中子）+电子电子 数量关系：原子量数量关系：原子量 = 质子数质子数 + 中子数中子数 A = Z + N 例：例：60钴钴 60 = 27 + 33质子数质子数Z=核的正电荷数核的正电荷数=电子数电子数=原子序数原子序数原子结构理论原子结构理论.

4、6 3 3 原子结构理论原子结构理论 * * 20 20世纪初二种不同的原子结构模型世纪初二种不同的原子结构模型19031903年：汤姆森假设：核子与电子在原子内均匀分布年：汤姆森假设：核子与电子在原子内均匀分布 # #19111911年：卢瑟福模型：行星分布年：卢瑟福模型：行星分布 图图1111 * * 散射实验否定了汤姆森假设肯定了卢瑟福模型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，卢瑟福模型不完善，19131913年玻尔提出了完善的原子结构模型年玻尔提出了完善的原子结构模型 -玻尔模型玻尔模型. . 玻尔理论（玻尔模型）的要点：玻尔理论（玻尔模型）的要点：（1

5、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）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定的能量E1E1、E2E2、E3.EnE3.En。处于稳定状态中运动的电子虽然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。放射辐射的结果或由于碰撞的结果。 （2 2）原子从一个能量为）原子从一个能量为EnEn的稳定状态过度到能量为的稳定状态过度到能量为EmEm的稳定状态的稳定状态时，它发射（或吸收）单色的辐射，其频率时，它发射（或吸收）单色的辐射，其频率决定

6、于下列关系式决定于下列关系式（称为玻尔频率条件）：（称为玻尔频率条件）： hh（光量子能量）（光量子能量）=En-Em En=En-Em En、EmEm分别为较高、较低分别为较高、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 4 玻尔理论中的几个概念：玻尔理论中的几个概念： 图图11 11 * * 基态：原子处于最低能量的状态称为基态，是稳定状态；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

7、；此时原子处于高能量状态，称为激发态，称为激发；此时原子处于高能量状态，称为激发态， 激发态是激发态是不稳定的状态；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；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

8、；或从高到低的运动）；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。层能级最高，但外壳层上的电子结合能最低。8二二 原子核原子核 1 1 原子核的结构原子核的结构 * * 精确的结构模型自今尚未建立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，液滴模型多种模型并存的状态：壳层模型，液滴模型.、 2 2 原子核的构成原子核的构成 图图13 13 * * 均匀分布均匀分布 * * 不同数量的质子和不同数量的中子构成不同性质（元素）不同数量的

9、质子和不同数量的中子构成不同性质（元素）的原子核的原子核 * * 原子的原子量原子的原子量A A代表该原子的原子核的质子和中子的总和代表该原子的原子核的质子和中子的总和: : A = Z + NA = Z + N 3 3 原子核的电荷原子核的电荷 正电荷正电荷= =原子序数原子序数 Z Z 4 4 原子核的半径原子核的半径 10 10-13-13-10-10-12-12 cmcm 5 5 原子核的质量原子核的质量 原子核的质量原子核的质量 电子的质量电子的质量; ; 原子的质量原子的质量 原子核的质量原子核的质量9 6 6 核的稳定性核的稳定性 * * 核的稳定性取决于质子与中子数量的组合核的

10、稳定性取决于质子与中子数量的组合 质子与中子数量：质子与中子数量： 2 2、8 8、2020、2828、5050、8282、126 126 最稳定。最稳定。 7 7 核内的几种作用力核内的几种作用力 * * 库仑力：库仑力：库仑力是静电力，是电荷间的作用力库仑力是静电力，是电荷间的作用力 * * 核力核力 ：存在于质子和中子间，是核稳定性的重要因素：存在于质子和中子间，是核稳定性的重要因素 核力的性质：核力的性质： （1 1）核力与电荷无关；）核力与电荷无关； （2 2）核力是短程力；）核力是短程力； （3 3）核力比库仑力约大）核力比库仑力约大100100倍，是强相互作用力；倍，是强相互作用

11、力； （4 4）核力促成粒子的二种结合形式）核力促成粒子的二种结合形式 成对结合：成对结合： 质子质子 + + 中子中子 对对结合：对对结合： 一对质子一对质子 + +一对中子一对中子10三三 元素及元素周期律元素及元素周期律 1 1 元素的概念元素的概念 （1 1）定义：具有相同核电荷的一类原子称为元素。）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例如：所有一个核电荷数的原子称为 氢元素，氢元素， 所有八个核所有八个核电荷数的原子称为氧元素电荷数的原子称为氧元素. （2 2）元素符号）元素符号: : 表示某种元素的一个符号表示某种元素的一个符号 A A：原子量

12、（原子质量数）。原子量（原子质量数）。 Z Z：原子序数：原子在元素周期表中的排列序号。原子核所带原子序数：原子在元素周期表中的排列序号。原子核所带的正电荷数。的正电荷数。 图图1212 2 2 同位素同位素 * * 质子数相同而质量数不同的元素称为同位素。质子数相同而质量数不同的元素称为同位素。 如：如：1 1H H，2 2H H，3 3H H 图图1212113 3 元素周期律元素周期律 * * 1869 1869门捷列夫发现元素周期律门捷列夫发现元素周期律 * * 自然定律自然定律: : 玻尔理论对元素周期律的科学解释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

13、原子序数的增元素周期律揭示了：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。着原子序数的增加而呈现周期变化的规律。四四 放射性衰变放射性衰变 1 1 原子核的重要性质原子核的重要性质-放射性放射性 * * 核的稳定性概念核的稳定性概念 * * 处于基态的稳定性原子核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。另一种核素回归到基态。 *

14、* 衰变的定义：在无外界作用下，不稳定原子核自发释放出中衰变的定义：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。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自然衰变与人工衰变 * 稳定同位素与不稳定同位素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放射性同位素与人工放射性同位素.射线和辐射射线和辐射射线射线:由各种放射由各种放射性核素发射出的性核素发射出的、具有特定能量、具有特定能量的粒子或光子束的粒子或光子束流。流。 辐射：射线由射辐射：射线由射线源向外发射的线源向外发射的过程。过程。中子射线

15、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:带电离子带电离子贯穿物质的本领较差贯穿物质的本领较差不带电离子不带电离子电中性电中性贯穿物质的本领较强贯穿物质的本领较强广泛用于无损检测广泛用于无损检测132 衰变衰变 * 放射性原子核释放出放射性原子核释放出粒子的过程称为粒子的过程称为衰变，放出带衰变，放出带2个正电荷的氦核。个正电荷的氦核。 * 衰变后，原子核内核子数的变化：衰变后，原子核内核子数的变化： 粒子是氦的原子核（粒子是氦的原子核（He) 核内：核内：2个质子，个质子，2个中子个

16、中子 一次一次衰变：质子数减少二个，中子数减少二个，原衰变：质子数减少二个，中子数减少二个，原 子量减少子量减少4。图。图13 * 粒子所形成的粒子所形成的射线是一种电离辐射。射线是一种电离辐射。 射线穿透能力很小，在空气中也只能飞射线穿透能力很小，在空气中也只能飞行几个厘米，但电离能力很强。行几个厘米，但电离能力很强。 3 衰变衰变n放射性原子核释放出放射性原子核释放出粒子的过程称为粒子的过程称为衰变。衰变。* 衰变后，原子核内核子数的变化：衰变后，原子核内核子数的变化： 粒子是电子粒子是电子, 一次一次衰变：质子数增加一个，原子量不变。衰变：质子数增加一个，原子量不变。 图图13 粒子所形

17、成的粒子所形成的射线也是一种电离辐射。射线也是一种电离辐射。 射线是正电子流或负电子流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，但电离作用较弱它穿透能力较大，可穿透几毫米厚的铝，但电离作用较弱。144 衰变衰变(辐射辐射) 放射性原子核释放出放射性原子核释放出光子的过程称为光子的过程称为衰变衰变(辐射辐射)。 衰变通常是在衰变通常是在衰变和衰变和衰变过程中发生的。衰变过程中发生的。 射线的释放不影响原子核的核子数，仅减少原子核的能量。射线的释放不影响原子核的核子数，仅减少原子核的能量。 *并非每一个并非每一个衰变和衰变和衰变都释放衰变都释放光子。光子。 射线是波长很短的电磁

18、波，穿透物体的能力很强，甚至可以穿透几个厘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，但电离作用很小米厚的铅板，但电离作用很小。5 人工放射性人工放射性n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。子核，这些原子核具有人工放射性。n* 钴钴60的典型衰变的典型衰变 图图251.钴钴60是由稳定同位素钴是由稳定同位素钴59被中子被中子照射后形成的。照射后形成的。2.钴钴60不稳定，放出不稳定，放出粒子变成同位素镍粒子变成同位素镍60，受，受激状态的镍激状态的镍60，连

19、续放出，连续放出2个各带有个各带有1.17和和1.33MeV的的射线光子射线光子后变为稳定状态。后变为稳定状态。15原子结构汇总16 第二节第二节 射线的种类和性质射线的种类和性质* * 了解射线的各种性质及应用了解射线的各种性质及应用一、一、 X X射线和射线和射线的本质与性质射线的本质与性质 1 1 本质：本质： 电磁波电磁波 从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是能够从科学的角度来说，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。释出能量的物体，都会释出电磁波。 正像人们一直生正像人们一直生活在活在空气空气中而中而眼睛眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无却看不见空气一样

20、，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波为横波。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所示），其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正置之能量功率与振幅的平方成正比。比。磁能随着电场与磁场的周期变化以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，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不需要介质也能向外传递能量，这就

21、是这就是一种辐射一种辐射。如。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 X射线、射线、射线、可见光、无线电波等都是电磁射线、可见光、无线电波等都是电磁波波 * * X X射线和射线和射线是波长较短的电磁波射线是波长较短的电磁波 )m01(-9了解波长：了解波长：无线电波无线电波 3000米米0.3毫米。毫米。红外线红外线 0.3毫米毫米0.75微米。微米。可见光可见光 0.7微米微米0.4微米。微米。紫外线紫外线 0.4微米微米10毫微米毫

22、微米X射线射线 10毫微米毫微米0.1毫微米毫微米射线射线 0.1毫微米毫微米0.001毫微米毫微米高能射线高能射线 小于小于0.001毫微米毫微米传真传真（电视电视）用的波长是）用的波长是36米；米；雷达雷达用的波长更短，用的波长更短，3米到几毫米。米到几毫米。202 2 波动关系：波动关系：=C/ =C/ （波长波长 A A），），C C（光速），光速），（频率）频率）3 3 波长单位：波长单位： 埃埃 =10=10-10-10m=10m=10-8-8 cm cm ；纳米纳米 nm=10nm=10-10-10m=10m=10-7-7 cm. cm. 4 4 性质：性质： （1 1）不可见，

23、在真空中以光速传播；）不可见，在真空中以光速传播； （2 2）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； （3 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）具有某些光学特性：产生漫反射（不能产生镜面反射）和折射（折射系数近似射系数近似1 1）；）； （4 4）能产生干涉和衍射（在铝合金和不锈钢中产生衍射斑纹）；）能产生干涉和衍射（在铝合金和不锈钢中产生衍射斑纹）； （5 5）具有极大的能量，能穿透物体；）具有极大的能量，能穿透物体； （6 6）能使物质电离，能产生热效应和光化作用；）能使物质电离，能产生热效应和光化作用； （7 7）能杀伤生物细胞，破坏生物

24、组织，具有辐射生物效应。）能杀伤生物细胞，破坏生物组织，具有辐射生物效应。射线的种类和性质射线的种类和性质二二 X射线的产生及其特点射线的产生及其特点21 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22n连续连续X X射线（白色射线（白色X X射线，多色射线，多色X X射线）射线）* * X X射线射线: : 射线束中包括射线束中包括连续连续X X射线和特征射线和特征X X射线射线1 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）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。的带电粒子将产生电磁辐射。X X射

25、线管内高速运动的电子与靶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称停速辐射图21 21 2 2 连续连续X X射线谱及最短波长：图射线谱及最短波长：图2222 * * 根据经典电动力学理论，韧致辐射的能量与停速时间根据经典电动力学理论，韧致辐射的能量与停速时间 tt成反比成反比 E1/t t- E1/t t-连续变化，连续变化，E-E-连续变化，连续变化， E=h=hc / - E=h=hc

26、 / -连续变化连续变化23 * minmin的导出：电场能的导出：电场能 = = 电子动能电子动能 = = 光子能光子能 + + 消耗能消耗能 eV = MV eV = MV2 2 /2= h + p /2= h + p 图图2121 h= MVh= MV2 2 /2 - p= eV p /2 - p= eV p 消耗能远小于光子能，故忽略消耗能消耗能远小于光子能，故忽略消耗能, ,即：即： p p 0 0 则则 hhmax max eV eV maxmax =eV / h ; =c/ =eV / h ; =c/ minmin = hc / eV = 12.4 / V (h = hc / e

27、V = 12.4 / V (h、c c、e e均为常数）均为常数） 单位：单位：minmin：埃。埃。 U U：千伏。千伏。例：例： U=200kV, U=200kV, minmin =12.4 / 200= 0.062 =12.4 / 200= 0.062 埃埃24* * 连续谱连续谱 变化规律：变化规律： 1. 1.管电压变化；管电压变化；2.2.管电流变化；管电流变化；3.3.滤波的影响；滤波的影响； 4. 4.靶材料原子靶材料原子序数序数Z Z的影响。的影响。 图图22223 3 连续连续X X射线强度分布曲线及强度计算：图射线强度分布曲线及强度计算：图22 22 * * 连续谱曲线连

28、续谱曲线 I I（） 极其复杂！极其复杂！n总强度：总强度： 求面积积分求面积积分n* * n* * I = II = I（） d = KZi V d = KZi V2 2 n* * min min n式中：式中：K-K-系数系数 1.1-1.4 1.1-1.41010- -6 6 /Kv/Kv Z- Z-原子序数原子序数 ； i-i-管电流管电流( (mA) mA) ； V- V-管电压管电压( (kV)kV)* * 影响强度的因素影响强度的因素 V V、Z Z、i i管电压、管电流变化对X射线谱的影响25大家要了解并会运大家要了解并会运用这个公式，对于用这个公式，对于特定的射线机，其特定的

29、射线机，其强度与管电压的平强度与管电压的平方成正比。方成正比。曝光量曝光量EIt也就是说曝光时间也就是说曝光时间与管电压的平方成与管电压的平方成反比。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，U1150KVt1=5E1=E2(黑度相同） U2180KV求t2=？由公式E=It I= KZi U2 可推导出：可推导出：KZi U12t1 = KZi U22t2t2 =U12t1/U22 =(150/180)25=3.5分钟答：

30、180KV时的曝光时间应为3.5分钟26274 4 连续连续X X射线的效率（转换效率）：射线的效率（转换效率）： * * 计算公式计算公式 =连续连续X X射线强度射线强度 / /电功率电功率 = KZiV= KZiV2 2 / iV = KVZ / iV = KVZ * * K K值：值：K= 1.1-1.4K= 1.1-1.41010-9-9 /v /v； K= 1.1-1.4 K= 1.1-1.41010-6-6 /Kv /Kv * * 影响转换效率的因素影响转换效率的因素 K K、 V V、 Z Z * * 例：例：Z=74Z=74；V=200kVV=200kV；求求 =1.4 =1

31、.41010-6-6 7474200=2%200=2%5 5 连续连续X X射线的空间强度分布：射线的空间强度分布：图图2323 * * 垂直方向不是强度最大方向垂直方向不是强度最大方向 * * 实际实际曝曝光场是一个椭圆光场是一个椭圆 * * 通过实验测定通过实验测定曝曝光场的强度分布光场的强度分布28三三 标识标识X X射线（特征射线（特征X X射线，线状射线，线状X X射线，单色射线，单色X X射线）射线） 1 1 标识标识X X射线产生机理射线产生机理图图2424 * * 能量较大的电子入射到靶材料的原子中，与壳层电子碰撞，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

32、，使原子处于激发态（吸收）；激发态原子释放能量击出内电子，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）。即发射标识发射光子（辐射）。即发射标识X X射线。射线。 产生标识产生标识X X射线的条件：管电压射线的条件：管电压 某一临界值时，才能产生标识某一临界值时，才能产生标识X X射线。射线。在无损检测中，因强度低，几乎不起作用在无损检测中，因强度低，几乎不起作用 例例 ： W W 靶：靶：69.569.5KV KV 开始产生标识开始产生标识X X射线；射线； MoMo靶：靶：2020KV KV 开始产生标识开始产生标识X X射线；射线； 2 2 标识谱及其特征图标识谱及其特征图

33、2424 * * 标识标识X X射线谱是叠加在连续谱上的单色谱。其线系为：射线谱是叠加在连续谱上的单色谱。其线系为： * * 入射到入射到K K层的发射层的发射K K系标识系标识X X射线，射线， K KK K * * 入射到入射到L L层的发射层的发射L L系标识系标识X X射线射线, , L L. L L. 29四四 连续连续X X射线与标识射线与标识X X射线的区别射线的区别 （1 1） 产生机理不同产生机理不同. . （2 2） 能量与波谱不同能量与波谱不同. . （3 3） 强度不同强度不同. . X X射线管产生的射线管产生的X X射线包括：连续射线包括：连续X X射线和标识射线和

34、标识X X射线射线n射线射线 1 1 产生原理产生原理n原子核的重要性质原子核的重要性质-放射性放射性n贝克勒尔发现贝克勒尔发现，射线射线5 5放射性同位素产生放射性同位素产生或或衰变之后，若仍处于高能级的激发衰变之后，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），这时发射态），这时发射射线射线释放多余的能量，释放多余的能量，其机理是核内能级其机理是核内能级之间的跃迁产生的。之间的跃迁产生的。 。图图2525302 2 衰变规律与半衰期衰变规律与半衰期 * * 衰变规律：衰变规律： N=NoeN=Noe- -tt

35、式中：式中：No-No-初始状态的放射性原子核数（或强度）；初始状态的放射性原子核数（或强度）； N -t N -t 时间后的放射性原子核数（或强度）；时间后的放射性原子核数（或强度）； - -衰变常数。衰变常数。 * * 并非每一次衰变都发射并非每一次衰变都发射射线。射线。 * * 放射性同位素的能量不随时间改变。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。记以一半时所需的时间称为该同位素的半衰期。记以T1/2 。31* 半衰期公式的推导：半衰期公式的推导：

36、 N 1 N 1 = = = e = e-T-T No 2 No 2二边取自然对数，二边取自然对数， Ln(1/2)=-TLn(1/2)=-T - Ln2=0.693 - Ln2=0.693 所以：所以： 0.693 0.693 T T= = 例：例：Co60 TCo60 T=5.3=5.3年年 =0.693/5.3=0.693/5.3年年=0.130/=0.130/年年 * * 半衰期的简便计算公式半衰期的简便计算公式 N 1 N 1 =( =() )t/Tt/T （t/Tt/T）即有多少个即有多少个半衰期半衰期 No 2No 232 3 3 射线谱射线谱 - -线状谱线状谱 * * 606

37、0Co: 2Co: 2根；根； 192192Ir:24Ir:24根；根； 137137Cs:1Cs:1根；根； 图图2525 4 4 射线的能量射线的能量 能量决定穿透力能量决定穿透力 * * 穿透力取决于源的种类和性质穿透力取决于源的种类和性质 5 5 射线的强度射线的强度 * * 单位时间落到单位面积上的光子数单位时间落到单位面积上的光子数 6 6 X X射线和射线和射线比较射线比较 * * 相同点相同点 * * （1 1）都是电磁波，本质相同；）都是电磁波，本质相同； * * （2 2）都具有反射，折射等光学性质；）都具有反射，折射等光学性质； * * （3 3）都能使胶片感光；）都能使

38、胶片感光； * * （4 4）都是电离辐射能对人和生物造成危害；）都是电离辐射能对人和生物造成危害； * * （5 5）穿过物体时具有相同的衰减规律）穿过物体时具有相同的衰减规律. . 33 * * 不同点不同点 * * （1 1）产生方式不同；）产生方式不同； * * （2 2）能量不同：）能量不同：X-X-可控，可调，取决于管电压；可控，可调，取决于管电压； * * -不可控，不可调，取决于源的性质；不可控，不可调，取决于源的性质； * * （3 3）强度不同：）强度不同：X-X-可控，可调，取决于可控，可调，取决于U U，i, Zi, Z； * * - -随时间变化；随时间变化； * *

39、 （4 4）波谱形式不同。）波谱形式不同。 7 7 工业探伤用的放射性同位素（书工业探伤用的放射性同位素（书 P46P46的有关参数）的有关参数） * * 常用常用源：源：6060Co, Co, 137137Cs, Cs, 192192Ir, Ir, 7575SeSe半衰期半衰期: Co60 5.3年，年， Cs137 33年年 ，Ir192 75天，天，Se75 120天天 制取方式制取方式:天然；人工天然；人工人工制取是利用中子轰击使其发生核反应。人工制取是利用中子轰击使其发生核反应。核反应不能逆转，不能恢复！核反应不能逆转，不能恢复！34* * 制取方式制取方式: : 天然；天然； 中子

40、激活（轰击）：中子激活（轰击）：5959Co+nCo+no o-CoCo60;60; 191191Ir+nIr+no o-192192IrIr； 核反应不能逆转，不能恢复！核反应不能逆转，不能恢复！ 核裂变：核裂变：137137Cs: Cs: 235235U U裂变生成裂变生成137137Cs. Cs. 35六六 波粒二象性波粒二象性 1 1 波动特性波动特性 : :电磁波和机械波二大类波；无质量、无电荷的振电磁波和机械波二大类波；无质量、无电荷的振动传播动传播 具有波长、波速、频率；具有波长、波速、频率； C= C= 2 2 粒子特性粒子特性 ：粒子，粒子，粒子，中子，质子等有质量的粒子发粒

41、子，中子，质子等有质量的粒子发射。量子化能量射。量子化能量 E= h E= h 一份一份传播一份一份传播 3 3 波粒二象性的体现：波粒二象性的体现： E= h= hc/ E= h= hc/ 4 4 波粒二象性的推广：一切微观粒子都具有波粒二象性波粒二象性的推广：一切微观粒子都具有波粒二象性 5 5 X X射线，射线，射线，中子射线，射线，中子射线，射线，射线，射线射线.具有具有 波粒二象性波粒二象性 36七七 射线的种类及其在探伤中的应用射线的种类及其在探伤中的应用 1 种类：种类： （1） 电磁波类：电磁波类：X射线，射线，射线，以及红外线，紫外射线，以及红外线，紫外 线，微波等线，微波等

42、. ， （2） 粒子类：粒子类：射线，射线，射线（电子射线），质子射射线（电子射线），质子射 线，中子射线等线，中子射线等 . 2 中子射线的衰减特性：中子射线的衰减特性： （1）衰减系数与）衰减系数与Z 之间没有规律之间没有规律; （2）有些重元素中衰减小，有些轻元素中衰减大。）有些重元素中衰减小，有些轻元素中衰减大。 3 应用应用 * 内部缺陷的探测：内部缺陷的探测：X,中子中子 * 表面缺陷的探测：微波，红外线，激光表面缺陷的探测：微波，红外线，激光 * 特殊结构的探测：炮弹（中子）特殊结构的探测：炮弹（中子） * 金属构件的探测：金属构件的探测：X,中子中子 * 非金属构件的探测：微波

43、，激光非金属构件的探测：微波，激光37八八 射线的能量与强度射线的能量与强度 * 能量与强度是一种力量的量度，能量是力量的质的体现；强度能量与强度是一种力量的量度，能量是力量的质的体现；强度是力量的量的体现。是力量的量的体现。 * 射线对物体的穿透和对胶片的感光，是其能量和强度的具体表射线对物体的穿透和对胶片的感光，是其能量和强度的具体表现，因此透彻的理解能量与强度概念，是十分重要的。现，因此透彻的理解能量与强度概念，是十分重要的。如红灯、黄灯代表不同波长如红灯、黄灯代表不同波长,即不同能量。而这些灯可以有即不同能量。而这些灯可以有5w,50w,500w,这代表强度这代表强度 。1 能量能量

44、* 射线的穿透力取决于射线的能量射线的穿透力取决于射线的能量,能量也可称为线质；能量也可称为线质； * 能量的单位：能量的单位：ev 或或 尔格尔格 1ev=1.6x10-12 尔格。尔格。 * X射线（光子）能量的表达与计算射线（光子）能量的表达与计算 * E = h = hc / = 0.0124/ * 或或 = 0.0124 / E * 以上二式中，以上二式中，E的单位：的单位：Mev; 的单位：埃。的单位：埃。 * 或者或者 = 12.4 / E（与与min=12.4/U 有本质区别）有本质区别） * 这里：这里： E的单位：的单位：Kev; 的单位：埃。的单位：埃。38 * * 连续

45、连续X X射线的能量取决于管电压；射线的能量取决于管电压； * * 标识标识X X射线的能量达到临界电压后与管电压变化无关；射线的能量达到临界电压后与管电压变化无关； * * 标识标识X X射线的能量与靶材料有关；射线的能量与靶材料有关； * * 射线的能量（穿透力）取决于源的种类和性质；射线的能量（穿透力）取决于源的种类和性质； * * 6060CoCo： 1.17Mev 1.33Mev 1.17Mev 1.33Mev。 137137 Cs: 0.66Mev Cs: 0.66Mev * * 192192Ir: 0.35MevIr: 0.35Mev（实际上有实际上有1212组不同的能量）组不同

46、的能量） * * 平均能量平均能量 Co60: Co60: （1.17Mev+1.33Mev 1.17Mev+1.33Mev ）/2=1.25Mev /2=1.25Mev * * 当量能：当量能：射线的穿透力相当于射线的穿透力相当于X X射线同等穿透力所对射线同等穿透力所对 应的管电压值，称为当量能。应的管电压值，称为当量能。39如何确定如何确定220220KVKV射线的能量：射线的能量： * * 先求先求 : :minmin = 12.4 / U= 0.05636(A = 12.4 / U= 0.05636(AO O ) ) * * 再求再求 : :最短波长所对应的射线能量最短波长所对应的射

47、线能量 * * E Emaxmax= hc/ = hc/ minmin=0.220 (Mev) =0.220 (Mev) C(C(光速光速)-3 )-3 * *10108 8m/s m/s * * 即：即： 220 220kvkv管电压产生的管电压产生的X X射线光子最大能量射线光子最大能量0.220.22MevMev。n强度强度 * * 射线对胶片的感光取决于它的强度。射线对胶片的感光取决于它的强度。 在日常生活中我们经常碰到强度这一概念，但大家恐怕对强度在日常生活中我们经常碰到强度这一概念，但大家恐怕对强度这一概念的具体定义或含意不一定了解准确。这一概念的具体定义或含意不一定了解准确。力学

48、性能力学性能中的强度，中的强度，电流强度（电流），电场强度，声强、压强，光强等都是强度，电流强度（电流），电场强度，声强、压强，光强等都是强度，均与面积密切相关，是单位面积存在或通过多少的一个量度，是均与面积密切相关，是单位面积存在或通过多少的一个量度，是一个统计概念。就灯泡来说，一定瓦数的灯，决定了它发出可见一个统计概念。就灯泡来说，一定瓦数的灯，决定了它发出可见光的根数大小，靠近灯我们会感觉发热，是因为我们在单位面积光的根数大小，靠近灯我们会感觉发热，是因为我们在单位面积上接收的根数多。上接收的根数多。* * 强度的量度：计数器，次强度的量度：计数器，次/ /秒。秒。 * * 强度的量度常

49、用相对强度，相对强度无强度的量度常用相对强度，相对强度无量纲。量纲。 绝对强度常用次绝对强度常用次/ /秒秒 或或 伦琴。伦琴。* * 强度的变化因素：强度的变化因素： （A A） 强度强度- -距离平方反比律距离平方反比律I1/ I2=(F2/ F1)2 （B B） 穿过物体后的强度衰减规律穿过物体后的强度衰减规律 连续连续X X射线的强度射线的强度 I =KZiUI =KZiU2 24041* * 射线的强度射线的强度 射线的强度有二个不同的概念射线的强度有二个不同的概念 （A A）放射强度：（又称活度，活性）放射性同位素单放射强度：（又称活度，活性）放射性同位素单 位时间产生衰变的次数称

50、为放射强度。常用居里位时间产生衰变的次数称为放射强度。常用居里 作为单位。作为单位。 1 1居里（居里（Ci)=3.7Ci)=3.7101010 10 次次/ /秒秒 * * 放射强度随时间的改变而改变，其变化规律为：放射强度随时间的改变而改变，其变化规律为： * * I=Ioe I=Ioe - -t t * * 比活度：每克放射性物质的放射强度称为比活度。比活度：每克放射性物质的放射强度称为比活度。 单位：单位： 居里居里/ /克。克。42 （B B）照射强度：（又称辐照强度，照射量率）单位时间内落在一照射强度：（又称辐照强度，照射量率）单位时间内落在一定距离的照射面上定距离的照射面上( (

51、严格定义应为严格定义应为“标准状况下，一立方厘标准状况下，一立方厘米空气内）的射线量，称为照射量率或照射强度。米空气内）的射线量，称为照射量率或照射强度。 照射强度的常用单位为照射强度的常用单位为 ： 伦琴（伦琴（R R）/ /小时。小时。 * * 照射强度的变化规律：照射强度的变化规律： （A A）距离距离-平方反比律平方反比律 ； （B B）穿过物体时的衰减规律穿过物体时的衰减规律 （3 3）放射强度和照射强度的转换关系）放射强度和照射强度的转换关系( (在以后的章节中有）在以后的章节中有）43第三节第三节 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 一、射线通过物质的衰减一、射线通过物质的

52、衰减射线穿过物质时，与物质中的原子发生撞击、产生能量转换，引发能量射线穿过物质时，与物质中的原子发生撞击、产生能量转换，引发能量的衰减和以下种种物理效应。的衰减和以下种种物理效应。1、射线与物质的相互作用、射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用主要有三种过程：射线与物质的相互作用主要有三种过程：光电效光电效应、康普顿效应和电子对的产生应、康普顿效应和电子对的产生。 这三种过程的共同点是都产生电子，这三种过程的共同点是都产生电子， 然后电离然后电离或激发物质中的其他原子；此外，还有少量的或激发物质中的其他原子；此外，还有少量的瑞利散射瑞利散射。光电效应和康普顿效应随。光电效应和康普顿效应随射线

53、能量的增加而减少，电子对的产生则随射线能量的增加而增加，射线能量的增加而减少，电子对的产生则随射线能量的增加而增加，四种效应的共四种效应的共同结果是使射线在透过物质时能量产生衰减。同结果是使射线在透过物质时能量产生衰减。 每束射线都具有能量为每束射线都具有能量为E E= =hvhv的光的光子。光子运动时保持着它的全部动能。子。光子运动时保持着它的全部动能。 光子能够撞击物质中原子轨道上的电光子能够撞击物质中原子轨道上的电子，若撞击时光子释放出全部能量，将所有能量传给电子，子，若撞击时光子释放出全部能量，将所有能量传给电子，使其脱使其脱离原子而成为自由电子，光子本身消失。离原子而成为自由电子，光

54、子本身消失。 这种现象这种现象称为称为光电效应光电效应。光子的一部分能量把电子从原子中逐出去，剩余的能量则作为电子光子的一部分能量把电子从原子中逐出去，剩余的能量则作为电子的动能被带走，于是该电子可能又在物质中引起新的电离。当光子的动能被带走，于是该电子可能又在物质中引起新的电离。当光子的能量低于的能量低于1 MeV1 MeV时，光电效应是极为重要的过程。时，光电效应是极为重要的过程。（1） 光电效应光电效应 光电效应 光电子光电子光子光子n光电效应的特点光电效应的特点n光子消失。能量全部转移到光电子上。光子消失。能量全部转移到光电子上。n伴有特征射线产生（电子跃迁辐射）。由于内层伴有特征射线

55、产生（电子跃迁辐射）。由于内层轨道电子被出轨道，在内层轨道上产生空位，外轨道电子被出轨道，在内层轨道上产生空位，外层轨道上的电子将跃迁到内层轨道去补充空位，层轨道上的电子将跃迁到内层轨道去补充空位，并释放出多余的能量，产生荧光（特征）并释放出多余的能量，产生荧光（特征）X射线射线，或称荧光辐射。，或称荧光辐射。n发生概率与光子能量和物质的原子序数有关。发生概率与光子能量和物质的原子序数有关。低低能光子与高原子序数的物质原子作用时，发生光能光子与高原子序数的物质原子作用时，发生光电效应的概率较高。电效应的概率较高。n光电子的发射方向与光子能量有关。光子能量越光电子的发射方向与光子能量有关。光子能

56、量越高，光电子发射的方向越接近光子的入射方向。高，光电子发射的方向越接近光子的入射方向。 （2 2） 康普顿效应康普顿效应 在康普顿效应中，一个光子撞击一在康普顿效应中，一个光子撞击一个电子时只释放出它的一部分能量，结个电子时只释放出它的一部分能量，结果光子的能量减弱并在和射线初始方向果光子的能量减弱并在和射线初始方向成成角的方向上散射，而电子则在和初角的方向上散射，而电子则在和初始方向成始方向成角的方向上散射。这种现象角的方向上散射。这种现象称为称为康普顿效应康普顿效应。 这一过程同样服从能量守恒定律，这一过程同样服从能量守恒定律， 即电子所具有的动能为入即电子所具有的动能为入射光子和散射光

57、子的能量之差，射光子和散射光子的能量之差， 最后电子在物质中因电离原子而最后电子在物质中因电离原子而损失其能量。损失其能量。康普顿效应 反冲电子 光子 康普顿效应的特点康普顿效应的特点n主要与受原子核束缚较弱的外层轨道电子和自由主要与受原子核束缚较弱的外层轨道电子和自由电子相互作用；电子相互作用；n有反冲电子产生；有反冲电子产生；n光子能量降低且改变方向形成散射线；这种散射光子能量降低且改变方向形成散射线；这种散射线在探伤中对射线照相质量影响最大。线在探伤中对射线照相质量影响最大。n发生康普顿效应的概率与光子能量和物质的原子发生康普顿效应的概率与光子能量和物质的原子序数相关；序数相关；原子序数

58、低的元素康普顿效应发生的原子序数低的元素康普顿效应发生的可能性很高；对中等能量的光子，康普顿效应对可能性很高；对中等能量的光子，康普顿效应对各种元素都是主要的作用。各种元素都是主要的作用。（3 3） 电子对的产生电子对的产生 在原子核场的作用下，在原子核场的作用下，一个具有足够能量的光子一个具有足够能量的光子释放出它的全部动能而转释放出它的全部动能而转化具有同样能量的一对正负电子，光子则完全消失，这样的过程称化具有同样能量的一对正负电子，光子则完全消失，这样的过程称为电子对的产生。为电子对的产生。 产生电子所需的最小能量为产生电子所需的最小能量为0.51 MeV0.51 MeV，所以光，所以光

59、子能量子能量hv必须大于等于必须大于等于1.02 MeV。 电子对的产生和消失电子对的产生和消失 电子对效应的特点电子对效应的特点n产生电子对。光子能量必需大于产生电子对。光子能量必需大于1.02MeV。产生一对正。产生一对正负电子所需要的能量是负电子所需要的能量是1.02MeV，其余能量转化为电子，其余能量转化为电子的动能。的动能。n正电子的寿命很短，在产生后的极短时间内会与附近的正电子的寿命很短，在产生后的极短时间内会与附近的负电子结合而消失，与之同时产生两个能量分别为负电子结合而消失，与之同时产生两个能量分别为0.51MeV的光子向相反方向辐射出去。这个现象称为电的光子向相反方向辐射出去

60、。这个现象称为电子湮没。子湮没。n发生电子对效应的几率与物质原子序数的平方成正比，发生电子对效应的几率与物质原子序数的平方成正比，近似与光子能量的对数成正比，所以近似与光子能量的对数成正比，所以电子对效应在光子电子对效应在光子能量较高、原子序数较高时是一种重要的作用。能量较高、原子序数较高时是一种重要的作用。汤姆逊效应汤姆逊效应 （4）瑞利散射瑞利散射射线与物质中带电粒子相互射线与物质中带电粒子相互作用，产生与入射射线波长相作用，产生与入射射线波长相同的散射线的现象叫做汤姆逊同的散射线的现象叫做汤姆逊效应。这种散射线可以产生干效应。这种散射线可以产生干涉，涉， 能量衰减十分微小。能量衰减十分微