陈畅之原子物理学第六讲X射线原子核物理简介课件

X射线伦琴。1845年出生于德国，1869年在苏黎世大学获博士学位。1901年，他成为诺贝尔物理学奖第一人。

X射线是波长极短的电磁波，它不会被磁场偏转，具有很强的穿透力，而且波长越短，穿透力越强。<0.1nm：硬X射线，>0.1nm：软X射线.伦琴的发现引起了极大的轰动，以致于在全世界范围内掀起了X射线研究热，1896年关于X射线的研究论文高达1000多篇.之后十几年，主要工作有：1922-23年间，康普顿证实X射线的粒子性，1927年诺奖。1912年，劳厄证实X射线干涉、衍射波动性，1914年诺贝尔奖；1912-1913年间，布喇格父子用晶体衍射测出X射线波长，1915年诺奖。1906年，巴克拉通过偏振现象证实X射线是电磁波；1917年因特征X射线获诺奖；1979年，科马克、洪斯菲尔德因X射线层析图像技术获诺贝尔生理医学奖。8.1X射线的产生与波动性一.X射线的产生二.X射线的性质1）X射线能使照相底片感光；2）X射线有很大的贯穿本领；3）X射线能使某些物质的原子、分子电离；4）X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见的荧光；5）X射线本质上是一种（波长极短0.01-1nm

的）电磁波，具有反射、折射、衍射、偏振等波动性质。<0.1nm：硬X射线，>0.1nm：软X射线。X射线是电磁波（横波）晶体可形成许多不同取向的晶面。X射线经不同晶面反射时，凡光程满足布喇格公式,在方向衍射的X光将得到加强，出现了劳厄光斑。每个亮点为劳厄斑点,对应于一组晶面.斑点的位置反映了对应晶面的方向.由这样一张照片就可以推断晶体的结构.劳厄单晶照像

BACd布拉格公式：布拉格公式是X射线极大值满足的方程，与光栅方程相当。但有所不同：α：掠射角d:晶面间距X射线的衍射观察X射线衍射的两种方法即怎样才能满足布拉格公式？(a)劳厄法：用连续谱的X射线照射单晶（这时，相当于d与α定，而λ任意）(b)德拜法：用单一波长的X射线照射多晶或旋转的单晶（这时，相当于d与λ定，而α任意）DNAresults某种蛋白质的劳厄法照片X光的波长短波限与加在射线管上的电压V的关系：短波限的物理意义：快速电子的动能全部转成电磁辐射能。(1)连续谱

波长连续变化的连续谱，它的最小波长只与外加电压有关轫致辐射：高速电子打到靶上，受靶的作用而突然减速，其一部分动能转化为辐射能放出射线。最小波长只依赖于外加电压V，V越大，越小，与靶材料无关。

连续谱，钨靶，不同的电压

X射线由两部分构成，一是波长连续变化的连续谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分是具有分立波长的线状谱，波长取决于靶材料，称为标识谱或者特征谱。

医学X线成像原理X线的本质：电磁辐射常用X线诊断设备：X线机、数字X线摄影设备（DSA、CR、DR）和X线计算机断层扫描设备（X线CT）等。X射线成像原理X线的特征X射线与物质间的相互作用(6点)（1）X射线的穿透作用。其贯穿本领的强弱与物质的性质有关

X线的特征2.X射线与物质间的相互作用（4）X射线的热作用。

X射线被物质吸收，绝大部分最终都将变为热能，使物体温升。

（5）X射线的化学效应(感光作用和着色作用)。

X射线能使多种物质发生光化学反应。例如，X射线能使照相底片感光。（6）X射线的生物效应。生物组织经一定量的X射线照射，会产生电离和激发，使细胞受到损伤、抑制、死亡或通过遗传变异影响下一代，这种现象称为X射线的生物效应。这个特性可充分应用在肿瘤放射治疗中。医学X射线成像原理当高速带电粒子撞击物质受阻而突然减速时，能够产生X射线。医学影像诊断所用的X线产生设备是X线管（X-raytube，球管）。1．X射线的产生与之前的介绍是一样的！X射线的产生需要的基本条件是：（1）有高速运动的电子流；（2）有阻碍带电粒子流运动的障碍物（靶），用来阻止电子的运动，可以将电子的动能转变为X射线光子的能量。医用X射线成像原理X射线的产生装置主要包括三部分：X射线管、高压电源及低压电源，如图3.2所示。

X射线成像原理①人体不同密度组织与X线成像的关系X射线成像原理②人体不同厚度组织与X线成像的关系

密度和厚度的差别是产生影像对比的基础，是X线成像的基本条件医用X射线成像原理2.X射线人体成像医用X射线胶片医用X射线胶片的主要特性是感光，即接受光照并产生化学反应，形成潜影（latentimage）。经过对有潜影的胶片处理（暗室处理：显影、定影等）。使胶片上的潜影转变为可见的不同灰度（gray）分布像。胶片感光层中的卤化银还原成金属银残留在胶片上，形成由金属银颗粒组成的黑色影像。人体组织的物质密度高，则吸收X射线多，在X射线照片上银颗粒少，所以呈白影；反之，如果组织的物质密度低，则吸收X射线少，在X射线照片上银颗粒比较多，呈黑影。人体组织的物质密度高的部分，则吸收X射线多，在X射线照片上形成的银颗粒少，所以呈白影；反之，如果组织的物质密度低，则吸收X射线少，在X射线照片上银颗粒比较多，呈黑影。常见胸透照片CT医疗成像技术简介CT，电子计算机断层扫描，它是利用精确准直的X线束与灵敏度极高的探测器一同围绕人体的某一部位作一个接一个的断面扫描，是用X射线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的X射线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器（analog/digitalconverter）转为数字，输入计算机处理成断面图像，进一步处理可以叠加形成立体图像！对于很多疾病的判别起到了非常重要的指导作用！自从X射线发现后，医学上就开始用它来探测人体疾病。但是，由于人体内有些器官对X线的吸收差别极小，因此X射线对那些前后重叠的组织的病变就难以发现，二维的平面图像信息显然是不足够很多疾病的判断的！缺点：辐射剂量较普通X线机大的多，故怀孕妇女不能做CT检查。CT医疗成像原子核物理简介原子核的基本性质1.原子核的电荷原子核带正电，原子核的电荷数就是这化学元素的原子序数，也等于中性原子的核外电荷数。2.原子核的组成由质子和中子组成。质子带正电荷，中子不带电。质子和中子统称为核子。核子的自旋为1/2。质子（p)、中子(n)的质量：原子质量单位3.原子核的质量原子核的质量，可以由原子质量推算，也可以由核子的数目推算。原子的质量=原子核的质量+所有电子质量

–

相当于所有电子结合能的数值（可忽略）。

原子核的质量=所有核子的质量–

相当于所有核子结合能的数值。

采用原子质量单位，原子（核）的质量接近一整数，这整数称为原子（核）的质量数，A。原子核的符号表示：Z：质子数中子数=A-Z它们的化学和一般物理性质几乎相同，但核性质完全不同！4.原子核的大小和形状

原子核的形状一般为近似椭球，其长短半轴之比一般不大于5/4，可近似看作球形。核电四极矩是核偏离球形的量度。由实验得到核半径的经验公式：原子核的密度近似为一常数，而且核的密度非常大。5.核自旋和核磁矩====核磁共振成像技术6.原子核的结合能氘核由一个质子和一个中子组成。质量亏损：核子质量与组成的原子核质量的差值。核子结合成原子核过程中亏损的质量，以能量的形式放出。-----原子核的结合能。以原子质量来计算结合能（忽略电子结合能）：例：已知的原子质量是9.0121858u，计算该核素的结合能每个核子的平均（比）结合能：58.163/9=6.463Mev☆核子的结合能越大，原子核越稳定。☆中等质量核（A=40-120）的结合能约为8.6Mev，原子核稳定。☆质量数小于30的核结合能有周期性变化，最大值在A等于4的倍数。☆质量数30以上的核，平均结合能变化不大，显示了核力的饱和性。原子核的放射性衰变1896年：贝克勒耳，铀的放射性现象；1898年：居里夫妇，Po，Ra;1934年：约里奥.居里夫妇，人工放射性。不稳定的原子核自发地蜕变，变为另一种状态或另一原子核，同时放出一些射线，这种现象称为原子核的放射性衰变。原子核的放射性衰变主要模式：放射性衰变、电子、X射线是十九世纪末的三大重要发现，揭开了近代物理的序幕。居里夫人和镭原子核的放射性衰变之衰变放射性原子核自发地放射出粒子（），而转变成另一种原子核的过程。方程表示为：母核原子的质量要大于子核原子和氦原子质量之和，才可能发生衰变.一般发生于重原子核。☆衰变的机制粒子如何跑出原子核，用经典理论很难解释。在核内，粒子受到核力吸引（负势能）；在核外，粒子受到库仑力排斥；在核表面形成一个势垒。垒高估计：

(r0=1.2fm,e2=1.44Mev);实验上测得粒子动能为4.2MeV，远低于势垒。只有通过量子隧道效应才有一定的几率逃出。

原子核的放射性衰变之衰变是核电荷数改变而核子数不变的核衰变。主要有：

-衰变，+衰变，K俘获1.-衰变能谱与中微子假设-衰变中，放出负电子，原子核变为原子序数增加1的核。？原子核内部能量是量子化的，而放出电子的能量却是连续变化的？？电子不是原子核家族的成员，衰变放出的电子从何而来？☆

1930年，泡利提出了中微子假设：当放射性物质发生衰变时，除了放出粒子外，还要放出一个中性粒子，其静止质量几乎为0，故称为中微子。衰变能：衰变能可以在电子和中微子间任意分配！☆当时已知的基本粒子只有电子和质子。1932年中子发现，海森堡提出原子核由质子和中子组成。1934年，费米提出衰变理论。指出：-衰变是核内一个中子变为质子，并放出电子和（反）中微子。2.-衰变原子核内一个中子转化为质子，同时放出一个电子和一个反中微子。3.+衰变原子核内一个质子转化为中子，同时放出一个正电子和一个中微子。只在人工放射物中出现。原子核俘获一个核外K层上的电子，核内一个质子变为中子，同时放出一个中微子的过程。4.K电子俘获放射性衰变定律（卢瑟福发现）设在t---t+dt时间内发生核衰变的原子核数为dN，它与当时存在的核数N有如下关系：设t=0时刻，核数N0，积分得:衰变常数，一个原子核在单位时间内发生衰变的概率。半衰期，T：原子核数衰减到原有数目的一半时所需的时间。例：平均寿命：在放射性物质衰变时，有些核先，有些核后，即有的寿命短，有的寿命长。平均寿命：

原子核反应

放射性核衰变是不稳定核的自发转变，核反应是用具有一定能量的粒子轰击一个原子核，使其放出某种粒子而转变为新原子核的过程

。研究核反应的重要目的之一是获取核能（裂变能，聚变能）。一、核反应的一般规律1.几个著名的核反应1919年由卢瑟福完成的。这是人类历史上第一次人工实现“点金术”：使一个元素变成了另一个元素。

历史上第一个人工核反应

第一个在加速器上实现的核反应

1932年，英国考克拉夫和瓦尔顿发明高压倍加器，并把质子加速到500千电子伏，实现如下核反应：释放的粒子每一个具有8.9MeV动能;输入能量为0.5MeV,因此,净输出能量17.8MeV。这是释放核能的一个例子。发现中子的核反应

1932年，查德威克。在这之前，博思和贝克尔及约里奥居里夫妇都进行过这一实验，但他们把产物中子理解为光子。2．核反应中的守恒定律电荷数守恒：反应前后总电荷数不变质量数守恒：反应前后总质量数不变质量守恒：反应前后总的运动质量保持不变能量守恒：反应前后粒子的总能量守恒动量守恒：即反应前后体系的总动量守恒此外还有角动量、宇称、统计性、同位旋等都是守恒量。

3.核反应的机制直接反应:入射粒子直接把能量交给了核内一个核子或核子集团,把这个核子或核子集团敲击出来.复合核反应：入射粒子和靶核形成一个复合核,复合核再衰变.原子能的利用原子能指原子核的结合能发生变化时所释放的核能。从结合能图上可知，重核和轻核的结合能都低于中等核，因此重核裂变和轻核聚变都可释放原子能。一、重核裂变1.用中子引起的铀核裂变1932年中子发现后，人们利用中子研究各种核反应。1939年，哈恩、居里等人发现U被撞击后，分裂为两个具有中等质量的核。这是一种新型的核反应，称之为核裂变。238U裂变需要1.1Mev以上的快中子；235U裂变只需要0.025ev的慢中子，且效率高。X，Y为裂变产物（有三、四十种），分布于一较宽的范围。分裂成三、四个产物的几率很小。2.重核裂变能一个235U核裂变，以分为两个质量相等的中等原子核估算,所放出的能量：

E=21188.5-2367.6=210(MeV)一克铀：相当于2.5吨煤燃烧的能量！这些能量通常以碎片动能、裂变产生的中子动能、衰变产生的粒子能量等形式放出。

物理学家首次发现重核裂变的历史过程：链式反应235U平均每次裂变将产生2.5个中子，这些中子又可引起其它235U核裂变，这样裂变将持续不断的进行。称为裂变的链式反应。原子弹：裂变时释放中子的过程极快（~10-12S），链式反应的过程很快。由于参与裂变的核逐级增加，在极快的瞬间就释放巨大的能量，引起爆炸和极强的放射性污染。当裂变材料的体积大于临界体积时，才使中子数量迅速增加，如果小于临界体积，很多中子会跑出U235块表面，则无法引起链式反应，大约U235的临界质量大约为50公斤左右，如果外面加上中子反射层，可以让这个质量大大减少，大约16公斤左右，跟一个柚子那么大的U235即可达到足够大！原子弹原子弹的设计原理：使最初处于次临界状态的核裂变材料在瞬间达到超临界状态，并适时用中子源提供适量中子，触发裂变的链式反应，产生核爆。原子弹的核原料：235U和239Pu一般情况下，一颗原子弹的核装药一般为15～25公斤铀235（或6～8公斤钚239）曼哈顿工程造出的世界上第一颗原子弹：瘦子1941年12月7日，珍珠港事件爆发，这成为美国加快研制原子弹的一个转折点。1942年6月，美国的原子弹研制计划正式开始，由于研制计划的总部开始设在纽约市曼哈顿区，因此叫做“曼哈顿计划”。全美国只有12人知道整个工程情况，很多人甚至都不知道自己正在从事原子弹的研制，即便是高层领导，也只有罗斯福总统和陆军部长史汀生知道内情。当时的副总统杜鲁门都不知道美国还有原子弹的研制计划。1945年7月初，也就是希特勒自杀后的2个月，美国3颗原子弹终于制造出来，被分别命名为“瘦子”13000吨TNT当量“小男孩”17000吨TNT当量（广岛）和“胖子”20000吨TNT当量（长崎）。基本设计：枪式构造，一部分核原料和另一部分原料分开，分别都小于临界体积，引爆时将其中一部分射向另一部分，从而超过临界体积引起连锁裂变！瘦子，小男孩第一颗原子弹“瘦子”的基本结构广岛小男孩：U235枪式结构长崎胖子：钚239，内爆式结构广岛小男孩，和长崎胖子的核燃料和结构不同制造原子弹百分之九十的工作就在-纯铀235的开采和提纯矿石开采粗加工气体扩散法电磁分离法精制气体离心法气体氟化纯U235同位素分离制备成“黄饼”YellowCake翠砷铜铀矿

板铅铀矿

钒钙铀矿

菱镁铀矿

斜水钼铀矿

常见天然铀矿结晶体粗炼后的产物”黄饼”

YellowCake黄饼是核工业中的一种重要原料，也是核燃料生产过程中必需的一种中间产品，其主要成分是八氧化三铀，重铀酸铵等黄色，常加工成饼状，因此得名。“黄饼”通常是从粉碎后的天然铀矿石经多种溶液萃取，沉淀而来.主要成分（NH）4U207(重铀酸铵)八氧化三铀，目前，黄饼中已确定的成分包括重铀酸钠，重铀酸氨，硫酸铀，铀的氢氧化物以及其它形式的铀的氧化物。YellowCake黄饼进一步氟化为为四氟化铀气体,继而转化成六氟化铀气体，气态状态可以用气体扩散法，电磁分离法，和离心机法分离出同位素U235！成熟的老工业法：气体扩散法铀235原子约比铀238原子轻1.3％，所以，如果让这两种原子处于气体状态，铀235原子就会比铀238原子运动得稍快一点，这两种原子就可稍稍得到分离。气体扩散法所依据的，就是铀235原子和铀238原子之间这一微小差异

这种方法首先要求将铀转变为气体化合物。到目前为止，六氟化铀是唯一合适的一种气体化合物。这种化合物在常温常压下是固体，但很容易挥发，在56.4℃即升华成气体。铀235的六氟化铀分子与铀238的六氟化铀分子相比，两者质量相差不到百分之一，但事实证明，这个差异已足以使它们分离了。六氟化铀气体在加压下被迫通过一个多孔隔膜。含有铀235的分子通过多孔隔膜稍快一点，所以每通过一个多孔隔膜，油235的含量就会稍增加一点，但是增加的程度是十分微小的。因此，要获得几乎纯的铀235，就需要让六氟化铀气体数千次地通过多孔隔膜。

气体扩散法投资很高，耗电量很大电磁分离法目前分离铀同位素的通用办法：离心机通过气体离心机的级联，将天然铀中丰度0.7%左右的铀235，逐步浓缩到4.5%左右;这个过程是以六氟化铀形式存在的.提取好的铀235金属钚-239的提取核武器关键技术-钚生产钚-239原子弹另外一个核心部件：用以引爆的中子源原子弹中的中子源均为小型中子源，主要是自发裂变中子源，对放射性同位素自发裂变产生的α粒子（即中子）辐射进行聚焦，照射在原子弹的反应堆芯上，引发剧烈的核裂变链式反应，从而引爆原子弹。（反应堆芯是由适当数量高浓缩浓缩铀或钚组装成一个超临界质量体，只要核链式反应开始就会的大幅增长的数量）

中子源平时处于屏蔽状态，另外，反射聚焦镜也未旋转至最佳角度，启动受定时器等装置控制，故中子源在为启动起爆指令前都在原子弹内是很稳定的。最常用的自发裂变源是放射性的同位素锎-

252。

CF

-

252

中子源通常是1

/

4“至1

/

2”直径1“到2”的长度。当购买新的一个典型的CF

-

252中子源放出1

×

107到1

×

109个中子每秒之间，但与一个半衰期为2.6年，这个中子的产出率下降到这原始值在2.6年的一半。一个典型的CF

-

252中子源的价格是由150,000至200,000美元。锎-

252中国四种新型核导弹4种“可携带核弹头的弹道导弹”（“东风-21”、“东风-31”、“东风-31A”和“巨浪-2”），东风-21中程弹道导弹

东风-21是中国80年代末研制成功的机动式中程弹道导弹，是解放军首款固体燃料式弹道导弹，编制在二炮部队下，在二炮发展史上具有里程碑意义。其最新改型通过加装多种弹头诱饵使反导系统难以拦截，而且打击精度接近巡航导弹，因而成为解放军装备序列中先进程度最高的武器。东风-31战略核导弹东风31型导弹性能：射程：8000公里弹长：13.4米

弹径：2.25米

弹重：17吨

弹头：一枚700公斤的100万吨级当量热核弹头；或3枚9万吨级当量分导热核弹头

巨浪—2北约编号：CSS-N-4Mod0结构：两级燃料：一级固体，二级液体最大射程：8600公里质量：23吨弹头当量：3-4枚25万吨分导式热核弹头

核电站核电站是怎样发电的呢？简而言之，它是以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，来加热水使之变成蒸汽。使核能转变成热能。蒸汽通过管路进入汽轮机，推动汽轮发电机发电，使机械能转变成电能。一般说来，核电站的汽轮发电机及电器设备与普通火电站大同小异，其奥妙主要在于核反应堆。核反应堆：设法控制链式反应的速度（如用重水或石墨减速中子，控制棒俘获中子等）使裂变维持在平稳进行的水平，人们就可以利用其能量。秦山核电站：我国自行设计、建造，1991年12月15日并网发电，装机容量30万千瓦，每年发电18亿度。秦山核电站二期：装机容量2*60万千瓦，每年发电70亿度。大亚湾核电站：1994年2月发电，装机容量2*90万千瓦，每年发电约100亿度。轻核聚变依靠轻核聚合而引起结合能变化，以致获得能量的方法。取得原子能的另一条途径。原子核核子平均结合能（MeV）1H2H3H3He4He6Li7Li01.1112.8262.5727.07205.33035.6044总效果：1.轻核聚变反应※

平均每个核子放出3.6MeV的能量，比重核裂变平均每个核子放出0.86MeV的能量要大4倍。※海洋中储有大量的氘核，地表面海水约有1018吨，其中重水约占1/6000。可产生1024千瓦小时的能量。而目前全球每年发电1015千瓦小时。※

聚变的放射性污染比裂变小得多。“干净的能源”2.轻核裂变反应的困难两氘核都带正电，为使它们聚合必须克服库仑排斥能。每个氘核至少要有71KeV能量。相应的平动温度：氢弹

氢弹是利用氘(重氢)、氚(超重氢)等轻原子核的聚变反应瞬时释放出巨大能量而实现爆炸的核武器,也称热核弹或聚变弹。

氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多。原子弹的威力通常为几百至几万吨级TNT当量，氢弹的威力则可大至几千万吨级TNT当量。氢弹：惯性约束聚变氢弹是热核武器的一种。它是利用氢的同位素氘和氚进行聚变反应的炸弹。不可控制的聚变反应。

氢弹是利用原子弹做为引爆装置，当原子弹爆炸时产生极高的温度，制造出高温等离子体使轻核聚变而释放巨大的能量。氢弹氢弹核原料反应原理

首先引爆其中的原子弹，核裂变释放出的能量使热核装料(氘化锂-6)加热达到高温，而且裂变释放的中子轰击氘化锂-6中的锂-6产生氚，然后产生的氚与氘