01射线检测的物理基础

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1、第1章射线检测的物理基础1.1原子结构1.1.1原子结构的行星模型自然界的物质都是由不同的分了纽成的，分了由原了组成。原了是一种非常小的物质粒子，直径大约是10」°m。直到19世纪末，人们一直认为原子是组成物质的最小微粒，它是不能再分割的。19世纪末20世纪初物理学的许多新发现，揭示了原子是可以分割的，并且，原了具有自己的结构。原了由质了、中了和电了组成。质了是一种物质微粒，其质量为1.6726X10一27kg,带有一个单位的正电荷,电量为1.6021892X10-19C（这个电量常简记为e）。中

2、子也是一种物质微粒，其质量为1.6748X10-27kg,不带电荷。电子是一种更小的物质微粒，其质量为9.1095X10_31kg,仅为质子质量的1/1836,其带有一个单位的负电荷。关于原子结构，曾提出过多种不同的模型。20世纪初物理学家汤姆孙提出了--种“葡萄干面包”球体模型。这种模型认为，原子是一个均匀的阳电球体，电子均匀地嵌在球体中，按一定频率围绕各自的平衡位置振动。由于与实验结果不符合，很快被抛弃。1911年，物理学家卢瑟福根据a粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型。他设想，原子屮的带

3、正电部分集中在很小的中心体内，即原子核，并占有原子的绝大部分质量，原子核外边散布着带负电的电了。这个模型很快被广泛接受。但是，核外电了的分布情况并不清1913年，物理学家玻尔在原子核式结构模型的基础上，提出了后人称为卢瑟福-玻尔原子模型的原子结构模型，即原子结构的行星模型。原子结构的行星模型认为，原子由带正电荷Ze的原子核和Z个核外电子组成，Z为原子序数。原子核位于原子的屮心，电子围绕原子核运动。但电子绕核运动的轨道不是任意的，也不能连续变化。电子只能沿--些分立的满足一定条件的轨道运动，这些轨道

4、称为量子轨道。关于原子结构玻尔捉出了两条假设：一是原子只能存在于一•些具有一定分立能量Q、E2、场、…的稳定状态上。处于稳定状态的原了不辐射能蜃，只有在原了从一个稳定状态跃迁到另一个稳定状态时，它的能量才发生改变。这些稳定态对应的不连续的能量数值组成原子的能级。二是原子从能量为En的稳定态跃迁到能量为Qn的稳定态时，将发射或吸收-个一定频率血勺光子，频率由下式决定加=耳一久（1-D式中是光了的能量，〃是普朗克常数，英值为6.626X10-34J-s,1/是辐射频率，其单位符号是Hz,单位名称为赫兹

5、，它是一个普适恒量。这个关系称为玻尔频率规则。这些稳定态称为“定态”，能量最低的定态称为“基态”，具他定态均称为“激发态”。处于基态的自由原了相当稳定，处于激发态的原了均不稳定，在很短的时间后将释放能量回到基态。按照玻尔的理论，原子内部的电子呈壳层分布，这些壳层叫作电子壳层或电子层。电子壳层的分布按原子内电子所具有的能量大小排列而成。能量越人的电子，离核的平均距离越远。各壳层自核向外排列，最内层（在原了物理中，”称为电子壳层的主虽了数）n=并称为K层，刃=2、3、4、5、6、7等，则称为L、M、

6、N、O、P、Q层等。不同能量的电子运动状态不同，能量低的电子通常在核附近的区域运动，能量高的电子通常在离核较远的区域运动。也就是说，能量低的电子出现在离核较近区域的机会多，能量高的电了出现在离核较远区域的机会多。按照这种情况，可以称核外电了在不同电子层运动。如果把在一定电子层上的电子所占据的空间称为一个“轨道”，这样也可以说电子在不同的轨道上运动，但这并不是我们対通常物体所说的运动轨道。按照这种概念，核外电子也可以称为轨道电子。按照现代观点，电子壳层并不表示电子在空间的确切位置，属于某一壳层的电子

7、可以穿越另一壳层的电子轨道，这些轨道也不是一条严格确左的路径。核外电子的分层排布（也就是其可能的运动状态）服从下述的规律：1）泡利不相容原理：在同一原子中，不能存在运动状态完全相同的电子。2）能量最低原理：核外电子总是先排布在可能的能量最低的轨道上，使原子的能量处于授低的状态，这时候原了才是稳定的。按照上述规律，则各层最多可能存在的电了数为2n2即第1层最多可以存在2X12=2个电子；第2层最多可以存在的电子数为2X22=8依此类推。描述原子的主要常数是核电荷数和相对质量数。核电荷数表示原子核带有

8、的电荷，通常采用符号Z表示，其值等于原子核的质子数。原子的质最很小，通常采用相对质最表示原子的质量，即采用质最为1.9927X10'26kg的碳原子质最的1/12为原子质最的单位，其他原子的质量•其相比，得到的数值即为这种原子的相对原子质量。质子的相对质量为1.007,小子的相对质量为1.008,均近似取整数值，即取为1。由于电子的相对质量远小于质子、小子的相对质量，所以原子的相对质量近似等于质子和屮子的相对质量Z和。忽略电了的相对质量，将原了核内所冇质了和中了的相对质量加起来，得