第一章射线检测的物理基础

第一章射线检测的物理基础

1.1 原子与原子结构

1.1.1 元素与原子

世界上一切物质都是由元素构成的，迄今为止，已发现的元素有100多种，其中天然存在的有94种，人工制造的有十几种。为便于表达和书写，每种元素都用一定的符号来表示，称作元素符号。元素符号采用该元素拉丁文名称第一个字母的大写，或再附加一个小写字母。例如，碳的元素符号是C，钴的元素符号是Co，铁的元素符号是Fe，等等。

原子是元素的具体存在，是体现元素性质的最小微粒。在化学反应中，原子的种类和性质不会发生变化。

原子质量极其微小，例如氢原子质量为1.673×10-24克，以常用质量单位表示很不方便，因此物理学中采用“原子质量单位”，用符号“u”表示，即规定碳同位素的质量的1/12为1u，而原子量就是某元素的原子的平均质量相对于

原子质量1/12的比值。照此规定，氢元素的原子量为1，氧元素的原子量为16。原子由一个原子核和若干个核外电子组成。原子核带正电荷，位于原子中心，电子带负电，在原子核周围高速运动。原子核所带的正电荷与核外电子所带的负电荷相同，所以，整个原子呈电中性。电子的质量极轻，为9.109×10-28克，等于氢原子质量的1/1837。电子带有1个单位负电荷(1.602×10-19库仑)。

在原子中，原子核所带的正电荷数(简称核电荷数)与核外电子所带的负电荷数相等。所以核外电子数就等于核电荷数。不同元素的核电荷数不同，核外电子数也不同。元素周期表中，元素的次序就是按核电荷数排列的，因此，周期表中的原子序数z等于核电荷数。原子核仍然可以再分，试验证明，原子核是由两种更小的粒子即质子和中子组成的。中子不带电，1个质子带1个单位正电荷，原子核中有几个质子，就有几个核电荷，因此得到以下关系：

质子数＝核电荷数＝核外电子数＝原子序数

质子的质量为1.6726×10-24克，中子的质量为1.6749×10-24克，两者质量几乎相等。用原子质量单位度量，质子的质量为1.007u，中子的质量为1.009u，都接近于1，而电子太轻，计算原子量时可以忽略不计，由此得以下关系：原子量＝质子数+中子数

中子数＝原子量－质子数＝原子量－原子序数Z

通常将原子量标于元素符号的左上角，核电荷数标于左下角，例如，

即表示钴元素中原子量为60的钴原子，其核电荷数为27，核内有27个质子，而中子数为60－27＝33。

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，但核内的中子数却可以不同。例如氢元素有三种原子：(氢)；(氘)；(氚)，它们均

含有1个电子，1个质子，但中子数分别为0、1、2，原子量分别为1、2、3，这些质子数相同而中子数不同(或叙述为核电荷数相同而原子量不同)的几种原子互称为同位素。

同位素可分为稳定和不稳定的两类，不稳定的同位素又叫作放射性同位素，它能自发地放出某些射线——α、β或γ射线，而变为另一种元素。放射性同位素又可分为天然的和人工制造的两类，前者为自然界存在的矿物，一般Z≥83的许多元素及其化合物具有放射性。获得后者最常用的方法是用高能粒子轰击稳定同位素的核，使其变成放射性同位素。天然放射性同位素稀少，又不易提炼，价格昂贵，所以当前射线检测所用的均为人工放射性同位素。

1.1.2 核外电子运动规律

十九世纪初，美国科学家道尔顿提出他的原子理论，认为原子是物质存在的最小单元，是不可分割的。

1898年，英国科学家汤姆逊发现了电子，从而否定了原子不可分割的说法。1903年汤姆逊提出一种原子模型，认为正电荷平均分布在整个原子的球形体积中，而电子则平均分布在这些正电荷之间。然而，这种原子模型被卢瑟福的a粒子散射试验否定了。1911年，英国科学家卢瑟福提出了原子有核模型，认为原子象一个缩小的太阳系，中心有一个几乎占有全部质量的，带正电的原子核，核外有若干个带负电的电子绕核运转，如同行星围绕太阳运转一样。这种原子模型得到了人们的公认，但它与古典电磁理论有矛盾，对原子的线状光谱也无法解释，因而存在着很多缺陷。1913年，丹麦科学家玻尔运用量子论思想对原子有核模型作了进一步的发展和完善，提出了原子轨道和能级的概念，并对原子发光机理作出了解释。玻尔的原子理论假设可概括叙述如下：

原子中的电子绕核沿着园形轨道运行，各条轨道有不同的能量状态，叫作能级，各能级的能值都是确定的。正常情况下电子总是在能级最低的轨道上运行，这时的原子状态称作基态。

当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上去，这一过程称作跃迁，这时原子的状态称作激发态。激发态是一种不稳定状态，所以电子将再次跃迁回到较低能级，这样，先后两个能级的能值差就会以光能的形式发射出来，即：

hν＝E″－E′ (1.1)

式中：hν——光量子能量；E″——较高能级的能值；E′——较低能级的能值。

以氢原子为例：氢原子的能级图见图1.1，图中各定态轨道的量子化的能量状态，(即能级)，用主量子数n表示。能量单位用电子伏特(符号eV，1电子伏特相当于一个电子通过电势差为1伏特的电场时所获得或减少的能量)。图中最下一条横线是n＝1，是离核最近，能量最低的第一个能级，表示氢原子处于基态。如果由外界获得10.2eV(E2－E1)的能量，原子的内能增大，原子中的一个电子就跳到n=2的第二个能级，再获得1.89eV(E3—E2)的能量，电子就跳到n=3的第三个能级，在后两种情况下，氢原子都处于激发态。基态的氢原子获得13.6eV 的能量，电子就能完全完全脱离核的引力，成为自由电子(E=0)。受激的电子是不稳定的，它不能在高能级停留太久，接着就跳回较低能级。电子从高能级跃迁到低能级时，内能降低，放出一个光子，如果电子是从第三能级跳到第一能级，则放出的光子应具有12.09eV(即E3－E1)的能量。

现代科学用量子力学研究微观粒子。从量子力学的观点看，玻尔原子理论也存在着缺陷，实际上，核外电子并不在固定的轨道上运行，所谓原子轨道只是在三维空间中找到该运动电子的某个区域。由于核外电子任一时刻的位置和动量无法同时测出，描述核外电子的运动只能采用统计的方法，把电子在空间出现的几率密度分布用图象表示出来，称作电子云。描述原子轨道和电子云的参数共有3个：即主量子数n，用于确定原子的电子层和轨道能级(各电子层分别用K、L、M、N…表示)；角量子数1，用于确定每个电子层所包含的分层，同时还代表了电子的角动量和原子轨道形状(各分层分别用s，P，d，f…表示)；磁量子数m，用于确定原子轨道在空间的伸展方向；再加上自旋量子数m s，用于确定电子的自旋方向。原子的电子层结构，特别是最外层结构，对元素的化学性质有很大影响。根据元素性质周期性变化的规律，按元素原子核电荷数递增顺序把元素排列起来，并使具有相同电子层的元素排在同一横行，化学性质相似的各元素处在同一纵行里，就构成了元素周期表，元素周期表是元素周期律的具体表现形式，反映了元素间性质相互联系及其对原子结构的依赖关系。

1.1.3 原子核结构

原子核的半径为10-13～10-12厘米，约为原子半径的万分之一。如果把原子设想为一个直径10米的球体，那么原子核也只有针头大，所以说原子内部的绝大部分是空的。

原子核虽小，却占有原子的99%以上的质量，通过散射试验可以测定核的近似半径。试验表明核的半径γ与原子序数A的分之一次方成正比。这说明无论哪一种元素，其核的密度是相同的。

正如原子中的电子处于运动中一样，核中的粒子，质子和中子，也处于运动中，因而核具有角动量和磁矩。光谱分析表明，核的角动量和磁矩也是量子化的。

原子核的总质量总是小于它的组成部分的质量和，这是由于其中有把原子核结合在一起的吸引力有关的负电位能的质量当量。例如氢同位素氘的核质量m d＝2.013552u，而组成它的质子和中子的质量分别为m p＝1.007276u，m n＝1.008665u，质量差为0.00239u，由质能公式可求得相应的能量为2.25MeV，这部分能量称为结合能。

在原子核内，带正电的质子间存在着库仑斥力，但质子和中子仍能非常紧密地结合在一起，这说明核内存在着一个非常强大的力，即核力。核力具有以下性质：第一，核力与电荷无关，无论中子还是质子都受到核力的作用。第二，核力是短程力，只有在相邻核子之间发生作用，因此一个核子所能相互作用的其他核子数目是有限的，这称为核力的饱和性。第三，核力约比库仑力大100倍，