第一章 射线检测的物理基础

第一章射线检测的物理基础

一、原子与原子结构

1、元素与原子

原子指在化学反应中不可分割的最小微粒。原子由核外电子和原子核组成。原子核由中子和质子组成。

电子的质量极轻，为9.109×10-28克。电子带1个单位负电荷（1个单位负电荷=1.602×10-19库仑）。

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。中子不带电，质子带1个单位正电荷。

1个原子中，核外电子数=核内质子数

原子量=质子数+中子数

原子序数=1个原子的质子数

元素是具有相同核电荷数（质子数）的同一类原子的总称。

同一元素中的原子具有相同的核电荷数，即核内质子数相同、中子数不同的几种原子互称同为数。如1

H（氢）、21H（氘）、31H（氚）。

1

2、核外电子运动规律

核外电子围绕原子核运动。电子的运动轨迹各不相同，不同的轨迹具有不同的能量，称为能级。

电子轨迹呈云状分布，称作电子云。根据电子轨道和电子云的参数，用于确定原子的电子层数和轨道能级，分别用K、L|、M、N·····表示。

当核外电子受激发时，会从低能级轨道跃迁到高能级轨道，

高能级轨道的电子不稳定，会从高能级轨道跃迁回低能级轨道。当电子高能级轨道跃迁回低能级轨道时，多余的能量会会以光能的形式释放，即

ν=−

'''

h E E

式中h------普朗克常数，6.626196×10-34J·s，ν------光子的频率。

3、原子核结构

原子核由质子和中子构成，原子核的稳定与质子数、中子数分布有关系。对于较轻的原子核，当质子数等于中子数时，原子核稳定。对于重核，中子数必须大于质子数才能稳定。偶数质子和偶数中子的同位素（偶偶核）最稳定，偶奇核和奇偶核都不及偶偶核稳定，最不稳定为奇奇核。

当质子数过多时，过多的质子放射正电子而转变为中子；中子数过多时，过多的中子将放射电子转变为质子。

原子核内部粒子的结合能分为体积能、表面能、对称能、库仑能和奇偶能。

二、原子核的衰变

具有不稳定原子核结构的同位素自发地放出射线而转变为其他元素，这些同位素称为放射同位素。放射同位素放出的射线是由原子核放出的，实际上是核的转变，因此称为原子核的衰变。

有的放射性同位素放出α射线（α衰变），有的放出β射

线（β衰变），有的放出α射线或β射线的同时还放出γ射线。这三种射线的基本性质简述如下：

α射线是（4

2He ）原子核，它有很强的电离作用，但贯穿

本领很小，在磁场中要发生偏转。

β射线是电子，它的电离作用较小，但有较大的贯穿本领。在磁场中也要发生偏转，但偏转方向与α粒子的相反。

γ射线是光子，电离作用小，但贯穿本领大，在磁场中不发生偏转。

1. 放射性衰变规律

不管是人工的还是自然的放射性同位素，其衰变都遵从指数规律，即

0t N e N λ−=

式中N 为时刻t 尚未部分的原子核个数，0N 为当t=0时的未部分

的原子核个数，λ为衰变常数，每一种放射同位素各有它自己的λ值。

半衰期T ：是指放射同位素原子核数量衰变到一半所需要的时间，即

T 001N N 2

1ln 2

ln 20.693e T T λλλλ

−==−== 2. 放射性强度

一个放射源在单位时间内发生的衰变次数

dN dt ，称为该放射源的强度I ，即

00=

t t dN I N e N dt

I e I λλλλ−−=== 可见，放射源的强度按指数规律随时间减弱。

放射性强度通常用“居里”作单位，“居里”的定义是：每秒能产生3.7×1010次核衰变得放射源，其放射强度即为1居里。

二、射线检测用射线种类和性质

1.X 射线

X 射线是由阴极射线管产生的，

当电子管的电子在大于100000伏的

管电压加速下撞击阳极，阳极就会

释放出X 射线。

a. 连续射线

连续X 射线由于高速电子受原子核库伦场作用而产生的光子（电磁波），也称韧致辐射。当某个电子动能全部转换为光子时，发射的光子频率由

212C

mV eU h h νλ=== 式中计算出的光子频率及为某一管电压下，电子管（X 射线管）发射的最高频率的Ｘ射线频率，即X 射线管发射的X 射线最高频率与管电压有关，与阳极靶材料无关。

b. 标识谱

当X射线管的管电压超过某个临界值Ｕk时，阴极发射的电子可以获得足够的能量，它与阳极碰撞时，可以把原子能级低的内层电子逐出到能级高的轨道上，电子在高能级轨道不稳定，又跃回低能级轨道，发射特定的频率的光子，光子的频率为

ν=−

'''

h E E

可见标识谱是线状谱，不是连续谱。

标识辐射（也叫特征辐射）的光子频率与X射线管阳极靶的材料有关，与管电压无关。

c.X射线连续谱的曲线和总强度

Ｘ射线波长与管电流曲线：

Ｘ射线波长与管电压曲线：

连续Ｘ射线总强度T I 与管电流ｉ（mA ）,管电压Ｕ（Ｋ

Ｖ）、靶材料原子序数Ｚ有以下关系：

2i T iZU I K =

式中，i K 为比例常数，i K ≈1.1～1.4×10-6

X 射线的产生效率η等于连续X 射线的总强度与T I 与管

电压U 和管电流i 的乘积之比，即

2T i i iZU I K ZU K Ui Ui η=== 2.γ射线

γ射线是放射同位素在α衰变或β衰变过程中，原子核发射的一种光子，光子频率是线状的，它的频率大小与数量取决于原子核内能级的结构，与放射同位素种类有关。

工业探伤常用放射性同位素衰变公式；

（1） Co60（钴）

59

6027

2760

602728(1.172,1.33)Co n Co Co Ni MeV MeV γβγ+→+→++

半衰期5.3年

（2） Cs137(铯)