第一章 射线检测物理基础

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。

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★教材重点理一遍学习重点：依托基础理论，掌握基本知识（射线照相时电压太高为什么不对？后板和薄板对比度哪个高？）和操作、评片技能。

第1、2、3章是第4、5章的基础；第1-5章是第6章的基础；第7章是防护（安全知识）。

学习总结（复习）：把各章内容联系起来，搞清各物理量之间的关系、影响，从而正确选择。

照出合格底片。

第一章射线检测的物理基础1.原子结构、原子核结构、衰变。

2.X射线、γ射线的特点与区别。

共性：都是电磁波；区别：波长不同、产生方法不同。

3.X射线、γ射线的性质教材第5页与检测有关的5条（1、2、5、6、7）；3、4与射线检测关系不大。

4.X射线的产生、谱线特点电子撞击金属靶产生（1%）；能谱为连续谱。

5.X射线的强度、能量由什么决定（1）强度→I（i）（管电流）；能量→KV（管电压）i增大，强度增大；KV增大，能量增大，强度也同时增加。

X射线的穿透力（透照厚度）取决于KV；γ射线的穿透力取决于源的种类。

（2）射线穿透物质能力的度量（又叫硬度）定性：用“线质”表示定量：用半价层、有效能量或吸收系数（对于连续X射线）半价层、光子能量或波长（对于单色射线）线质硬射线：穿透力强、通过工件时衰减小，ΔD低（如能量高的射线）软射线：穿透力弱、通过工件时衰减大，ΔD高射线的质、线质、硬度、能量描述的是同一个物理量，还有如：照射量、照射率等。

6.γ射线的产生及其特点γ射线是放射性同位素衰变产生的，能谱为线状谱。

（放射性同位素是一种不稳定的核素）γ射线的能量是由放射性同位素的种类决定的。

γ射线的强度单位是活度（活度是不断变化的），是制造时决定的。

半衰期的概念。

X射线的强度、能量是可控的（大小可调节）；γ射线的强度、能量是不可控的（不能人为调节），只能透照与能量相应的厚度，有上下限区间。

7.射线对人的危害高能比低能危害大。

8.射线检测照相原理（射线与物质的相互作用）（1）现象（射线穿过物质的变化）：强度减弱；（2）强度减弱原因：吸收与散射；吸收与能量和材料的原子序数、密度、厚度有关；散射与能量、波长、厚度、受照面积有关。

射线检测的物理基础1.1 射线的产生及性质1.1.1 射线的分类射线是宏观上直线高速运动的微观粒子流。

物理学上的射线又称辐射。

射线种类很多，其性质、产生机理、与物质作用时的行为也各不相同，有人为产生的射线，也有客观存在的射线。

按射线粒子是否带有电荷可做如下分类：1、带有电荷的射线带有电荷的射线种类很多。

根据所带电荷性质不同又可把它们分为带正电荷的射线和带负电荷的射线。

前者如：α射线、质子射线等；后者如β射线（电子束）等。

2、不带电荷的射线这类射线如x射线、γ射线、中子射线等。

这些微观粒子本身都不带电荷，其中中子射线是一种实际存在的物质粒子，有质量、大小；而x、γ射线是没有静止质量、几何尺寸，但有一定能量的光量子。

实质上，x、γ射线的本质都是电磁波的一部分。

如图1-1所示：辐射波长单位:埃(Å)106 105 104 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5Å(105) (104) (103) (102) (10) (1) (10-1) (10-2) (10-3) (10-4)(10-5)(10-6) nm图1-1 电磁波谱因为x、γ射线不带电荷，没有质量，所以它们不受电磁场的影响，在与物质作用时有较强的穿透力，一般射线探伤用的都是x、γ射线，而中子射线和高能射线探伤只在很小范围内使用，所以这里只对x、γ射线进行讨论。

1.1.2 射线的产生1、X射线（亦称“伦琴射线”）的产生根据经典的电磁理论，高速运动的带电粒子受阻会产生电磁辐射，亦称韧致辐射。

在射线管两极高电压的作用下，从阴极发出的电子会得到加速，高速运动的电子在受到阳极靶的阻遏时将产生韧致辐射，使一部分能量转变成x射线，而绝大部分则以热能形式释放出来。

产生x 射线的基本条件：(1)要有一定数量的电子(2)电子向一定方向高速运动(3)在电子前进的路径上，有阻止电子运动的障碍物。

2、γ射线的产生 质子数相同而中子数不同的元素称为同位素。

第1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1.原子:化学反应的最小粒子。

化学反应中，原子的种类和性质不会发生变化。

2.元素:具有相同核电荷数的同一类原子的总称。

3.原子组成:原子核和若干个核外电子。

●原子核：由质子和中子构成。

质子带一个单位正电荷，中子不带电。

●核外电子：带一个单位负电荷4.对原子而言，原子核所带的正电荷数与核外电子所带的负电荷数相等。

即：质子数=核电荷数=核外电子数5.原子的质量：极其微小，近似等于原子核的质量。

●中子和质子的质量几乎相等。

6.原子量●原子的质量单位：规定C12原子质量的1/12为一个原子质量单位，单位为u。

◊质子和中子的相对质量都近似等于1u。

●原子量：原子的质量与原子质量单位的比值。

◊原子量=质子数+中子数7.原子序数：元素在元素周期表中排列的位置。

2010年11月●质子数=核电荷数=核外电子数=原子序数8.核素：具有一定质子数、中子数并处于特定能量状态的原子或原子核。

●一种元素可包含有多种核素。

9.同位素：质子数相同而中子数不同的原子互称同位素。

●同位素分稳定和不稳定两类，不稳定同位素又称放射性同位素。

●放射性同位素分人工和天然两类。

1.1.2核外电子运动规律玻尔理论：●能级：核外电子运动的各条轨道有不同的能量状态;●基态：正常情况下电子总是在能级最低的轨道上运行;●跃迁：原子吸收或放出一定能量时，电子由一种能级跳到另一种能级●激发态：电子由低能级跳到高能级后原子的状态。

激发态是不稳定的，电子将跃迁回低能级，两个能级的能值差会以光能的形式辐射出来。

1.1.3原子核结构1.核力：原子核中质子和中子之间的结合力。

2.核力的性质●核力与电荷无关，质子和中子都受核力作用。

●核力是短程力，只在相邻的原子核之间发生作用。

●核力比库仑力大100倍，是一种强相互作用。

●核力能促成粒子的成对结合以及对对结合。

3.原子核的稳定性●如果只考虑核力而不考虑库仑力，原子核中质子数和中子数相等的核是最稳定的；●如果考虑库仑力，含有较多中子的核更稳定；●中子过多也不稳定，因为没有质子配对；●质子过多也不稳定，因为库仑力增大；●对小质量的核，中子数/质子数=1附近较稳定；●对大质量的核，中子数/质子数=1.6附近较稳定；4.放射性衰变：不稳定的核素自发蜕变，变成另一种核素，同时放出各种射线的现象。

第一章射线检测的物理基础1.( ○ )X射线和γ射线都是高能光子流，不带电荷，不受电场和磁场的影响。

2.( ○ ) X、γ射线是电磁辐射；中子射线是粒子辐射。

3.( ○ )X射线和γ射线的主要区别是：X射线是韧致辐射的产物，而γ射线是放射性同位素原子核衰变的产物；X射线是连续谱，γ射线是线状谱。

4.( ³ )α射线和β射线一般不用于工业无损检测，主要是因为这两种射线对人体的辐射伤害太大。

5.( ○ )γ射线能量用“平均能量”来度量； X射线能量用“管电压峰值”来度量。

6.( ○ )连续X射线的能量与管电压有关，与管电流无关。

7.( ³ )连续X射线的强度与管电流有关，与管电压无关。

8.( ³ )在X射线检测中，标识谱起主要作用。

9.( ○ )X射线的强度可通过改变管电流、管电压来调节。

10.( ³ )X射线管的转换效率与管电压、管电流和靶的原子序数成正比。

11.( ○ )由于X射线管的转换效率很低，输入的能量绝大部分转换成了热能，因此X射线管必须有良好的冷却装置。

12.( ○ )最主要的放射性衰变有：α衰变、β衰变和γ衰变。

13.( ○ )放射性同位素的强度衰减至其原值一半所需的时间，称为半衰期。

当γ射线经过3个半衰期后，其强度仅剩下初始值的1/8 。

14.( ○ )工业检测用的放射性同位素，有的是在核反应堆中通过中子照射激活的，也有的是核裂变的产物。

目前射线检测所用的同位素均为人工放射性同位素。

15.( ○ )射线的线质越硬，其光子能量越大，波长越短，穿透力越强。

16.( ³ )射线的线质越软，其光子能量越小，波长越长，衰减系数越大，半价层越大。

17.( ○ )射线通过物质时，会与物质发生相互作用而强度减弱，导致强度减弱的原因可分为吸收与散射两类。

18.( ○ )射线在与物质相互作用时主要会发生光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散射。

19.( ○ )一定能量的连续X射线穿透物质时，随穿透厚度的增加，射线总强度减小，平均波长变短，但最短波长不变。

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子组成的，分子由原子组成。

原子是一种非常小的物质粒子，直径大约是10-10m 。

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，原子具有自己的结构。

原子由质子、中子和电子组成。

质子是一种物质微粒，其质量为1.6726×10-27kg ，带有一个单位的正电荷，电量为1.6021892×10-19C （这个电量常简记为e ）。

中子也是一种物质微粒，其质量为1.6748×10-27kg ，不带电荷。

电子是一种更小的物质微粒，其质量为9.1095×10-31kg ，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一种“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α 粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型。

他设想，原子中的带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子。

这个模型很快被广泛接受。

但是，核外电子的分布情况并不清楚。

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Z e 的原子核和Z 个核外电子组成，Z 为原子序数。

原子核位于原子的中心，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。

电子只能沿一些分立的满足一定条件的轨道运动，这些轨道称为量子轨道。

关于原子结构玻尔提出了两条假设：一是原子只能存在于一些具有一定分立能量E 1、E 2、E 3、…的稳定状态上。

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z 世界上一切物质都是由元素构成的，原子是元素的具体存在，是体现元素性质的最小微粒。

z原子质量采用“原子质量单位”用符号U表示，规定碳原子质量的1/12为U，而原子量就是某元素的原子的平均质量相当于6 12C的质量的1/12的比值。

原子由一个原子核和若干个核外电子组成。

原子核所带的正电荷数与核外电子所带的负电荷数相等。

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。

第一章射线检测的物理基础z 数值关系：质子数＝核电荷数=核外电子数=原子序数原子量=质子数+中子数例如: 27 60Co 表示钴元素中原子量为60的钴原子，核电荷数为27，核内有27个质子，33个中子，原子序数为27。

同位素: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)的几种原子相互称为同位素。

例如: 27 60Co 和2759Co 。

同位素可分为稳定和不稳定两类，不稳定的同位素又称为放射性同位素。

放射性同位素又可分为天然和人工制造两类，后者最常用的方法是用高能量粒子轰击稳定同位素的核使其成为放射性同位素。

的γ射第一章射线检测的物理基础1.3射线与物质的相互作用射线通过物质时，会与物质发生相互作用而强度减弱。

原因：吸收与散射主要形式：光电效应，康普顿效应，电子对效应和瑞利散射衰减规律，指数规律，衰减情况不仅与吸收物质的性质和厚度有关，还与辐射自身的性质有关。

第一章射线检测的物理基础1.3.4瑞利散射入射光子与束缚较牢固的内层轨道电子发生弹性碰撞过程，束缚电子只是吸收入射光子后跃迁到高能级随即放出一个能量约等于入射光子的散射光子，并没有脱离原子，所以散射线与入射线具有相同的波长，能发生干涉的散射过程。

发生几率和物质的原子序数及入射光子的能量有关。

大致与物质原子序数Z的平方成正比，并随入射光子能量的增大而急剧减小。