第一章 射线检测物理基础
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。
射线检测培训
二、射线检测设备和器材
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4、X射线管的焦点：（P34） a、实际焦点—阳极靶上受电子轰击的部分。 b、有效焦点—实际焦点在垂直于管轴线方向上的投影。 c、焦点大，利于散热，管电流可以较大；焦点小，散热 条件差，管电流不能太大。 d、焦点形状和尺寸取决于灯丝形状和尺寸，圆形和正方 形焦点尺寸为 a(a为直径或边长)；长方形和椭圆形焦点 尺寸为（ a和b为边长或轴长）。
状谱，由一个或几个特定的波长组成。 c、连续X射线的能量（波长）取决于管电压；标识X射线的能
量（波长）取决于靶材，与管电压无关。
一、射线检测物理基础
6、连续X射线的最短波长：
minV1(K2.4V)
0
(A)
4
7、X射线的产生效率：（P6） 0ZV
式中：η0≈1.1～1.4×10-6，
V—管电压（KV）
5
8、X射线和γ射线的相同和不同之处：（习题P20—371）
a、相同之处：X射线和γ射线都是电磁波，它们具有相同 的性质，如不可见、依直线传播、不带电、能穿透物质、 能使物质电离、使胶片感光、能发生生物效应等。
b、不同之处：
⑴、产生机理不同，X射线是高速电子与物质碰撞产生的； 而γ射线是放射性物质原子核衰变时放射出来的。
二、射线检测设备和器材
20
9、X射线机管电压和管电流：（P43—44）
①、管电压调节是通过调节高压变压器初级线圈并联的自耦
变压器的电压来实现的。
管电压越高，电子运动速度越快，产生的X射线能量越高，穿透力越大。
②、管电流是通过调节灯丝变压器电压从而调节灯丝加热电
流来实现的。
管电流越大，产生的X射线强度就越大。
解：设增厚前胶片接受
增厚之后胶片接受的照
II级培训射线检测物理基础
3 原子核结构 原子核由带正电的质子和不带电的中子构成。原子核体积为原子半径的
万分之一，而质量且占原子质量的99%以上。所以原子是一个极其空旷的结构， 在射线与物质发生作用时给部分射线穿过物质而不与射线发生作用造成了可 能。
与原子核库仑场相互作用发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射。 （3）X射线的波谱特点：由连续谱和标识谱两部分组成 连续谱：即波长连续变化，它的最短波长只与外加电压有关；
为什么会连续呢？ 标识谱：也叫特征谱，只与靶材料有关。
（4）连续谱最短波长的计算： 电子的动能E=eV 全部转化为电磁辐射的能量E=hν，则该辐射的波长λmin为：
• 同位素：质子数相同而中子数不同的各种原子互为同位素。 • 核素可分为稳定和不稳定的两类，不稳定的核素称为放射性核素。它能自发
地放出某些射线——α、β或γ射线，而变成另一种元素。 • 放射性核素可分为天然的和人工制造的两类。当前射线检测所用的γ射线源
均为人工放射性核素。
2 核外电子运动规律 原子理论的发展： A 道尔顿原子理论：原子是物质的最小单元，不可分割的。 B 汤姆逊原子理论：正电荷平均分布在整个原子中，而电子则平均分布在这些正
不同点： （1）产生方式不同，
X射线是高速电子轰击阳极靶产生的； γ射线是放射性核素衰变产生的。 （2）能量不同 X射线能量可调，取决于管电压； γ射线能量不可调，取决于源种类。 （3）强度不同， X射线强度决于管电压和管电流； γ射线强度随时间的推移按指数规律减弱。 （4）波谱不同 X射线波谱是连续谱； γ射线波谱是线状谱。
1.2 射线的种类和性质 1 X射线和γ射线的性质 相同点： （1）都是电磁波，在真空中以光速传播； （2）本身不带电，不受电场和磁场的影响； （3）在媒质界面上只能发生漫反射； （4）可以发生干涉和衍射现象； （5）不可见，能够穿透可见光不能穿透的物质； （6）在物质作用过程中，会与物质发生复杂的物理和化学作用； （7）具有辐射效应，能够杀伤生物细胞，破坏生物组织。
射线检测计算题解
中新口腔
1.4 求管电压为250KV的X射线机和能 量为4MeV的直线加速器辐射的连续X射线的 发生效率（设靶材为钨Z＝74，比例常数η0＝
η 1.2×10－6）。 = η0 ZV
X射线机 解：＝0ZV＝1.2 10－6 74 250 2.22%
直线加速器 ＝0ZV＝1.2 10－6 74 4000 35.52%
4
中新口腔
1.6 当X射线管的管电压为150kV时， 产生的X射线的最短波长为多少？若连续X 射线最大强度所对应的波长为最短波长的
1.5倍，求λ最min大=强1度V2.处4 -的-λ光IM子=能1量.5为λm多in 少？
λmin
解：
=
12.4 150
=
0.0827(
0
A
)
0
λIM = 1.5λmin = 1.5 ? 0.0827 = 0.124( A )
解：U i 0.0013 2800.79 0.111mm
（1）、射源侧：U g
df b F b
2(34 4) 600 (3 Ug 2 U i 2 0.1352 0.1112 0.175mm
（2）、胶片侧：U g
df b F b
21 600 1
0.00334mm；
I
I（0 1+n）
2n
16
中新口腔
17
中新口腔
解2：设
I 母＝I（0 1+n母）e－t母
I 焊＝I（0 1+n焊）e－t焊
I I
母 焊
＝
I（0 1+n母）e I（0 1+n焊）e
－t －t
母 焊
＝（ （11++nn母 焊） ）ge
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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
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。
射线检测的物理基础
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 射线检测物理基础
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1914年- M.V Laue (劳厄)-发现晶体的X衍射衍射（物理） 1915年-WH.WL.Bragg (布拉格) –用X射线分析晶体结构（物理） 1917年-C.G Barkla (巴克拉)-发现X射线对元素的特征发射（物理） 1921年：阿尔伯特〃爱因斯坦（德国）他对数学物理学的成就，特 别是光电效应定律的发现 1922年：尼尔斯〃亨利克〃大卫〃玻尔（丹麦）关于原子结构以及 原子辐射的研究 1924年-M.G Siegbahn (塞格巴恩)-（瑞典）研究X射线光谱学（物 理） 1925年：弗兰克〃赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律 1927年-A.H Compton (康普顿)-发现散射X射线的波长变化（物理） 1929年：路易〃维克多〃德布罗意（法国）发现电子的波动性 1935年：詹姆斯〃查德威克（英国）发现中子 1936年-P.J.W Debye (德拜)-X射线偶极矩和衍射及气体中的电子研 究（化学） 1946年-H.I Muller (马勒) -X射线辐照引起变异（生理学或医学）
•能量较大的电子入射到靶材料的原子中，与壳层电 子碰撞，击出内电子，使原子处于激发态（吸收）； 激发态原子释放能量发射光子（辐射）。即发射标 识X射线。 •产生标识X射线的条件：管电压>某一临界值时，才 能产生标识X射线。 •标识X射线强度少，能量低，在工业射线检测中不 起作用。 2 标识谱特征 1、每一谱线都有特定的波长，电子撞击的物质不同， 这些特定波长的值也不同。 2、特征谱可以分成若干系，每一系的谱线都有自己 特定的结构和激发电压，只有电子的加速电压超过 激发电压时，才能产生该系的特征谱线。
第二节
射线的种类和性质
一、 X射线和γ射线的本质与性质（理解） 1 本质： 电磁波 * X射线、γ射线、可见光、无线电波、红外线都是电磁波 * X射线和γ射线是波长较短的电磁波；区别在于波长不同 以及产生方法不同。
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质子数相同而中子数不同（核电荷数相同而相对
是光电效应定律的发现
• 1922年：尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔（丹麦）关于原子结构以及原子 辐射的研究
• 1924年-M.G Siegbahn (塞格巴恩)-（瑞典）研究X射线光谱学（物 理）
• 1925年：弗兰克·赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律 • 1927年-A.H Compton (康普顿)-发现散射X射线的波长变化（物理） • 1929年：路易·维克多·德布罗意（法国）发现电子的波动性 • 1935年：詹姆斯·查德威克（英国）发现中子 • 1936年-P.J.W Debye (德拜)-X射线偶极矩和衍射及气体中的电子研
如果：核的半径为 1cm
核（1cm）
电子
* ------------------------------*（约1000米）
10-8/10-13 = 100000 倍
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5
（3）电荷：原子核带正电；电子带负电；原子为中性。 （4）构成：原子核（质子 + 中子）+电子
数量关系：原子量 = 质子数 + 中子数 A =Z+ N
第一章 射线检测的物理基础
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1
本章重点讲述四个问题: • 1. 射线的性质、本质和X射线的产生 • 2. 射线谱--连续谱、特征谱、线状谱 • 3. 射线与物质的相互作用 • 4. 射线照相原理、特点
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2
第一节 原子和原子核结构
一. 元素与原子（了解）
1 元素构成物质，每一种元素用元素符号表示（119种）
究（化学）
• 1946年-H.I Muller (马勒) -X射线辐照引起变异（生理学或医学）
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二 原子核（了解）
1 原子核的构成
原子核=质子+中子
r∝A1/3
核的密度是相同的
2 原子核的质量 * 原子核的质量＜＜组成部分的质量和;
结合能 把原子核中粒子结合在一起的吸引力有关的
负电位能的质量当量。
Emc2
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14
3 核的稳定性
核力
斥力
核力 核力的性质:
．核力与电荷无关，无论中子还是质子 都受到核
力的作用。 • 核力是短程力，只在相邻原子核之间发生作用 • 核力比库仑力约大100 倍，是一种强相互作用力 • 核力能促成粒子的成对结合和对对结合
原子质量微小
相对原子质量
（1）质量：几乎集中在原子核内，核的密度非常大！如
果：把核集中在 1cm3 的体积内，那么：这1cm3 的体积内
核的总重量为 108 吨！ （一万万吨！）
相对原子质量=质子数+中子数+电子数（电子质量小，忽略）
（2）大小：原子半径 10-8 cm 数量级。
原子核半径10-13cm 数量级。
称为激发态， 激发态是不稳定的状态；
* 原子的状态特性：任何不稳定状态的原子必将自动
的回到稳定状态即回到基态；该过程将释放出原子
高于基态的能量，即产生辐射。释放能量的过程可
以一次回到基态，也可以逐次回到基态；
* 跃迁：电子从一个轨道向另一个轨道的运动，称为
跃迁（包括从低到高；或从高到低的运动）；
* 能级：用平行线表示核外电子所处的能量级别称为
hυ=En-Em En、Em分别为较高、较低能级的能量值。稳定 状态的改变（或能量的改变）是不连续的。
精选ppt 玻尔理论中的几个概念：
* 基态：原子处于最低能量的状态称为基态，是稳定
状态；
* 激发态：电子获得能量从低能级轨道进入高能级轨
道，该过程 称为激发；此时原子处于高能量状态，
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• 1914年- M.V Laue (劳厄)-发现晶体的X衍射衍射（物理） • 1915年-WH.WL.Bragg (布拉格) –用X射线分析晶体结构（物理） • 1917年-C.G Barkla (巴克拉)-发现X射线对元素的特征发射（物理） • 1921年：阿尔伯特·爱因斯坦（德国）他对数学物理学的成就，特别
原子质量不同）的各种原子互为同位素。
pie 氕11H
dao 氘
2 1
H
chuan
氚
3 1
H
核素
稳定 不稳定 自发放出α、β或γ射线变为另一种元素
放射性核素获得： ※ Z≥83 ※用高能粒子轰击稳定核素的核
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7
3 原子结构理论---玻尔理论（玻尔模型） * 20世纪初二种不同的原子结构模型 1903年：汤姆森假设：核子与电子在原子内均匀分布
卢瑟福α粒子散射试验 1911年：卢瑟福模型：行星分布
古典电磁理论 原子的线状光谱
1913年玻尔提出了完善的原子结构模型 ---玻尔模型.
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8
玻尔理论（玻尔模型）的要点： （1）原子中的电子沿着圆形轨道绕核运行，各 轨道有不同的能量状态，叫做能级，各能级的能 值都是确定的。正常情况下电子在能级最低的轨 道上运行，这时的原子状态称作基态。 （2）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，这一过程称作跃迁，这时 的原子状态称作激发态。激发态是一种不稳定状 态，电子将再次跃迁回较低能级：
能级，外壳层能级最高，但外壳层上的电子结合能
最低。
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11
因对X射线、放射性物质及应用作出贡献而获诺贝 尔奖的科学家
• 1901年- W.K Rontgen (伦琴)德国-发现X射线 （物理） • 东尼1903年：安·亨利·贝克勒尔（法国）发现天然放射性；
皮埃尔·居里（法国）、玛丽·居里（波兰裔法国人）发现并 研究放射性元素钋和镭 • 1904年：瑞利（英国）气体密度的研究和发现氩 • 1906年：约瑟夫·汤姆生（英国）对气体放电理论和实验研 究作出重要贡献并发现电子 • 1908年E.卢瑟福（英国人）首先提出放射性元素的蜕变理 论 • 1911年M.居里（法国人）发现镭和钋
C CO Fe 2 原子的概念:
• 定义：体现元素性质的最小微粒。
•
组成单质和化合物分子的最小微粒。
•
由原子核和核外电子构成。
精选ppt
3
2 原子的构成: * 原子是由原子核和核外电子所构成。 电子围绕原子核作行星运动；电子在一定 轨道上绕核运动。
铁原子
铯原子
精选ppt
4
原子是有质量、有尺寸的一种粒子。