射线检测培训(1章).ppt

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1、射线检测培训,第一章 射线检测的 物理基础 武玉林,1,1.1 原子和元素,1.1.1 元素和原子1、原子：、原子定义：原子是化学反应的基本微粒，原子在化学反应中不可分割。原子是化学变化中的最小微粒。在化学反应中，原子的种类和性质不会发生变化。、原子的组成：原子是由一个原子核和若干个核外电子组成的，而原子核又是由更小的微粒-质子和中子组成的。,2,原子很小，其直径大约只有10-8cm，原子核和电子更小，原子核的直径约在10-14-10-12cm之间，电子直径约10-13cm。原子核位于原子中心，电子围绕核运动，原子内部大部分是“空”的。、原子的电荷 质子带一个单位正电荷，中子不带电，所以原子核

2、带正电，核电荷数等于质子数，用符号“Z”表示。电子带一个单位负电荷，由于核内的质子数等于核外电子数，所以原子核带的正电荷数,3,等于核外电子所带的负电荷数，整个原子是电中性的。核电荷数（Z）=核内质子数=核外电子数、原子的质量 质子的质量为1.672610-24克，中子质量为1.674910-24克，电子的质量仅为质子质量的1/1837，原子的质量主要集中在原子核上。原子的质量用原子质量单位（u）表示。一个原子质量单位定义为碳原子（）质量的1/12，质量为1.992710-23克，所以1u=1.660610-24克。,4,用原子质量单位表示，质子和中子的质量分别为1.007和1.008。、质量

3、数：原子的质子数（Z）与中子数（N）之和，称为原子的质量数（A）。A=Z+N 知道了上述三个数值中的两个，就可用上述关系求出第三个。例如硫原子量为32.06，核电荷数为16，则硫原子的中子数为32-16=16（个）,5,归纳起来，原子的组成可以表示如下：2、元素、元素：、定义：具有相同质子数(核电荷数)的同一类原子叫做元素。原子的质子数决定着原子的种类。,6,例如：含有一个质子的所有原子都是氢原子；含有二个质子的所有原子都是氦原子；含有三个质子的所有原子都是锂原子；含有四个质子的所有原子都是铍原子 依次类推。目前已经发现的元素有118种，它们原子中依次含有1-118个质子。、原子序数：元素在元

4、素周期表中的序号叫做元素的原子序数，它等于原子中的质子数，用“Z”表示。,7,每一种元素都有一个名称、一个元素符号和一个原子序数。例如含一个质子的元素叫“氢”，元素符号是“H”，原子序数是“1”。3、同位素：、定义：具有相同质子数和不同中子数的同一种元素的原子互称同位素。同种元素的原子具有相同的质子数，但它们的中子数并不一定相同，例如，氢元素的原子，有的不含中子，有的含有一个中子，有的含有二个中子。,8,不含中子的氢原子叫“氕”（）含一个中子的氢原子叫“氘”（）含二个中子的氢原子叫“氚”（）氕、氘、氚便是氢的三种同位素。许多元素都有同位素，如铀有、等多种同位素；碳有、等几种同位素。、同位素的类

5、型、稳定同位素和不稳定同位素。不稳定的同位素又称放射性同位素，它能自发地放射出某种射线、或射线而变为另一种元素。,9,、天然放射性同位素和人工放射性同位素。天然放射性同位素是自然界存在的矿物。一般Z88的许多元素及其化合物具有放射性。人工放射性同位素可用高能粒子轰击稳定同位素的核使其变为放射性同位素。射线检测用的放射性同位素均为人工放射性同位素。,10,5、核素、定义：核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。例如，原子核里有6个质子和6个中子的碳原子，质量数是12，称为碳-12核素，或写成12C核素。原子核里有6个质子和7个中子的碳原子，质量数为13，称13C核素。氧元素有16O，1

6、7O，18O三种核素。、核素概念的引入：,核素概念最初是为了确切描述元素的原子量而引入的。后来发现地球上天然存在的和人工制造的原子核都有“同核异能态”的现象，即具有相同质子数和中子数的原子核所显现出来的核性质，如衰变方式、半衰期、能量等等可以不同。同核异能态是原子核层次的“同分异构体”，“同分”是指相同数目的质子和中子，“异构”则表示它们构成原子核的方式不同。但同位素概念不足以反映这种“同分异构”现象。如果把核素概念定义为同一同位素的核性质不同的原子核，就可以概括核的同分异构现象。因此，核素也就成了表达核性质的独立概念。,6、元素、核素和同位素之间的区别与关系、元素：元素是同一类原子的总称，即

7、具有相同核电荷数的一类原子的总称。元素是以核电荷数为标准而对原子进行分类的，也就是说原子的核电荷数决定着元素的种类。因此，不同种的元素具有不同的核电荷数，例如：1：H元素、6：C元素、8：O元素等。、核素：核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。,核素是指某种原子，有多少种原子就有多少种核素。例如：1H、2H、3H是3种不同的核素，但都属于H元素。、同位素 质子数相同，中子数不同的同一元素的不同原子间，互称同位素，因为它们处于周期表中同一位置上。即同一元素的不同核素间互称同位素。例如：1H、2H、3H（数字下标）就互为同位素。,1.1.2 核外电子运动规律 1、原子的结构、道尔顿模型

8、（实心球体）1808年，英国自然科学家约翰道尔顿提出了世界上第一个原子的理论模型。他的理论主要有以下三点：、原子都是不能再分的粒子；、同种元素的原子的各种性质和质量都相同；、原子是微小的实心球体。这是一个失败的理论模型，但道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中。被称为“近代化学之父”。,15,、汤姆逊模型（葡萄干布丁模型）,1897年 汤姆生发现了电子，从而否定了原子不可分割的说法。1908年，汤姆逊在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干布丁模型，汤姆生认为：、电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。、在受到激发时，电子会离开原子

9、，产生阴极射线。汤姆逊的学生卢瑟福完成的粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了葡萄干布丁模型的正确性。,17,、卢瑟福模型（行星模型）,18,1911年英国科学家卢瑟福以经典电磁学为理论基础提出原子的行星模型说，主要内容有：、原子的大部分体积是空的。、在原子的中心有一个很小的原子核。、原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核外空间进行绕核运动。,19,、玻尔模型 1913年 丹麦科学家玻尔在行星模型的基础上运用量子力学思想提出了核外电子分层排布的原子结构模型。其基本观点是：、原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道上绕原子核运动，不辐射能量。、在不同轨道上运动的

10、电子具有不同的能量（E），且能量是量子化的，不同的轨道分别被命名为K、L、N、O、P。、当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱。,20,、现代模型（电子云模型）（略）,21,实际上，核外电子并不象行星那样在固定的轨道上运行。所谓电子轨道只是在三维空间找到的该运动电子的某个区域。核外电子在某一时刻所处的位置和速度无法同时准确测出，也不能描绘出它的运动轨迹。因此，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概率密度分布用图象表示出来，即以单位体积内电子出现几率，即几率密度大小，用小白点的疏密来表示。小白

11、点密处表示电子出现的几率密度大，小白点疏处几率密度小，看上去好像一片带负电的云状物笼罩在原子核周围，因此叫电子云。,22,描述电子轨道和电子云的参数有：、主量子数n：用于确定电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l。用于确定每个电子层所包含的亚层，同时还代表了电子的角动量和原子轨道的形状（各亚层分别用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。、自旋量子数ms：,23,这样，原子的结构可以简要概括为：在原子中，原子核位于中心，核外电子分层排布，每层都有若干亚层，每个亚层有确定的轨道，每个轨道包含两个自旋方向相反的电子。如以n表示电

12、子层数，原子的结构可简单表示如下：,24,2、原子的能级概念 原子中，电子受到原子核的吸引作用，能量高的电子具有较强的抗力，处在离核较远的轨道上；能量较低的电子抗力较小，处在离核较近的轨道上。因此，位于不同层的电子具有不同的能量，通常把它们叫做处于不同的能级。各层电子的能量按K、L、M、N的次序递增。按照能量排布规律，核外电子总是尽先占有能量最低的轨道，只有当能量最低的轨道占满后才依次进入级量较高的轨道。因此，在正常情况下，原子处于最低的能量状态，这种状态称为“基态”。基态的原子是稳定的，这时,25,虽然核外电子不停地绕核运动，但并不向外辐射能量。原子从外界吸收一定能量时，电子就由较低能级跳跃

13、的较高的能级上去，这一过程称为“跃迁”，这时原子的状态变为激发态。激发态的原子是不稳定的，它将再次跃迁到较低的能级，多余的能量以电磁波或其它形式释放出来，即：式中：h-光子能量；E-较高能级能量；E-较低能级能量。,26,1.1.3 原子核结构,27,1、原子核的组成、英国物理学家卢瑟福在1919年做核反应实验时发现了质子，经过研究证明，质子带正电荷，其电量和一个电子的电量相同，它的质量等于一个电子质量的1836倍.进一步研究表明，质子的性质和氢原子核的性质完全相同，所以质子就是氢原子核.、1932年英国物理学家查德威克又发现了中子，通过研究证明中子的质量和质子的质量基本相同，但是不带电.是中

14、性粒子.在对各种原子核进行的实验中，发现质子和中子是组成原子核的两种基本粒子.,28,29,、原子核的组成,2、核力：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大的力，即核力。核力具有以下性质：、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，只有在相邻原子核之间发生作用。因此，一个核子所能相互作用的其他核子的数目是有限的。称为核力的饱和性。、核力比库仑力约大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。,30,3、原子核的稳定性：原子核的稳定性与中子数、质子数有关。其关系为：、对小质量数的核

15、：N/Z1附近较稳定，这个比值随核质量数的增大而增大；、对大质量数的核：N/Z1.6附近的核较稳定。,31,科学研究表明，稳定性核素对核子总数有一定限度（一般为A209），而且中子数和质子数应保持一定的比例（一般为N/Z=11.5，也有个别例外）。任何含有过多核子或N/Z不适当的核素，都是不稳定的。A209的核素，即元素周期表中钋（Po）之后的所有元素的核素都具有放射性（钋之前的元素，有的核素也具有放射性），它们或是自发地放射出射线（即He核），而转变成A较小的新核；或是因核素的N/Z不适当，其核内的中子与质子会自发地相互转变，从而改变N/Z的值，并同时放出一个-（或+）粒子。核素衰变后产生的

16、新核几乎都是处在激发态，这样的核或是自发地放射出光子而转变到基态或较低能态，或是继续进行衰变（或衰变），直到变成一个稳定的核素为止。,33,4、放射性衰变、放射性同位素的原子核自发地放射粒子或波的过程叫放射性衰变。放射性同位素发生衰变后，产生新元素，新元素可能是稳定的，也可能是不稳定的，不稳定的元素要进一步衰变，直到产生稳定同位素为止。例如，铀238衰变后产生钍，钍进一步衰变产生镭，镭进一步衰变产生氡，氡又经过一系例衰变，最后产生稳定的同位素铅而告终。放射性衰变由原子核本身的性质所决定，不受外部环境如温度、压力、电磁场等物理和化学条件的影响，且无法加以控制。,34,、放射性同位素的衰变方式有多

17、种，最常见的是衰变和衰变，.衰变放射性同位素的原子核放射粒子的衰变过程叫做衰变。粒子由两个质子和两个中子组成，带有两个正电荷，它实际上是一个氦原子核。有些放射性同位放射粒子的同时，伴随能量的跃迁同时放射出射线。这种衰变过程可以用下式表示：,35,由此可以看出，放射性同位素原子核（母核）经过衰变之后，产生一种新元素（子核），其原子序数减小2，质量数减小4。例如：衰变，放射一个粒子，产生一种新元素，同时放射射线，其衰变过程可表示为：,36,、衰变放射性同位素的原子核放射粒子的衰变过程叫做衰变。粒子带一个负电荷，实际上是由核内的一个中子放射出来的电子。有的元素发生衰变时伴随能量的跃迁同时放射出射线，

18、其衰变过程可以用下式表示：由上可以看出，放射性同位素原子核（母核）发生衰变时，产生一种新元素（子核），其原子序数加一，质量数不变。,37,例如：衰变，放射一个粒子，产生新元素，同时放射射线；衰变，放射一个粒子，产生新元素，同时放射射线。它们的衰变过程可表示为：、衰变衰变总是伴随着衰变和衰变面发生。是原子核由激发态过渡到正常态，由高能跃迁到低能级而产生的。,2衰变 衰变又分-衰变、+衰变和轨道电子俘获三种方式。(1)-衰变放射出-粒子（高速电子）的衰变。一般地，中子相对丰富的放射性核素常发生-衰变。这可看作是母核中的一个中子转变成一个质子的过程。(2)+衰变 放射出+粒子（正电子）的衰变。一般地

19、，中子相对缺乏的放射性核素常发生+衰变。这可看作是母核中的一个质子转变成一个中子的过程。,(3)轨道电子俘获(K、L俘获）原子核俘获一个K层或L层电子而衰变成核电荷数减少1，质量数不变的另一种原子核。由于K层最靠近核，所以K俘获最易发生。在K俘获发生时，必有外层电子去填补内层上的空位，并放射出具有子体特征的标识X射线。这一能量也可能传递给更外层电子，使它成为自由电子发射出去，这个电子称作“俄歇电子”。,3、衰变和内变换(1)衰变 处于激发态的核，通过放射出射线而跃迁到基态或较低能态的现象。射线的穿透力很强。射线在医学核物理技术等应用领域占有重要地位。(2)内变换有时处于激发态的核可以不辐射射线

20、回到基态或较低能态，而是将能量直接传给一个核外电子（主要是K层电子），使该电子电离出去。这种现象称为内变换，所放出的电子称作内变换电子。,1.2 射线的种类和性质12.1、x射线和射线的性质 1、电磁波 电磁波是周期性变化的电磁场在空间由近及远的传播，我们所熟知的可见光、无线电波、红外线、紫外线以及x射线、射线等都是电磁波。电磁波在物理学上通常用波速C、波长和频率来描述，它们之间的关系是：,41,电磁波谱,电磁波的频谱范围大致如下所示：射线：0.003-0.139 X射线:0.006-1019 紫外线：200-3900 可见光：3900-7800 红外线：7800-0.3mm 无线电波:0.3

21、mm-30Km。可以看出，电磁波的频率范围非常宽，如无线电波的波长可达数十公里，而X射线和射线的波长可小至若干亿分之一厘米。还可看出，不同类型的电磁波具有不同的波长范围，而一定范围波长的电磁波具有一定的性质，超出这个范围时，电磁波的性质就起了变化。,43,2、x射线和射线的性质 x射线和射线就其本质而言，与可见光、无线电波相同，统统属于电磁波。其区别只是产生方式不同和波长范围不同，因此它们除与可见光和无线电波等具有许多共性之外，也具有不同于可见光的特性。其主要性质可简述如下：、在真空中以直线传播。、本身不带电，不受电场和磁场的影响。、在媒质界面只能发生漫反射，而不能像可见光一样产生镜面反射；X

22、射线和射线的,44,折射系数非常接近于1，折射方向改变不明显。、可发生干涉和衍射现象，但只能在非常小的，例如晶体组成的光阑中才能发生这种现象。、不可见，能穿透可见光所不能穿透的物质。、在穿透物质过程中，会与物质发生非常复杂的物理和化学作用，例如电离作用、荧光作用、热作用及光化学作用。、具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，破坏生物组织。,45,1.2.2 X射线的产生及其特点 1、产生X射线的条件 X射线是由高速运动的电子与物质的相互作用产生的，从本质上讲，当高速运动的电子与原子内部的原子核或核外电子作用时，以X射线的形式释放能量。产生X射线须具备的条件包括：（1）.电子源将金属丝（一般为钨丝）

23、通电加热到白炽状态使电子逸出成为自由电子，通常将金属丝称之为“灯丝”。（2）.加速电子的手段建立一高压电场，灯丝与阴极相连，使电子在电场作用下飞向阳极。,46,（3）.电子聚焦将灯丝置于杯状或槽形阴极聚焦窒中，使电子聚成一束定向发射。（4）.接受电子轰击的靶将一块高熔点金属（一般为钨）嵌入阳极，接受电子轰击。（5）.高真空度用玻璃或其它材料作成壳体，使阴极和阳极之间保持高真空度，以保证高速电子不受气体阻挡、灯丝不被氧化。满足上述条件的装置称之为“X射线管”，X射线就是在X射线管中发生的。,47,2、X射线谱及其组成 X射线波谱由连续谱和标识谱两部分组成。连续谱是波长连续变化的部分；标识谱重叠在

24、连续谱上，如同山丘上的宝塔。,49,3、X射线的产生机理、连续谱的产生及特点 高速电子与原子核外库仑场作用产生的X射线叫做连续X射线（又叫做多色X射线、白色X射线或韧致辐射）。当高速电子与靶相撞时，受原子核外库仑场的作用，运动方向发生偏转且速度减慢，这时电子的一部分能量便以X射线的形式释放出来。由于高速电子的能量不同，受阻程度和减速过程不同，所以产生的X射线具有各种波长，其波谱呈连续分布。,50,在X射线的连续谱中存在着一个最短的波长，其值可以用下式计算：式中：V管电压，单位kV。由上式可以看出，连续X射线的波长（能量）取决于管电压。管电压越高，波长越短，X射线的能量越高。在连续谱中，最大强度

25、对应的波长为：实际射线检测中，以最大强度波长为中心的邻近波段的射线起主要作用。,51,高速电子轰击靶时产生的X射线总强度由下式确定：式中：I管电流 Z靶材料的原子序数 V管电压（单位V）由上式可知，连续X射线的强度取决于管电流、管电压和靶材料的原子序数。（与管电流成正比，与管电压的平方成正比）。,53,X射线的产生效率可由下式确定：式中：Z靶材料的原子序数；V管电压（单位KV）。由上式计算可知，X射线的发生效率是相当低的，例如，当管电压为200kv时，其X射线发生效率只有2%左右。在X射线产生过程中，能量转换方式主要是热，高速电子的绝大部分能量都转变为热量。,计算题1.4 求管电压为250KV

26、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Z74，比例常数01.2106）。解：公式 X射线机：0ZV 1.210674250=2.22%直线加速器：0ZV1.2106744000=35.52%,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，求最大强度处的光子能量为多少？,1.5 已知CO60源辐射两种能量的光子，一种是1.17MeV，另一种是1.33MeV.求它们的波长分别为多少？,、标识谱的的产生及特点 高速电子与原子的内层电子作用时产生的X射线叫做标识X射线（或特征X射线）。

27、当高速电子与原子内层的轨道电子作用时，将内层电子撞出原子，内层轨道上留下一个空位，这时外层轨道上的电子便会跃迁到内层轨道填补这个空位。由于外层电子处于较高的能级，当它跃迁到内层轨道时，多余的能量便以X射线的形式释放出来，其能量等于两个轨道的能量差：,57,电子在不同的轨道之间跃迁产生不同的标识X射线，例如L、M、N层电子向K层跃迁产生K系标识X射线，M、N层电子向L层跃迁产生L系标识X射线，依次类推。标识X射线呈单个或多个线状谱，其能量与高速电子的能量无关，只取决于轨道电子的能级和能级差，也就是说，它只与靶材料的原子结构有关。依据这种性质，标识X射线可用于金属成分和结构分析。由于它的能量很低，

28、在射线探伤中没有多大作用。,58,、连续X射线与标识X射线的不同之处 问答 题1.9：、产生机理不同：连续X射线是高速电子与原子核外库仑场作用产生的；标识X射线是高速电子与原子的内层轨道电子作用产生的。、频谱不同：连续X射线是连续谱，标识X射线是线状谱。、连续X射线的能量取决于管电压，标识X射线的能量与管电压无关，只取决于靶材。标识X射线能量低线质软，在探伤中基本上不起作用，工业探伤中起作用的主要是连续X射线。,1.2.3 射线的产生及特点 1、射线的产生 射线是放射性同位素经过或衰变后，在激发态向稳定态过渡的过程中从原子核内发出的，这一过程称作衰变，也称为跃迁。与核外电子的跃迁一样，跃迁也可

29、以放出光子。其不同之处是，跃迁是核内能级之间的跃迁，其放出的 光子能量在几千电子伏到十几兆电子伏之间，而核外电子跃迁放出的x光子能量只有几电子伏到几千电子伏。2、射线的特点、射线的能量是由放射性同位素的种类决定的。一种放射性同位素可能放射出许多,60,种能量的射线，对此取其所辐射出的所有能量的平均值作为该同位素的辐射能量。如C O60的平均能量为（1.17+1.33）/2=1.25MeV。、射线的能谱为线状谱，谱线只出现在特定波长的若干点上。,61,3、放射性活度和比活度(1)、放射性活度是指放射性材料单位时间内原子的衰变数,标准度量单位为贝可(Bq),1Bq表示每秒钟内有一个原子发生衰变，即

30、1Bq=1/s。放射性活度的常用单位为居里（Ci）,1Ci表示放射性材料每秒钟有3.71010个原子发生衰变，即1Ci=3.71010/s。对于同一种放射源来说，放射性活度大的源,单位时间内衰变的原子数目多，因而放射的射线多，其射线强度就大。,62,但对不同的放射源来说，即使放射性活度相同，也不表明其放射的射线强度相同。这是因为不同的放射性同位素在一个核衰变中放出的射线光子数可以不同。例如，钴60一个核衰变放出能量不同的两个射线光子，但对铥170来说，不是每个核衰变都放射射线光子，而是大约只有8%的核衰变放射射线。,63,、放射性比活度是指单位质量放射性物质的放射性活度，单位是Bq/g或Ci/

31、g。比活度不仅表示放射性材料的活度，而且表明了其纯度。实际上，任何放射性材料中都伴有一定的杂质，因此比活度在某种程度上更能表明射线源放射射线的情况。在活度相同的情况下，比活度大的源其尺寸可以做得更小一些。,64,4、衰变律和半衰期.衰变律 放射性同位素原子核衰变是自发进行的，对于任意一个核来说，它何时衰变具有偶然性，但对于足够多的核的集合来说，其衰变必定服从统计规律。设在dt时间内发生的核衰变数为dN，则dN必然与当时存在的原子核数N和时间dt成正比，于是有：-dN=Ndt 式中：衰变常数。dNN的减少量,所以前面加负号。,65,设t=0时原子核数为N0，则上式积分后得：上式称为放射性同位素的

32、衰变律。由上式可以看出，放性同位素的衰变服从指数规律。.半衰期 半衰期是指放射性同位素的原子核数衰变一半所需要的时间，用T1/2表示。,66,当t=T1/2时，N=N0/2，由衰变律得：和T1/2都是放射性材料的固有特性，反映了放射性同位素的衰变速率，越大，T1/2越小，放射性同位素越不稳定，衰变得越快。,67,以半衰期数表达的衰变律的另一种表达式,每一种同位素都有各自的半衰期，有的很短，有的很长，例如，铯135的半衰期只有2.810-10秒，而铀238的半衰期长达45亿年。下面是几种常用射线源的半衰期：Cs13733年；Co605.3年;Se75 120天 Tm170128天；Ir19274

33、天;,69,知道了一个射线源的活度和半衰期，就可计算出该源在任意时刻的活度。例如，80Ci的Ir192源，150天其活度变为：,计算题1.3 CS137（已知半衰期为33年）射线源用了16年后，放射性强度还剩原来的百分之几？,1.1 C060的衰变常数为0.131年，求它的半衰期。1.2 Ir192的半衰期限为75天，求它的衰变常数。,5、射线的能量和强度、射线的能量 X射线管发生的X射线，其频谱是连续分布的，X射线的能量取决于管电压。射线与连续X射线不同，它是由一个或几个能量不连续的线状谱组成的，每一种同位素发射的射线的能量是不可控制的，要改变射线的能量，只有选择不同种类的放射源。射线的能量

34、通常用组成射线的各种光子的平均能量来表示。,73,下面是几种常用射线源的平均能量：钴601.25MeV 铯1370.66MeV 铱1920.35MeV;铥1700.072MeV 硒750.206MeV 有时用“X射线当量能量”来表示射线的能量。所谓X射线当量能量，是指与射线产生同等吸收效果的X射线平均能量，用射线管峰值管电压（Kvp）表示。几种常用同位素的X射线当量能量为：钴60：20003000Kvp;铯137：6001500Kvp;铱192：150800Kvp;铥170：30150Kvp,74,、射线的强度 射线强度是指射线源在单位时间内发射的射线的数量。对于同一种源来说，其源强度与源活度

35、成正比。但对不同类型的源来说，无法根据源活度大小对其强度行比较。为此，引入了克镭当量的概念。已经知道，在距1克镭1米处的照射量率为0.84R/h，因此，任何类型的放射源，只要在离源1米处的照射率为0.84R/h，其源强度即为1克镭当量。,75,每一种放射源，其源活度与源强度之间都有确定的关系，这种关系用当量表示。它是指单位活度放射源的克镭当量。下面是几种常用放射源的当量：钴60：=1.57gRa/Ci=1.57mgRa/mCi 铯137：=0.39gRa/Ci=0.39mgRa/mCi 铥170:=0.002gRa/Ci=0.002mgRa/Ci 铱192：=0.56gRa/Ci=0.56mg

36、Ra/Ci 硒75：=0.24gRa/Ci=0.24mgRa/Ci 式中：gRa克镭当量，mgRa毫克镭当量（1gRa=1000mgRa）Ci居里，mCi毫居里（1Ci=1000mCi）,76,放射性同位素活度与放射强度的关系也可以用K（照射量率常数）表示。K表示1居里的点源在距源1米处的照射率，几种常用射线源的Kr值如下：钴60：K=1.32 Rm2/hCi 铯137：K=0.328 Rm2/hCi 铥170:K=0.0013 Rm2/hCi 铱192：K=0.472 Rm2/hCi 硒75：K=0.204 Rm2/hCi,77,2、距1mCi源1cm处的照射率：钴60：K=13.2 Rcm

37、2/hmCi 铯137：K=3.28 Rcm2/hmCi 铥170:K=0.013 Rcm2/hmCi 铱192：K=4.72 Rcm2/hmCi 硒75：K=2.04 Rcm2/hmCi,5、X射线和射线的不同之处：问答题1.6、产生机理不同，X射线是高速电子与物质碰撞产生的；而射线是放射性物质原子核衰变时放射出来的。、X射线是连续谱，射线是线状谱；、X射线的能量取决于管电压，射线的能量取决于放射性同位素的种类；、X射线的强度随管电压和管电流而变化，射线的强度取决于源的大小，且随时间而不断减弱。,80,1.2.4、波粒二象性（略）X射线和射线都是电磁波。电磁波具二象性，即波动性和粒子性。波动

38、性是指电磁波在传播过程中会发生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象；粒子性是指电磁波（X射线和射线）在穿透物质的过程会与物质发生光电效应、康普顿效应和电子对效应。,81,1905年，爱因斯坦提出了关于光的本性的假说，认为光是一粒一粒以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子或光量子。光子不带电荷，不受电磁场的影响，静止质量为零，具有一定的能量。光子能量可用下式表示：式中：E-光子能量；h-普朗克常数，h=6.62410-27尔格秒；-频率；-波长。,82,可以看出，光子能量与频率成正比，与波长成反比，频率越高，波长越短，能量越高。X和射线的波长非常短，所以能量非常高，这就是能穿透可见光不能穿透的物质的

39、原因。X和射线的能量用电子伏（eV）、千电子伏（KeV）和兆电子伏（MeV）表示，1MeV=103KeV=106eV。物理学中用焦耳或尔格作为能量单位，它们和电子伏之间的关系是：1eV=1.610-19尔格=1.610-17焦耳 射线照相中使用的X和射线的能量范围大约为几千电子伏到几兆电子伏。,83,1.2.5、射线的种类（略）除X射线和射线外，还有：1、电子射线和射线 电子射线和射线都是由电子组成的。电子射线是利用加速器或其它高压电场加速电子获得的；而射线是衰变过程中从原子核内发出的电子。其质量很小，带有一个单位负电荷，其电离作用较小，穿透力较大。2、质子射线和射线 质子射线和射线都是带正电

40、的粒子流。质子射线可通过加速器获得；而射线是放射性同位素在衰变过程中从原子核内发出的。粒子,84,实际上是氦原子核，它由两个质子和两个中子组成，带有两个单位正电荷。由于粒子质量大，带电量大，运动速度慢，所以有很强的电离作用，电离过程中，能量损耗很快，因此其穿透能力很弱，甚至连一张纸都可以将它完全阻挡。3、中子射线 中子射线是高速运动的中子流，可通过放射性同位素、加速器或核反应堆获得。由于中子不带电，与原子核没有排斥作用，所以很容易钻入原子深处。与X射线和射线相比，中子具有独特的穿透特性。,85,X射线和射线的衰减主要取决于物质的原子序数和密度，而中子的穿透能力则取决于物质对中子的俘获能力。重元

41、素如铅，对X射线和射线衰减很大，但对中子的俘获能力很小，所以中子在铅中的穿透厚度很大，而在轻元素如氢中的穿透能力却很小。因此，中子射线在射线探伤中具有很大的价值，可用于解决X射线和射线不能解决的问题。目前，中子射线照相已成功用于火药、塑料和航天产品的检验。随着经济和便利的中子源的出现，中子射线照相将获得广泛的应用。,86,1.2.6 关于标识X射线的进一步讨论（略）1.2.7 工业检测常用放射性同位素的特性（略）1、Co60：人工放射性同位素，由稳定同位素Co59被中子照射后形成。反应形式为：由上述反应生成的同位素是不稳定的，它放出粒子而变成同位素Ni60，即：,87,受激态的Ni60在连续放

42、出2个各带有1.17和1.33MeV的光子后转变为稳定状态。半衰期5.3年、Kr照射量率常数为1.32Rm/(hCi)、实际比活度50 Ci/g，有铁磁性。2、Cs137 U235分裂时的一种产物。当U235分裂时，约有6.3%的产物为 Cs137。在衰变过程中，约有92%的Cs137核转变为受激状态的Ba137，约有8%的Cs137核转变为稳定状态的Ba137。受激状态的Ba137转变为稳定状态时放出0.661MeV的射线。半衰期5.3年、Kr照射量率常数为0.32Rm/(hCi)、实际比活度25Ci/g。实际使用的 放射源是Cs137的化合物CsCl。,88,3、Ir192:人工放射性同位

43、素Ir192是Ir191俘获热中子而得到的。Ir192经上述反应仍不稳定，其中96%的核素经衰变过渡到，另外4%经K俘获过渡到 从不稳定状态过渡到稳定状态时放出多种不同能量的射线。半衰期74.4天、Kr照射量率常数为0.472Rm/(hCi)、实际比活度350Ci/g。,89,4、Tm170 热中子照射稳定同位素Tm169时，形成人工放射性同位素Tm170。衰变时，约76%的Tm170放射粒子而变为稳定的同位素Yh170；约24%的Tm170放射粒子而形成处于受激状态的Yh170。在转变为稳定状态时，约有3%放出能量为0.084MeV的射线，约5%通过内转换发射K层轨道电子，随后发生电子跃迁发

44、射52KeV的标识X射线。半衰期128天、Kr照射量率常数为0.0014Rm/(hCi)、实际比活度1000Ci/g。,90,5、Se75 将元素 Se74或其化合物放入反应堆中受中子照射，通过中子俘获反应得到 Se75。Se75衰变方式为轨道电子俘获。即原子核俘获一个核外电子变成原子序数为33的As75，随即放出射线。Se75原子序数为34，半衰期120.4天、Kr照射量率常数为0.202Rm/(hCi)、实际比活度1.45104Ci/g。,1.3、射线与物质的相互作用 X射线和射线穿透物质时，其强度会因物质的吸收和散射而减弱，吸收和散射是由于射线与物质的相互作用而产生的。X射线和射线与物质

45、的相互作用方式主要有三种，即光电效应、康普顿效应和电子对效应。1.3.1光电效应 当光子与物质的束缚电子作用时，光子把全部能量给束缚电子，使之发射出去，而光子本身则消失掉，这种现象叫做光电效应。光电效应发射出去的电子叫光电子。,91,92,光电效应过程中，光子的一部分能量消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能（电子在原子中的逸出能），另一部分就作为光电子的动能。所以发生光电效应的条件是光子能量必须大于电子的逸出能，即。发生光电效应时，由于原子的内层电子被击出，使原子处于激发态，当原子恢复到稳定状态时，发出标识X射线（又称次级X射线或荧光X射线）。光电效应的发生机率随光子能量的增大而减小，物质原子

46、序数的增大而增大。光子能量大约在10Kev左右时，光电效应占绝对优势，能量超过10kev时，光电效应逐渐减少。,93,1.3.2 康普顿效应 当光子与原子外层电子作用时，将部分能量转移给电子，使之脱离原子，成为反冲电子，入射光子失去部分能量，变成能量较低的光子，并改变原来的方向，成为散射光子，这种现象称为康普顿效应。康普顿效应中产生的散射光子叫做康普顿散射，其方向与入射光子的能量有关，入射光子能量越高，散射线的方向与入射光子越接近，反之，从入射方向偏离越大。,94,95,康普顿效应的发生机率与物质的原子序数和入射线的能量有关。由于轻元素的外层电子受核束缚较弱，所以原子序数低的物质发生机率大。射

47、线能量在1MeV以下时，发生机率随能量增大而增大，1MeV左右，射线强度的衰减几乎都是由康普顿效应引起的，射线能量超过1MeV时，发生机率随能量增大而减小。,96,1.3.3 电子对效应 当入射光子的能量大于两个电子的静止质量,即大于1.02 MeV时,光子在原子核附近经过,受核库仑场的作用,转化为一个正电子和一个负电子,这种过程称为电子对效应。正电子在物质中运动，逐渐损失能量，最终与一个电子结合，转化为两个能量0.51MeV的光子，这种现象称为电子对湮没。光电效应的发生机率随原子序数和入射线能量的增大而增大，在高能射线照相中，引起射线强度衰减的主要因素是电子对效应。,97,98,1.3.4

48、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而产生的散射叫做瑞利散射，也称相干散射。当入射光子与内层电子碰撞时，电子吸收光子能量跃迁到高能级，随即又放射出一个散射光子，其波长与入射光子相同。瑞利散射的几率随物质原子序数的增大而增大，并随入射光子能量的增大而急剧减小。1.3.5 各种效应相对发生几率 光电效应、康普顿效应和电子对效应的发生几率与物质的原子序数和入射光子的能量有关。一般说来：,99,a、低能射线和高 原子序数物质，光电效 应占优势；b、中等能量射线 和低原子序数物质，康 普顿效应占优势；c、高能量射线和高 原子序数物质，电子对 效应占优势。各种效应对射线照相质量产生不同

49、的影响光电效应和电子对效应引起的吸收有利于提高照相对比度，而康普顿效应产生的散射线会降低对比度；,100,对轻金属的照相质量往往比重金属差。用1MeV左右能量照相，其对比度往往不如较低或更高能量射线；这都是康普顿效应的影响造成的。综上所述，射线穿 过物质时，一部分光子 未与物质作用，直接穿 透物质，称为透射射线 或一次射线；一部分光 子与物质发生作用，产 生光电子、反冲电子、二次标识X射线、散射线 和电子对等，从而被部分或完全吸收。,101,1.3.6 窄束、单色射线的强度衰减规律 所谓“窄束”，是指透过物质的射线只包含一次射线，不包含散射线；所谓“单色”，是指只包含单一波长的射线，即相同能量

50、的光子组成的射线。由实验知道，窄束、单色射线穿过物质时，其强度减弱量与入射线的强度及物质厚度成正比，即：对上式积分可得射线衰减律公式如下：,102,式中：I0入射线的强度；I透过物质的射线强度；T物质的厚度；线衰减系数。表示射线透过物质时其强度减弱的快慢程度，它是几种效应共同作用的结果。当然，在不同的能量范围内，各种效应的贡献是不同的。与射线能量、透过材料的密度及原子序数有关，一般地讲，射线能量越低、材料密度和原子序数越大，越大；反之，越小。,103,1.3.7 宽束、多色射线的衰减律 工业射线探伤中所用射线不可能是“单色”和“窄束”射线，而是“宽束”、“多色”射线。所谓“宽束”，是指透过物质