1、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 1.672610 27kg，带有一个单位的正电荷，电量为 1.602189210 19C（这个电量常简记为 e） 。中子也是一种物质微粒，其质量为 1.674810 27kg，不带电荷。电
2、子是一种更小的物质微粒，其质量为9.109510 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 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
3、，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 Ze 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E1、E 2、E 3、 的稳定状态上。处于稳定状态的原子不辐射能量，只有在原子从一个稳定状态跃迁到另一个稳定状态时，它的能量才发生改变。这些稳定态对应的不连续的能量数
4、值组成原子的能级。二是原子从能量为 En 的稳定态跃迁到能量为 Em 的稳定态时，将发射或吸收一个一定频率 的光子，频率由下式决定（1-1）mnh式中是 h 光子的能量， h 是普朗克常数，其值为 6.62610 34Js， 是辐射频率，其单位符号是 Hz，单位名称为赫兹，它是一个普适恒量。这个关系称为玻尔频率规则。这些4稳定态称为“定态” ，能量最低的定态称为“基态” ，其他定态均称为“激发态” 。处于基态的自由原子相当稳定，处于激发态的原子均不稳定，在很短的时间后将释放能量回到基态。按照玻尔的理论，原子内部的电子呈壳层分布，这些壳层叫作电子壳层或电子层。电子壳层的分布按原子内电子所具有的能
5、量大小排列而成。能量越大的电子，离核的平均距离越远。各壳层自核向外排列，最内层（在原子物理中，n 称为电子壳层的主量子数）n=1并称为 K 层，n=2、3、4、5、6、7 等，则称为 L、M、N、O 、P、Q 层等。不同能量的电子运动状态不同，能量低的电子通常在核附近的区域运动，能量高的电子通常在离核较远的区域运动。也就是说，能量低的电子出现在离核较近区域的机会多，能量高的电子出现在离核较远区域的机会多。按照这种情况，可以称核外电子在不同电子层运动。如果把在一定电子层上的电子所占据的空间称为一个“轨道” ，这样也可以说电子在不同的轨道上运动，但这并不是我们对通常物体所说的运动轨道。按照这种概念
6、，核外电子也可以称为轨道电子。按照现代观点，电子壳层并不表示电子在空间的确切位置，属于某一壳层的电子可以穿越另一壳层的电子轨道，这些轨道也不是一条严格确定的路径。核外电子的分层排布（也就是其可能的运动状态）服从下述的规律：1）泡利不相容原理：在同一原子中，不能存在运动状态完全相同的电子。2）能量最低原理：核外电子总是先排布在可能的能量最低的轨道上，使原子的能量处于最低的状态，这时候原子才是稳定的。按照上述规律，则各层最多可能存在的电子数为2n2 即第 1 层最多可以存在212=2个电子；第 2 层最多可以存在的电子数为222=8依此类推。描述原子的主要常数是核电荷数和相对质量数。核电荷数表示原
7、子核带有的电荷，通常采用符号 Z 表示，其值等于原子核的质子数。原子的质量很小，通常采用相对质量表示原子的质量，即采用质量为 1.992710 26kg 的碳原子质量的 1/12 为原子质量的单位，其他原子的质量与其相比，得到的数值即为这种原子的相对原子质量。质子的相对质量为1.007，中子的相对质量为 1.008，均近似取整数值，即取为 1。由于电子的相对质量远小于质子、中子的相对质量，所以原子的相对质量近似等于质子和中子的相对质量之和。忽略电子的相对质量，将原子核内所有质子和中子的相对质量加起来，得到的数值称为相对质量数，常用 A 表示，中子数常用 N 表示。这样有相对质量数质子数中子数5
8、也即A = Z + N某相对质量数为 A、原子序数为 Z 的原子（元素）X 则可记为Z*1.1.2 原子核原子核由质子和中子组成，不同原子的原子核含有的质子数和中子数不同。原子核的半径为 10 14m，约为原子半径的万分之一，它的体积只占原子体积的几千亿分之一，可见在原子内部存在很大的空间，电子就在这个空间中围绕原子核运动。在原子核中，作用的力除了库仑力、万有引力、磁力外还存在强大的核力，其他力远小于核力。1935 年， （日本）汤川秀树提出了核力的介子理论。核力具有下列性质：1）核力是一种短程力，随着距离增大，作用力急剧减小。作用距离为 1015m。2）核力具有饱和性，一个核子（质子、中子）
9、只与相邻的核子发生作用。3）核力与电荷大小无关，它比电场力强得多，质子和中子都受核力的作用。核 力 的 上 述 性 质 决 定 了 原 子 核 的 稳 定 性 特 性 。 精 确 的 测 定 发 现 ， 原 子 核 的 质 量 总 是 小 于构 成 原 子 核 的 质 子 和 中 子 的 质 量 和 。 即 核 子 结 合 构 成 原 子 核 时 质 量 减 少 了 。 按 照 相 对 论 的 质能 关 系 ， 质 量 减 少 表 示 释 放 了 能 量 。 即 核 子 结 合 构 成 原 子 核 时 将 释 放 能 量 ， 释 放 的 能 量 称 为原 子 核 的 结 合 能 。 原 子 核
10、 不 同 结 合 能 也 不 同 ， 每 个 核 子 的 平 均 结 合 能 也 不 同 。相对质量数 A 为 40120 的中等核，核子的平均结合能最高，都接近 8.6MeV。A120的重核，核子的平均结合能比中等核略低，如铀核核子的平均结合能为 7.6MeV。A30 的轻核，核子的平均结合能显示周期性变化，极大值出现在 A 为 4 的整倍数、且质子数等于中子数的核（偶偶核） ；平均结合能极小值的核是质子数等于中子数、且均为奇数的核。A30 以后核子的平均结合能值变化不大。不同的原子核具有不同的结合能，结合能越大核越稳定。在发现的 109 种元素的约2000 种核素中，有 274 种稳定核素
11、。事实表明，质子数和中子数都是偶数的核素非常稳定，非偶数的核，特别是质子数和中子数都是奇数时，核素很不稳定。即当 N/Z 过高或过低时核都不稳定。实验发现，很重的核都是不稳定的。不稳定的核素会自发蜕变，变成另一种核素，同时放出射线，即发生放射性衰变。当原子核与其他粒子相互作用（碰撞）时，核也可以发生改变，这个过程称为（原子）核反应。*1.1.3 放射性与放射性衰变1896 年法国物理学家贝克勒尔发现铀和含铀的矿物能发射出看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸使胶片感光，可以使气体电离。物质发射这种射线的性质称为放射性，具有放射性的元素叫做放射性元素，自然界存在的放射性元素称为天然放射性元素。放射性
12、元素的原子核不稳定，它们能自发地发生转变（蜕变） ，发射射线。这种能自发地发出射线的现象，称为天然放射现象。某些元素的同位素也具有放射性，称为放射性同位素。1934 年发现，用人工方法也可以得到放射性同位素，称为人工放射性同位素。天然放射性同位素6仅有 40 多种，人工放射性同位素已有一千多种。在射线探伤中应用的 射线源，主要都是人工放射性同位素。一种元素的原子核放出射线之后就转变为新的原子核。原子核由于放出某种粒子或射线而转变为新核的变化，称为原子核的衰变。原子核自发地放射出射线转变为另一种原子核的现象，称为放射性衰变。在衰变的过程中电荷数和相对质量数保持守恒。放射性的发现揭示了原子核结构的
13、复杂性。放射性衰变的主要方式是 衰变、 衰变、 衰变，此外还有其他一些衰变方式。 衰变是指原子核放出 粒子的衰变过程。 粒子带有两个单位的正电荷，相对质量数为 4，实际就是氦原子核。它穿透物体的能力很小，在空气中也只能飞行几个厘米，但具有很强的电离能力。以 X 表示原来的核，以 Y 表示衰变后的核，则 衰变过程可写成如下形式He42AZ 衰变是指原子核放出 粒子的衰变过程。 粒子是负电子或正电子流，它具有较大的穿透能力，甚至可以穿透几毫米厚的铝，但电离作用较弱。放出负电子的称为“ 衰变”，放出正电子的称为“ +衰变” 。在 衰变中，核内的一个中子转变为质子。在 +衰变中，核内的一个质子转变为中
14、子。 衰变中放出的电子能量具有连续谱分布。 衰变可写成如下形式对 衰变： eYXAZ1对 +衰变： +e+当一种放射性元素发生连续衰变时，有的过程是 衰变，有的过程是 衰变，在这些衰变过程中常伴随辐射 射线。这是由于放射性元素的核，经过上述衰变后变成处于激发态的核，当它返回正常态时将辐射 射线，这个过程称为 衰变（也称为 跃迁） 。 射线是波长很短的电磁波，穿透物体的能力很强，甚至可以穿透几个厘米厚的铅板，但它的电离作用却很小。放射性原子核的衰变过程是自发进行的，但衰变过程遵循一定的统计规律。实验表明，对于同种放射性元素，它的每个原子核发生衰变的可能性是相同的，但不是同时发生衰变，在很短的时间
15、间隔内，衰变的原子数与存在的原子数成正比。即若在很短的时间 t 内如果有 N 个原子核发生衰变，则它们满足下面的关系 tN式中的负号表示衰变后原子核数减少。对此式积分，则得到放射性衰变规律（1-2）te0可见，原子核的减少服从指数衰减规律。式中 N0 初始时刻（t=0）放射性物质未发生衰变的原子核的数量；N t 时刻放射性物质尚未发生衰变的原子核的数量；t 经过的衰变时间；7 衰变常数，单位时间内原子核发生衰变的几率。简单地说，衰变常数是单位时间发生衰变的核数与衰变前存在的核数的比值。它描述放射性元素衰变的快慢，其值越大，放射性元素衰变越快。不同的放射性元素其衰变常数不同，即各种放射性元素有自
16、己固有的衰变速率。经常采用半衰期描述放射性衰变的快慢，半衰期表示放射性原子核数目因衰变减少至原来数目一半时所需的时间，通常采用符号 T1/2 表示半衰期。按照半衰期的定义，当 t =T1/2时，放射性原子核的数目应减少至开始时数目的一半，即=teN020从此式可以得到 12/T两边取自然对数，由于ln 2= 0.693最后得到T1/2 （1-3）693.0放射性衰变具有下面的特点。放射性元素衰变的方式和速率是由原子核本身决定，与原子核所处的物理状态或化学状态无关，外界条件（如温度、压力等）也不能改变它的衰变方式和速率。图 1-1 是 60Co、 170Tm 和 137Cs 的衰变方式。从图中可
17、见， 60Co 的衰变过程是，先经过一次 衰变，然后再经过二次 衰变，变为稳定的 60Ni。 137Cs 的衰变过程则有两种，一种是只经过一次 衰变就变为稳定的 137Ba，另一种是先经过一次 衰变后再经过一次 衰变变为稳定的 137Ba。不同放射性元素的半衰期差别很大，例如，放射性元素 60Co 的半衰期为5.3 年，而放射性元素 192Ir 的半衰期仅为 74 天。这些都是它们固有的，不能通过某些方法、手段加以控制或改变。图1-1 放射性衰变方式81.2 射线概念1.2.1 射线分类我 们 通 常 所 说 的 射 线 可 以 分 为 二 类 ， 一 类 是 电 磁 辐 射 ， 另 一 类
18、是 粒 子 辐 射 。电磁辐射的能量子是光（量）子， 射线与 射线属于电磁辐射，电磁辐射与物质的作用是光子与物质的相互作用。光（量）子概念是 1905 年爱因斯坦在普朗克能量子概念的基础上提出的。他认为，光是光量子流，光量子简称为光子。光子的能量为 （1-4）h式中 h 普朗克常数； 辐射频率（Hz） 。光子不带电荷，它的静止质量为 0，在真空中沿直线以光速 c 传播，光速 c 的值为c2.99810 8ms1不同波长的光具有不同能量的光子。光子与一般基本粒子的本质不同是，它的静止质量为0，即只有当它运动时才具有质量，质量的大小还与它的运动速度相关，速度越大质量也越大。此外，光子在真空中将以恒
19、定的速度传播。光量子概念的提出使对光的本性的认识进入了新的阶段 光子说阶段。光子说认为，光既具有粒子性，又具有波动性，也就是说光具有波粒二象性。单个光子的运动显示出粒子性，大量光子的运动显示出波动性。粒子辐射是指各种粒子射线，如 粒子、 粒子、质子、电子、中子等（ 粒子是从原子核中释放出的电子，可以是负电子，也可以是正电子） ，都属于粒子辐射，它们与电磁辐射的基本区别是都具有确定的静止质量。粒子辐射与物质的相互作用是粒子与物质的作用，不同粒子特性不同，作用的机制和过程也不同。两 类 辐 射 在 本 质 上 不 同 ， 在 与 物 质 相 互 作 用 时 ， 作 用 的 机 制 和 过 程 不
20、同 ， 损 失 能 量 过 程不 同 ， 具 有 各 自 的 规 律 和 特 点 。 因 此 ， 不 能 进 行 统 一 的 简 单 讨 论 。 也 就 是 说 ， 在 讨 论 射 线 与物 质 的 相 互 作 用 时 ， 必 须 指 明 讨 论 的 是 哪 种 射 线 。本书以后的讨论，在没有特别指明时，所称的射线均指电磁辐射中的 X 射线与 射线。*1.2.2 X 射线与 射线谱1895 年物理学家伦琴在研究阴极射线的性质时，发现了一种新的奇异的射线。这种射线不可见，对物体具有强大的穿透力，能使荧光材料发出荧光，并可以使胶片感光。当时不清楚它是什么射线，故命名为 X 射线，为了纪念伦琴的发
21、现，人们也称其为伦琴射线。实验证明， 射线是由高速运动的电子撞击金属靶时，由于轫致辐射产生的射线。在轫致辐射过程中，高速电子急剧减速，其动能转化为电磁辐射，产生了 X 射线。在 X 射 线 管 中 产 生 的 射 线 ， 其 强 度 随 波 长 的 分 布 如 图 1-2 所 示 ， 这 种 强 度 随 波 长 分布 的 关 系 称 为 X 射 线 谱 。 从 图 1-2 中 可 以 看 到 ， X 射 线 谱 由 两 部 分 组 成 ： 连 续 射 线 谱 和特 征 X 射 线 谱 （ 标 识 射 线 谱 ） 。 连 续 谱 是 图 中 从 最 短 波 长 开 始 ， 随 着 波 长 的 加
22、 长 强 度 逐9渐 变 化 的 部 分 。 特 征 谱 是 在 某 些 波 长 上 叠 加 在 连 续 谱 上 的 线 状 谱 部 分 。 两 种 谱 的 特 点 不 同 ，产 生 的 机 理 也 不 同 。（钨靶） （钼靶）图1-2 钨靶与钼靶 射线管的 射线谱（35kV）在 射线管中，当灯丝加热后将发射电子，这些电子在 射线管上施加的高压作用下，高速飞向阳极，到达阳极时具有的动能为eV2k1mvE如果电子在一次撞击过程损失了它全部的动能，那么从能量守恒定律来看，产生的轫致辐射的光子的最短波长和加速电压之间应有下述关系eV minihc代入各值，则可得到（1-5）8min104.2其中 V
23、 的单位为 kV。在计算 射线的最短波长时常用此公式。通常可以认为，连续谱的最强波长与最短波长之间近似有下述关系 min23式中 e 电子的电荷； 最短波长（cm） ；min 最强波长（cm） ；V 加速电压（管电压） （kV ） ；v 电子运动速度；c 光速。10连续谱分布的特点可以如下理解。在一定加速电压下获得一定能量的大量电子，在靶面上的减速过程将是各种各样的。不同的减速过程发生的可能性不同，极少量的电子在一次或很少次数的撞击过程损失了全部能量，多数电子需经过多次撞击过程逐渐损失掉全部能量，因此，辐射的光子能量将是各种各样，这样就形成了连续谱辐射。对于 射线管，其发出的连续谱射线的总强度
24、 I 为（即图中曲线下的面积）（1-6）2iZVI式中 i 管电流，mA；Z 靶物质的原子序数；V 管电压，kV； 系数（约为 1.11.410 6） 。图 1-3 给出了连续 X 射线谱的强度与管电压、管电流和靶物质原子序数关系的基本特点。图1-3 连续 X 射线谱的基本特点在 射线管中，连续谱 射线的转换效率 是连续谱 射线的总强度与 射线管输入功率之比，显然它等于 ZV可见，为了得到较高的转换效率，应采用原子序数高的靶物质材料。在较低的管电压下，不可能得到较高的转换效率，也就是大部分的电子能量转换成了热量。图 1-2 中另一部分是叠加在连续谱上的线状谱线，即仅在某些特定的波长位置出现的强
25、度很大的谱线，它们称为特征谱或标识谱。特征谱线是在跃迁辐射过程中产生的。当加速电压超过一临界值 激发电压时，将会出现叠加在连续谱上的线状谱线，即仅在某些特定的波长位置出现的强度很大的谱线，它们称为特征谱或标识谱。这些谱线可以分为组，分别命名为 K、L 、M 等系特征谱线，K 系特征谱线是原子的外层轨道电子跃迁到 K 层轨道时产生的特征谱线， L 系特征谱线是原子的外层轨道电子跃迁到 L 层轨道时产生的特征谱线，M 系特征谱线是原子的外层轨道电子跃迁到 M 层轨道时产生的特征谱线，11依此类推。每一系特征谱线都有特定的结构和波长。图 1-4 是特征谱线产生的示意图。由于每个电子层都有复杂的能级结
26、构，所以特征谱线也有复杂的结构，当然，它们的形成要受到电子跃迁法则的制约。电子撞击的物质不同，这些特定波长的值也不同，每一系的特征谱线都有自己的特定结构和激发电压，特征谱线的这些特点反映了物质原子结构的特点。也正是因为这点，才称这些谱线为特征谱线或标识谱线。所以，从这些谱线的波长能够识别原子的结构特点。在图 1-2 中，钼的 K 层电子的激发电压是 20.01kV，所施加的电压是35kV，因此出现了特征谱线。钨的 K 层电子的激发电压是 69.51kV，因此，未出现 K 系特征谱线。图1-4 特征谱线产生示意图下面是一些元素的特征谱线：铝：K ，波长为 8.339310-10m；K ，波长为
27、7.960510-10m；K 吸收限波长为7.948110-10m；铁：K ，波长为 1.936010-10m；K ，波长为 1.756610-10m；K 吸收限波长为1.743410-10m；钨：K ，波长为 0.209010-10m；K ，波长为 0.184310-10m；K 吸收限波长为0.178310-10m；铅：K ，波长为 0.170310-10m；K ，波长为 0.145910-10m；K 吸收限波长为0.140810-10m；特征谱的主要特点是：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组，称为系，每一系的谱线都有自己的特定结
28、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。当电子从其他电子层向 K层跃迁时产生的特征谱线称为 K 系特征谱线，类似的有 L 系、M 系、等系特征谱线。特征谱的这些特点反映了物质原子结构的特点，运用特征谱线可对材料成分进行分析，例如 X 射线荧光光谱分析技术。在工业射线照相检验技术中一般不考虑特征谱线。121.2.3 射线 射线是具有特定能量的光子流。简单地说， 射线是由放射性同位素的原子核发生衰变过程中产生的，也就是在放射性衰变过程中产生的。实际上， 射线是在放射性衰变过程中所产生的处于激发态的核，在向低能级的激发态或基态跃迁过程中产生的辐射。显然， 射线的产生过程
29、不同于 X 射线的产生过程。不同的原子核具有不同的能级结构，所以，不同的放射性元素辐射的 射线具有不同的能量，其射线为线状谱。 射线也是波长很短的电磁波，在本质上与 X 射线相同。对于一个 射线放射性源，描述它的放射性的是放射性活度。放射性活度定义为放射性源在单位时间内（通常是 1s）发生衰变的核的个数，单位名称是贝可（勒尔） ，单位符号是 Bq。1Bq1/s即 1Bq 是 1s 发 生 一 个 核 的 衰 变 。 放 射 性 衰 变 的 专 用 单 位 符 号 是 Ci， 其 单 位 名 称 为 居 里 ，1Ci3.710 10/s它与贝可的关系是1Ci3.710 10Bq应注意的是，活度不
30、等于射线强度。对于同一放射性元素，活度大的源其射线强度也大，但对不同的放射性元素，不一定存在这样的关系。1.2.4 X 射线与 射线的主要性质1912 年物理学家劳厄等完成了 射线穿过晶体的衍射实验，证实了 射线和光一样，也是电磁波。在电磁波谱中，它的波长范围约为 0.05108 10010 8 cm。 射线也是波长很短的电磁波，在本质上与 射线相同。 射线和 射线在电磁波谱中的位置如图 1-5 所示。微 波 无 线 电 波紫 外 红 外X1.241012 1.24104 1.2410-4 1.2410-12 mV HzE eV31026 31018 3101 3102 10-18 10-10 10-2 106 可 见 光 微 波 无 线 电 波紫 外 红 外可 见 光图1-5 电磁波谱
