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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。用原子质量单位度量，质子的质量为1.007u，中子的质量为1.009u，都接近于1，而电子太轻，计算原子量时可以忽略不计，由此得以下关系：

原子量＝质子数+中子数

中子数＝原子量－质子数＝原子量－原子序数Z

通常将原子量标于元素符号的左上角，核电荷数标于左下角，例如，即表示钴元素中原子量为60的钴原子，其核电荷数为27，核内有27个质子，而中子数为60－27＝33。

同一种元素的原子具有相同的核电荷数，即核内质子数相同，但核内的中子数却可以不同。例如氢元素有三种原子：(氢)；H(氘)；H(氚)，它们均

含有1个电子，1个质子，但中子数分别为0、1、2，原子量分别为1、2、3，这些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)的几种原子互称为同位素。

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同位素可分为稳定和不稳定的两类，不稳定的同位素又叫作放射性同位素，它能自发地放出某些射线——α、β或γ射线，而变为另一种元素。放射性同位素又可分为天然的和人工制造的两类，前者为自然界存在的矿物，一般Z≥83的许多元素及其化合物具有放射性。获得后者最常用的方法是用高能粒子轰击稳定同位素的核，使其变成放射性同位素。天然放射性同位素稀少，又不易提炼，价格昂贵，所以当前射线检测所用的均为人工放射性同位素。

1.1.2核外电子运动规律

十九世纪初，美国科学家道尔顿提出他的原子理论，认为原子是物质存在的最小单元，是不可分割的。

1898年，英国科学家汤姆逊发现了电子，从而否定了原子不可分割的说法。1903年汤姆逊提出一种原子模型，认为正电荷平均分布在整个原子的球形体积中，而电子则平均分布在这些正电荷之间。然而，这种原子模型被卢瑟福的a粒子散射试验否定了。1911年，英国科学家卢瑟福提出了原子有核模型，认为原子象一个缩小的太阳系，中心有一个几乎占有全部质量的，带正电的原子核，核外有若干个带负电的电子绕核运转，如同行星围绕太阳运转一样。这种原子模型得到了人们的公认，但它与古典电磁理论有矛盾，对原子的线状光谱也无法解释，因而存在着很多缺陷。1913年，丹麦科学家玻尔运用量子论思想对原子有核模型作了进一步的发展和完善，提出了原子轨道和能级的概念，并对原子发光机理作出了解释。玻尔的原子理论假设可概括叙述如下：

原子中的电子绕核沿着园形轨道运行，各条轨道有不同的能量状态，叫作能级，各能级的能值都是确定的。正常情况下电子总是在能级最低的轨道上运行，这时的原子状态称作基态。

当原