辐射之回顾与历史.docx

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辐射之回顾与历史

第一讲：

辐射之回顾与历史

辐射可被定义成能量经物质或空间的传播。

它的形式可为电磁波或带能量粒子。

来源：

劳伦斯柏克莱实验室,「MicroWorlds:

ElectrmagneticSpectrum.「[cited26March2003.]

游离辐射有能力撞击原子中的电子﹐如产生游离。

•阿伐粒子

•贝它粒子

•中子

•加马射线

•x射线

非游离辐射并没有足够能量与物质作用以游离原子。

•微波

•可见光

•无线电波

•电视波

•紫外线辐射（除了非常短的波长以外）

健康效应与辐射如何和生物物质之交互作用的微观层次有关。

辐射以「小封包」形式传递能量﹐而非均匀地散布在所经过的整个质量之中。

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Fig.1.4inHall,EricJ.RadiobiologyfortheRadiologist,5thed.

PhiladephiaPA:

LippincottWilliams&Wilkins,2000.

美国公众辐射曝露之来源

（fromU.S.NRC,Glossary:

Exposure.[updated21July2003,cited26March2004]

1895:

X-射线的发现

威廉．康拉德．仑琴（WilhelmConradRoentgen）发现X射线于1895年11月8日

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克鲁克士/希托夫（Crookes/Hittorf）管

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第一张「仑琴射线」影像：

1895年12月22日

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仑琴用x-射线获得的第一次影像中的一张﹐显示一只手的骨头．

1896：

＞1000篇有关X射线的论文出刊

仑琴于1901年接受第一个诺贝尔物理奖

克鲁克士/希托夫管发生了甚么？

1.磷光/荧光：

来自管的发光

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荧光：

快（10-8–10-9sec）

磷光：

慢

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制动辐射（X-rays）：

神秘的射线：

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仑琴实际上发现的是「制动辐射（Bremsstrahlung）」（煞车辐射）

当一电子撞击到靶时会发生以下两件事中的一件：

•与轨道电子发生碰撞

•受原子核力场影响而减速

荷电粒子改变加速状态会放射出电磁辐射：

x射线

电子的特性

汤姆生（J.J.Thompson）（1897）

•在管中有一物体造成阴影

•阴极射线管中有一明轮转动，使电子获得动量

•这些试验代表一种粒子-电子的发现

•汤姆生测量阴极射线的电荷-质量比

•量测在一电场中的阴极射线之偏度

•e/m=1.76x1011C/kg

•比值约为质子的1700倍以上,换言之，电子的质量远小于氢

•汤姆生发展一个正电矩阵嵌入负电之电子的原子模型（葡萄干布丁模型）

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1896：

放射性的发现：

亨利．贝克勒尔（HenriBecquerel）

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贝克勒尔研究荧光/磷光物质

在开始测试其它物质：

在黑纸中的摄影板上硫酸铀钾放在日光下…

….并不需要日光

1903诺贝尔物理奖

1897：

玛莉亚．斯可罗多夫．居礼（MarieSklodowskaCurie）与皮埃尔．居礼的发现

玛莉亚．居礼：

博士论文﹐以铀（U）与钍（Th）重复贝克勒尔的实验

•从沥青铀矿中纯化的物质

•比铀或钍更具有放射性…..钋

•连续地纯化在化学性质上有差异的物质（不可溶的硫酸；钙化钡﹐可溶）

•镭的纯化试样（1.00克的纯镭之活性定义为1「居礼」）

玛莉亚与皮埃尔．居礼与贝克勒尔共同分享1903年的诺贝尔物理奖

令人迷惑的特性….

1900：

克鲁克士（Crookes）

氢氧化铁在铀盐溶液中沈淀﹐其沈淀物有活性。

几天后﹐沈淀物的活性减少﹐而铀却又恢复活性！

！

！

1899/1900年阿伐（Alpha）,贝它（Beta）与加马（Gamma）

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拉瑟福德（Rutherford）：

对铀进行研究﹐观察到两类辐射

（α）此时对其特性仍不清楚

（β）表现出「阴极射线」电子的特性

（γ）在法国的维拉德（VillardinFrance）﹐亦对铀进行研究﹐发现一种非常具穿透力的辐射﹐不同于阿伐与贝它

贝克勒尔式摄影板受到来自铀发射的加马射线之曝露

原子的结构

氢发射光谱：

•白光入射光谱仪产生类似彩虹的颜色

•燃烧单元素所发射的光谱产生一系列不连续线。

这线光谱代表每种元素的特征

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Fig2.1inTurnerJ.E.Atoms,Radiation,andRadiationProtection,2nded.NewYork:

Wiley-Interscience,1995.

约翰。

巴耳曼（JohannBalmer）（1885）

巴耳曼发展一种经验公式来描述氢发射光谱。

R∞=1.09737x107m-1雷得堡（Rydberg）尝数

n代表任何大于2的整数

例如﹐当n=3﹐λ=6562Å

当n=4﹐λ=4861Å

这系列在紫外线范围内

巴耳曼（正确地）推断出在红外与紫外光范围内的其它系列谱线。

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Fig4.2（b）in[Hall]

欧内斯特．拉瑟福德（ErnestRutherford）（1909）

•这时期的阿伐、贝它与加马射线以为人所知

•拉瑟福德利用来自214Po同位素射源放射出的7.69MeV。

•准直过的阿伐粒子直接撞击在薄金属箔片上（60µm）.

•闪烁屏幕配合显微镜观察到不同的偏向角。

•偶尔会有大角度的偏向（对白金而言﹐8000次中有一次>90º﹐对金而言20,000次中有一次）

这需要一个巨大的电或磁场才能倒转相对质量重的阿伐粒子之方向。

「令人难以置信地﹐就像你用15英吋炮弹射向一张卫生纸﹐而炮弹反射回来袭击你」（E.Rutherford,1911）

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Fig2.7in[Hall]

带正电荷的原子核之质量重、致密且非常小。

拉瑟福德发展一种原子的行星模型：

一个小的原子核有轨道电子围绕着它。

[今日我们已经知道原子核半径为~R=1.3A⅓x10-15m

例如,金：

原子核半径=1.3（197）⅓x10-15m=7.56x10-15m

原子半径=1.79x10-10m﹐比值=4.22x10-5（原子核只占原子截面的一小部份）。

]

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拉瑟福德模型的问题

•一物体若不是被加（减）速就是做直线等速运动

•而加速电荷就会发射出电磁辐射并损失能量

•一个在绕着原子核轨道上的电子因为损失能量而盘旋坠落于原子核。

马克士．蒲郎克（MaxPlanck）（1900）

•光大部分可用波来解释﹐但由实验观察到的并非全部皆适用。

著名的例外如光电效应、黑体辐射。

•为了解释黑体辐射﹐蒲郎克提出光能量是量子化的。

•光波的能量是量子的整数

E=hυ

E=1量子的能量

υ是频率（s-1）,

h=6.62x10-34J-s（蒲郎克常数）

艾伯特．爱因斯坦（AlbertEinstein）（1905）

爱因斯坦利用蒲郎克量子理论来解释光电效应

E=hυ﹐E=

波长越短﹐量子能量越大

•这是量子理论的开端与光具有粒子-波的二元性。

•对那两个实验所观察结果的成功解释强力的支持的基础新研究。

•蒲郎克的光能量是量子化理论在1918年获得诺贝尔奖。

•爱因斯坦因为他在光电效应上的研究在1921年获得诺贝尔奖。

波耳（NielsBohr）（1913）

•波耳提出四个革命性的理论导入量子力学中。

•波耳由氢能普资料来推论﹐若有观察到特定线谱﹐原子只有能力发射出某几种波长﹐其关联的变化只在一定的能阶中。

波耳假设：

•电子只存在于某些特定轨道上

•在特定轨道上的电子是稳定而不发出能量

•电子在固定的轨道﹐每一轨道有不同能量态﹐故有能阶存在

•当电子由某一能阶移到另一能阶会有光子发出或被吸收。

•光子能量相当于两能阶的差

•由蒲郎克方程式可知波长与能量有关

E光子＝Ex能阶–Ey能阶＝hυ＝

•稳定态涉及在圆形轨道上电子的运动

为了获得观察到的氢能谱线﹐需要电子的角动量为

整数倍。

mυr＝n

n代表电子能阶﹐变成量子数之源

波耳的氢原子模型

电子运动的方程式

施加在电上的力

圆周运动：

库仑力：

波耳模型提供所许可的电子轨道半径：

rn＝5.29×10-11

m

波耳模型提供的电子轨道速度：

vn＝2.19×106

ms-1

波耳模型可用来计算氢原子电子的能阶：

E＝-13.6

eV

波耳研究重制巴耳曼对氢能谱线的经验描述﹐并提供一个对雷利常数的单独计算。

＝1.009737×107Z2

m-1