簡(jiǎn)介:第十三章X射線,1895年,倫琴在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)一種人眼看不見(jiàn)而穿透本領(lǐng)很強(qiáng)的的輻射,它能使一些晶體發(fā)出熒光,使氣體電離,并能使相片底片感光。倫琴稱它為X射線,現(xiàn)也稱為倫琴射線。在醫(yī)學(xué)上仍俗稱X射線(XRAY)。,X射線是一種波長(zhǎng)很短的電磁波。醫(yī)學(xué)上使用的X射線的波長(zhǎng)在000110NM之間。,習(xí)題6,7,10,11,13,第一節(jié)X射線的產(chǎn)生,1、產(chǎn)生的條件,A、有高速運(yùn)動(dòng)的電子流,B、有適當(dāng)?shù)恼系K物靶,用來(lái)阻止電子的運(yùn)動(dòng),把電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線的能量。,一、X射線的產(chǎn)生裝置,2、X射線的發(fā)生裝置原理圖,管電壓用來(lái)加速電子。管電流調(diào)節(jié)變阻器R,以控制陰極發(fā)射的電子數(shù),從而控制管電流。,陰極發(fā)射電子陽(yáng)極電子轟擊對(duì)象(靶)。管子兩端的直流高壓用來(lái)加速電子,讓電子以極高的速度轟擊陽(yáng)極。為了不與空氣分子碰撞而失去能量,射線管抽成真空。電子轟擊陽(yáng)極產(chǎn)生X射線的效率為1,99轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽仨毑扇∩岽胧?,否則陽(yáng)極會(huì)熔化。,,,,,,,,措施(1)陽(yáng)極鑲在大塊銅片上(2)使電子打在陽(yáng)極上的面積大些(焦斑)太大會(huì)使像模糊。(3)使陽(yáng)極高速旋轉(zhuǎn)(4)間歇工作(5)選擇熔點(diǎn)高的靶材料(6)原子序數(shù)大的產(chǎn)生X射線的效率高,3、實(shí)際焦點(diǎn)與有效焦點(diǎn),二、X射線的強(qiáng)度和硬度,1、X射線的強(qiáng)度單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)與射線方向垂直的單面積的X射線的能量,表示X射線的量,單位J/M2S,改變管電流X光子數(shù)多管電壓每個(gè)光子能量大陽(yáng)極材料原子序數(shù)高,X射線的強(qiáng)度大在一定管壓下,用管電流的毫安數(shù)表示X射線的強(qiáng)度。,,2、X射線的硬度,表明X射線的質(zhì),是指X射線貫穿物質(zhì)的本領(lǐng)。X射線光子的能量越大(HV),越不容易被物質(zhì)吸收,貫穿本領(lǐng)就越大,硬度越硬。,管電壓高,到達(dá)靶的電子能量越高,X光子的能量也越大,硬度就越大。因此改變管電壓可控制硬度。常用管電壓的千伏數(shù)表示X射線的硬度。,表121醫(yī)學(xué)上按X射線硬度的分類及主要用途P220,三、X射線譜,X射線譜連續(xù)譜和標(biāo)識(shí)譜。連續(xù)譜與靶物質(zhì)無(wú)關(guān)不同的靶物質(zhì)有不同的標(biāo)識(shí)譜,產(chǎn)生機(jī)制連續(xù)X射線的發(fā)生韌致輻射過(guò)程。,1、連續(xù)X射線譜,連續(xù)譜特性,當(dāng)管電壓較小時(shí)只出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。,強(qiáng)度為零的相應(yīng)波長(zhǎng)是連續(xù)譜中的最短波長(zhǎng),稱為短波極限()。,產(chǎn)生機(jī)制,2、標(biāo)識(shí)X射線譜,標(biāo)識(shí)譜特性,標(biāo)識(shí)X射線譜是原子內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生的。各元素的標(biāo)識(shí)譜有相似的結(jié)構(gòu)。標(biāo)識(shí)譜的波長(zhǎng)取決與陽(yáng)極靶的材料,不同的靶物質(zhì)有不同的X射線譜。當(dāng)管電壓為幾十千伏時(shí)才能激發(fā)標(biāo)識(shí)譜。,醫(yī)用X射線是連續(xù)X射線。,第二節(jié)、X射線的基本性質(zhì),X射線除了具有光的一般特性,如反射、折射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象之外,由于它的波長(zhǎng)短,還具有如下一些特性1、貫穿本領(lǐng)很強(qiáng)?小,?大,光子能量H?大?貫穿本領(lǐng)很強(qiáng),能夠進(jìn)入物體內(nèi)部甚至穿透物體。貫穿程度與物質(zhì)性質(zhì)和X射線光子能量有關(guān)。,2、熒光作用X射線人眼看不見(jiàn),但能使某些物質(zhì)(硫化鋅)產(chǎn)生熒光,熒光強(qiáng)度與X射線的強(qiáng)弱有關(guān)。X射線透視就是利用熒光作用來(lái)觀察X射線透過(guò)人體后所成的影象。3、感光作用X射線能使照相底片感光。醫(yī)學(xué)上利用這一特性來(lái)進(jìn)行X射線攝影。4、電離作用X射線能使原子或離子電離。在X射線照射下氣體被電離而導(dǎo)電,電離電流與X射線的強(qiáng)度成正比,所以利用電離可測(cè)量X射線的強(qiáng)度5、生物效應(yīng)生物組織經(jīng)一定量的X射線照射,會(huì)產(chǎn)生電離和激發(fā),使細(xì)胞受到損傷、抑制、死亡或通過(guò)遺傳變異影響下一代。,第三節(jié)X射線的衰減規(guī)律,X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí),原進(jìn)行方向強(qiáng)度逐漸減弱的現(xiàn)象稱為物質(zhì)對(duì)X射線的吸收。,一、單能窄束X射線的吸收衰減規(guī)律,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單色平行X射線束通過(guò)厚度為DX的物質(zhì)層后,其強(qiáng)度減少量DI與厚度DX以及通過(guò)該薄層的射線強(qiáng)度I成正比。DI?IDXI0入射的X射線強(qiáng)度?線性衰減系數(shù)物質(zhì)性質(zhì)或狀態(tài)不同,?值就不同,X?為物質(zhì)層X(jué)的衰減值,通過(guò)測(cè)量X射線透過(guò)物質(zhì)層前后的強(qiáng)度I與I0,可以求得該物質(zhì)層的衰減值。,二、質(zhì)量衰減系數(shù),質(zhì)量衰減系數(shù)用來(lái)比較各種物質(zhì)對(duì)X射線的吸收本領(lǐng)。,稱為質(zhì)量厚度,單位GCM2,的單位為CM2G1。,,X射線通過(guò)物質(zhì)后強(qiáng)度衰減為一半時(shí)的厚度(質(zhì)量厚度),稱為該種物質(zhì)的半價(jià)層。,三、質(zhì)量衰減系數(shù)與波長(zhǎng)、原子序數(shù)的關(guān)系,1、原子序數(shù)越大,吸收本領(lǐng)越大。,2、波長(zhǎng)越長(zhǎng)的X射線,越容易被吸收。,K為比例系數(shù),Z為物質(zhì)的有效原子序數(shù),?為X射線的波長(zhǎng)。?為34之間。,第五節(jié)、X射線的醫(yī)學(xué)應(yīng)用,一、治療,二、診斷,三、XCT,
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簡(jiǎn)介:近代物理學(xué)考綱要求與例題,高中物理知識(shí)塊系列復(fù)習(xí),知識(shí)要求,Ⅰ類Α粒子散射實(shí)驗(yàn),原子的核式結(jié)構(gòu),氫原子的能級(jí)結(jié)構(gòu),氫原子中的電子云,光子的發(fā)射與吸收。天然放射現(xiàn)象,Α射線、Β射線、Γ射線,半衰期。原子核的人工轉(zhuǎn)變,質(zhì)子的發(fā)現(xiàn),中子的發(fā)現(xiàn),原子核的組成,核反應(yīng)方程,反射性同位素及其應(yīng)用。放射性污染核防護(hù)。核反應(yīng)堆,核電站。重核的裂變,鏈?zhǔn)椒磻?yīng),輕核的聚變,可控?zé)岷朔磻?yīng)。Ⅱ類核能,質(zhì)量虧損,愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程。,技能要求,一、研究在電場(chǎng)或磁場(chǎng)中發(fā)生的核衰變問(wèn)題的思路與方法二、應(yīng)用原子的能級(jí)理論與光子理論解釋相關(guān)現(xiàn)象三、利用和開發(fā)核能的途徑,例題一,近幾年,我國(guó)北京、上海、山東、廣州等地引進(jìn)了十多臺(tái)Γ刀,治療患者5000余例,效果極好,成為治療腦腫瘤的最佳儀器。令人感嘆的是,用Γ刀治療時(shí)不用麻醉,病人清醒,時(shí)間短,半小時(shí)可完成手術(shù),無(wú)需住院,因而Γ刀被譽(yù)為“神刀”。據(jù)報(bào)道,我國(guó)自己研制的旋式Γ刀性能更好,即將進(jìn)入各大醫(yī)院為患者服務(wù)。問(wèn)Γ刀治療腦腫瘤主要是利用()A.Γ射線具有很強(qiáng)的貫穿本領(lǐng)B.Γ射線具有很強(qiáng)的電離作用C.Γ射線具有很高的能量D.Γ射線很容易繞過(guò)障礙物,Γ射線在電磁波譜中的頻繁最高,光子能量最大。,穿透能力最強(qiáng),AC,例題二,如圖所示,兩個(gè)相切的圓表示一個(gè)靜止的原子核發(fā)生某種核變化后,產(chǎn)生的兩種運(yùn)動(dòng)粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)軌跡,可能是()A.原子核發(fā)生了Α衰變B.原子核發(fā)生了Β衰變C.原子核放出了一個(gè)正電子D.原子核放出了一個(gè)中子,衰變過(guò)程動(dòng)量守恒,,M1V1,,M2V2,,,由圖可知,兩粒子均帶正電。,AC,例題三,2003年江蘇高考原子從一個(gè)能級(jí)躍遷到一個(gè)較低的能級(jí)時(shí),有可能不發(fā)射光子,例如在某種條件下,鉻原子的N2能級(jí)上的電子躍遷到N1能級(jí)上時(shí)并不發(fā)射光子,而是將相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)交給N4能級(jí)上的電子,使之能脫離原子,這一現(xiàn)象叫做俄歇效應(yīng),以這種方式脫離了原子的電子叫做俄歇電子,已知鉻原子的能級(jí)公式可簡(jiǎn)化表示為ENA/N2,N1,2,3表示不同能級(jí),A是正的已知常數(shù),上述俄歇電子的動(dòng)能是(),,,,,例題分析與解答,鉻原子的N2能級(jí)上的電子躍遷到N1能級(jí)上時(shí)釋放出能量為ΔEA/4(A)3A/4。所以在N4能級(jí)上的電子獲得的能量3A/4在N4能級(jí)上的電子的脫離原子核需要能量A/16所以N4能級(jí)上的電子脫離原子后的動(dòng)能是3A/4A/1611A/16正確選項(xiàng)是C。,例題四,處于靜止?fàn)顟B(tài)的原子核X,經(jīng)歷了一次Α衰變后變成質(zhì)量為M的Y原子核,放出的Α粒子垂直射入磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。測(cè)得其做圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為R,已知Α粒子的質(zhì)量為M,電量為Q,求此衰變過(guò)程虧損的質(zhì)量。,例題分析與解答,MV2MV1RMV2/QBΔMC2,,例題五,氫原子核外電子在第一軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí),能量E1-136EV,軌道半徑R105310-10M。這時(shí)電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能是多少EV電勢(shì)能是多少EV,,EK1EP1E1136EV,,EP1272EV,例題六,太陽(yáng)現(xiàn)在正處于主序星演化階段,它主要是由電子和、11H、42HE等原子核組成,維持太陽(yáng)輻射的是它內(nèi)部的核聚變反應(yīng),核反應(yīng)方程是2E+411H→42HE+釋放的核能,這些核能最后轉(zhuǎn)化為輻射能。根據(jù)目前關(guān)于恒星演化的理論,若由聚變反應(yīng)而使太陽(yáng)中的核數(shù)目從現(xiàn)有數(shù)減少10%,太陽(yáng)將離開主序星階段而轉(zhuǎn)入紅巨星的演化階段。為了簡(jiǎn)化,假定目前太陽(yáng)全部由電子和11H核組成。(1)為了研究太陽(yáng)演化進(jìn)程,需知道目前太陽(yáng)的質(zhì)量M,已知地球半徑R64106M,地球質(zhì)量M601024KG,日地中心的距離R151011M,地球表面處的重力加速度G10M/S2,一年約為32107S,試估算目前太陽(yáng)的質(zhì)量M。(2)已知11H質(zhì)量MP167261027KG,42HE質(zhì)量MΑ664581027KG,電子質(zhì)量ME091030KG,光速C3108M/S,求每發(fā)生一次題中所述的核聚變反應(yīng)所釋放的核能。(3)又知地球上與太陽(yáng)光垂直的每平方米截面上,每秒通過(guò)的太陽(yáng)輻射能Ω135103W/M2,試估算太陽(yáng)繼續(xù)保持在主序星階段還有多少年的壽命。(估算結(jié)果只要求一位有效數(shù)字),例題分析與解答,,,(2)ΔM416726200009664581027㎏004641027㎏,ΔEΔMC2421012J,例題七,如下一系列核反應(yīng)是在恒星內(nèi)部發(fā)生的P+126C→137N,137N→136C+E+Ν,P+136C→147N,P+147N→158O,158O→157N+E+Ν,P+137N→126C+Α其中P是質(zhì)子,Α是Α粒子,E為正電子,Ν為中微子。已知質(zhì)子的質(zhì)量為MP16726481027KG,Α粒子的質(zhì)量為MΑ66449291027KG,正電子的質(zhì)量為ME9111031KG,中微子的質(zhì)量可忽略不計(jì)。真空中的光速C300108M/S。試計(jì)算該系列核反應(yīng)完成后釋放的能量。,例題分析與解答,把所有核反應(yīng)方程相加得P+126C→137N137N→136C+E+ΝP+136C→147NP+147N→158O158O→157N+E+ΝP+157N→126C+Α,,,,,,,,,,,,,4P→Α2E2Ν,ΔM4167264866449291027182210314381029㎏,ΔEΔMC2391012J24MEV,作業(yè)1、,下列說(shuō)法正確的是()A.22688RA衰變?yōu)?2286RN要經(jīng)過(guò)1次Α衰變和1次Β衰變B.23892U衰變?yōu)?3491PA要經(jīng)過(guò)1次Α哀變和1次Β衰變C.23290TH衰變?yōu)?0882PB要經(jīng)過(guò)6次Α衰變和4次Β衰變D.23892U衰變?yōu)?2286RN要經(jīng)過(guò)4次Α衰變和4次Β衰變,應(yīng)該先根據(jù)質(zhì)量數(shù)算Α哀變的次數(shù)。知道為什么嗎,再根據(jù)電荷數(shù)計(jì)算Β衰變的次數(shù),B,C,作業(yè)2、,處于基態(tài)的一群氫原子受某種單色光的照射時(shí),只發(fā)射波長(zhǎng)為Λ1、Λ2、Λ3的三種單色光,且Λ1Λ2Λ3,則照射光的波長(zhǎng)為()A.Λ1B.Λ1Λ2Λ3C.,,,,基態(tài),N1,,N2,,N3,,,,,,E1E2E3,D,作業(yè)3、,若元素A的半衰期為4天,元素B的半衰期為5天,則相同質(zhì)量的A和B,經(jīng)過(guò)20天后,剩下的質(zhì)量之比MAMB()A.3031B.3130C.12D.21,C,作業(yè)4、,關(guān)于Α、Β、Γ三種射線,下列說(shuō)法中正確的是()A.Α射線是原子核自發(fā)放射出的氦核,它的穿透能力最強(qiáng)。B.Β射線是原子核外電子電離形成的電子流,它具有中等的穿透能力。C.Γ射線一般伴隨著Α或Β射線產(chǎn)生,它的穿透能力最強(qiáng)。D.Γ射線是電磁波,它的穿透能力最弱。,三種射線中,Γ射線的穿透能力最強(qiáng)。,三種射線中,Α射線的電離能力最強(qiáng)。,C,作業(yè)5、,圖中P為放在勻強(qiáng)電場(chǎng)中的天然放射源,其放出的射線在電場(chǎng)的作用下分成A、B、C三束,以下判斷正確的是()A.A為Α射線、B為Β射線B.A為Β射線、B為Γ射線C.B為Γ射線、C為Α射線D.B為Α射線、C為Γ射線,B,C,作業(yè)6、,目前普遍認(rèn)為,質(zhì)子和中子都是由被稱為U夸克和D夸克的兩類夸克組成。U夸克帶電量為2E/3,D夸克帶電量E/3,E為基元電荷。下列論斷可能正確的是()A.質(zhì)子由1個(gè)U夸克和1個(gè)D夸克組成,中子由1個(gè)U夸克和2個(gè)D夸克組成B.質(zhì)子由2個(gè)U夸克和1個(gè)D夸克組成,中子由1個(gè)U夸克和2個(gè)D夸克組成C.質(zhì)子由1個(gè)U夸克和2個(gè)D夸克組成,中子由2個(gè)U夸克和1個(gè)D夸克組成D.質(zhì)子由2個(gè)U夸克和1個(gè)D夸克組成,中子由1個(gè)U夸克和1個(gè)D夸克組成,B,質(zhì)子帶電量為E,中子不帶電。,作業(yè)7、,氫原子的核外電子從距核較近的軌道躍遷到距核較遠(yuǎn)的軌道的過(guò)程中()A.原子要吸收光子,電子的動(dòng)能增大,原子的電勢(shì)能增大B.原子要放出光子,電子的動(dòng)能減小,原子的電勢(shì)能減小C.原子要吸收光子,電子的動(dòng)能增大,原子的電勢(shì)能減小D.原子要吸收光子,電子的動(dòng)能減小,原子的電勢(shì)能增大,R增大則動(dòng)能減小,克服電場(chǎng)力做功則電勢(shì)能增加,D,作業(yè)8、,一個(gè)電子和一個(gè)正電子對(duì)撞發(fā)生湮滅而轉(zhuǎn)化為一對(duì)光子。設(shè)正、負(fù)電子對(duì)撞前的質(zhì)量均為M,動(dòng)能均為EK,光速為C,普朗克恒量為H,則對(duì)撞過(guò)程中的質(zhì)量虧損為,轉(zhuǎn)化成的光子在真空中的波長(zhǎng)Λ=。,2M,為什么一定是生成兩個(gè)光子,作業(yè)9、,云室處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,一靜止質(zhì)量為M的原子核在云室中發(fā)生一次Α衰變,Α粒子的質(zhì)量為M,電量為Q,其運(yùn)動(dòng)軌跡在磁場(chǎng)垂直的平面內(nèi)?,F(xiàn)測(cè)得Α粒子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑為R,試求在衰變過(guò)程中的質(zhì)量虧損(注涉及物理過(guò)程時(shí),虧損的質(zhì)量可忽略不計(jì)),作業(yè)10、,氘核在能量足夠大的Γ光子的照射下,會(huì)分裂為中子和質(zhì)子。已知氘核的質(zhì)量M1334351027KG,質(zhì)子的質(zhì)量為M2167211027KG,中子的質(zhì)量為M3167441027KG。今用波長(zhǎng)Λ481013M的光子照射靜止的氘核,(1)寫出核反應(yīng)方程;(2)反應(yīng)后生成物的總動(dòng)能是多少,,(2)分裂一個(gè)氘核需要能量E1,,M3M2M1C2271013J,入射光子的能量EHC/Λ4141013J,生成物動(dòng)能EKEE11441013J,作業(yè)11、,某一個(gè)用鈾做核燃料的原子能電站,設(shè)計(jì)功率為300萬(wàn)千瓦,所用濃縮鈾含23592U的比例為7%,U235核裂變時(shí)每個(gè)核子釋放的能量為05MEV,求該廠一年所需濃縮鈾的質(zhì)量。,核電站一年需要核能E3109365243600951016J,一個(gè)U235裂變釋放多少能量,一個(gè)U235裂變釋放的能量E1051061610192351881011J,一年中需要裂變U235的個(gè)數(shù)N,這些U235的摩爾數(shù)N842103MOL,純U235的質(zhì)量M11980KG,一年需要鈾礦質(zhì)量M,作業(yè)12、,如圖所示,有界的勻強(qiáng)磁場(chǎng)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B050T,磁場(chǎng)方向垂直于紙面向里,MN是磁場(chǎng)的左邊界。在磁場(chǎng)中A處放一個(gè)放射源,內(nèi)裝22688RA(鐳),放出某種射線后衰變成22286RN(氡)。試寫出22688RA衰變的方程。若A距磁場(chǎng)的左邊界MN的距離OA10M時(shí),放在MN左側(cè)的粒子接收器接收到垂直邊界MN方向射出的質(zhì)量較小的粒子,此時(shí)接收器位置距經(jīng)過(guò)OA的直線10M。由此可以推斷出一個(gè)靜止鐳核衰變時(shí)放出的能量是多少(取1U161027KG,電子電量E161019C,結(jié)果保留2位有效數(shù)字),解答,(2)Α粒子圓周運(yùn)動(dòng)的半徑為1MM2V2/2EBR1M2V22/2E2B2/2M221012JM2V2M1V1V12V2/111,,,E總201012J,
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