第一章　物质结构与放射

第一节　原子及其核外结构

一、原　子

物质是由原子组成，一个经典的原子模型由包含中子和质子的原子核，以及它周围处于特定轨道或壳层中的电子所构成。每一原子均由核及电子组成，其核小而紧密，半径约10-14cm。核周围是按轨道运动的电子云，电子在半径约10-10cm的轨道上运行（图1-1）。

与核相比，电子的质量很小，但由于它的弥散性，所占据的空间很大。可这样比喻：假如一个原子扩大到“占据”一个房间那么大，那么核则处于房间的中心有针尖那么小的一点空间。由于物质的这种空虚性，一个高能电子或原子核就很容易穿过许多原子后与另一原子的任何部分相碰撞。

原子间的差别在于它们核的结构和电子数量及其排列上的不同，原子中的电子数被称为原子序数，以Z代表，它也表示原子核内的质子数。原子序数决定着各元素的性质、原子的化学性质，决定于质子数或最外层轨道电子数。

二、原子核

任何原子核都由两种基本粒子——中子和质子所组成。中子和质子的大小和质量差不多相等。中子不带电荷，质子带一个正电荷，大小与一个电子所带的负电荷相等。一种物质的大多数物理和化学性质与核的中子和质子组成有关，核内的质子数就是原子序数（Z），决定原子的化学本性。

由于核和原子内的粒子都很小，惯用千克单位来表示它们的质量是不方便的，较为合适的单位是原子质量单位（μ0），它参照的基准是质量数为12的碳原子，其质量定为12 000μ。原子质量单位和千克间的关系是：

中子质量为1.6749286×10-27kg，质子质量为1.6726231×10-27kg，电子质量为9.11×10-31kg。

三、核外结构

讨论X线对原子的作用时，首先要了解原子的核外结构，电子位于围绕核空间中的轨道或壳层上，在多种放射性转变中，轨道电子也介入原子实际发射能量的过程中。当辐射物质相互作用时，即与人体组织作用时，通常是与电子相互作用，而不是与原子核起作用。

（一）电子数

正常原子中所含的电子数等于核内的质子数，这个数目就是某个化学元素的原子序（Z）。每个电子带有负电荷，其大小等于一个质子的正电荷。在正常情况下，一个原子中的电子和质子数目相同，正、负电荷平衡，原子无净电荷。如果一个电子离开原子，就说原子被电离，带一个正电荷。电离结果是原子本身成为正离子，电子本身成为负离子。电子的电量e为16.0×10-19C，电子的质量m为9.1×10-28kg。

（二）能级

电子处于绕核的不连续壳层中，壳层用字母来识别，如图1-2。

从靠近核的壳层开始，按照波尔理论，核外电子离核远近不同，具有不同的壳层，每壳层中都含有一定电子数目的可能轨道。每一壳层均可近似地看做是原子核的同心圆球，半径最小的壳层叫做K壳层，最多只能容纳2个电子；第二壳层叫做L层，最多只能容纳8个电子；第三壳层叫做M层，最多只能容纳18个电子数，随着原子序数的增加，还可能有N、P、Q等壳层。愈到外面的壳层可容纳的电子数就愈多，一般每层上的电子最多可能数目是2n2个。但最外层的电子数有严格的限制，最多不能超过8个。一般规律是，电子先将内层填满，然后逐层向外填充。

根据量子理论，电子以极高的速度绕核做复杂运动，可把它的电荷看成为一层笼罩在核外的带负电荷的“电子云”。电子的核外运动很难说出某一时刻处在何处，只能用统计学方法去认识，即用概率的大小来表示。电子出现多的地方，概率大，也就是电子云密度最大的地方。

带负电荷电子受原子带正电核的束缚，它们之间具有很强的吸引，即结合力。这种结合强度可用能量来表示，迫使电子逸出原子，所获得的能量叫结合能，一个电子的结合能等于使电子脱离原子所需要的能量。结合能是电子势能的一种形式，与任何形式的势能一样，必须将某个地方规定为零能量级。电子在原子外的一个位置，电子已不再受到核的影响，将它定为零点。

电子能级是结合能的负值，其概念可用图1-3来说明。靠近底部的电子处于最低能级，具有最大结合能。电子在原子内处于确定层或壳层中，每个壳层有不同的能级，最靠近核的K壳层处于最低能级。

图1-3是原子序数为74的钨，只画了K、L和M电子能级。外加电子位于N和O壳层，这两个壳层位于M壳层之上并略低于零级，不同壳层之间具有显著的能量差。除K壳层外，其他壳层再分成另外的能级。例如，L壳层分成LⅠ、LⅡ和LⅢ三个能级。.

电子在辐射过程中的作用通常涉及两个基本原理之一：①要使一个电子移至更高壳层（如从K至L）或脱离原子，必须从某些能源取得能量；②如果一个电子移至更低的壳层（如从L至K），电子必须放出能量，通常出现某种形式的辐射，能量大小决定于电子移动的壳层之间的能级差。

在一具体壳层中，电子的结合能与原子序数有关。只有较高原子序数的K壳层电子的结合能是在诊断用的r射线和X射线的相同能量范围内，L壳层电子的结合能比K层的小得多，但它也随原子序数的增大而增大。对于大多数物质，最外面的电子的结合能在5～20eV的范围内。显然，这些电子最容易脱离原子。

一个电子脱离一个原子的过程称为电离。由于X射线和γ光子具有足够的能量使电子脱离原子，故可认为X线和γ线是具有电离作用的辐射。核外电子接受的能量不足以使其原子逸出，只是使它升到较高的能级上，在其恢复到正常状态时，释放出能量，这种过程称为激发。可见光的光子能量低于大多数原子中的最小结合能，不会产生辐射。

（三）浓度

当光子与电子碰撞时，光子被吸收。光子通过物质时，它被吸收的机会决定于材料内可用的电子浓度。浓度或每立方厘米的电子数，可用以下公式计算：

这个关系式就是每立方厘米的原子数乘以原子序数（即每个原子内的电子数），式中的阿伏伽德罗数NA始终是不变值，NA每立方厘米的电子数仅与Z对A的比值有关。较低原子序数的元素在原子核中近乎每个质子1个中子。Z/A的值近乎0.5。随着原子序数和原子质量数的增加，核内的中子数也增大，导致N/A比值的减小，这种变化相当小。铅的原子序数是82，原子质量207，Z/A比值是0.4。在X射线应用中遇到的大多数材料，Z/A比值的变化都小于20%。唯一例外是氢，其比值等于1。

因阿伏伽德罗数是常数，Z/A比值也基本上是个常数，能明显改变电子浓度的唯一因素是材料的密度。大多数材料是纯元素，都有唯一的密度值，混合物和复合物的密度决定于各种元素的相对浓度。

电子浓度随原子序数而变化，原子序数在电子与X线相互作用中作用不大。X射线光子通过物质时，相互作用的机会不仅决定于电子浓度，还与电子在原子结构内被束缚的牢固程度有关。电子结合能随原子序数而增加，高度束缚的电子浓度也随原子序数的增大而增加。原子序数是原子的一个重要特征，对任一种化学元素都有唯一的值。许多材料，如人体组织不是单一的化学元素，而是一种混合物的密集体。它与X射线的相互作用，可能对混合物定义一个有效原子序数Zeff。

在此关系式中，f是与每种元素有关系的电子总数目的分数，指数2.94是从X射线相互作用和原子序数间的关系导出的。水是人体的主要组成部分，水分子包含两个氢原子和一个氧原子，每个氢原子有一个电子，一个氧原子有八个电子。因此，电子分数f，对氢是0.2，对氧是0.8，将这些值代入上面关系式可得水的有效原子序数：