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: Electrmagnetic Spectrum.「 [cited 26 March 2003.] http://www.lbl.gov/MicroWorlds/ALSTool/EMSpec/EMSpec2.html 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。 影像已移除。 Fig. 1.4 in Hall, Eric J. Radiobiology for the Radiologist, 5 th ed. Philadephia PA: Lippincott Williams & Wilkins, 2000. 美国公众辐射曝露之来源 (from U.S. NRC, Glossary: Exposure. [updated 21 July 2003, cited 26 March 2004] http://www.nrc.gov/reading-rm/basic-ref/glossary/exposure.html 1895: X-射线的发现 威廉．康拉德．仑琴(Wilhelm Conrad Roentgen)发现X射线于1895年11月8日 影像已移除 克鲁克士/希托夫(Crookes/Hittorf)管 影像已移除 第一张「仑琴射线」影像：1895年12月22日 影像已移除 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 影像已移除 荧光：快 (10 -8 – 10 -9 sec) 磷光：慢 影像已移除 制动辐射(X-rays)：神秘的射线： 影像已移除 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 = 1.76 x 10 11 C/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) 影像已移除 1896：放射性的发现：亨利．贝克勒尔(Henri Becquerel) 影像已移除 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(Marie Sklodowska Curie)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) 影像已移除 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(Villard in France)﹐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 影像已移除 Fig 2.1 in Turner J. E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2 nd ed. New York: Wiley-Interscience, 1995. 约翰。巴耳曼(Johann Balmer) (1885) 巴耳曼发展一种经验公式来描述氢发射光谱。 ? ? ? ? ? ? ?= ∞ 22 1 2 11 n R λ R ∞ = 1.09737 x 10 7 m -1 雷得堡(Rydberg)尝数 n 代表任何大于2的整数 例如﹐当n = 3﹐λ= 6562 ? 当n = 4﹐λ= 4861 ? 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。 影像已移除 Fig 4.2(b) in [Hall] 欧内斯特．拉瑟福德(Ernest Rutherford) (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 214 Po同位素射源放射出的7.69 MeV。 ? 准直过的阿伐粒子直接撞击在薄金属箔片上(60 μm). ? 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) 影像已移除 Fig 2.7 in [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 = 1.3 A ? x 10 -15 m 例如, 金：原子核半径 = 1.3 (197) ? x 10 -15 m= 7.56 x 10 -15 m 原子半径= 1.79 x 10 -10 m﹐比值= 4.22 x 10 -5 (原子核只占原子截面的一小部份)。] 影像已移除 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(Max Planck) (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 = 6.62 x 10 -34 J-s (蒲郎克常数) 艾伯特．爱因斯坦(Albert Einstein) (1905) 爱因斯坦利用蒲郎克量子理论来解释光电效应 E = hυ﹐E = λ c h 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(Niels Bohr) (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 ＝E x能阶 –E y能阶 ＝hυ＝ λ c h ? 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 π2 h 整数倍。 mυr＝n π2 h ? ? ? ? ? ? = π2 h η 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： r mv 2 库仑力： 2 2 0 r Zek 波耳模型提供所许可的电子轨道半径： r n ＝5.29×10 -11 Z n 2 m 波耳模型提供的电子轨道速度： v n ＝2.19×10 6 n Z ms -1 波耳模型可用来计算氢原子电子的能阶： E＝-13.6 2 3 n Z 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。 λ 1 ＝1.009737×10 7 Z 2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 22 11 if nn m -1