1、物理 第十七章原子物理基础知识及其医学应用第十七章原子物理基础知识及其医学应用 物理学上的一切宏观现象所表现的规律性，都和原子内部的特性分不开.本章主要讨论原子结构、玻尔原子理论、光谱、激光、X射线及放射线及其应用.第一节 原子结构一、原子的核式结构 卢瑟福认为原子中心有一个极小的原子核，它集中了全部的正电荷和几乎所有的质量，所有电子都分布在它的周围，原子核的半径约为10-1510-14 m，电子在原子核外绕核旋转，原子核的正电荷数等于核外的电子数.二、玻尔原子理论 玻尔原子理论，其主要内容如下：(1)定态.假设原子只能处于一系列不连续的能量状态，在这些状态中，电子虽然绕核做加速运动，但并不辐
2、射电磁波，原子的能量是稳定的，这样的状态称定态.(2)跃迁条件.当原子从一种能量状态（能量为En）跃迁到另一种能量状态（能量为Ek）时，辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量hv由两种定态的能量差决定，即上式中h为普朗克常数，h6.26210-34 Js.当EnEk0时，原子辐射光子；当EnEk0时，原子吸收光子.(3)量子化条件.原子的不同能量状态与电子在不同的轨道上绕核运动相对应.原子的能量是不连续的，因此电子的轨道也是不连续的，即量子化的.只有满足式(17-2)条件的轨道才是可能的，即轨道半径r跟电子的动量mv的乘积等于h/2的整数倍，即 式中m为电子的质量；n是正整数，叫作轨道量子数；v
3、为电子的速度；h为普朗克常数.三、原子能级由玻尔理论，电子在不同轨道上运动，原子具有不同的能量，我们把原子所处的能量状态叫作能级.可以计算出氢原子在各定态时，核外电子运动的轨道半径，如图17-2所示.当氢原子核外的电子在不同轨道上运动时，原子处于不同的定态，它的能量是稳定的，各定态的能量值是不同的.氢原子的能级如图17-3所示.第二节 原子光谱和分子光谱一、光 谱光按波长的长短或频率的大小依次排列的图像，称为光谱.光谱分为发射光谱和吸收光谱两种.1.发射光谱原子或分子由较高能级跃迁回较低能级所发射的光形成的光谱，称为发射光谱.按光谱的形状，发射光谱又可分为明线光谱和连续光谱.（1）明线光谱.由
4、一些不连续的亮线组成的光谱称为明线光谱.（2）连续光谱.由波长连续分布的光形成的光谱称为连续光谱.2.吸收光谱光通过物质时，某些波长的光或某一波长的光被物质吸收后产生的光谱称为吸收光谱.3.光谱分析由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以利用物质的发射光谱或吸收光谱来鉴别物质和确定其化学成分和结构，这种方法称为光谱分析.二、原子光谱原子光谱是原子内部电子运动状态发生变化（即能级跃迁）而产生的发射光谱或吸收光谱.三、分子光谱分子光谱是分子内部运动状态变化而产生的.由于分子内部结构和运动形式比原子复杂得多，因此分子光谱比原子光谱也复杂得多，是带状光谱.分子内部运动包括整个分子的转动，组成分子的原子
5、核在各自的平衡位置附近的振动以及分子中价电子的运动组态.各种运动的能量因量子化而形成能级.分子定态的总能量为 其中Ee为分子的电子在轨道上运动的能量，E为分子的振动能量，Er为分子的转动能量.电子能级间隔最大，振动能级间隔较小，转动能级间隔最小,即第三节 激光一、激光的产生 原子从高能级向低能级跃迁时，向外辐射能量.原子辐射能量分为自发辐射和受激辐射.在没有外界的影响下，原子自发地从激发态跃迁回低能态并将多余的能量以光的形式辐射出来，这种辐射叫作自发辐射.当光通过物质时，一个原子吸收一个光子的能量h=EnEk，原子就由低能态E1跃迁到激发态E2，这一过程称为受激吸收.处于激发态E2的原子，如果
6、在自发辐射以前，受到能量为hv=EnEk的外来光子的诱发，而跃迁回低能态E1，同时发射一个与外来光子完全相同的光子，这种辐射称为受激辐射.一个光子变成两个光子，两个光子再诱发两个原子受激辐射，两个光子变成四个光子，这样继续下去使光得到加强，如图17-4所示.这种由于受激辐射而得到加强的光叫作激光.因为激光的频率、偏振状态及传播方向都相同，所以激光是相干光.二、激光的特性 1.方向性好 2.亮度高、能量大 3.单色性好 4.相干性好三、激光的医学应用1.激光在基础医学研究中的应用2.激光诊断3.激光治疗(1)激光手术治疗.(2)弱激光治疗.激光理疗.激光针灸.第四节 X射线一、X射线的产生二、X
7、射线的性质X射线的产生，必须具备两个条件：（1）有高速运动的电子流；（2）有适当的障碍物来阻止电子的运动，把电子的一部分动能转变为X射线的能量.1.贯穿本领2.荧光效应3.光化学作用4.电离作用5.生物效应三、X射线的强度和硬度1.X射线的强度指单位时间内通过与X射线方向垂直的单位面积上的辐射能量.这是对X射线量的量度.有两种办法可使X射线的强度发生变化：（1）改变管电流，使轰击阳靶的高速电子数目改变，从而改变产生的光电子数目n.（2）改变管电压，可使每个光子的能量h改变，也会使X射线的强度发生改变.通常是在一定的管电压下，用管电流的大小（mA数）来间接表示X射线的强度.2.X射线的硬度指每个
8、X射线光子的能量.反映X射线的贯穿本领，当X射线管的管电压越高，电子速度越大，X射线光子的能量也越大，穿透力越强，X射线就越硬.表17-1列出了按X射线硬度的分类，以及相应的管电压、最短波长和主要用途.五、X射线的防护1.X射线防护的基本要点 照射时间、离X射线源的距离和屏蔽防护，这是防护X射线对人体损害的三个基本要点.2.X射线防护的基本措施(1)透视中的防护.注意利用遮线器尽量缩小视野，透视时需戴铅手套和铅围裙.每一个患者连续透视时间不应过长.(2)摄影时的防护.避免有用射线的直接照射，在照射时医生应避于屏风之后，通过铅玻璃观察患者.第五节 原子核的放射性一、原子核的组成1.原子核是由质子
9、和中子组成2.原子核的电荷数原子核所带正电荷，其电量是电子电量绝对值e的整数倍，即为Ze.整数Z叫作该原子核的电荷数，也就是该元素在元素周期表中的原子序数.3.原子核的质量数原子核、质子、中子等微观粒子的质量，选一种专用的质量单位原子质量单位（或称道尔顿）.规定原子质量单位是把碳原子质量的十二分之一作为一个原子质量单位，并记作u.表17-2列出了一部分微观粒子用克为单位和用原子质量单位为单位时的质量值.二、放射性及放射性衰变规律4.同位素把具有相同质子数，不同中子数，在元素周期表中处于同一位置的元素叫作同位素.同位素有放射性的称为放射性同位素，没有放射性的则称为稳定同位素.1.天然放射现象能自
10、发地辐射出射线的现象叫作天然放射现象，有放射现象的元素叫作放射性元素.2.三种放射线放射性核素通常可发射出三种射线，这三种射线具有着不同的特征和性质.第一种射线叫作射线.第二种射线叫作射线.第三种射线是一种不带电的中性光子流叫作射线.在磁场作用下，射线和射线发生不同方向的偏转，射线在磁场中不偏转，如图17-5所示.3.放射线的性质通过进一步研究发现，放射线具有下述主要性质：（1）具有较强的穿透本领.可以贯穿可见光不能穿透的某些物体（2）能激发荧光.（3）能使照相底片感光.（4）能使气体电离.射线电离作用最强，其次是射线，再次是射线.（5）能破坏组织细胞.（6）能使物质温度升高.（7）三种射线的
11、放射性与周围环境的物理条件和化学条件无关.4.放射性原子核的衰变放射性核素能自发地放射出射线、射线、射线，这些核素在发射出射线后就转变为另一种核素，放射性原子核自发地发出射线转变成另一种原子核的现象叫作放射性原子核衰变.放射性衰变的实质就是核素的转变.经理论和实践证明，放射性原子核在衰变过程中，原子核的数目随时间作指数规律衰变.当时间t=0时，原子核的数目是N0，N0称为母体核数，经过时间t衰变后，剩下的核素用N表示，其数学关系式为 式中e为自然对数的底，可取e=2.718 28.叫作衰变常数.衰变常数又是表征放射性核素衰变快慢的物理量从 可知，放射性原子核数目N是按指数规律随时间而减小的，这个规律叫作放射性衰变定律.把放射性元素衰变的放射性核素的数目N（负号表示核素的减少）与所经历的时间t比叫作放射性强度（又称放射性活度），用I表示，即 如果用单位时间内发生的核衰变的次数表示放射性强度I，那么衰变定律的另一种形式是上式表示放射性强度同样随时间作指数规律减小.由数学可证明，放射性核素的半衰期T和衰变常数之间的关系是 表17-3列出了临床上常用的一些放射性核素的半衰期.放射性核素的半衰期是由核内部本身的因素所决定，与核素所处的状态及外界的因素无关.原子核的衰变通常有三种方式，即衰变、衰变和衰变.三、人工放射性在自然界中不存在，而通过人工方法来产生放射性核素的，称之为人工放射性.
