光谱的物理基础.pptx

掌握：原子、分子光谱的类型和特点、掌握：原子、分子光谱的类型和特点、X射线强度和硬度的射线强度和硬度的概念、概念、X射线谱及射线谱及X射线产生的微观机制、短波极限公式的应用、射线产生的微观机制、短波极限公式的应用、X射线的吸收规律、光辐射的三种基本形式和激光特性。射线的吸收规律、光辐射的三种基本形式和激光特性。熟悉：光谱分析原理、熟悉：光谱分析原理、X射线的基本性质、射线的基本性质、X-CT成像原理、成像原理、激光的发射原理和激光的生物效应。激光的发射原理和激光的生物效应。了解：了解：X射线在医学上的应用、激光器的基本结构和激光在射线在医学上的应用、激光器的基本结构和激光在医学上的应用。医学上的应用。本本 章章 要要 点点第十三章第十三章 光谱的物理基础光谱的物理基础1.1.光谱光谱光谱光谱电磁辐射（不论在可见区或在可见区以外）的波长成电磁辐射（不论在可见区或在可见区以外）的波长成电磁辐射（不论在可见区或在可见区以外）的波长成电磁辐射（不论在可见区或在可见区以外）的波长成分和强度分布的记录，有时只是波长成分的记录。分和强度分布的记录，有时只是波长成分的记录。分和强度分布的记录，有时只是波长成分的记录。分和强度分布的记录，有时只是波长成分的记录。光谱的类别从形状区分可分为三类：光谱的类别从形状区分可分为三类：光谱的类别从形状区分可分为三类：光谱的类别从形状区分可分为三类：明线光谱明线光谱明线光谱明线光谱、带状光谱、带状光谱、带状光谱、带状光谱、连续光谱、连续光谱、连续光谱、连续光谱 第一节 原子光谱一、原子光谱一、原子光谱一、原子光谱一、原子光谱2.2.原子光谱（原子光谱（原子光谱（原子光谱（atomicspectrumatomicspectrum），是由原子中的电子受激发在），是由原子中的电子受激发在），是由原子中的电子受激发在），是由原子中的电子受激发在不同能级间跃迁所产生的光谱。不同能级间跃迁所产生的光谱。不同能级间跃迁所产生的光谱。不同能级间跃迁所产生的光谱。原子光谱的不连续表明了电子原子光谱的不连续表明了电子原子光谱的不连续表明了电子原子光谱的不连续表明了电子的能量是量子化的。的能量是量子化的。的能量是量子化的。的能量是量子化的。原子光谱的特征：原子光谱的特征：原子光谱的特征：原子光谱的特征：分立的线状光谱，发射谱是一些明亮的细线，分立的线状光谱，发射谱是一些明亮的细线，分立的线状光谱，发射谱是一些明亮的细线，分立的线状光谱，发射谱是一些明亮的细线，吸收谱是一些暗线。吸收谱是一些暗线。吸收谱是一些暗线。吸收谱是一些暗线。原子的光学光谱是最外层电子受激后辐射的，能级间的能量原子的光学光谱是最外层电子受激后辐射的，能级间的能量原子的光学光谱是最外层电子受激后辐射的，能级间的能量原子的光学光谱是最外层电子受激后辐射的，能级间的能量差小，光子的频率较低；原子的标识差小，光子的频率较低；原子的标识差小，光子的频率较低；原子的标识差小，光子的频率较低；原子的标识X X射线谱（详见本章第射线谱（详见本章第射线谱（详见本章第射线谱（详见本章第五节）是五节）是五节）是五节）是内层电子电离后辐射的，能级间的能量差较大，光内层电子电离后辐射的，能级间的能量差较大，光内层电子电离后辐射的，能级间的能量差较大，光内层电子电离后辐射的，能级间的能量差较大，光子的频率很高。子的频率很高。子的频率很高。子的频率很高。二、标识二、标识二、标识二、标识X X射线谱射线谱射线谱射线谱第一节第一节 原子光谱原子光谱1.1.分子能级之间跃迁形成发射光谱和吸收光谱。分子能级之间跃迁形成发射光谱和吸收光谱。分子能级之间跃迁形成发射光谱和吸收光谱。分子能级之间跃迁形成发射光谱和吸收光谱。分子光谱的特征是分子光谱的特征是分子光谱的特征是分子光谱的特征是带状光谱（带状光谱（带状光谱（带状光谱（bandspectrumbandspectrum）。）。）。）。它是许多谱线密集而成的光谱带，若干个带组成一组，分子光它是许多谱线密集而成的光谱带，若干个带组成一组，分子光它是许多谱线密集而成的光谱带，若干个带组成一组，分子光它是许多谱线密集而成的光谱带，若干个带组成一组，分子光谱中可以有若干个组谱中可以有若干个组谱中可以有若干个组谱中可以有若干个组。2.2.分子光谱类型：分子光谱类型：分子光谱类型：分子光谱类型：转动光谱、振动光谱和电子光谱。转动光谱、振动光谱和电子光谱。转动光谱、振动光谱和电子光谱。转动光谱、振动光谱和电子光谱。第二节第二节 分子光谱分子光谱一、分子光谱的特点和分类一、分子光谱的特点和分类一、分子光谱的特点和分类一、分子光谱的特点和分类1.1.分子的转动能级是指分子的整体转动形成的。对双原子分子分子的转动能级是指分子的整体转动形成的。对双原子分子分子的转动能级是指分子的整体转动形成的。对双原子分子分子的转动能级是指分子的整体转动形成的。对双原子分子主要考虑的转动是转动轴通过分子质心并垂直于分子轴（原子主要考虑的转动是转动轴通过分子质心并垂直于分子轴（原子主要考虑的转动是转动轴通过分子质心并垂直于分子轴（原子主要考虑的转动是转动轴通过分子质心并垂直于分子轴（原子核间的联线）的转动。核间的联线）的转动。核间的联线）的转动。核间的联线）的转动。2.2.分子的纯转动光谱由分子转动能级之间的跃迁产生，分子的纯转动光谱由分子转动能级之间的跃迁产生，分子的纯转动光谱由分子转动能级之间的跃迁产生，分子的纯转动光谱由分子转动能级之间的跃迁产生，分布在分布在分布在分布在远红外波段，波长是毫米或厘米的数量级，通常主要观测吸收远红外波段，波长是毫米或厘米的数量级，通常主要观测吸收远红外波段，波长是毫米或厘米的数量级，通常主要观测吸收远红外波段，波长是毫米或厘米的数量级，通常主要观测吸收光谱。光谱。光谱。光谱。二、分子的转动光谱二、分子的转动光谱二、分子的转动光谱二、分子的转动光谱第二节第二节 分子光谱分子光谱1.1.构成分子的诸原子之间的振动，形成振动能级。如双原子分构成分子的诸原子之间的振动，形成振动能级。如双原子分构成分子的诸原子之间的振动，形成振动能级。如双原子分构成分子的诸原子之间的振动，形成振动能级。如双原子分子沿着轴线振动。多原子分子的振动比较复杂，是多种振动方子沿着轴线振动。多原子分子的振动比较复杂，是多种振动方子沿着轴线振动。多原子分子的振动比较复杂，是多种振动方子沿着轴线振动。多原子分子的振动比较复杂，是多种振动方式的叠加，振动的能量是量子化的。振动能级的间隔比电子能式的叠加，振动的能量是量子化的。振动能级的间隔比电子能式的叠加，振动的能量是量子化的。振动能级的间隔比电子能式的叠加，振动的能量是量子化的。振动能级的间隔比电子能级的间隔小。级的间隔小。级的间隔小。级的间隔小。2.2.分布在近红外波段，波长是几个微米的数量级，通常主要观分布在近红外波段，波长是几个微米的数量级，通常主要观分布在近红外波段，波长是几个微米的数量级，通常主要观分布在近红外波段，波长是几个微米的数量级，通常主要观测吸收光谱。测吸收光谱。测吸收光谱。测吸收光谱。三三三三、分子的、分子的、分子的、分子的振动振动振动振动光谱光谱光谱光谱第二节第二节 分子光谱分子光谱1.1.在分子中有两个或两个以上的原子核，电子在这样一个电场在分子中有两个或两个以上的原子核，电子在这样一个电场在分子中有两个或两个以上的原子核，电子在这样一个电场在分子中有两个或两个以上的原子核，电子在这样一个电场中运动。分子中电子的运动，正如原子中电子的运动一样也形中运动。分子中电子的运动，正如原子中电子的运动一样也形中运动。分子中电子的运动，正如原子中电子的运动一样也形中运动。分子中电子的运动，正如原子中电子的运动一样也形成不同的电子态，每一状态具有一定的能量，即电子能级。成不同的电子态，每一状态具有一定的能量，即电子能级。成不同的电子态，每一状态具有一定的能量，即电子能级。成不同的电子态，每一状态具有一定的能量，即电子能级。2.2.分子光谱是电子能级、振动能级和转动能级的跃迁共同形成分子光谱是电子能级、振动能级和转动能级的跃迁共同形成分子光谱是电子能级、振动能级和转动能级的跃迁共同形成分子光谱是电子能级、振动能级和转动能级的跃迁共同形成的，可分成许多带，它是带状光谱，分布在可见或紫外波段，的，可分成许多带，它是带状光谱，分布在可见或紫外波段，的，可分成许多带，它是带状光谱，分布在可见或紫外波段，的，可分成许多带，它是带状光谱，分布在可见或紫外波段，可观测发射光谱。可观测发射光谱。可观测发射光谱。可观测发射光谱。3.3.分子能量包括电子的运动能量、分子的振动能量、分子的转分子能量包括电子的运动能量、分子的振动能量、分子的转分子能量包括电子的运动能量、分子的振动能量、分子的转分子能量包括电子的运动能量、分子的振动能量、分子的转动能量。动能量。动能量。动能量。E E=E Ee e+E Ev v+E Er r 四四四四、分子的、分子的、分子的、分子的电子电子电子电子光谱光谱光谱光谱第二节第二节 分子光谱分子光谱利用物质的分子对红外辐射的吸收，得到与分子结构相应的红利用物质的分子对红外辐射的吸收，得到与分子结构相应的红利用物质的分子对红外辐射的吸收，得到与分子结构相应的红利用物质的分子对红外辐射的吸收，得到与分子结构相应的红外光谱图，外光谱图，外光谱图，外光谱图，从而来鉴别分子结构的方法，称为红外吸收光谱法。从而来鉴别分子结构的方法，称为红外吸收光谱法。从而来鉴别分子结构的方法，称为红外吸收光谱法。从而来鉴别分子结构的方法，称为红外吸收光谱法。红外吸收光谱主要利用分子的振转光谱。红外吸收光谱主要利用分子的振转光谱。红外吸收光谱主要利用分子的振转光谱。红外吸收光谱主要利用分子的振转光谱。利用红外吸收光谱可以鉴别各种化合物，还可以直接反映分子利用红外吸收光谱可以鉴别各种化合物，还可以直接反映分子利用红外吸收光谱可以鉴别各种化合物，还可以直接反映分子利用红外吸收光谱可以鉴别各种化合物，还可以直接反映分子中各种原子团的存在中各种原子团的存在中各种原子团的存在中各种原子团的存在。五、红外吸收光谱五、红外吸收光谱五、红外吸收光谱五、红外吸收光谱第二节第二节 分子光谱分子光谱第三节第三节 拉曼散射光谱拉曼散射光谱1.1.红外光谱和拉曼光谱都是研究和反映分子振动和转动特征的。红外光谱和拉曼光谱都是研究和反映分子振动和转动特征的。红外光谱和拉曼光谱都是研究和反映分子振动和转动特征的。红外光谱和拉曼光谱都是研究和反映分子振动和转动特征的。但红外光谱是吸收光谱，照射分子的部分入射能量内吸收了；但红外光谱是吸收光谱，照射分子的部分入射能量内吸收了；但红外光谱是吸收光谱，照射分子的部分入射能量内吸收了；但红外光谱是吸收光谱，照射分子的部分入射能量内吸收了；而而而而拉曼光谱（拉曼光谱（拉曼光谱（拉曼光谱（RamanspectrumRamanspectrum）是一种散射光谱。）是一种散射光谱。）是一种散射光谱。）是一种散射光谱。两者产生的两者产生的两者产生的两者产生的机制完全不一样。机制完全不一样。机制完全不一样。机制完全不一样。一、拉曼光谱原理一、拉曼光谱原理一、拉曼光谱原理一、拉曼光谱原理2.2.拉曼光谱分析法是基于印度科学家拉曼（拉曼光谱分析法是基于印度科学家拉曼（拉曼光谱分析法是基于印度科学家拉曼（拉曼光谱分析法是基于印度科学家拉曼（RamanRaman）所发现的）所发现的）所发现的）所发现的拉曼散射效应，拉曼散射效应，拉曼散射效应，拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析得到对与入射光频率不同的散射光谱进行分析得到对与入射光频率不同的散射光谱进行分析得到对与入射光频率不同的散射光谱进行分析得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。方法。方法。方法。第三节第三节 拉曼散射光谱拉曼散射光谱二、拉曼散射光谱的特征二、拉曼散射光谱的特征二、拉曼散射光谱的特征二、拉曼散射光谱的特征1.1.1.1.对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只只只只和样品的振动转动能级有关。和样品的振动转动能级有关。和样品的振动转动能级有关。和样品的振动转动能级有关。3.3.3.3.一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。2.2.2.2.在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧。线对称地分布在瑞利散射线两侧。线对称地分布在瑞利散射线两侧。线对称地分布在瑞利散射线两侧。1.1.在正常状态下原子处于基态，原子在受到热（火焰）或电在正常状态下原子处于基态，原子在受到热（火焰）或电在正常状态下原子处于基态，原子在受到热（火焰）或电在正常状态下原子处于基态，原子在受到热（火焰）或电（电火花）的激发时，原子获得足够的能量，外层电子由基态（电火花）的激发时，原子获得足够的能量，外层电子由基态（电火花）的激发时，原子获得足够的能量，外层电子由基态（电火花）的激发时，原子获得足够的能量，外层电子由基态跃迁到不同的激发态，跃迁到不同的激发态，跃迁到不同的激发态，跃迁到不同的激发态，处于激发态的原子跃迁回基态或较低激处于激发态的原子跃迁回基态或较低激处于激发态的原子跃迁回基态或较低激处于激发态的原子跃迁回基态或较低激发态时发出不同波长的特征光谱（线状光谱）。发态时发出不同波长的特征光谱（线状光谱）。发态时发出不同波长的特征光谱（线状光谱）。发态时发出不同波长的特征光谱（线状光谱）。2.2.测定原子特征谱线的波长和强度进行定性和定量分析的方法测定原子特征谱线的波长和强度进行定性和定量分析的方法测定原子特征谱线的波长和强度进行定性和定量分析的方法测定原子特征谱线的波长和强度进行定性和定量分析的方法称为原子发射光谱法（称为原子发射光谱法（称为原子发射光谱法（称为原子发射光谱法（atomicemissionspectrometry,AESatomicemissionspectrometry,AES）。）。）。）。第四节第四节 光谱分析原理光谱分析原理一、原子发射光谱分析一、原子发射光谱分析一、原子发射光谱分析一、原子发射光谱分析原子吸收分光光度法（原子吸收分光光度法（原子吸收分光光度法（原子吸收分光光度法（atomicabsorptionspectrometry,AASatomicabsorptionspectrometry,AAS）又称原子吸收光谱分析。又称原子吸收光谱分析。又称原子吸收光谱分析。又称原子吸收光谱分析。利用物质所产生的原子蒸气对特征谱线的吸收作用来进行定量利用物质所产生的原子蒸气对特征谱线的吸收作用来进行定量利用物质所产生的原子蒸气对特征谱线的吸收作用来进行定量利用物质所产生的原子蒸气对特征谱线的吸收作用来进行定量分析的一种方法分析的一种方法分析的一种方法分析的一种方法。基态原子吸收其共振辐射，外层电子由基态跃迁至激发态而产基态原子吸收其共振辐射，外层电子由基态跃迁至激发态而产基态原子吸收其共振辐射，外层电子由基态跃迁至激发态而产基态原子吸收其共振辐射，外层电子由基态跃迁至激发态而产生原子吸收光谱。生原子吸收光谱。生原子吸收光谱。生原子吸收光谱。二、原子吸收分光光度法二、原子吸收分光光度法二、原子吸收分光光度法二、原子吸收分光光度法第四节第四节 光谱分析原理光谱分析原理荧光分析法（荧光分析法（荧光分析法（荧光分析法（fluorescenceanalysisfluorescenceanalysis）通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能作用下所产生的荧光的通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能作用下所产生的荧光的通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能作用下所产生的荧光的通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能作用下所产生的荧光的发射强度，来测定元素含量的方法。发射强度，来测定元素含量的方法。发射强度，来测定元素含量的方法。发射强度，来测定元素含量的方法。机制属发射光谱但又与原子吸收光谱有许多相同之处。机制属发射光谱但又与原子吸收光谱有许多相同之处。机制属发射光谱但又与原子吸收光谱有许多相同之处。机制属发射光谱但又与原子吸收光谱有许多相同之处。三、荧光分析法三、荧光分析法三、荧光分析法三、荧光分析法第四节第四节 光谱分析原理光谱分析原理红外光谱法（红外光谱法（红外光谱法（红外光谱法（infraredspectrometryinfraredspectrometry）又称为）又称为）又称为）又称为“红外分光光度分红外分光光度分红外分光光度分红外分光光度分析法析法析法析法”。简称。简称。简称。简称“IR”,IR”,分子吸收光谱的一种。分子吸收光谱的一种。分子吸收光谱的一种。分子吸收光谱的一种。利用物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析利用物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析利用物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析利用物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析及对各种吸收红外光的化合物的定性和定量分析的方法。及对各种吸收红外光的化合物的定性和定量分析的方法。及对各种吸收红外光的化合物的定性和定量分析的方法。及对各种吸收红外光的化合物的定性和定量分析的方法。被测物质的分子在红外线照射下，只吸收与其分子振动、转动被测物质的分子在红外线照射下，只吸收与其分子振动、转动被测物质的分子在红外线照射下，只吸收与其分子振动、转动被测物质的分子在红外线照射下，只吸收与其分子振动、转动频率相一致的红外光谱。频率相一致的红外光谱。频率相一致的红外光谱。频率相一致的红外光谱。四、红外光谱法四、红外光谱法四、红外光谱法四、红外光谱法第四节第四节 光谱分析原理光谱分析原理紫外光谱法就是紫外可见分光光度法，是分子吸收光谱的一部紫外光谱法就是紫外可见分光光度法，是分子吸收光谱的一部紫外光谱法就是紫外可见分光光度法，是分子吸收光谱的一部紫外光谱法就是紫外可见分光光度法，是分子吸收光谱的一部分。分。分。分。分子中电子能级跃迁产生的一种波长最短的分子吸收光谱。分子中电子能级跃迁产生的一种波长最短的分子吸收光谱。分子中电子能级跃迁产生的一种波长最短的分子吸收光谱。分子中电子能级跃迁产生的一种波长最短的分子吸收光谱。以紫外或可见单色光照射吸光物质的溶液以紫外或可见单色光照射吸光物质的溶液以紫外或可见单色光照射吸光物质的溶液以紫外或可见单色光照射吸光物质的溶液,用仪器测量入射光被用仪器测量入射光被用仪器测量入射光被用仪器测量入射光被吸收的程度吸收的程度吸收的程度吸收的程度(常用吸光度表示常用吸光度表示常用吸光度表示常用吸光度表示),),记录吸光度随波长的变化的曲线记录吸光度随波长的变化的曲线记录吸光度随波长的变化的曲线记录吸光度随波长的变化的曲线,或波长一定时或波长一定时或波长一定时或波长一定时,用吸光度和吸光物质浓度之间的关系来进行定性用吸光度和吸光物质浓度之间的关系来进行定性用吸光度和吸光物质浓度之间的关系来进行定性用吸光度和吸光物质浓度之间的关系来进行定性或定量分析。或定量分析。或定量分析。或定量分析。五、紫外光谱法五、紫外光谱法五、紫外光谱法五、紫外光谱法第四节第四节 光谱分析原理光谱分析原理1.1.贯穿作用贯穿作用贯穿作用贯穿作用2.2.电离作用电离作用电离作用电离作用3.3.荧光作用荧光作用荧光作用荧光作用4.4.感光作用感光作用感光作用感光作用5.5.生物效应生物效应生物效应生物效应第五节第五节 X X 射线射线一、一、一、一、X X射线的基本性质射线的基本性质射线的基本性质射线的基本性质高频，对实物物质的贯穿本领大于低频波动。对不同物质的贯高频，对实物物质的贯穿本领大于低频波动。对不同物质的贯高频，对实物物质的贯穿本领大于低频波动。对不同物质的贯高频，对实物物质的贯穿本领大于低频波动。对不同物质的贯穿能力的差别可以利用。穿能力的差别可以利用。穿能力的差别可以利用。穿能力的差别可以利用。对原子序数小的分子组成的物质贯穿本领小对原子序数小的分子组成的物质贯穿本领小对原子序数小的分子组成的物质贯穿本领小对原子序数小的分子组成的物质贯穿本领小对比：脂肪对比：脂肪对比：脂肪对比：脂肪肌肉肌肉肌肉肌肉骨胳骨胳骨胳骨胳1.1.贯穿作用贯穿作用贯穿作用贯穿作用第五节第五节 X X 射线射线高能量能高能量能使一些物质的原子和分子电离使一些物质的原子和分子电离。还可以诱发有机体的。还可以诱发有机体的各种生物效应各种生物效应,合理利用可用于治疗。合理利用可用于治疗。3.3.荧光作用荧光作用荧光作用荧光作用能量比较大的光子，照射到某些物质时，能使其原子处于激发能量比较大的光子，照射到某些物质时，能使其原子处于激发态，当它们回到基态时发出荧光。态，当它们回到基态时发出荧光。E=hv荧光强弱与荧光强弱与X射线的强度有关。射线的强度有关。2.2.电离作用电离作用电离作用电离作用第五节第五节 X X 射线射线4.4.光化学作用光化学作用光化学作用光化学作用5.5.生物效应生物效应生物效应生物效应X射线能使一些物质发生光化学反应。射线能使一些物质发生光化学反应。照相底片感光照相底片感光拍摄拍摄X光片的原理光片的原理原发机制是原发机制是X射线在生物体内产生激发和电离，使组织细胞射线在生物体内产生激发和电离，使组织细胞产生损害、抑制，甚至坏死。产生损害、抑制，甚至坏死。是放射治疗的基础，也是是放射治疗的基础，也是X射线工作者应当注意防护的原因。射线工作者应当注意防护的原因。第五节第五节 X X 射线射线1.产生条件产生条件产生条件产生条件高高速速度度运运动动的的电电子子流流；可可以以供供电电子子流流轰轰击击的的靶靶(或或阻阻碍碍电电子子运动的障碍物，把电子的动能转换为运动的障碍物，把电子的动能转换为X射线的能量。射线的能量。波长为波长为波长为波长为1010-8-81010-12-12mm的电磁波的电磁波的电磁波的电磁波 二、二、二、二、X X射线的产生射线的产生射线的产生射线的产生第五节第五节 X X 射线射线2.2.产生装置产生装置产生装置产生装置X射线管，低压电源，高压电源。射线管，低压电源，高压电源。阳极阳极Cu阴极阴极低压低压电源电源毫安表毫安表千伏表千伏表高压电源高压电源钨靶钨靶钨靶钨靶第五节第五节 X X 射线射线X X射线管射线管射线管射线管:核心部件核心部件核心部件核心部件低压电源低压电源低压电源低压电源:灯丝电子流灯丝电子流灯丝电子流灯丝电子流高压电源高压电源高压电源高压电源:加速电子加速电子加速电子加速电子阳极作用阳极作用阳极作用阳极作用:钨靶作用钨靶作用钨靶作用钨靶作用:产生机制产生机制产生机制产生机制:轫致辐射轫致辐射轫致辐射轫致辐射1%X1%X射线射线射线射线99%99%热能热能热能热能毫安表毫安表阳极阳极Cu阴极阴极低压低压电源电源千伏表千伏表高压电源高压电源钨靶钨靶钨靶钨靶3.3.各部件作用各部件作用各部件作用各部件作用第五节第五节 X X 射线射线4.4.管电压和管电流管电压和管电流管电压和管电流管电压和管电流加在两极间的直流高压称为管电压。加在两极间的直流高压称为管电压。加在两极间的直流高压称为管电压。加在两极间的直流高压称为管电压。X X射线管内两极间形成的电射线管内两极间形成的电射线管内两极间形成的电射线管内两极间形成的电流称为管电流。流称为管电流。流称为管电流。流称为管电流。毫安表毫安表阳极阳极Cu阴极阴极低压低压电源电源千伏表千伏表高压电源高压电源钨靶钨靶钨靶钨靶第五节第五节 X X 射线射线1.X1.X射线的强度射线的强度射线的强度射线的强度单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量为单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量为X X射线的强度射线的强度射线的强度射线的强度。用。用I 表示。表示。i表示表示X射线光子的频率，射线光子的频率，Ni为频率为为频率为vi的的X射线的光子数，射线的光子数，h为普朗克常量。为普朗克常量。三、三、三、三、X X射线的强度和硬度射线的强度和硬度射线的强度和硬度射线的强度和硬度第五节第五节 X X 射线射线X射线硬度是指射线硬度是指X射线对物质的贯穿本领：射线对物质的贯穿本领：E=hv2.X2.X射线的硬度射线的硬度射线的硬度射线的硬度在医学上习惯用管电流来间接表示在医学上习惯用管电流来间接表示在医学上习惯用管电流来间接表示在医学上习惯用管电流来间接表示X X射线的硬度，称为千伏率。射线的硬度，称为千伏率。射线的硬度，称为千伏率。射线的硬度，称为千伏率。第五节第五节 X X 射线射线3.X3.X射线硬度对比射线硬度对比射线硬度对比射线硬度对比第五节第五节 X X 射线射线当当X射线管内的高速电子流撞击在阳极靶上时，由于靶是原子射线管内的高速电子流撞击在阳极靶上时，由于靶是原子序数较高的物质制成的，所以电子受到靶原子核强电场的作用序数较高的物质制成的，所以电子受到靶原子核强电场的作用而减速，电子失去的一部分动能而减速，电子失去的一部分动能就转化为一个就转化为一个X光子的能量光子的能量而辐射出来而辐射出来,即即 Ek=h，这种辐射称为，这种辐射称为韧致辐射韧致辐射韧致辐射韧致辐射。1.1.连续连续连续连续X X射线射线射线射线(continuousX-rays(continuousX-rays）四、四、四、四、XX射线谱（射线谱（射线谱（射线谱（X-rayspectrumX-rayspectrum）第五节第五节 X X 射线射线图15-2 X射线谱示意图第五节第五节 X X 射线射线与强度为零相对应的波长是连续光谱中最短波长，与强度为零相对应的波长是连续光谱中最短波长，或称为或称为短波极限。短波极限。图15-3 钨靶的连续X射线谱第五节第五节 X X 射线射线设管电压为设管电压为U，电子电荷量为，电子电荷量为e，则电子在加速电场内获得的动，则电子在加速电场内获得的动能等于电场对它做的功能等于电场对它做的功eU，可以求得，可以求得X光子的最大能量光子的最大能量(max是是与短波极限与短波极限 min对应的最高频率，光速为对应的最高频率，光速为c)，有，有上式表明，射线谱的最短波长与管电压成反比，而与靶的物质上式表明，射线谱的最短波长与管电压成反比，而与靶的物质上式表明，射线谱的最短波长与管电压成反比，而与靶的物质上式表明，射线谱的最短波长与管电压成反比，而与靶的物质种类无关。种类无关。种类无关。种类无关。第五节第五节 X X 射线射线代入数据，同时代入数据，同时U用用kV作为单位，可得：作为单位，可得：第五节第五节 X X 射线射线高速电子进入靶内，与原子的内层电子发生强烈的相互作用，高速电子进入靶内，与原子的内层电子发生强烈的相互作用，使其脱出，原子核内层出现空缺。使其脱出，原子核内层出现空缺。外层电子会发生跃迁以填补内层的空缺，跃迁过程中发出一外层电子会发生跃迁以填补内层的空缺，跃迁过程中发出一个个X光子，其能量光子，其能量hv就是两个能级的能量差。就是两个能级的能量差。这种谱线的波长决定于阳极靶的材料，不同元素制成的靶具这种谱线的波长决定于阳极靶的材料，不同元素制成的靶具有不同的线状有不同的线状X射线谱。射线谱。2.2.标识标识标识标识X X射线射线射线射线(characteristicX-rays)(characteristicX-rays)第五节第五节 X X 射线射线下页中的图绘出了钨在较高电压下的下页中的图绘出了钨在较高电压下的X射线谱，当管电压增加射线谱，当管电压增加到到70kV以上时，连续以上时，连续X射线谱在射线谱在0.02nm附近叠加了四条谱线，附近叠加了四条谱线，在曲线上出现了四个高峰。在曲线上出现了四个高峰。当电压继续升高时，连续当电压继续升高时，连续X射线谱的强度和短波极限发生很大射线谱的强度和短波极限发生很大变化，但变化，但这四条谱线在图中的位置却始终不变这四条谱线在图中的位置却始终不变这四条谱线在图中的位置却始终不变这四条谱线在图中的位置却始终不变，即它们的波长，即它们的波长不变。这些谱线的波长决定于阳极靶的材料。不同元素制成的不变。这些谱线的波长决定于阳极靶的材料。不同元素制成的靶具有不同的线状光谱，它们可以作为这种元素的标识，因此靶具有不同的线状光谱，它们可以作为这种元素的标识，因此称这些线状称这些线状X射线谱为射线谱为标识标识标识标识X X射线谱射线谱射线谱射线谱。第五节第五节 X X 射线射线钨靶在较高电压下的钨靶在较高电压下的X射线谱射线谱标识标识X射线发生机理射线发生机理 第五节第五节 X X 射线射线实验表明实验表明,单色平行单色平行X射线通过均匀物质时的吸收规律与光的吸射线通过均匀物质时的吸收规律与光的吸收规律一样可以用下式表示收规律一样可以用下式表示:式中式中I0是入射的是入射的X射线强度，射线强度，I是通过厚度为是通过厚度为x(cm)的物质层后的物质层后的的X射线强度，射线强度，是物质的线性吸收系数，单位是物质的线性吸收系数，单位cm-1。1.1.单色单色单色单色X X射线的吸收规律射线的吸收规律射线的吸收规律射线的吸收规律五、五、五、五、XX 射线的吸收射线的吸收射线的吸收射线的吸收第五节第五节 X X 射线射线如果如果如果如果x x的单位为的单位为的单位为的单位为cmcm，则，则，则，则 的单位为的单位为的单位为的单位为cmcm-1-1，而，而，而，而 mm的单位为的单位为的单位为的单位为cmcm2 2/g/g物质的线性吸收系数物质的线性吸收系数和其密度和其密度的比值称为质量吸收系数的比值称为质量吸收系数,记记作作m，即，即2.2.质量吸收系数及质量厚度质量吸收系数及质量厚度质量吸收系数及质量厚度质量吸收系数及质量厚度xm=x，称为，称为质量厚度质量厚度质量厚度质量厚度,它等于单位面积中，厚度为它等于单位面积中，厚度为x的吸收层的吸收层的质量。的质量。xm的常用的常用单位单位单位单位为为g/cm2。第五节第五节 X X 射线射线3.3.半价层半价层半价层半价层半价层就是使半价层就是使X射线强度减弱一半时所需要的吸收体厚度射线强度减弱一半时所需要的吸收体厚度(或或质量厚度质量厚度)。半价层与吸收系数之间的关系式：半价层与吸收系数之间的关系式：半价层与吸收系数之间的关系式：半价层与吸收系数之间的关系式：半价层和吸收系数成反比，对给定波长的单色半价层和吸收系数成反比，对给定波长的单色半价层和吸收系数成反比，对给定波长的单色半价层和吸收系数成反比，对给定波长的单色X X射线束，半价射线束，半价射线束，半价射线束，半价层是一常数，它标志着该射线对物质的贯穿本领。层是一常数，它标志着该射线对物质的贯穿本领。层是一常数，它标志着该射线对物质的贯穿本领。层是一常数，它标志着该射线对物质的贯穿本领。式中式中x1/2为吸收体厚度的半价层，为吸收体厚度的半价层，xm1/2为吸收物质厚度半价层。为吸收物质厚度半价层。第五节第五节 X X 射线射线4.4.质量吸收系数与波长和原子序数的关系质量吸收系数与波长和原子序数的关系质量吸收系数与波长和原子序数的关系质量吸收系数与波长和原子序数的关系式中式中k是常数，是常数，a=3-4，Z是吸收物质的原子序数，是吸收物质的原子序数，是射线是射线X的波长。的波长。吸收系数中含有多种元素时，它的质量吸收系数大约等于其中吸收系数中含有多种元素时，它的质量吸收系数大约等于其中吸收系数中含有多种元素时，它的质量吸收系数大约等于其中吸收系数中含有多种元素时，它的质量吸收系数大约等于其中各种元素的质量系数系数按照物体中所含质量比例计算的均值。各种元素的质量系数系数按照物体中所含质量比例计算的均值。各种元素的质量系数系数按照物体中所含质量比例计算的均值。各种元素的质量系数系数按照物体中所含质量比例计算的均值。第五节第五节 X X 射线射线练习练习练习练习1 1：若空气中各组分的质量百分比为氮若空气中各组分的质量百分比为氮75.5%，氧，氧23.2%，氩，氩1.3%，试计算在能量为，试计算在能量为20KV光子作用下，空气的质量衰减系数。光子作用下，空气的质量衰减系数。已知氮，氧，氩的质量衰减系数分别为已知氮，氧，氩的质量衰减系数分别为0.36,0.587和和8.31(m2kg-1)。练习练习练习练习2 2：人体中肌肉的质量吸收系数和水非常接近，求在相同人体中肌肉的质量吸收系数和水非常接近，求在相同X射射线照射下，肌肉和骨骼的质量吸收系数之比？已知骨骼分子式为线照射下，肌肉和骨骼的质量吸收系数之比？已知骨骼分子式为Ca3(PO4)2第五节第五节 X X 射线射线1.1.常规常规常规常规X X射线投影成像射线投影成像射线投影成像射线投影成像由于人体内各种不同的，强度均匀的由于人体内各种不同的，强度均匀的X 射线透过身体不同部位射线透过身体不同部位后的强度是不同的。将这些强度不同的后的强度是不同的。将这些强度不同的X射线投影到荧光屏上，射线投影到荧光屏上，就可以显示出明暗不同的荧光像就可以显示出明暗不同的荧光像,称为称为X射线透视术。如果让透射线透视术。如果让透过人体的过人体的X射线投射到照相底片上，显影后就可以观察到各处明射线投射到照相底片上，显影后就可以观察到各处明暗不同的像，称为暗不同的像，称为X X射线照相术射线照相术射线照相术射线照相术。六、六、六、六、X X射线的医学应用射线的医学应用射线的医学应用射线的医学应用第五节第五节 X X 射线射线(1)X-CT(1)X-CT的基本原理的基本原理的基本原理的基本原理当强度为当强度为I0的单色的单色X射线通过厚度为射线通过厚度为x的均匀介质后，其强度的均匀介质后，其强度I=I0ex。如果。如果I0、I和和x为已知，则吸收系数为已知，则吸收系数 的值为：的值为：2.X2.X射线电子计算机断层成像射线电子计算机断层成像射线电子计算机断层成像射线电子计算机断层成像第五节第五节 X X 射线射线对第一个体素有对第一个体素有对第一个体素有对第一个体素有I I1 1=I I0 0e e1 1 x x；对第二个体素有；对第二个体素有；对第二个体素有；对第二个体素有I I2 2=I I1 1e e2 2 x x，或或或或I I2 2=I I0 0e e (1+1+2 2)x x；对第；对第；对第；对第n n个体素有个体素有个体素有个体素有:II0第五节第五节 X X 射线射线因此，可将介质吸收系数的总和表示为：因此，可将介质吸收系数的总和表示为：当当I和和I0都测出之后，就可得出沿都测出之后，就可得出沿X射线贯穿方向的各体素的吸射线贯穿方向的各体素的吸收系数的总和。我们称这个吸收系数的总和为收系数的总和。我们称这个吸收系数的总和为投影值投影值投影值投影值。第五节第五节 X X 射线射线扩展知识：扩展知识：扩展知识：扩展知识：扫描技术扫描技术扫描技术扫描技术平移扫描平移扫描平移扫描平移扫描旋转扫描旋转扫描旋转扫描旋转扫描1)1)平移旋转扫平移旋转扫平移旋转扫平移旋转扫2)2)静止旋转扫静止旋转扫静止旋转扫静止旋转扫3)3)旋转旋转扫旋转旋转扫旋转旋转扫旋转旋转扫4)4)电子束扫电子束扫电子束扫电子束扫第五节第五节 X X 射线射线扩展知识：图像重建方法扩展知识：图像重建方法扩展知识：图像重建方法扩展知识：图像重建方法:滤波反投影法滤波反投影法滤波反投影法滤波反投影法22矩阵反投影法求解矩阵反投影法求解投影值反投相加减本底，投影值反投相加减本底，投影值反投相加减本底，投影值反投相加减本底，除公约数除公约数