光譜激光射線第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五激光第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五1.受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射如果原子因受滿足頻率條件的光的激勵而躍遷到較高能態(tài)，這種過程就稱為受激吸收。

受激吸收第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

沒有外界作用，原子自發(fā)地由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并輻射一個光子，這種過程叫自發(fā)輻射。

自發(fā)輻射各個原子自發(fā)輻射的光是非相干光自發(fā)輻射第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

若原子受到一個滿足頻率條件的外來光子的激勵，由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，則輻射出另一同頻率的光子來，這種過程叫做受激輻射。受激輻射各個原子受激輻射的光是相干光自發(fā)輻射第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

在通常情況下，原子在各能級上的分布服從玻爾茲曼分布定律，即在低能級上的原子數(shù)較多,光通過物質(zhì)時，受激吸收占優(yōu)勢。

激光就是由受激輻射產(chǎn)生的被放大了的相干光。激光的英文名為“l(fā)ightamplificationbystimulatedemissionofradiation”第一個字母的縮寫。在通常狀態(tài)下，三種躍遷同時存在，受激吸收使光子數(shù)減少，受激輻射使光子數(shù)增加。哪種躍遷占優(yōu)勢取決于高低能級的原子數(shù)。第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)要使受激輻射占優(yōu)勢，必須使處在高能級的原子數(shù)多于低能級的原子數(shù)，這種分布與正常分布相反，稱為粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)存在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)稱為激活介質(zhì)。2.產(chǎn)生激光的基本條件第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五在激活介質(zhì)的兩端安置兩塊反射鏡面，一個是全反射鏡，一個是部分反射鏡，這對反射鏡面及其間的空間稱為光學諧振腔。（2）光學諧振腔要得到方向性和單色性很好的激光，還必須采用光學諧振腔。光學諧振腔產(chǎn)生激光的基本條件第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五最初的受激輻射源于自發(fā)輻射，只有與反射鏡軸向平行的一定波長的光能在激活介質(zhì)內(nèi)來回反射，雪崩式地放大，在一定條件下形成穩(wěn)定的強光光束，從部分反射鏡面輸出，得到激光。光學諧振腔對光的方向選擇性產(chǎn)生激光的基本條件第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五（3）閾值條件在諧振腔內(nèi)，除了有光的增益，還存在工作物質(zhì)對光的吸收、散射以及反射鏡的吸收和透射等造成的各種損耗，只有當光在諧振腔內(nèi)來回一次所得的增益大于損耗時，才能形成激光。增益大于損耗的條件稱為閾值條件。產(chǎn)生激光的基本條件第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五3.激光器的組成和常見激光器常用激光器由三部分組成：

工作物質(zhì)激勵能源光學諧振腔激光工作物質(zhì)激勵能源諧振腔激光器結(jié)構(gòu)示意圖第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五按輸出方式分：脈沖輸出連續(xù)輸出半導體激光器按工作物質(zhì)分：氣體激光器固體激光器液體激光器自由電子激光器激光器的分類激光器的組成和常見激光器第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五4.激光的特性及其應用（1）方向性好激光束的發(fā)散角很小，一般為激光定位、導向、測距等就利用了方向性好的特點。第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五（2）單色性好在普通光源中，單色性最好的是作為長度基準器的氪燈（K186）,它的譜線寬度為4.7×10-3納米;而激光譜線寬為納米，為氪燈譜線寬度的5萬分之一。采用穩(wěn)頻等技術(shù)還可以進一步提高激光的單色性。計量工作的標準光源、激光通訊等利用了單色性好的特點。激光的特性及其應用第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五(3)亮度高亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。

激光的功率密度特別大，因而其亮度也特別大。激光的特性及其應用激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點。第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五(4)相干性好激光具有很好的相干性。

普通光源的相干長度約為1毫米至幾十厘米，激光可達幾十公里。全息照相、全息存儲等就利用了相干性好的特點。全息照相激光的特性及其應用第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五X射線第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五圖為“錢德拉”拍攝到的月球明亮區(qū)域由氧、鎂、鋁和硅原子發(fā)出的X射線照片。第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五X射線的發(fā)現(xiàn)

1895年德國物理學家倫琴（W.C.Rontgen）在用放電管研究陰極射線時，發(fā)現(xiàn)在離放電管數(shù)米遠放置的鉑氰化鋇發(fā)出了熒光。進一步實驗證實，這是由于放電管管壁受到高速電子撞擊時，放出的一種人眼看不到的射線引起的，后來這種看不見的射線被稱為X射線。（實驗還拍到了倫琴夫人手掌的X光照片）第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第一張X光照片

第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五一、X射線的發(fā)生裝置

主要組成部分：

1、X射線管

2、低壓電源供陰極發(fā)射電子

3、高壓直流電源供給陰、陽兩極之間所需的直流高壓第一節(jié)

X射線的產(chǎn)生極其性質(zhì)

X射線是高速電子流在運動中突然受到物體阻止而產(chǎn)生的。X射線的產(chǎn)生必須滿足兩個條件：1、必須有高速度的電子流。2、必須有阻止電子運動的障礙物，將電子的動能轉(zhuǎn)化為X射線的能量。第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

X射線管是X射線發(fā)生裝置的核心?，F(xiàn)代X射線管都是熱陰極式的。這種X射線管的外殼用硬質(zhì)玻璃制成，管內(nèi)封裝有陰極和陽極，內(nèi)部抽成高度真空。陽極由高熔點的鎢絲制成，通電加熱時可以發(fā)射電子，故稱陰極。而陽極常有一小塊鎢板嵌在銅柱體的斜面上做成。陰極與陽極之間加有幾萬伏至幾十萬伏的直流高壓電源稱為管電壓。X射線工作時通過兩極之間的電流稱為管電流。陰極通電加熱之后，從陰極發(fā)射出來的電子，在強電場力的作用下，高速飛向陽極，轟擊陽極靶時突然受阻，急劇減速，部分電子動能轉(zhuǎn)化為X光子的能量向外輻射，就產(chǎn)生了X射線。第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五二、X射線的基本性質(zhì)

X射線是波長在10~10-3nm范圍的電磁波。它具有一切電磁波的特性:反射、折射、干涉、衍射和偏振。

X射線的波長很短，能量很大，因此，它還具有以下幾個特性：

第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

X射線的波長短，能量大（W=hf=hc/λ），對物質(zhì)穿透本領很強。

X射線對人體各種組織的穿透能力的分類如下：可穿透組織體內(nèi)氣體、脂肪、肌肉等中等可透組織結(jié)締組織、軟骨等不易透過組織骨骼等

1、貫穿本領結(jié)論：X射線對人體不同組織穿透性的差別就是X射線透視和攝影時得以形成不同組織影像的基礎第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

2、電離作用

X射線能使一些物質(zhì)的原子或分子電離。在X射線照射下的氣體能電離而導電，電離電流與X射線的強度成正比。

3、感光作用

X射線照射某些物質(zhì)能引起光化反應，使照相底片感光。如：攝影

4、熒光作用

X射線照射某些物質(zhì)，（如硫化鋅、鉑氰化鋇、鎢酸鈣、磷等）可以產(chǎn)生熒光。熒光亮度與X射線的強弱有關。如：透視第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五X射線的強度和硬度

X射線的強度它表示X射線的量，決定影像的明亮程度。定義為單位時間內(nèi)通過與X射線方向垂直的單位面積的輻射能量，用I表示。單位（瓦/米2

）。若單位時間內(nèi)打到靶上的電子數(shù)越多，轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾拥臄?shù)也越多，X射線的強度就越大，即強度與管電流成正比。通常用管電流的毫安數(shù)來表示X射線的強度。第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

X射線的硬度就是指X射線的穿透本領，表示X射線的質(zhì)。它取決于X光子的能量，與光子數(shù)目無關。X光子的能量與管電壓成正比。通常用管電壓的千伏數(shù)來表示X射射線的硬度。在X射線的醫(yī)學治療中，都必須掌握合適的強度和硬度，不足或過量不但達不到預期效果，還會產(chǎn)生副作用。第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五在醫(yī)療上按照硬度將X射線分類如下：名稱管電壓最短波長主要用途極軟X射線5-200.25-0.062軟組織攝影，表皮治療軟X射線20-1000.062-0.012透視和攝影硬X射線100-2500.012-0.005較深部組織治療極硬X射線250以上0.005以下深部組織治療第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第二節(jié)X射線譜第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五利用X射線照射到晶體上產(chǎn)生衍射的方法，可以獲得X射線譜。下圖是X射線攝譜裝置的原理圖：

X射線管發(fā)出的X射線經(jīng)過兩塊鉛屏上的狹縫然后投射到晶體上。晶體可以繞著通過晶體中心與表面平行的軸轉(zhuǎn)動，這樣，連續(xù)轉(zhuǎn)動晶體改變θ角時，不同波長的X射線將得到不同方向的加強，在圓弧形照相底片上就得到多種波長X射線束按波長排列展開的X射線譜。第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五下圖是鎢靶X射線管的X射線譜第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五一、連續(xù)X射線譜當高速電子轟擊陽極靶時，電子受原子核電場作用而急劇減速，部分動能轉(zhuǎn)化為X光子的能量輻射出來，這種輻射稱為軔致輻射。每個電子可能產(chǎn)生多次軔致輻射，且各個電子與原子核的距離不同，即受阻情況不同，所以損失的動能有各種不同的數(shù)值，X光子的能量就不一致，從而形成了各種波長的連續(xù)譜。第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五右圖是鎢靶X射線管在四種較低管電壓時的X射線譜：譜線的強度隨波長發(fā)生變化，從長波向短波方向其強度逐漸上升，到最大值后迅速下降，與強度下降至零相對應的波長是連續(xù)譜中最短的波長，稱為短波極限。比較圖中曲線可知，每條曲線都有一個強度最大值和一個短波極限。當管電壓增大時，各波長的X射線強度都隨之增高，而且強度最大的波長和短波極限都向短波方向移動。第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五連續(xù)X射線譜的短波極限與管電壓成反比假設光子的能量最大值為hν，對應與連續(xù)譜中短波極限為λ。管電壓為∪，電子的電量為e，加速電場對電子所作功為e∪，電子獲得的動能為若此動能全部轉(zhuǎn)化為光子的最大能量hν，則：

第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五二、標識X射線譜線狀譜線的波長決定于陽極靶的材料，與管電壓無關。不同元素制作的靶，具有不同波長的線狀X射線譜，而這些譜線可以作為這些元素的標志，所以稱為標識X射線譜。

第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五標識X射線的產(chǎn)生，是由于管電壓很高，高速電子轟擊陽靶時具有足夠大的動能，能夠與靶原子的內(nèi)層電子發(fā)生強烈的相互作用，使內(nèi)層電子從原子中脫出，在原子的內(nèi)層出現(xiàn)一個空位。如果打走的是K層電子，則空出來的位置就會被L、M或更外層的電子所填補。（如圖）并在電子躍遷過程中發(fā)射出X光子，所發(fā)射光子的能量等于躍遷始末能級的能量差。這些躍遷不是同時在同一個原子中發(fā)生的，而是大量原子發(fā)生的，所以能形成一定強度的譜線。第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五不同元素的線狀X射線譜的結(jié)構(gòu)是相似的，但其波長隨著原子序數(shù)增加而變短。第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五物質(zhì)對X射線的吸收一、物質(zhì)對X射線的吸收規(guī)律：

X射線通過物質(zhì)時，原進行方向強度逐漸減弱的現(xiàn)象。

I0是X=0處射線的強度（入射強度），I是通過厚度為X的物質(zhì)層后的射線強度（出射強度），則

I=I0e-μx…….(1)（1）式表明X射線通過吸收物質(zhì)時其強度按指數(shù)規(guī)律減小。常數(shù)μ稱為線性吸收系數(shù)，若厚度的單位為m，則的μ單位為m-1，由（1）式可知μ越大，則x射線在物質(zhì)中強度減弱的越快，即被吸收越多；反之強度減弱的越慢，即被吸收越少。第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五1、質(zhì)量吸收系數(shù)物質(zhì)性質(zhì)或狀態(tài)不同，μ值也就不同。同一種物質(zhì)的線性吸收系數(shù)與它的密度是成正比的，其比值稱為質(zhì)量吸收系數(shù)，即μm=μ/ρ…….（2）可見，μm

與ρ無關，也就是與物質(zhì)狀態(tài)無關。為了比較各種物質(zhì)對X射線的吸收本領，則（1）式可改為I=I0e-μmχm……..(3)

其中χm=χρ,稱為質(zhì)量厚度，等于單位面積中厚度為x的吸收層的質(zhì)量。χm

的單位為kg·m-2,μm

的單位為m2kg-1

第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

低能X射線質(zhì)量吸收系數(shù)可近似地寫為

μm=kλ3z3

式中為k比例系數(shù)，z為原子序數(shù)。由此可見，對于低能X射線來說，若波長一定，則原子序數(shù)愈大的物質(zhì)，吸收本領也愈大。對一定的物質(zhì)，波長愈長的X射線就愈容易被吸收。第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

2、半價層物質(zhì)對X射線強度吸收一半的厚度（或質(zhì)量厚度）稱為該物質(zhì)的半價層，用x1/2

（或xm1/2

）表示，通常也用半價層來比較物質(zhì)對X射線的吸收本領。由（2）和（3）式可得：

x1/2=㏑2/μ=0.693/μxm1/2=㏑2/μm=0.693/μmX射線在物質(zhì)中經(jīng)過n個半價層的強度為I=I01/2n各種物質(zhì)的吸收系數(shù)μ與X射線的波長有關，不同的波長吸收系數(shù)不同，因此，以上各式只適用于單色X射線。X射線連續(xù)譜包含各種波長，混合X射線的總強度并不是嚴格地按指數(shù)規(guī)律減弱。實際應用時，可以近似地按指數(shù)規(guī)律處理，公式中μ（μm）用各種波長吸收系數(shù)的平均值代替。

第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五二、物質(zhì)吸收X射線的機理1、光電效應—X射線通過物質(zhì)時，X光子與物質(zhì)中的原子相互作用，全部能量交給一個內(nèi)層電子，光子本身消失而電子飛出原子的現(xiàn)象。飛出的光子稱為光電子。

2、康普頓散射—

X射線通過物質(zhì)時，X光子與物質(zhì)中的原子相互作用，部分能量交給電子，使電子飛出原子，而本身能量減少且改變運動方向的現(xiàn)象。飛出的電子稱為反沖電子。第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五

在散射實驗中，有的X光子碰撞后能量不變，只是改變了運動方向，稱為不變散射。

X光子能量在50keV以下時，光電吸收為主；能量在60~90keV之間，光電吸收和康普頓散射吸收同樣重要；能量在200keV~2MeV之間則以康普頓散射吸收為主。第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五第四節(jié)X射線的醫(yī)學應用一.透視和攝影1.X射線透視人體不同組織對射線的吸收系數(shù)是不同的，因此，同樣強度的射線通過人體后強度就不同了，投射在熒光屏上形成明暗不同的圖象2.X射線攝影讓通過人體后的射線投射在照相底片上，得到明暗不同的照片3.舉例：檢查骨折，肺結(jié)核病灶，確定腫瘤的位置和大小，斷定體內(nèi)有無異物第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五二.人工造影人工造影： 體內(nèi)有些器官與周圍組織對射線的吸收相差很小，在熒光屏上或照片上的差別就很小，不易分辨。將一些原子敘述大的或小的物質(zhì)注入這些器官，以增大它們的影象反差，從而增加它們與周圍組織的差別，達到診斷的目的。造影劑：這些注入器官的物質(zhì)稱為造影劑應用舉例：檢查腸胃的鋇餐，檢查關節(jié)的空氣第四十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五三.軟X射線攝影為了區(qū)別密度差別很小的軟組織的影像，常采用波長較長的軟射線對組織進行攝影。因為物質(zhì)對射線的吸收本領與波長的三次方成正比，所以軟組織對射線的吸收隨波長的增加而顯著增加，這樣軟組織之間的微小差別在底片上就比較明顯第四十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五四電子計算機斷層攝影裝置(CT)基本原理：將射線高度準直后，圍繞病人身體某一部分作橫斷掃描，用靈敏的探測器接受的射線，用計算機計算出該層面各點的射線吸收系數(shù)值，再由圖象顯示器將不同的數(shù)據(jù)用不同的灰度等級顯示出來，即得到該斷層面的解剖結(jié)構(gòu)圖像

第四十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期五