放射医学丨医用物理学基础

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 物质结构

一、原子的核外结构

       物质由原子构成，每一个原子均由原子核及电子组成，电子沿一定的轨道绕核旋转。

(一)主量子数

       主量子数n：原子核外的电子云是分层排布的，电子壳层可用主量子数表示。K（1） L（2） M（3） N（4） O（5） P（6）……。n越大，电子离核越远，能级越高，主量子数是决定原子能级的主要因素。

       角量子数L：同一电子壳层中，电子具有的能量及运动形式不同，又分为若干个电子亚层，有角量子数L决定，n确定后,L可取0、1、2……，有个不同的值。对应的电子亚层分别用s（0） p（1） d（2） f（3） g（4） h（5）……（n－1）。角量子数L确定后，其量子轨道平面可有（2L＋1）个不同的取向。

        如果原子中的某个电子处在主量子数n＝3，角量子数L＝2的量子态上，则这个电子在M壳层的d亚层上，通常称这种状态为3d。相反，若电子所处的状态为4s，则电子处的N壳层的第s亚层上，这个量子态的主量子数n＝4，角量子数L＝0。

        磁量子数（mL）决定轨道量子数；自旋量子数（ms）决定电子的自旋状态。他们的取值分别是mL=0，±1，±2……±L;mx=±1/2。

(二)核外电子的排布

       主量子数为n的壳层可容纳的电子数为：2n2。半径最小的壳层叫k层n=1，最多容纳2个电子，第2层叫L层n＝=2，最多容纳8个电子，第3层叫M层，最多容纳18个电子……愈外面的壳层，可以容纳的电子数越多，且最外层电子数最多不超过8个。

二、原子能级

       每个可能轨道上的电子都具有一定的能量（动能和势能的代数和），且电子在各个轨道上具有的能量是不连续的，这些不连续的能量值，表征原子的能量状态，称为原子能级。用电子伏特表示：1eV＝1.6×10-19J。

       结合力：原子核对电子的吸引力，靠近原子核的壳层电子结合力强；原子序数Z越大对电子的吸引力越大。

      结合能：移走原子中某壳层轨道电子所需的最小能量。原子能级是结合能的负值，它们绝对值相等，符号相反。

(二)激发和跃迁

       基态：（正常态）原子处于最低能量状态（最稳定）叫基态（n＝1）。

       激发：当原子吸收一定大小的能量（某两个能级之差的能量）后电子将自发地从低能级过渡到某一较高能级上，这一过程叫原子的激发。原子所处的状态是激发态。n＝2的能量状态称为第一激发态，n＝3的能量状态称为第二激发态。

       电离：当原子中壳层电子吸收的能量大于其结合能时，电子将脱离原子核的束缚，离开原子成为自由电子。

       激发和电离都使原子的能量状态升高，使原子处于激发态而不稳定。

       处于激发态的原子，在极短时间（10-8秒）内，外层电子或自由电子将自发地填充其空位，同时放出一个能量等于两能级之差的hv（hv＝EH－EL）光子，这个过程称为跃迁。特征X线（特征光子）就是根据这个道理产生的。

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