原子物理学第八章.ppt

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1、8 X射线 在观察领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑巴斯德 我们已知原子的能级和光谱都由原子的外层电子决定的， 那么内层的电子是否能发生跃迁而产生光谱呢？ 1807年，英国物理学家道尔顿依据实验提出：“气体，液体 和固体都是由该物质的不可分割的原子组成。”他还认为，“同种 元素的原子，其大小、质量及各种性质都是相同的。”从而把哲 学意义上的原子论推广到科学的原子论。那么,线度大约在10-10m 的原子是否真的不可再分割了？十九世纪末，连续三年的三大发 现，首开了人们向微观世界进军的先河。它们是： （1）1895年德国的 Rontgen（伦琴）发现X射线； （2）1896年，法国的 Becgue

2、rel（贝克勒尔）发现了放射性； （3）1897年，英国的 Thomson（汤姆逊）发现了电子。 一、X射线的发现 在1895年以前，由阴极射线管产生的X射线在实验里已经存在 了30多年，在X射线发现前，不断有人抱怨，放在阴极射线管附 近的照相底片模糊或感光。如1879年的克鲁克斯，1890年的古 德斯比德等人，但发现 X 射线的却是伦琴。 伦琴，1845年出生于德国的一个商人家庭，1869年在苏黎世 大学获博士学位。1895年11月8日傍晚，伦琴在研究阴极射线管 中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，他用黑纸板 将管子包起来，却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰酸 钡 结晶物质的屏幕

3、发出了荧光，伦琴马上意识到,这 可能是一种前所未有的新射线，经检查发现,射线来自阴极射线 管管壁。 8.1 X射线的产生及其波长强度的测量 令人惊奇的是，当用木头等不透明物质挡住这种 射线时，荧光屏仍然发光，而且这种射线能使黑纸 包住的照相底片感光，不被电磁场偏转。经过一个 多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，因此赋 予它一个神秘的名字-X射线。1895年12月28日，伦 琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于X射线的论 文，论新的射线，并公布了他夫人的X射线手骨 照片。 伦琴的发现引起了极大的轰动，以致于在全世 界范围内掀起了X射线研究热，1896年关于X射线的 研究论文高达1000多篇。对

4、X射线的公布，促使法国 物理学家贝克勒尔也投入到这一研究领域之中，为 了弄清X射线产生的机制。他想，如果把荧光物质放 在强光下照时，是否在发荧光的同时，也能放出X射 线呢？ 于是他把一块荧光物质（铀的化合物-钾铀酰硫酸盐晶体） 放在用黑纸包住的照相底片上，然后放在太阳下晒，结果在 底片上果然发现了与荧光物质形状相同的“像”。一次偶然的 机会使他发现，未经太阳曝晒的底片冲出来后，出现了很深 的感光黑影，这使他非常吃惊。是什么使底片感光呢？跟荧 光物质是否有关呢？他进一步用不发荧光的铀化合物进行实 验，同样使底片感光；可见铀化合物能发出一种肉眼看不见 的射线，与荧光无关。 1896年3月2日，他向

5、法国科学院报告了这一惊人的发 现，从此打开了一个新的研究领域。 放射线的发现看似偶 然，但正如杨振宁先生在评价这一故事时所说的那样，“科 学家的灵感对科学家的发现非常重要；这种灵感必源于 他的丰富的实践和经验。” 使荧光屏发出荧光； 二 X射线的产生 发现：1895年德国大学教授伦琴在做气体放电实 验时首先发现的。 性质：穿透性很强； 对动植物组织有刺激作用。 本质： X射线具有光所具有的一切性质：反射，折射，偏振等，所 以X射线从本质上来说是波长极短的电磁波。0.1nm：软X射线 使气体电离； 使照相底片爆光； X射线的产生 : X射线由X射线管产生。 阴极 电子 真空管 X射线 图5.6

6、X 射线管示意图 三、 X射线波长和强度的测定 1、原理： 利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长，晶体 作为立体光栅，一束X射线射入晶体，发生衍射时， 从任何一晶面上，那些出射方向对平面的倾角与入 射线的倾角相等的X射线，满足布拉格公式: n=2dsin n=1、2、 出射线就会加强。如图5.7 层 d A B 图5.7 布拉格公式推导 2、测量方法 测量波长： OA/r=2 =OA/2 r 已知晶格常数d，测出 值及其对应的n值，代入 布拉格公式，求出。（测量d的方法见教材） 测定强度：由谱线的深浅程度可以测出相对强度。 S1S2 A A1 C P 图5.8 O 每个亮点为劳厄斑点, 对应

7、于一组晶面. 斑点的位 置反映了对应晶面的方向. 由这样一张照片就可以推 断晶体的结构(连续谱的X 射线) 3晶体粉末法(单波长的射线) 每一同心园对应一组晶面,不同的园环代表 不同的晶面阵,环的强弱反映了晶面上原子的 密度大小 4(1) X射线的衍射是研究晶体结构有效方法 晶体衍射图就可以确定晶体内部的原子（或分子 ）间的距离和排列-1915年布拉格父子因此获诺贝尔 物理奖 (2)X射线分析可用来研究高分子的结构 (a) Eu(DBM)3PhenPMMA的广角X射线衍射图 (b) Eu(DBM)3Phen的X射线衍射图 实验表明，X射线谱由两部分构成，一部分波长连续变化 ，称为连续谱，它的最

8、小波长只与外加电压有关；另一部分波 长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，所以称为 标识谱，又叫特征谱，它迭加在连续谱上形成X射线的发射谱 。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。 8.2 X射线的发射谱 连续谱：钨靶，不同的电压 标识谱：钨靶和钼靶，相同的电 压 一、连续谱轫致辐射（杀车辐射） 1、连续谱的特征 在上述产生X射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波长 连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。 1）连续谱与管压的关系（靶不变） 前图表示以钨作阳极材料加不同电压时，以为横轴，辐射 强度为纵轴；在不同管压下得到的波长强度分布曲线。由图 可见，当阳极材料不变时

9、，min和max 随管压V的升高都向短 波方向移动。 2）连续谱与阳极材料的关系（电压不变） 前图表示管压为35KV时，用钼和钨作靶材料时的I曲线 。由图可见 min与靶无关。是由管压V决定的。 电子 离子 光子 图 轫致辐射 2、连续谱产生的微观机制 通过上面对连续谱特征的分析，我们很容易想到，连续谱不 应该是原子光谱，而应该是电子在靶上减速而产生的。可以想 象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度， 其速率从 骤减为0，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的 加速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生X射线连续谱的 原因，用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。 设电子入射速度

10、 ，在靶上减速而损失的能量为 ； 减速过程中的能量差为 ，则 根据上面的分析， 将以光子的形式向外辐射；由于 是 连续变化的，而 是一定的，所以 连续变化. v是连续的，作为极限情况， ，则 从而得 上式表明，电子在电压V下加速而获得能量并全部转化为辐射时 ，由此得 需要指出的是，解释光电效应的Einstein方程是： 当金属的逸出功能很小时，近似的有： 这与上式在形式上是完全相同的。因此，X射线连续谱可称 为光电效应的逆效应。 二、标识谱线状谱（内壳层电子的跃迁） 1、线状谱的特征 a、不同元素线状谱的波长是不同的，从而成为我们识别某种 元素的标准，犹如人的指纹，故得名为标识谱，但是他们的线

11、 系结构是相似的，都分为K,L,M,等线系；且谱线具有精细 结构，K系分为 b、改变靶物质时，随Z的增大，同一线系的线状谱波长向短波方 向移动，但没有周期性变化； c、某元素的标识谱与其化合的状态无关； d、对对一定的阳极靶材料，产产生标识谱标识谱 的外界电压电压 有一个临临界值值. L系分为 等； 2、产生的根源：是原子内层电子跃迁产生的，它反映了原子内 层结构的情况。谱线的波长代表能级的间隔。 图 X射线各线系的产生K KK系线 M MM系线 L L L系线 M（ n=3） L（n=2） K（n=1） 3. 产生机制: 从阴极发出的电子经高压加速成高速电子打到阳 极上,由于电子能量很高,它

12、能深入到原子的内层,将内 壳层电子之一击出原子之外,使原子电离,并在内壳层 出现一个空穴,当邻近内壳层的电子跃迁到这个空穴时 ,就发射出波长很短的 X 射线，由于内壳层能级分立， 所以产生X 射线的线状谱，原子序数较大的元素，内 壳层能级间隔就越大，发出的X 射线的光子能量高， 波长就短，所以波长依次变化，不具有周期性。 一般形式: 四 莫塞莱定律 莫塞莱研究了一系列元素的K线系,发现各元素的 K线系满足下面的规律： K线: L 线: 作业: P248 1、4、5 As 33 Se 34 Br 35 Rb 37 Sr 38 Nb 41 Rh 45 图 8.8 几种元素的线系谱，按 原子序数的次

13、序上下排列 直进射线 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 X 射 线 K 线 系 的 莫 塞 莱 图 2 1 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Z 8.3 同X射线有关的原子能级 一、X射线标识谱的产生（内壳层电子的跃迁） 1、内壳层电子跃迁的前提： 必须有空穴 2、产生电子空穴的方法： a、用高速电子轰击靶核，与原子发生非弹性碰撞； b、内壳层电子吸收高能光子使内层电子电离。 3、标识谱产生的原因：深能级（内壳层）电子电离形成电子 空位，内壳层电子自发重新排列，发出光子，产生X射线标识 谱。 二、内壳层中电离态的能级和跃迁 1、电离能的高低 a、基态

14、时，最内壳层电子最稳定，n越小，En也越小。 b、内壳层电子电离能： n越小，En就越大。 c、内壳层电子电离态能级： n越小，电离态能级En就越大 。 2、电离态对应的原子能级(内壳层) 由电子组态互补定则知，满壳层缺少1个电子所形成的原 子态等价于单电子组态形成的原子态. 3、能级跃迁的选择定则： L=1， J=0、1 (结合P231能级图) X射线通过物质时，我们将X射线称为光子，则根据光子能 量（hv）的不同，它们与物质的相互作用有以下三种情况： a、X射线的光子打在吸收物上，打出电子来，而光子本身 消失了，此即光电效应。对光子来说，这是真实吸收。“光电效 应”的电子可以是自由电子，也

15、可以是束缚电子。光子能量hv不 太大时，发生这种相互作用； b、X射线通过物质后，波长和能量发生改变，此称compton 效应；当hv增大时，发生compton效应； c、光子能量hv大于电子静止质量的两倍时(1.02Mev)，光子 在原子核场附近将转化为一对正、负电子。这被称作电子偶效应 ； 以上三种效应不仅与光子的能量有关，还与靶的原子序数有 关。 第四节：X射线的吸收 1、强度表达式 设一束X射线，射向吸收体前强度是 通过厚度为dx的吸收体后，强度增量为dI，减少量-dI将正 比于dx和通过dx时的强度I，若取比例系数为，则 -dI=I(x)dx 两边积分得: 可见强度I(x)随厚度x按

16、指数衰减(朗伯-比耳定律)。 I I o o I I x x =-dI/（I(x)dx） .(2) 衰减系数，单位是cm-1，表示射线经过单位厚度的减 弱百分数。 2、吸收和散射 X射线强度减弱包括两个过程：吸收和散射，因此是两种过 程的联合效果，即 （1 1）衰减常数）衰减常数 3 3、吸收系数与波长、吸收物的原子序数的关系：、吸收系数与波长、吸收物的原子序数的关系： 4 4、X X射线吸收过程的应用：射线吸收过程的应用： 5 5、吸收限与原子能级：、吸收限与原子能级：P231P231图图. . 从微观上看,吸收是原子的过程, 用单位面积中的原子数和 单位厚度除各系数可得: 作业：作业：p2

17、48 5p248 5、6 6 实验结果-除原来谱线外, 出现波长变长的另 一条线. 波长改变的数值与散射角有关, 随角度的增加 而增强; 且随着散射角的增大, 新谱线增强,原谱线 减弱. 8.4 康普顿效应(Compton)-粒子性粒子性(1927诺贝尔奖) 量子力学解释量子力学解释: : 按照经典理论，光在介质表面反射后按照经典理论，光在介质表面反射后, ,其频率是不会改变的其频率是不会改变的 。然而。然而ComptonCompton在在X X射线与物质散射的实验里却发现，被散射的射线与物质散射的实验里却发现，被散射的 X X射线中，除了与入射射线中，除了与入射X X射线具有相同波长成分外，

18、还有波长增射线具有相同波长成分外，还有波长增 加的部分出现，且这部分加的部分出现，且这部分X X射线的波长因散射角的不同而异。这射线的波长因散射角的不同而异。这 被称作被称作Compton Compton 效应。它是经典理论所无法解释的。而量子理效应。它是经典理论所无法解释的。而量子理 论可给予圆满的解释。光子的能量和动量：论可给予圆满的解释。光子的能量和动量： 按照按照EinsteinEinstein的光子理论，光子的能量为的光子理论，光子的能量为: : 按相对论的能量关系按相对论的能量关系: : 对于光子对于光子 ，所以光子动量，所以光子动量 定量推导: X射线的光子同电子碰 撞的结果.

19、康普顿散射公式-康普顿散射中射线波长的改变与原波长 无关, 只与散射角有关。 入射光子入射光子 初动量初动量 碰后电子动量碰后电子动量 碰后光子动量碰后光子动量 Compton解释是否正确，就要看它的结论是否与实验吻合。 下面我们将对此进行讨论 经整理后经整理后 Compton效应的讨论： 在上式中，令 ， 得 称为Compton波长。 由 的表达式可见 与无关，不论多少， 对实际测量来说，有意义的测量是 在给定方向测量，一定，一定，所以越小， 才越大；所以只对波长较短的的X射线， 才大到足以被观察的程度。而对可见光，很大 ， 很小，所以通常情况下，观察不到这种波长的改变，经典理 论与实验符合的很好。 是一定的；