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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 Becguerel（贝
2、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 结晶物质的屏幕发出了荧光，伦琴马上意识
3、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X射线的公布，促使法国物理学家贝克勒尔也投入
4、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
5、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,图5.6 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
6、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。,O,每个亮点为劳厄斑点,对应于一组晶面. 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
7、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
8、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,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，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。,光子,图 轫致辐射,2、连续谱产
9、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 ，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.,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
10、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 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、对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外界电压有一个临界值.,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,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,它能深入到原子的内层,将内壳层
11、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，按原子序数的次序上下排列,直进射线, 8.3 同X射线有关
12、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
13、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)，
14、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按指数衰减(朗伯-比耳定律)。,=-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）衰减常数,3
15、、吸收系数与波长、吸收物的原子序数的关系：,4、X射线吸收过程的应用： 5、吸收限与原子能级：P231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：p248 5、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(1927诺贝尔奖),量子力学解释: 按照经典理论，光在介质表面反射后,其频率是不会改变的。然而Compton在X射线与物质散射的实验里却发现，被散射的X射线中，除了与入射X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X射线的波长因散射角的不同而异。这被称作Compton 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： 按照Einstein的光子理论，光子的能量为: 按相对论的能量关系: 对于光子 ，所以光子动量,定量推导:,X射线的光子同电子碰撞的结果.,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。,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,