第六章：x射线

1、第一节第一节 x x射线的发现射线的发现第二节第二节 x x射线的产生机制射线的产生机制第三节第三节 ComptonCompton散射散射第四节第四节 x x射线的吸收射线的吸收 在前面的学习中，我们发现原子的能级和光谱都由原在前面的学习中，我们发现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？这正是下面我们要讨论的问题。产生光谱呢？这正是下面我们要讨论的问题。18071807年，英国物理学家道尔顿依据实验提出：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。气体，液

2、体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成。”他还认为，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。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。从而把哲学意义上的原子论推广到科学的原子论。那么那么, ,线度大约在线度大约在 的原子是否真的不可再分割了？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。进军的先河。它们是：它们是：1010m 1895年德国的年德国的 Rontgen（伦琴）发现（伦琴）发现X射线；射线； 1896年，

3、法国的年，法国的 Becguerel（贝克勒尔）发现了放射性；（贝克勒尔）发现了放射性； 1897 1897年，英国的年，英国的 ThomsonThomson（汤姆逊）发现了电子。（汤姆逊）发现了电子。在在18951895年以前，由阴极射线管产生的年以前，由阴极射线管产生的X X射线在实验里已经射线在实验里已经存在了存在了3030多年，在射线发现前，不断有人抱怨，放在阴极射多年，在射线发现前，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。线管附近的照相底片模糊或感光。如如18791879年的克鲁克斯，年的克鲁克斯，18901890年的古德斯比德等人，年的古德斯比德等人，但发现但发现 X

4、 X 射线的却是伦琴。射线的却是伦琴。18691869年在苏黎世大学获博士学位。年在苏黎世大学获博士学位。18451845年出生于德国的一个商人家庭，年出生于德国的一个商人家庭，X X射线的发现射线的发现伦琴伦琴18951895年年1111月月8 8日傍晚，伦琴在研究阴极射线管中气体放电实日傍晚，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，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，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却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰酸钡 结结晶物质的屏幕发出了荧光晶物质的屏幕发出了荧光伦琴马上意识到伦琴马上

5、意识到, ,这可能是一种前所未有的新射线，这可能是一种前所未有的新射线，经检查发现经检查发现, ,射线来自阴极射线管管壁。射线来自阴极射线管管壁。6() )BaPt CNKA阴极射线管（阴极射线管（CRT）是）是德国德国物物理学家理学家布劳恩布劳恩发明发明的，的，1897年被用于一台年被用于一台示波器示波器中首次与中首次与世人见面。但世人见面。但CRT得到广泛应得到广泛应用则是在用则是在电视机电视机出现以后。出现以后。令人惊奇的是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，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

6、偏转。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，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因此赋予它一个神秘的名字-X-X射线射线18951895年年1212月月2828日，伦琴向德国物理学医学会日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于递交了第一篇关于X X射线的论文，射线的论文，论新的论新的射线射线，并公布了他夫人的，并公布了他夫人的X X射线手骨照片。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起了X X射线研究热，射线研究热，

7、18961896年关于年关于X X射线的研究论文高达射线的研究论文高达10001000多篇多篇. .对对X X射线的公布，促使法国物理学家贝克勒尔也投入到这射线的公布，促使法国物理学家贝克勒尔也投入到这一研究领域之中，为了弄清一研究领域之中，为了弄清X X射线产生的机制。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，也能放出同时，也能放出X X射线呢？射线呢？于是他把一块荧光物质（铀的化合物于是他把一块荧光物质（铀的化合物-钾铀酰硫酸盐晶体）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，结果在底放在用

8、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片上果然发现了与荧光物质形状相同的“像像”。一次偶然的机会使他发现，未经太阳曝晒的底片冲出来后，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？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。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

9、。18961896年年3 3月月2 2日，他向法国科学院报告了这一惊人的发现，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。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，事时所说的那样，“科学家的科学家的灵感灵感对科学家的发现对科学家的发现非常非常重要重要；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。”伦琴在1895年12月28日，维尔茨堡物理学医学学会会刊发表了他关于这一发现的第一篇报告。他对这种射线继续进行研究，先后于1896年和1897年又

10、发表了新的论文。1896年1月23日，伦琴在自己的研究所中作了第一次报告；报告结束时，用X射线拍摄了维尔茨堡大学著名解剖学教授克利克尔一只手的照片；克利克尔带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线命名为伦琴射线。伦琴射线。伦琴射线是人类发现的第一种所谓伦琴射线是人类发现的第一种所谓“穿透性射线穿透性射线”，它能穿透普通光线所不能，它能穿透普通光线所不能穿透的某些材料。在初次发现时，伦琴就用这种射线拍摄了他夫人的手的照片，显穿透的某些材料。在初次发现时，伦琴就用这种射线拍摄了他夫人的手的照片，显示出手骨的结构。这种发现实现了某些神话中的幻想（中国也有示出手骨的结构。这种发现实现了某些神话中的幻想（中

11、国也有“秦王照胆镜秦王照胆镜”的的传说），因而在社会上立即引起很大的轰动，为伦琴带来了十分巨大的荣誉。传说），因而在社会上立即引起很大的轰动，为伦琴带来了十分巨大的荣誉。1901年诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于这一发现而获得了这一年的诺贝尔奖物理学奖。年诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于这一发现而获得了这一年的诺贝尔奖物理学奖。如图，在真空管如图，在真空管 两阴极和阳极之间加高压，阳极两阴极和阳极之间加高压，阳极选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到X X射线，射线，其波长因电压高低的不同而异。其波长因电压高低的不同而异。当当称称硬硬X X

12、射线；射线；称称软软X X射线。射线。68(1010)mmHg0.11nmA0.11nmA当当KAK：灯丝，阴极，发射电子A：阳极，靶，受加速电子轰击发出X射线Be窗真空二极管铜衬，散热，冷却管压105106VX X射线的性质射线的性质1 1）X X射线能使照相底片感光；射线能使照相底片感光； 2 2）X X射线有很大的贯穿本领；射线有很大的贯穿本领； 3 3）X X射线能使某些物质的原子、分子电离；射线能使某些物质的原子、分子电离； 4 4）X X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；5 5）X X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反

13、射、折射、射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。衍射、偏振等性质。19061906年，巴克拉发现年，巴克拉发现x x射线的偏振现象射线的偏振现象19121912年，劳厄发现年，劳厄发现x x射线晶体的衍射射线晶体的衍射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，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，所以称为所以称为标识谱标识谱，又叫，又叫特征谱特征谱-它迭加在连续谱上。它迭加在连续谱上。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。实验表明，实验表明，X射线由两部分构成，一部射线由两部分构

14、成，一部分波长连续变化，称为分波长连续变化，称为连续谱连续谱；连续谱连续谱轫致辐射轫致辐射1 1、连续谱的特征、连续谱的特征在上述产生在上述产生X X射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波射线的装置中，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。长连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。1 1）连续谱与管压的关系（）连续谱与管压的关系（靶不变靶不变）以钨作阳极材料加不同电太时，以以钨作阳极材料加不同电太时，以为横轴，辐射强度为纵轴；为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长在不同管压下得到的波长强度分布曲线。强度分布曲线。由图可见，当阳极材料不变时，由

15、图可见，当阳极材料不变时， 和和 随管压随管压V V的升高都向短波方向移动。的升高都向短波方向移动。minmax2 2）连续谱与阳极材料的关系（）连续谱与阳极材料的关系（电压不变电压不变）与靶无关。是由与靶无关。是由管压管压V V决定的。决定的。min连续谱产生的微观机制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，想象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达

16、不同的深度，其速率从其速率从 骤减为骤减为0 0，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加，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，这便是产生速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生X X射线连续谱的原因，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。用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。0v电子离子光子轫致辐射2012hvmvE损0E 损2max012hvmv设电子入射速度设电子入射速度 ，在靶上减速而损失的能量为，在靶上减速而损失的能量为 ；减速过程；减速过程中的能量差为中的能量差为 ，则则根据上面的分析，根据上面的分析， 将以光子的形式向外辐射

17、；将以光子的形式向外辐射；由于由于 是连续变化的，而是连续变化的，而 是一定的，是一定的，所以所以 连续变化连续变化. .E损0vE2012EmvE损EE损0vE即式即式 中，中，v是连续的，作为极限情况，是连续的，作为极限情况，则则从而得到从而得到max以热能等形式以热能等形式放出给金属放出给金属eV上式表明，电子在电压上式表明，电子在电压V V下加速而获得能量并全部转化为辐射时下加速而获得能量并全部转化为辐射时 2m axm in12h chm veV212hvmvW逸min由此得：由此得：上式最早是杜安（上式最早是杜安（w.Duanew.Duane）和亨特（）和亨特（P.HundP.Hu

18、nd）在实验工作中，）在实验工作中，从实验数据的总结得到的。需要指出的是，解释光电效应的从实验数据的总结得到的。需要指出的是，解释光电效应的EinsteinEinstein方程是：方程是： 当金属的逸出功能很小时，近似的有：当金属的逸出功能很小时，近似的有： 这与（这与（1 1）式在形式上是完全相同的。）式在形式上是完全相同的。 因此，因此，X X射线连续谱可称为光电效应的射线连续谱可称为光电效应的逆效应逆效应。212hvmv1.24()nmV KV2m axm in12h chm veV连续谱连续谱是电子减速过程中形成的，这种辐射又称作轫致辐射是电子减速过程中形成的，这种辐射又称作轫致辐射或

19、者刹车辐射或者刹车辐射1 1、反比于入射带电粒子的质量的平方、反比于入射带电粒子的质量的平方因此对质子等重带点粒子，轫致辐射比起电子产生的几乎可以因此对质子等重带点粒子，轫致辐射比起电子产生的几乎可以忽略忽略2 2、正比于靶核电荷的平方、正比于靶核电荷的平方医学和工业上使用的医学和工业上使用的x x射线往往主要依靠连续谱的那一部分，射线往往主要依靠连续谱的那一部分，因此，在因此，在x x射线管内用得最多阳极靶是钨靶。因为它的原子序射线管内用得最多阳极靶是钨靶。因为它的原子序数大，能输出高强度的数大，能输出高强度的x x射线，而且，钨的熔点高，导热性好，射线，而且，钨的熔点高，导热性好，并易于加

20、工。并易于加工。标识辐射标识辐射线状谱线状谱它是迭加在连续谱上的分立谱线它是迭加在连续谱上的分立谱线线状谱的特征线状谱的特征,K K K,LLL1 1）不同元素线状谱的波长是不同的，从而成为我们识别某种）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，故得名为标识谱，但是他们的线系结构是相似的，元素的标准，故得名为标识谱，但是他们的线系结构是相似的，都分为都分为K,L,M,K,L,M,等线系（按照辐射硬度（贯穿能力）标记等线系（按照辐射硬度（贯穿能力）标记的）；且谱线具有精细结构，的）；且谱线具有精细结构，K K系分为系分为L L系分为系分为等；等；2 2）改变靶物质时，随）改变

21、靶物质时，随Z Z的增大，同一线系的线状谱波长向短波的增大，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；方向移动，但没有周期性变化；元素不同，线状谱的波长不同，但结构相似，元素不同，线状谱的波长不同，但结构相似，因此线状谱被称作元素的指纹因此线状谱被称作元素的指纹标识谱标识谱3）某元素的标识谱与的化合状态无关（）某元素的标识谱与的化合状态无关（有影响，但不大有影响，但不大）；）；4）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。）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。2 2. .线状谱产生的机制线状谱产生的机制 通过对上述特点的分析、归纳、总结、我们可得到如下

22、几点结论：通过对上述特点的分析、归纳、总结、我们可得到如下几点结论：1 1）线状谱产生于原子内层电子的跃迁。线状谱产生于原子内层电子的跃迁。2 2）产生线状谱的条件是：产生线状谱的条件是：a a. .在原子的内层能级上有电子空位；在原子的内层能级上有电子空位；b b. .其他壳层上电子向空位跃迁。其他壳层上电子向空位跃迁。标识谱产生的物理机制：标识谱产生的物理机制：事实上，当外界提供足够大的能事实上，当外界提供足够大的能量时，使原子内层电子电离，从而使原子内层出现空位，外层量时，使原子内层电子电离，从而使原子内层出现空位，外层电子向内层补充，放出的能量便形成了电子向内层补充，放出的能量便形成了

23、X X射线的标识谱。射线的标识谱。电离态能级基态或激发态能级 X射线各线系的产生射线各线系的产生K KK系线M MM系线L L L系线MLK3 3. . 线状谱的定量计算线状谱的定量计算-莫塞莱定律 1913 1913年，英国物理学家年，英国物理学家MoseleyMoseley通过对不同元素（不同通过对不同元素（不同Z Z）的的X X射线标识谱加以分析（共分析了从钴到金的射线标识谱加以分析（共分析了从钴到金的3838种元素）种元素）, ,发现一个规律：发现一个规律： 对同一线系的某条谱线来说，对同一线系的某条谱线来说，不同元素的不同元素的X X射线频率的平方根射线频率的平方根与原子序数与原子序

24、数Z Z成线性关系，变即成线性关系，变即vkZb，比对，比对K线，线，MoseleyMoseley得到一个经验公式得到一个经验公式1620.248 10 (1) ()KvZHz22()nZERhcnKhv21EE 事实上，这个公式可以从玻尔理论得到，根据玻尔理论，内事实上，这个公式可以从玻尔理论得到，根据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中n n能级的状态相似，所能级的状态相似，所以以n n能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示： 式中式中反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子反映了跃迁电

25、子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子感受到的有效电荷是感受到的有效电荷是Z-Z-，这样当，这样当n=2n=2上的电子向上的电子向n=1n=1跃迁产生跃迁产生K线时，我们有线时，我们有 实验表明实验表明1，将其余常数代入得，将其余常数代入得Kv22211() ()12Rhc Z1620.246 10 (1) ()ZHz标识谱作为元素的指纹，产生标识标识谱作为元素的指纹，产生标识X X射线的前提是形成内层的射线的前提是形成内层的电子空穴，以电子空穴，以x x射线为分析的各种方法可以按照产生空穴的方射线为分析的各种方法可以按照产生空穴的方法差异分为：法差异分为：1 1、e-Xe-X：电子轰击产生

26、空穴，称为电子：电子轰击产生空穴，称为电子X X荧光分析荧光分析2 2、P-XP-X：质子轰击产生空穴，称为质子：质子轰击产生空穴，称为质子X X荧光分析（见附录）荧光分析（见附录）3 3、I-XI-X：离子轰击产生空穴，称为离子：离子轰击产生空穴，称为离子X X荧光分析荧光分析4 4、X-XX-X：X X射线辐照产生空穴，称为射线辐照产生空穴，称为X X荧光分析荧光分析1620.248 10 (1) ()KvZHz莫塞莱公式的重要意义：莫塞莱公式的重要意义：莫塞莱公式和莫塞莱实验第一次提供了精确测量莫塞莱公式和莫塞莱实验第一次提供了精确测量Z Z的方法，从而的方法，从而纠正了纠正了CoCo（

27、2727）和）和NiNi（2828）在周期表中的次序）在周期表中的次序莫塞莱的发现，是理解元素周期律的一个重莫塞莱的发现，是理解元素周期律的一个重要里程碑，并可以作为要里程碑，并可以作为X X射线光谱学的开始。射线光谱学的开始。莫塞莱实验还发现：不同元素的标识谱不显莫塞莱实验还发现：不同元素的标识谱不显示周期性示周期性X X射线标识谱是内层电子跃迁，相对固定，射线标识谱是内层电子跃迁，相对固定，元素的周期性是外层电子组态周期性变元素的周期性是外层电子组态周期性变化的反映，元素化学性质主要取决于外化的反映，元素化学性质主要取决于外层电子的状态，元素的化学组合也只与层电子的状态，元素的化学组合也只

28、与外层电子有关。外层电子有关。莫塞莱莫塞莱莫塞莱（莫塞莱（Moseley,Henry Gwyn-Jeffreys）英国物理学家。1887年11月23日生于多塞特郡韦默思；1915年8月10日卒于土耳其的格利博卢。他先后就读于伊顿公学和牛津大学（在这两所学校，他都获得了奖学金）。后来，他在卢瑟福的指导下进行研究，在卢瑟福的那些才华横溢的青年助手当中，数他年龄最小，也最聪明。 这一发现导致了门捷列夫元素周期表的一项重大改进。门捷列夫曾按照原子量的顺序排列出他的元素周期表，但是为了说明周期性，表中在两个地方变更了这一顺序。莫塞莱证明，如果元素是按照它们的核电荷数目（也就是说，按照原子核中的质子数即此

29、后所说的原子序数）排列的，便没有必要作这样的改动。Co-58.933（27）、Ni-58.70（28）然而，如果按照原子序数去排列，情况便迥然不同。原子序数必须是整数，因此，在原子序数为26的铁和原子序数为27的钴之间，不可能再有未被发现的新元素存在。这还意味着，从当时所知的最简单的元素氢到最复杂的元素铀，总共仅能有92种元素存在。进而言之，莫塞莱的X射线技术还能够确定周期表中代表尚未被发现的各元素的空位。实际上，在莫塞莱于1914年悟出原子序数概念时，尚存在七个这样的空位。此外，如果有人宣称发现了填补某个空位的新元素，那么便可以利用莫塞莱的X射线技术去检验这个报道的真实性，例如，为鉴定于尔班

30、关于celtium和赫维西关于铪（hafnium）的两个报道的真伪，就使用了这种方法。 于尔班（Urbain,Georges）法国化学家。1911年他认为他又分离出一种元素，他称之为celtium,他认为这个元素在周期表中是位于锆的下面。1914年当他听说莫塞莱能根据X光来鉴定元素，他便来到牛津把一种稀土元素的混合物送交这位年轻的英国人请求分析。莫塞莱分析证明于尔班认为含有celtium的样品只不过是一些已知稀土元素的混合物（真正位于锆之后的元素是10年后由赫维西所发现的）。所有这一切使于尔班深受感动，于是他致力于让化学界广大人士知道这位行将去世的莫塞莱的工作业绩。 再者，在门捷列夫周期表中的

31、任意两个相邻的元素之间，均可设想插入数目不等的一些元素，因为相邻元素在原子量上的最小差值没有什么规律。这时爆发了第一次世界大战，莫塞莱立即应征入伍，当上了工程兵中尉。当时的人们还很不理解科学对人类社会的重要性，因此不认为有什么理由不让莫塞莱与千百万其他军人一样去战场出生入死。卢瑟福曾设法争取派莫塞莱从事科学工作，但没有成功。1915年6月13日，莫塞莱乘船开赴土耳其，两个月之后在格利博卢阵亡，为一场无足轻重而稀里糊涂的战役送了命。他的死并没有带给英国和全世界任何好处（如果硬要找的话，倒也有一点，就是他把自己的财产遗赠给英国皇家学会）。从他已取得的成就来看（他死时才二十七岁），在战争所杀害的无数

32、人当中，要数他的死给人类造厉的损失最大。如果莫塞莱能活下来的话，无论科学的发展多么难以逆料，他会获得诺贝尔物理学奖如果莫塞莱能活下来的话，无论科学的发展多么难以逆料，他会获得诺贝尔物理学奖这一点则是可以肯定的。西格班继承了莫塞莱的研究工作，并获得了诺贝尔奖。这一点则是可以肯定的。西格班继承了莫塞莱的研究工作，并获得了诺贝尔奖。4 4. .线状谱的标记方法线状谱的标记方法前面提到，前面提到，X X射线标识谱分为射线标识谱分为K,L,M,K,L,M,等线系，每一系的等线系，每一系的谱线也分谱线也分:,:,等。但是，能级并不只与主等。但是，能级并不只与主量子数量子数n n有关。还与有关。还与l,jl

33、,j有关，所以谱线被标记为有关，所以谱线被标记为,(1,2,)iiKKi等。等。K K、L L、M M等为终态等为终态1 1、2 2、3 3、等为初态，等为初态，对应对应K+1K+1、K+2K+2、K+3.K+3.。服从选择定则：服从选择定则：0, 1,0, 1LJ klM5 5、标识谱产生的其它效应、标识谱产生的其它效应1 1）俄歇俄歇(Auger)(Auger)电子电子当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生X X射射线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称Auger Auger 电

34、子。电子。比如，比如，L L电子向电子向K K层跃迁所产生能量将层跃迁所产生能量将M M电子电子电离，则相应的俄歇电子动能为电离，则相应的俄歇电子动能为：kE ,KLMklm 为 、 、层电子的结合能而这些能量是由元素本性决定的，所以而这些能量是由元素本性决定的，所以也是由元素本性决定的，它可以作为元素的标识。也是由元素本性决定的，它可以作为元素的标识。 kE因此因此AugerAuger电子测量可作为分析元素的手段之一；电子测量可作为分析元素的手段之一；对于轻元素发射俄歇电子的几率大对于轻元素发射俄歇电子的几率大对于重元素发射对于重元素发射X X射线的几率大射线的几率大2 2）核激发效应：内层

35、电子间的跃迁，将能量传给原子核，使核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，使原子核跃迁到激发态。原子核跃迁到激发态。以上两个效应，分别是法国物理学家以上两个效应，分别是法国物理学家AugerAuger和日本物理学家森和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。田正一提出的，并分别被实验所证实。电子在同步回旋加速器中，作圆周运动电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产生的辐射。称同步辐射，这实质上时产生的辐射。称同步辐射，这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。种表现。同步辐射同步辐射1、功率大；、功率大；2、能谱连续可调；、能谱连续可调；

36、3、方向性好、方向性好 前面我们讨论了前面我们讨论了X X射线波的一面，事实上，射线波的一面，事实上，X X射线还有粒子射线还有粒子性的一面，下面性的一面，下面1 1. .我们将要讨论的是我们将要讨论的是X X射线的粒子性。射线的粒子性。 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。 经典的散射理论经典的散射理论: :入射的电磁辐射（如入射的电磁辐射（如X X射线）使得射线）使得物质中原子的电子受到一个周期变化的作用力，该物质中原子的电子受到一个周期变化的作用力，该作用力迫使电子以入射波的频率振荡。振荡的电子作用力迫使电子以入射

37、波的频率振荡。振荡的电子必然要在四面八方发射出电磁波，其频率与振荡频必然要在四面八方发射出电磁波，其频率与振荡频率相同。率相同。Compton 效应是继爱因斯坦用光量子说解释光电效应（只涉及效应是继爱因斯坦用光量子说解释光电效应（只涉及光子的能量）后，对光的量子做了进一步的肯定。光子的能量）后，对光的量子做了进一步的肯定。Compton 实验同时证明了爱因斯坦提出的关于光子具有动量的假设。实验同时证明了爱因斯坦提出的关于光子具有动量的假设。 然而然而ComptonCompton在在X X射线与物质散射的实验里却发现，被散射射线与物质散射的实验里却发现，被散射的的X X射线中，除了与入射射线中，

38、除了与入射X X射线具有相同波长成分外，还有波长射线具有相同波长成分外，还有波长增加的部分出现，且这部分增加的部分出现，且这部分X X射线的波长因散射角的不同而异。射线的波长因散射角的不同而异。 这被称作这被称作ComptonCompton 效应。效应。 它是经典理论所无法解释的。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。而量子理论可给予圆满的解释。 Ehv2E p光子的能量的动量：光子的能量的动量： 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00m 所以光子动量所以光子动量 2

39、4220m cc pEcpEchepppCompton Compton 认为，认为，X X射线在物质表面射线在物质表面的散射实际上是光子与电子的碰撞的散射实际上是光子与电子的碰撞过程。碰撞中能量和动量守恒。过程。碰撞中能量和动量守恒。Compton Compton 散射散射则守恒关系为：则守恒关系为：其中其中设入射光子能量为设入射光子能量为hv，动量，动量 p散射光子散射光子能量为能量为 动量动量hvp220hv mchvmcm0221/mvcep初时电子静止，散射后质量初时电子静止，散射后质量m，动量，动量hPhPeP20221/m chvvc022coscos1/m vhvc022sins

40、in1/m vhvc由这组方程可解得由这组方程可解得 此式可变为此式可变为 ComptonCompton解释是否正确，就要看它的结论是否与实验解释是否正确，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。吻合。下面我们将对此进行讨论。 20hvm ch0 11hvhv 0(1 cos )hm c201(1 cos )m c写成标量式后，上式化为：写成标量式后，上式化为：eppp220hv mchvmchPhPeP1 1. .在上式中，令在上式中，令90得得00.002426hnmm c，称为，称为ComptonCompton波长，波长，在给定方向测量，在给定方向测量，一定，一定，一定；所

41、以一定；所以越小，越小，才越大；才越大；经典理论与实验符合的很好。经典理论与实验符合的很好。ComptonCompton解释的讨论解释的讨论 所以通常情况下，观察不到这种波长的改变所以通常情况下，观察不到这种波长的改变与与无关，不论无关，不论多大，多大，的表达式可见的表达式可见由由 是一定的；是一定的；对实际测量来说，有意义的测量是对实际测量来说，有意义的测量是 0(1 cos )hmc(0.1)nm的的X X射线，射线，而对可见光，而对可见光，很大很大 ，很小，很小，所以只对波长较短的所以只对波长较短的才大到足以被才大到足以被观察的程度观察的程度。2 2. .散射光的能量与入射光波长密切相关

42、散射光的能量与入射光波长密切相关上式可改写为上式可改写为20111(1 cos )EEm c由此可见由此可见EE ；除；除0之外，之外，E随随E E 的增大程度是受到一定限制的，的增大程度是受到一定限制的，9020Em c例如例如3 3. .在任一方向，相干散射和非相干散射同时存在在任一方向，相干散射和非相干散射同时存在, ,通常定义通常定义0的散射为的散射为相干散射相干散射， 否则为否则为非相干散射（非相干散射（ComptonCompton散射）散射）。 11hvhv201(1 cos )m c0 事实上，大量光子打向原子时，有些光子同内层束缚电子发事实上，大量光子打向原子时，有些光子同内层

43、束缚电子发生作用，却不能使其电离，总的效果是同整个原子发生弹性散生作用，却不能使其电离，总的效果是同整个原子发生弹性散射，此时射，此时表达式变为表达式变为(1cos)hMc由于由于0Mm故故0这便出现了相干散射。这便出现了相干散射。的微观机制是什么呢？的微观机制是什么呢？4 4. . ComptonCompton波长的测量，为我们提供了另一种测量波长的测量，为我们提供了另一种测量PlanckPlanck常数的常数的方法。方法。00.002426hnmm cComptonCompton波长波长X X射线通过物质时，我们将射线通过物质时，我们将X X射线称为光子，则根据光子能量（射线称为光子，则根

44、据光子能量（hvhv）的不同，它们物质的相互作用有以下三种情况：的不同，它们物质的相互作用有以下三种情况： 1、 X射线的光子打在吸收物上，打出电子来，而光子本身消失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。了，此即光电效应。对光子来说，这是真实吸收。“光电效应光电效应”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不太大不太大时发生这种相互作用；时发生这种相互作用； 2、 X射线通过物质后，波长和能量发生改变，此称射线通过物质后，波长和能量发生改变，此称Compton效效应；当应；当hv

45、增大时，发生增大时，发生compton效应越容易；效应越容易； 3、 光子能光子能hv大于电子静止质量的两倍时（大于电子静止质量的两倍时（1.02Mev1.02Mev），光子在原），光子在原子核场附近将转化为一对正、负电子。这被称作子核场附近将转化为一对正、负电子。这被称作电子偶效应电子偶效应；以上三种效应不光与光子的以上三种效应不光与光子的能量能量有关，还与靶的有关，还与靶的原子序数原子序数有关。有关。1 1.X.X射线吸收的强度表达式射线吸收的强度表达式0I0( )xI xI e可见强度可见强度I(x)随随厚度厚度x指数衰减指数衰减。设一束设一束X X射线，射向吸收体前强度是射线，射向吸收

46、体前强度是通过厚度为通过厚度为dx的吸收体后，强度增量为的吸收体后，强度增量为dI，减少量，减少量-dI将正比将正比于于dx和通过和通过dx时的强度时的强度I，若取比例系数为若取比例系数为，则则-dI=I（x）dx两边积分得两边积分得朗伯朗伯-比耳定律比耳定律（1 1）线性吸收系数）线性吸收系数1cm即吸收长度即吸收长度1它表示透射粒子占入射粒子它表示透射粒子占入射粒子30%30%时吸收体的厚度。时吸收体的厚度。2 2. .关于吸收系数的讨论关于吸收系数的讨论式中，式中，x单位单位:cm，单位：单位：0( )xI xI e朗伯朗伯-比耳定律比耳定律称其为线性吸收系数。通常定义称其为线性吸收系数

47、。通常定义1x时的时的x为吸收长度，为吸收长度，为了使吸收系数的数值不依赖于吸收体的物理状态（汽、液为了使吸收系数的数值不依赖于吸收体的物理状态（汽、液、固），定义质量吸收系数、固），定义质量吸收系数其中其中是吸收体密度。是吸收体密度。 式中式中x称为质量厚度，单位是称为质量厚度，单位是2/cmmg称为质量吸收系数，单位为称为质量吸收系数，单位为mgcm /2（2）质量吸收系数质量吸收系数0( )xI xI e( )()0( )xI xI e 由前面的讨论可知，由前面的讨论可知，X X射线同物质的作用有三种，有些情况射线同物质的作用有三种，有些情况下，三种效应都是存在的。所以定义一个总吸收系数，它是三下，三种效应都是存在的。所以定义一个总吸收系数，它是三种效应的迭加，即：种效应的迭加，即：光电康对偶 描绘出描绘出随随X X射线能量的变化曲线是分析吸收体的常用方法。射线能量的变化曲线是分析吸收体的常用方法。（3 3）总吸收系数）总吸收系数在在EE图中，在某一个能量图中，在某一个能量E E处，处，发生突