原子物理8课件

1、教学内容,第八章 X射线,要求:,（1）了解X射线发现的实验事实、产生方法，掌握X射线的连续谱与标识谱的特征和产生的机制，解释同X射线有关的原子能级产生的原因。 （2）了解X射线的吸收的规律，掌握康普顿散射，理解光子与物质的相互作用，了解同步辐射装置的原理与应用。 （3）了解X射线在晶体中的衍射的规律。,克鲁克斯设计了高真空的阴极射线管，后人称克鲁克斯管。1879年他证明了阴极射线是带电的粒子流（后汤姆孙进一步确认为是电子）。他还同时抱怨阴极射线管附近使照片发生莫名其妙的感光一事。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，伦琴用黑纸把阴极射线管包起

2、来，发现1m远处的荧光屏上发出微弱的荧光，甚至将屏移出2m之外还有荧光出现。这种射线走直线，不反射、不折射，也不受磁场偏折。所以他称未知的射线为X射线。但它的穿透性很强，可穿透他夫人的手显示出手骨骼图象。,x射线的发现,1895年12月28日，伦琴宣读了第一篇报告“论新的射线”并公布他妻子的手指骨的X光像片,该照片在医学上具有划时代意义。 1901年获第一个诺贝尔物理奖。,虽然人们在实验室里操作阴极射线管有很久,但发现x射 线的却是伦琴,所以又把它称为伦琴射线。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

3、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，他向法国科学院报告了这一惊人

4、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。”,1921劳厄证明了X射线是波长在,软X射线,硬X射线,研究表明，和原子外层电子的跃迁形成原子 光谱一样，X射线是由原子内层电子的跃迁形成的， X射线光谱是研究原子内层电子结构的重要手段。,的电磁波。,为什么?,光学光谱:原子受激发,价电子跃迁所获得的谱。( 从红外线-可见光-紫外线： 10-3-10-9米）,原子光谱,X射线光谱：原子内壳层电子跃迁所获得的谱。,8-1 X射线的产生及其波长和强度的测量 一、X射线的

5、特点 1、人眼看不见，但能使照相底片感光，使一些物质发荧光。还能使气体电离. 2、波长短，穿透能力强，能透过一些可见光不能透过质。 本质： X射线具有光所具有的一切性质,也会发生 反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象。 3、在电磁场中不会被偏转（不是带电粒子）。 4、对生物体有生理破坏作用。,二、X射线的产生 X射线是由高速运动电子打击在物体上产生的，主要装置是X射线管。,压强为10-6-10-8毫米汞柱,钨、钼、铂等重金属组成，也可以是铬、铁、铜等轻金属制成,几万伏几十万伏高压,1895年伦琴只用了几千伏的电压,三、 X射线波长和强度的测定 1、布喇格公式 1912年，劳厄指出X射线是波长很短

6、的电磁波。他借助晶体天然光栅观察X射线的衍射。证明了X光的波动性。劳厄因研究晶体的X射线获1941年诺贝尔物理奖。,晶体可形成许多不同取向的晶面。 X射线经晶面距为d的晶面反射时，凡光程满足,在方向衍射的X光将得到加强，出现了劳厄光斑。该式称布喇格公式。,S1,S2,A,A1,O,C,P,2、X射线波长的测定,3、X射线强度的测定,由谱线的深浅程度可以测出相对强度。,可测出X射线的波长,X射线连续光谱 两类 X射线的特征谱 (标识谱),8-2 X射线的发射谱,和原子光学光谱的区别,注意:,实验发现， X射线谱由两部分组成：波长连续变化的连续谱和由分立谱组成的特征谱或称标识谱。,标识谱（分离的线

7、状谱）重叠在连续谱上,一、X射线连续谱,1、产生条件:仅当电子的能量不超过某一限度时,才 只发射连续谱。,2、连续谱的主要特点,强度随波长变化 在长波方向强度下降较缓慢，短波方向强 度下降快，有明显的短波极限 和最高频率,由能量守恒:,1/2 mv2 = ev =hc/ + 消耗在靶上的热能,通常 :,ev =h = hc/ （为转化为光子能量的比例系数),当 = 1 , ev = hc/ 极小, =0 , ev = h = 0,0 1 ev = hc/ , 连续变化 是连续变化,与靶的材料无关 ，与加速电压有关随 加速电压增加 减小。,连续谱是由入射电子引起的。,连续谱的能量来自电子动能,3

8、、连续谱产生的原因（产生机制） 带电粒子在加(减)速运动时，将伴随有电磁波辐射。当带电粒子(电子)进入靶内，在靶核的库仑场作用下，骤然减速，速度连续减小，发射出波长连续的X射线，形成连续谱。这种辐射又称轫致辐射。由于电子的速度是连续变化的，因此辐射的X射线的波长也是连续变化的。这就是产生连续谱的原因。,理解和记住产生的原因,光子,轫致辐射,说明（1）轫致辐射是光电效应的逆效应 （2）可以用实验中得到的V， 来推算普朗克常数 h，这样得到的h与光电效应测得的h值相符合。 二、标识谱,X射线标识谱是巴拉克于1906年发现的。他观察到连 续谱上出现一系列分立谱线，并用K、L、M字母标识， 因标识谱的

9、发现使他获1917年的诺贝尔物理奖。1913年莫塞莱测量了38种元素的X射线，发现各元素发射X射线频率的平方根1/2与原子序数Z成线性关系。,1、标识谱的特点 （1）标识谱是叠加在连续谱上分离的线状谱。,（2）波长与加速电压无关，决定于靶的材料。 （3）同种元素有相同的标识谱线，不同种元素的标识谱线不同。可根据谱线识别元素。 （4）不同种元素的标识谱线有相似结构。可以清楚的分为以下几个线系。 K线系：波长最短的一组，可观察到三条谱线,波长为,L线系：比K线系的波长更长一些，谱线较多的一组谱线。依次还有M，N线系。,波长依次增加,（5）X射线管需要加几万伏 电压才能激发出某些射线，X 射线标识谱

10、的光子能量很大（射线的频率很高）是原子 光谱中光子的能量103倍104倍。 2、标识谱线规律莫塞莱定律 莫塞莱在研究一系列元素的K线后发现各元素K线系 具有某种规律性。,（1）在玻尔理论的启发下，得到莫塞莱K线公式,对Z基本上是线性关系,（2）对L线系进行研究发现L线系,（3）莫塞莱公式的通式,屏蔽常数b： 不同线系，b值不同（如K系b=1，L系b=7.4） 同一线系，不同元素，b值为一常数（近似）,3、标识谱产生的原因 标识谱是靶原子发出的，标识谱的光子能量很大（射线 的频率很高）所以X射线的线状光谱不可能由外层电子的 跃迁产生的。而必定是由原子中能量相差很大的两个能 级之间跃迁产生的。 K

11、线系是第K层（n=1）以外的各壳层电子跃迁到K壳 层空位上形成的。L壳层（n=2）电子跃迁到K壳层（n=1） 空位上形成K线，波长最长，强度最大。 M壳（n=3）电 子跃迁到K 壳层（n=1）空位上形成K线。 N壳层（n=4） 电子跃迁到K壳层（n=1） 空位上形成K线。,注意,K线系的形成,L线系是第L壳层（n=2）以外的各壳层电子跃迁到L壳层 的空位上形成的。M线系是第M壳层（n=3）以外的各壳 层电子跃迁到L壳层的空位上形成的。N线系是第N壳层 （n=4）以外的各壳层电子跃迁到L壳层的空位上形成的。 标识谱反映了原子内层的结构情况，谱线的波长代表 能级的间隔，谱线的精细结构显示能级的精细

12、结构，对研 究原子结构问题有重要的意义。如X荧光分析技术分析样 品内元素的性质和含量。,8-3同X射线有关的原子能级 一、内层电子的跃迁产生X射线标识谱 1、 X射线标识谱产生的条件 内层有电子空位，按照能量最小原理，原子内层电 子已填满，根据泡利原理不可能在增加内层电子。故必 将内层电子电离，产生电子空位。 2、产生电子空位的方法 高速电子对原子的非弹性碰撞。 吸收足够高能量的光子。 使各层电子电离的能量是不同的，n小能量大。,产生标识谱的原因,3、同X射线有关的原子能级 不难看出，其能级结构十分类同碱金属能级结构，X射线是内层电子的跃迁。为此，需先将内层电子电离形成空穴。由于满壳层的轨道角

13、动量、自旋角动量和总角动量都为零，所以少一个电子壳层的上述角动量分别与该壳层只有一个电子的角动量相同（只是方向相反）。由此推知，少一个电子的原子态（即电离态）与只有一个电子（碱金属）的原子态相同。 当K壳层的一个电子被电离后，原子处于电离态。电离态的能级与中性原子未电离的基态能相比为最高。L层的电离态能级次之，形成电离态能级。,二、产生X射线标识谱的跃迁选择定则,K系,L系,8-4X射线的吸收 一、X射线的吸收律 1、,I,X,I0,X射线,衰减常数：X射线通过单位厚度的物质 时强度减弱的百分比。,2、衰减常数的物理意义 表示了吸收物对X射线减弱作用的大小。 3、衰减方式 （1）X射线被物质吸

14、收 （2）X射线被物质散射，射线改变了方向，使原方向 强度减小。,二、衰减常数代表两种过程的联合效果,1、,：表示X射线通过在单位面积具有单位质量那么一层后减弱的百分数，称为质量衰减常数,：质量吸收系数,：质量散射系数,真吸收系数,散射系数,吸收物的 密度,2、实验证明,说明（1）靶的原子序数越大，吸收越强。 （2）射线波长越长（频率越小），被吸收越强， 贯穿本领越小。反之，频率高，贯穿本领越大。,三、吸收限 1、吸收系数随波长的减小而降低，但当波长减到 某一数值时，吸收系数突然增加。 2、吸收限 吸收系数突然增加处所对应的波长,3、各吸收限表示原子中有 一个电子电离时需要吸收的 能量，吸收限

15、对应的是基态 能级与这个电离能级之间的 跃迁。,5康普顿效应,一、康普顿效应 前面讨论了X射线波的一面，事实上X射线还有粒子性的一面。按照经典理论，光在介质表面反射后，其频率是不会改变的1923年，康普顿在研究X射线经物质的散射实验中发现，散射的X光除有原入射波长成分外，还有波长较长的部分，其波长差随散射角而变。它是经典理论无法解释的，而量子理论可以给予圆满的解释。,1、康普顿的实验装置,石 墨 的 康 普 顿 效 应, (埃),0.700,0.750,1.散射X射线的波长中有两个峰值,与散射角有关,3.不同散射物质，在同一散射角下波长的改变相同。,4. 波长为的散射光强度随散射物质原子序数的

16、增加而减小。,2、康普顿效应的规律,二、光子理论对康普顿效应的解释,1、经典瑞利散射不能解释散射波长随的变化，康普顿应用了爱因斯坦的光子概念，认为X射线经物质的散射是光子与外层电子（可视为自由电子）的碰撞过程。在碰撞中遵从能量和动量守恒,2、高能光子和低能自由电子作弹性碰撞的结果。 （1）若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子, 光子的能量减少，因此波长变长，频率变低。,（2）若光子和内层电子相碰撞时，碰撞前后光子能量几乎不变，故波长有不变的成分。,（3）因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。,光子的动量：,射线原有的频率为 ，散射后的频率为 所以光 子碰撞前后的能量分别为 和,碰撞后,碰撞前，电子平均动能（约百分之几eV），与入射的X射线光子的能量（104105eV）相比可忽略，电子可看作静止的。由相对论原理可知：电子在,3、康普顿效应的定量分析,碰撞前,速度 V,（1）碰撞前,（2）碰撞后,（3）动量守恒,X,由能量守恒:,由动量守恒:,康普顿散射公式,说明在康普顿散射时射线波长的改变与原波长的大小无