原子物理课件

1、第六章 X射线,主要内容：,2、X射线的产生机制,3、康普顿散射,4、X射线的吸收,1、X射线的发现及其特性,重 点：,1、X射线的产生机制,2、康普顿散射,6.1、X射线的发现及其波性,威廉伦琴(Rontgen, W.K.) （18451923）,X射线也被称为伦琴射线，是德国物理学家伦琴于1895年发现的。当时他正在研究阴极射线，偶然发现放在阴极射线管附近的荧光屏上发出了荧光。经过查找，证实是阴极射线管壁发出的新射线使荧光屏发光的。他把这种射线命名为X射线。后来研究表明X射线是一种波长很短的电磁波，其波长范围为0.001nm10.0nm。,The Nobel Prize in Physic

2、s 1901,发现X射线,这个发现成为19世纪90年代物理学上的三大发现之一。1901年，伦琴因为发现X射线成为了诺贝尔物理学奖的第一个获得者。,这种射线具有几个特点：,它具有很强的穿透性，能透过纸板、薄铝板和人体等,它以直线传播，不因电磁场作用而偏转,它能使照相底片感光，使气体电离,一、X射线的发现,X射线的发现，开创了人类探索物质世界的新纪元。伦琴因发现X射线而揭开了20世纪物理学革命的序幕，成为20世纪最伟大的物理学家之一。,二、X射线管,凡是以高速运动的电子碰到任何障碍物，都能产生X射线。,因此为了获得X射线，必须有一这样的仪器，它可以：,（1）用某种方法得到一定量的自由电子；,（2）

3、迫使这些电子在一定的方向上以很大的速度运动；,（3）在电子运动的路途上设且一个急剧阻止电子的障碍物（靶）。,产生X射线最常用的方法是让加速的电子轰击靶子（通常用高熔点的金属材料制成），从而发出X射线。,在一个真空管里装有灯丝电极（阴极）K和靶子（阳极，或对阴极）P。灯丝通电加热后打到阳极上，就能产生X射线。由于电子打在靶子上面使其温度升高很大，所以一般的靶子都是用高熔点的金属制成。,能量足够高的光子照射物质材料,原子核在发生自发转变时,高速运动的带电粒子也会产生电磁辐射（同步辐射）,其他方法：,三、X射线的波性,波动性：衍射、干涉、偏振等。,1906年，巴克拉用实验证明了X射线的偏振特性。,1

4、912年，劳厄提出了X射线的衍射实验并被证实。,四、X射线的偏振,1、偏振,横波是质点振动方向与传播方向垂直的机械波。,纵波是质点的振动方向与传播方向一致的波。,机械横波的检验,若振动方向平行AB 通 若把AB旋900 则 不通,只有横波有偏振现象，而纵波无偏振问题,偏振: 波的振动方向相对传播方向的不对称性。,腰横别扁担进不了城门,形象说明偏振片的原理,线偏振光,在纸面内振动,垂直纸面的振动,光波的振动方向只有一个,线偏振光的检测,检偏器旋转一周，光强两强两弱，能够消光。,起偏和检偏,2、X射线的偏振,五、X射线的衍射,X射线的本质和光一样，是一种电磁波，但它的波长比可见光短得多。因此它也具

5、有反射、折射、干涉、衍射、偏振等波动的特性。,发现晶体的X射线衍射。,The Nobel Prize in Physics 1914,M.V.Laue(1879 1960),晶体由原子的规则排列构成，晶体中两个相邻原子的间隔约为0.1nm的数量级，这与X射线波长数量级相同，因此，晶体对X射线来说可以作为天然的光栅。,1912年，德国物理学家劳厄（M.V.Laue)设想：天然晶体可以看作是光栅常数很小的空间三维衍射光栅，适合于X射线的衍射。,劳厄实验：在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点，称为劳厄斑证实了X射线的波动性。,劳厄相,1912年，弗里德里克和厄平在劳厄的建议下，做了X射线对单晶的衍射

6、实验。得到了劳厄相片。,单晶，连续波长入射,德拜相,利用单色X射线入射多晶粉末,布拉格（Bragg）公式,图中所示的两条射线，它们经过晶体衍射后的路径会不同，两条路径的长度差为 ，,衍射产生干涉极大值的条件就是,这就是布拉格公式。,6.2、X射线产生的机制,一、X射线的发射谱,X射线测谱仪,右图所示的装置中可以测量X射线的强度以及波长。,实验测量发现，X射线的发射谱线由两个部分构成，一部分是波长连续变化的连续谱，用不同动能的电子轰击不同材料的靶子时，所产生的连续谱具有相似的形状，都有确定的最短波长，连续X射线谱与靶金属的性质无关；另一部分是具有分立波长的线状谱，这些谱线的波长只取决于靶材料的化

7、学元素，因此又称为标识谱。,二、连续谱轫致辐射,连续谱的一个显著特点就是对于确定的工作电压V，存在一个波长的最小值 ，它和阳极材料的性质无关，只取决于工作电压V。实验表明， 和工作电压V有如下关系,或,这里的 也就是连续谱的最高频率。,连续谱是电子在靶上被减速而产生的；高速电子到了靶上，受靶中原子的作用而速度骤减，电子的动能转化成辐射能，就有射线放出，这样的辐射称为轫致辐射。,将常数带入后，最短波长还可以表示为,可见，如果在实验中测得了 和V，就可以由此算出普朗克常数，这也是早期测定普朗克常数的一种有效方法。,量子极限,轫致辐射的强度：,与入射带电粒子的质量平方成反比,与靶核电荷数的平方成正比

8、,因此，医学、工业上使用的X射线多采用钨靶。,X射线的产生过程可以看成光电效应的逆过程。,三、特征辐射（标识辐射）,标识谱线最早被巴克拉（Barkla）于1906年发现，它是叠加在连续谱上的细锐的线状谱，只有当工作电压超过某一临界值时才会出现。它与阳极材料有关。, 同种元素，无论它是单质，还是存在于化合物中，其标识谱都是相同的，不同元素的标识谱不同。, 随着元素原子序数的增大，标识谱线的波长单调地减小，而并不像光学谱那样出现周期性变化。, 标识谱线的数目通常比光学光谱要少，结构也较简单。它们也分成几个线系。,莫塞莱定律,英国物理学家莫塞莱（Moseley）在研究了从铝到金的38种元素的X射线标

9、识谱线波长后，于1913年总结出了一个规律：标识谱K线系的频率 近似地正比于产生该谱线的元素的原子序数Z的平方。这一规律被称为莫塞莱定律。,他给出了 线波数的经验公式,后来，人们对L线系也作了研究，发现有和K线系类似的近似关系，只是其中的屏蔽因子和前面的数值系数有所不同，如对 线有,莫塞莱的实验第一次提供了精确测量原子序数Z的方法，历史上就是用莫塞莱公式定出了元素的原子序数Z，并纠正了 和 在周期表上的次序。,X射线K线系的莫塞莱图,几种原子的K线系,经过人们的研究，得出了标识谱的一些特性, 各种元素的标识谱有相似的结构，不同于可见光的光谱彼此相差可以很大。, 按原子序数的次序比较各元素的标识

10、谱，谱线的波长依次变动，不具有周期性。, K线系甚至L线系的结构与化学成分无关。, X射线需要加几万伏的电压才能激发出某些线系。X射线的光子能量比可见光的光子能量大得多。,X射线的标识谱是靶子中的原子发出的，但是它不显示出周期性的变化，与化学成分无关，且光子能量很大，因此可以认为这是原子内层电子跃迁的结果。各元素原子的内层电子填满后，壳层的结构是相同的，不同的只是对应于各层的能量的数值。周期性的变化和化学性质也是外层电子的性质。X射线既然没有这些性质，足见是由内层电子跃迁所发出的。,我们还可以看到，前面这些式子与玻尔氢原子的公式非常相似，也可以用玻尔理论来说明，,例如对于 线系，是电子在n=2

11、和n=1之间跃迁所发出的辐射，但不同的是用（Z-1）代替了Z，这是因为对多电子原子的内壳层n=1层出现空位时，考虑到电子的屏蔽效应，在n=2层中的电子感受到的是（Z=1）个正电荷的库仑作用，所以X射线的 线系的波数具有 的形式。,同理，可以将 线系解释为对应于内层电子在n=3和n=2之间的跃迁。这些都说明X射线标识谱是由原子中内层电子的跃迁产生的。,研究表明，K线系是最内层（n=1）以外各层的电子跃迁到最内层的结果，L线系是第二层（n=2）以外各层的电子跃迁到第二层的结果，M线系是第三层（n=3）以外各层电子跃迁到第三层的结果。,K线系中的 线，波长最长，强度最大，是第二层电子跃迁到第一层时所

12、发射的；而 线则是第三层电子跃迁到第一层时所发射的，波长较短；强度最弱的 线是第四层电子跃迁到第一层时所发射的。其余各线类似。,可见，标识谱反映了原子内层结构的情况。谱线波长代表能级的间隔，谱线的精细结构显示能级的精细结构。所以X射线标识谱对研究原子结构具有重要的意义。,以X射线为分析手段的方法，以产生空位的方法命名：,e-X，用电子束产生空位，称为电子X荧光分析；,p-X，用质子束产生空位，称为质子X荧光分析；,I-X，用离子束产生空位，称为离子X荧光分析；,X-X，用X射线产生空位，称为X荧光分析；,电子内壳层的跃迁,K X射线,L X射线,M X射线,对于K线系,K X射线,K X射线,

13、K X射线,四、特征辐射的标记方法,镉原子的X射线能级图,把原子中各层电子电离出去所需的能量是不同的。最内层电子在原子中的能量最低，第二层较高，第三层更高，依次类推。所以要使最内层的电子电离，需要提供的能量最大（约为104eV），其次是第二层，依次类推。,因此，标识谱线的结构取决于原子内层的电子壳层结构。只有在较重的元素中，其M壳层、N壳层才可能是闭合的内壳层，也才有可能产生M线系、N线系的标识谱线。,不同元素的原子具有相似的内层结构，只是各壳层的能量不同，因而它们的标识谱线都有相似的成分，只是波长不同而不显示周期性。,五、俄歇电子,另一种非辐射过程，通过库仑相互作用将能量转移给另一外层电子。

14、非辐射效应如图所示，称为俄歇效应，所发射出的电子在1925年由法国物理学家俄歇（Auger）首先发现的。,俄歇电子的能量决定于原子内层能级的结构，因此对俄歇电子的能量和强度的研究能使我们得到关于原子的结合能、状态量子数信息。测量固体材料俄歇电子谱可以用来分析材料，特别是关于表面的一些组成和结构的情况。,对于Z小的原子，外层电子跃迁入内层空位通过俄歇效应的几率比发射X射线的几率大。当Z超过35时，发射X射线的几率将超过俄歇效应。在原子发射俄歇电子后，原子中将出现两个空位，它往往通过发射X射线而退激发，因此俄歇效应常伴随有X射线的发射。,六、电子跃迁诱发原子核激发,当原子壳层中有电子空位时，可以发

15、射X射线，也可以发射俄歇电子，还可以使原子核激发。,1973年，日本大阪大学森田正人从理论上建议这种新的能量转移机制，并为实验所证实。,七、同步辐射,这是一种新型的产生X射线的手段。,同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射 也叫同步光。这种光是1947年在美国通用电器公司的一台70Mev的同步加速器中首次观察到的，被命名为同步辐射。,接近光速运动着的电子或正电子在改变运动方向时放出的电磁波叫做辐射波，因为这一现象是在同步加速器上发现的，所以称为同步辐射。这种电子的自发辐射，强度高、覆盖的频谱范围广，可以任意选择所需要的波长且连续可调，因此成为一种科学研究的新光源

16、。,在雨中快速转动雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。利用弯转磁铁可以强迫高能电子束团在环形的同步加速器以接近于光速作回旋运动，在切线方向会有电磁波发射出来。,1、直线加速器,2、回旋加速器和电子感应加速器,3、同步加速器,同步辐射的类型,另外还有印度、巴西、西班牙、加拿大、荷兰、瑞士、泰国、新加坡等国家均建有同步辐射光源实验室。,我国的同步辐射事业,从20世纪70年代末北京正负电子对撞机（BEPC）的建造开始。,第一代：北京同步辐射装置（BSRF）。2.2Gev,第二代：国家同步辐射实验室（NSRL）。800Mev,第三代：上海（SSRF）。3.5Gev,同步辐射光的特点,1、高强度

17、,如用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。高亮度的特性决定了同步辐射光源可以用来做许多常规广源所无法进行的工作。,2、能谱宽,同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软X射线一直延伸到硬X射线（如图），是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长，进行单色光的实验。,3、方向性好,利用同步辐射光学元件引出的同步辐射光源具有高度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行极小样品和材料中微量元素的研究。,4、脉冲性,同步辐射光是由储存环中周期运动的电子束团辐射发出的，具有

18、纳秒至微秒的时间脉冲结构。利用这种特性，可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程、生物细胞的变化等。,与可见光一样，储存环发出的同步辐射光根据观察者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。,5、偏振性,同步辐射的应用,同步辐射光是一个连续的波谱，从而为相关科学研究提供高亮度、高准直性的优质光源。对于同步辐射的应用有以下几个大方面的应用。,6.3、康普顿散射,ArthurHolyCompton（18921962）,康普顿效应,The Nobel Prize in Physics 1927,对于X射线通过物质时逐渐减弱是由于两种过程：吸收和散射。这里先讨论散射问题。,早

19、在1912年，就有人发现X射线被物质散射后波长有变长的现象。1922年康普顿作了大量实验证实了这种实验现象，发现散射光除了有波长不改变的部分外，还有波长变长的部分。后人把这个现象称作康普顿效应。,一、经典考虑,实验结果：, 对于不同的散射角，除了有原波长外，都出现了波长增加的谱线；, 波长差随散射角而变化，与原波长无关；, 对于不同的元素，相同的散射角方向上，波长差与散射物无关；, 原波长谱线的强度随散射物原子序数的增加而增加，新增的谱线强度随原子序数的增加而减小。,经典理论又一次遇到困难 经典散射理论： 当波长0的射线入射后，使电偶极子受迫振动 发出散射波的波长在各方均是0。 无法解释波长改

20、变和散射角的关系。 康普顿采用了爱因斯坦的光量子假说 成功地解释了实验现象， 进一步证明了光量子假说的正确性。,二、量子解释,光子理论认为康普顿效应是高能光子和低能自由电子作弹性碰撞的结果，具体解释如下：,若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子,散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长，频率变低。,若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。,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。,康普顿假设: 碰撞过程 遵守能量守恒定律和动量守恒定律,利用相对论能量与

21、动量关系,得出结果, 康普顿散射公式,上式说明：波长改变与散射物质无关，仅决定于散射角；波长改变随散射角增大而增加。,由以上讨论可知，散射光波长的增加是由于碰撞时入射光子将部分能量给了电子的结果，如果电子被原子束缚得很紧，不能从光子处获得能量，那么散射光的波长也不会发生变化。,三、物理意义,1、电子的康普顿波长,当散射角为90度时，得到, 电子的康普顿波长,其物理含义是，入射光子的能量与电子的静止能量相等时所对应的光子的波长。,折合电子康普顿波长约为经典电子半径的137倍。,2、 只决定于 ，而与 无关。,波长改变最大,这就是康普顿散射引起的最大位移，即入射波长能够增长的最大数值。,3、 与

22、紧密相关。,散射光子的能量随入射光子的能量增大而增大，但除了 以外。,4、相干散射,在康普顿散射中总是伴随着 的散射，称为相干散射。,如果光子与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生碰撞（内层电子）相当于光子和整个原子碰撞（m0是原子质量） 这样，散射光的能量(波长)几乎不改变从而散射线中还有与原波长相同的射线。原子序数愈大的散射体原波长的成分愈多。,四、康普顿散射与基本常量,根据康普顿位移与三个基本常量之间的关系，进行基本常量的测定。,测定普朗克常量h,测定光子能量,康普顿散射实验的意义,支持了“光量子”概念，进一步证实了,首次在实验上证实了爱因斯坦提出的“光量子具有动量”的假设,P = E/c

23、 = h/c = h/,证实了在微观的单个碰撞事件中动量和能量守恒定律仍然成立,康普顿 （A. H.Compton) 美国人(1892-1962）,康普顿在做康普顿散射实验,吴有训对研究康普顿效应的贡献,1923年参加了发现康普顿效应的研究工作,对证实康普顿效应作出了重要贡献,19251926年，吴有训用银的X射线(0=5.62nm) 为入射线，以15种轻重不同的元素为散射物质在同一散射角( )测量各种波长的散射光强度做了大量X 射线散射实验。,吴有训 (18971977),1. 与散射物质无关，仅与散射角有关,曲线表明,吴有训的康普顿效应散射实验曲线, 证实了康普顿效应的普遍性 证实了两种散

24、射线的产生机制 外层电子(自由电子)散射 0内层电子(整个原子)散射,在康普顿的一本著作“X-Rays in theory and experiment”(1935)中19处引用了吴的工作。两图并列作为康普顿效应的证据。,意义:,吴有训对康普顿效应最突出的贡献在于测定了x射线散射中变线、不变线的强度比率R随散射物原子序数变化的曲线，证实并发展了康普顿的量子散射理论。,例：波长为 的X射线与静止的自由电子碰撞,现在从和入射方向成 角的方向去观察散射辐射。求: (1) 散射X射线的波长;(2)反冲电子的能量;(3)反冲电子的动量。,解：(1)散射后X射线波长的改变为,所以散射X的波长为,(2) 根

25、据能量守恒,反冲电子获得的能量就是入射光子与散射光子能量的差值,所以,(3) 根据动量守恒,有,所以,6.4、X射线的吸收,X射线由于具有很短的波长，因此在物质中具有很强的穿透能力。但是，由于X射线与物质相互作用，X射线的强度会因为X射线通过物质而被减弱，这就是X射线的吸收现象。,一、两类相互作用,1、多次小相互作用。,2、全或无相互作用。,粒子散射实验。,光电效应。,设没有加入吸收物之前，测得射线强度为 ，放入吸收物并逐步增加它的厚度x，那么通过吸收物后的射线强度I就会逐步减小, 朗伯-比耳定律,其中， 为吸收系数。,可见， 是射线经过单位厚度的吸收物后强度减弱的百分数。它代表吸收物对X射线的衰减作用的大小。,进一步可以把吸收式写为,其中， 为吸收物的密度。这样,表示射线经过在单位面积具有一单位质量的物质后减弱的百分