原子物理学课件：第八章：X射线

1、教学要求,（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。 （3）了解X射线在晶体中的衍射的规律。,第八章：X射线,2020/10/8,2,第一节：X射线的产生和波长的测定,一、电磁波谱,原子光谱,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： 10-310-9米）,X射线光谱：原子内壳层电子跃迁所获 得的谱。,电 磁 波 谱,二、X射线的发现,1895年，伦琴用黑纸把阴极射线管包起来，发现1m远处的荧光屏上发出微

2、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。,1.X射线的发现,1879年,克鲁克斯证明了阴极射线是带电的粒子流。,该照片在医学上具有划时代意义。1895年12月28日，伦琴宣读了“论新的射线”；1901年获第一个诺贝尔物理奖。,性质：穿透性很强；,对动植物组织有刺激作用。,本质：是波长很短的电磁波（0.001nm1nm),使气体电离；,使照相底片爆光；, X射线的产生 : 一般由高速电子打在物体上产生。 在实验室由X射线管产生。,使荧光屏发出荧光；,阴极,电子,图

3、X 射线管示意图,三、 X射线波长的测定,1912年，劳厄指出X射线是波长很短的电磁波。他借助晶体这天然光栅观察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。,原理：利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长,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：,出射线就会加强。,用布喇格公式可以计算晶面距，反之，若已知d，还可以确定X射线的波长。,从而在给定下可确定X射线的波长。,晶体可形成许多不同取向的晶面。在方向衍射的X光将得到加强，出现了劳厄光斑。,原子间距由 , 给出，d=0.282nm。,四、测定强度：由谱线的深浅程度

4、可以测出相对强度P223。,例如 1(g)的NaCl(A=58.5)，,其密度：=2.163(g/cm3)，所以分子数密度为,S1,S2,A,A1,O,C,P,x射线摄谱仪示意图,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。,2020/10/8,13,第二节、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。,2020/10/8,14,一、连续谱,1、特性 (p225),波长是连续变化的，有一最短波长，最短波长只与加速电压有关，与阳极材料无关。,2、最短波长,当电子动能全部转变成光子能量,U-加速电压,2020/10/8,

5、15,3、产生机理,当高速电子打到靶上时，与靶中的原子核发生碰撞，速度骤减而产生辐射轫致辐射,二、标识谱,1、特性,线状谱，波长决定于阳极材料，是元素的标识 ；,各元素的标识谱有相似性；,谱线系与化学成分无关；,要有足够的电压才能产生标识谱 。,2020/10/8,16,2、产生机理,由高速电子与原子发生非弹性碰撞，使原子的内层电子电离而产生空位，当外层电子跃迁至内层时，就辐射标识谱。,2020/10/8,17,3、标识谱的谱线,光谱项 ：,则谱线的波数 ：,X射线谱线系:,K线系：L、M、N各层电子K层空位,L线系：M、N各层电子L层空位,M线系：N、O各层电子M层空位 依次类推,4. 莫塞

6、莱定律及原子序数的测定(P227),根据元素X射线在图上的位置,就可定出该元素的原子序数,给出,由莫塞莱 线公式,早期元素周期表是按原子量大小顺序排列的。如K(A=39.1)在Ar(A=39.9)前 ； Ni(A=58.7)在Co(A=58.9)前。由莫塞莱图给出 KX射线波长是Ar:4.19 ；K:3.74 ； Co:1.79 ； Ni:1.66 。,2020/10/8,20,同步辐射*,同步辐射是速度接近光速（vc）的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同步加速器上观察到的，便又被称为“同步辐射” 。,主要特点：,1、功率大（超大功率X光管比同步辐射的功率小了四个

7、量级）,2、能谱宽 （从远红外、可见光、紫外直到硬X射线 ）,3、方向性好,4、特定的时间结构 （是一种脉冲光，脉冲宽度为0.11纳秒 ）,5、完全的平面偏振波光（同步辐射在电子轨道平面内是完 全偏振的光 ）,2020/10/8,21,同步辐射的应用,近代生物学 ：测定蛋白质的结构和蛋白质的分子结构,通过X射线小角散射可研究蛋白质生理活动过程和神经作用过程等的动态变化，,固体物理学,可用于研究固体的电子状态、固体的结构、激发态寿命及晶体的生长和固体的损坏等动态过程。,表面物理学和表面化学，可用于研究固体的表面性质，如半导体和金属表面的光特性；物质的氧化、催化、腐蚀等。,2020/10/8,22

8、,结构化学，可用于测定原子的配位结构、大分子之间的化学键参数等，如对催化剂、金属酶的结构测定。,医学，可用于肿瘤的诊断和治疗，如测定血液内一些元素的含量、血管造影、诊断人体内各种肿瘤和进行微型手术以除去人体特殊部位的一些异常分子等。, 光刻技术，普遍采用的紫外线光刻的最小线宽约2微米，而同步辐射光近似平行光束,用于光刻时其线宽可降至20埃，使分辨率提高几个数量级 。,2020/10/8,23,用同步辐射拍的医学照片,2020/10/8,24,第三节 同X射线有关的原子能级,一、镉的能级图(P231),1、能级图,基态电子组态：,一个1s电子电离：,一个2s电子电离 ：,一个2p电子电离 ：,依

9、次类推,2020/10/8,25,2020/10/8,26,二、跃迁的选择定则,三、X射线谱线系,K线系：,L线系：,K能级：K壳层的一个电子电离能,2020/10/8,27,四、和碱金属原子光谱比较,因为满壳层失去一个电子的原子态和一个价电子的碱金属原子态相同。所以，X射线标识谱和碱金属原子的光谱和能级有相似的结构。,能级双层 光谱双线或更多,2020/10/8,28,第四节 X射线的吸收,一、两类相互作用,多次小相互作用,全或无相互作用,2020/10/8,29,二、X射线的吸收,系数计为，则：,射线经过单位厚度后减弱的百分数，称为衰减系数,2020/10/8,30,积分后,朗伯比耳定律,

10、是吸收体密度,(mg/cm2)称质量厚度， /(cm2/mg)称质量衰减系数。上式还可写成,改写因子,2020/10/8,31,射线减弱的原因,吸收,散射,三、吸收限,原子各壳层有一个电子电离时需要吸收的能量,Cd的电离态能级,2020/10/8,33,2020/10/8,34,从上图不难看出，吸收系数随X光子能量增加而下降，这是由于X光子能量越高，其穿透性越强。仔细观察会发现，图中有几处突变。它们对应K、L、M吸收线。 K、L、M吸收限是X光子分别使K层、 L层、M层一个电子电离发生共振吸收的能量。 的突变即吸收限的出现，再证明原子内部电子的壳层结构。,2020/10/8,35,第五节 康普

11、顿效应,一、康普顿效应（散射）,当X射线通过一些较轻元素的物质时，散射光中除了与后来波长相同的X射线以外，还有波长变长的X射线，这种效应叫康普顿效应。,实验结果：,对同一散射物质,且随 的增加，新谱线增强,2020/10/8,36,对不同的散射物，只要 相同， 相同，但波长变长的射线强度 随Z的增加而减少。（P239图8.15),2020/10/8,37,二、散射公式的推导,2020/10/8,38,能量守恒：,动量守恒：,相对论关系：,，,2020/10/8,39,意义：用光子概念成功地解释了X光的散射实验，这是继光电效应之后，再次证明光的粒子性。并指出像光子、电子这样的微观粒子也服从守恒律

12、。康普顿散射是X光与物质相互作用的一种形式。,2020/10/8,40,第九章 原子核物理,原子核物理：研究原子核的结构、性质及其变化,2020/10/8,41,第一节 原子核的基本性质,一、原子核的电荷,Z-核电荷数（原子序数）,测Z 1913年莫塞莱,Z=192 天然元素 Z92 超铀元素,二、原子核的成分,1932年 查德威克发现了中子,2020/10/8,42,三、原子核的质量,原子核的质量原子的质量-核外电子的质量,2020/10/8,43,原子质量=原子量*原子质量单位,质量数A：原子质量以u为单位时，其值却接近一个整 数，称为质量数,同位素：Z相同，A不同的元素,同量异位素：A相

13、同，Z不同的元素,、,同质异能素：同一种原子核处在不同的能量状态,2020/10/8,44,四、原子核的大小,实验表明，核半径,体积,密度,五、原子核的角动量,I核的自旋量子数,2020/10/8,45,角动量在某一方向的分量,原子的总角动量,六、原子核的磁矩,玻尔磁子,核磁子,2020/10/8,46,核磁矩,磁矩在z方向的投影,最大值,P289,2020/10/8,47,七、原子核的电四极距,实验证明，原子核的电四极距,原子核的电四极距与电荷分布的关系,2020/10/8,48,八、原子核的结合能,1、结合能,原子质量原子核质量+电子质量,2020/10/8,49,核的质量亏损：组成原子核

14、的单个核子质量之和与 该原子核质量之差,2020/10/8,50,结合能：,2、平均结合能（比结合能）,定义 ：,把原子核拆成自由核子时平均对每个核子所需作的功 或核子结合成原子核时平均每个核子所放出的能量。,越大，核越稳定,比结合能曲线,2020/10/8,51,2020/10/8,52,（a) 中等质量的核（A=40120)， 大，核结合得紧，稳定性 好， 对轻、重核，小，核结合得松，稳定性差。,获得核能的两个途径：（一）重核裂变 （二）轻核聚变,（b) 当A30时，常数，EA,显示核力的饱和性。,（c）对A30的核，随A有周期性的变化， A=4的倍数时，最大，说明存在壳层结构。,2020

15、/10/8,53,第二节 原子核的放射衰变,一、放射性衰变及其规律,1、放射性衰变：一种元素的原子核自发地放射某种射线变成另一种元素的原子核的过程,放射性核素：,天然,人造,1896年，法国，贝克勒耳，铀盐,1898年，居里夫人, 原子现象,2020/10/8,54,2、射线,3、衰变规律,t N,适用于大量单独存放的放射性原子核,衰变规律：,2020/10/8,55,衰变常数：,越大衰变越快,物理意义：表示单位时间内每个原子核的衰变几率,半衰期T ：,放射性核素的原子核数目衰变到原来的一半所需的时间,几种放射物及其半衰期, 4.5109年 1622年 3.82日 + 20.4分 310-7秒

16、,放射物 射线 半衰期T,2020/10/8,57,放射性原子核在衰变前平均生存的时间,三者关系：,4、放射性活度,（1）放射性活度的定义：单位时间内发生核衰变的次数,2020/10/8,58,通常称,为放射性强度，又称放射性活度，用I表示。,（2）放射性活度的单位：贝克勒耳Bq,常用单位：居里Ci，毫居里mCi，微居里Ci, 卢瑟福Rd,2020/10/8,59,二、放射系,许多放射性同位素并非一次衰变就达到稳定，而是一代接一代地衰变，直到稳定的核素为止，这样就构成一个放射系。,2020/10/8,60,1、四个放射系,2、位移定则,衰变,2020/10/8,61,衰变,3、四个放射系的特点

17、 (P299-302),(1) 起源于一个半衰期很长的重元素，,（2）各子代表分别由、衰变形成，A、按位移定则减少， 最后变成一个稳定的核素，,（3）每个系各代的质量数A满足一个规律，,(4) 有放射性分支，,(5) 三个天然放射系都有气体核素Rn。,2020/10/8,62,三、衰变：,原子核放出一个粒子而变成另一个原子核的过程,1、衰变方程,2、衰变能Ed：原子核在衰变过程中释放的能量，,也等于衰变后和衰变前体系的动能之差。,设母核原来静止，V0=0,质量为mx,子核速度为V,质量为my,根据动量守恒定律：,2020/10/8,63,(1)计算衰变能方法之一,2020/10/8,64,(2

18、)计算衰变能方法之二,根据衰变前后总能量守恒有：,衰变能：,2020/10/8,65,用相应的原子质量代替核的质量，忽略电子与原子核之间的结合能，则,3、衰变条件,例：判断是否发生衰变。,2020/10/8,66,不能发生衰变,4、能谱和原子核能级,测得粒子的动能有六种,镭放射两种能量不同的粒子，其结果又都变成氡，这说明氡实际上存在着两种不同的状态：正常态和激发态。 如果把与氡核正常态对应的能级取为零，即E0=0，那么激发态的能级便为E1=0.184MeV。,例：对镭的衰变,测得粒子的动能分别为：,相应的衰变能：, ，4.612MeV,，4.793MeV,，0.189MeV,4.879,0.1

19、84,0,氡,镭,显然，当氡核由激发态向基态跃迁时，要发射能量h=0.184MeV的光子。实验上观测到h=0.189MeV的光子。,2020/10/8,69,粒子能谱具有分立特性原子核具有分立的能量状态。,四、 衰变,1、衰变能谱,(1) 粒子能量连续分布,(2) 具有确定的最大值Em，且Em=Ed,(3)曲线有一极大值，此处,2020/10/8,70,2、粒子能谱引发的困境：,第一，粒子能谱是连续的，而原子核具有分立能级。,第二，能量不守恒？,第三，角动量不守恒？,3、中微子假设,1930年，泡利提出了中微子假设，成功地解释了上述矛盾， 并被以后的实验所证实,泡利认为：当放射性物质发生衰变时

20、，除了放出粒子外，还要放出一个中性粒子，其静止质量几乎为0，故称为中微子。,2020/10/8,71,中微子分为两种：中微子和反中微子，它们的质量完全相同，都不带电荷，但自旋方向不同。,衰变过程中能量动量守恒，在衰变过程中都有三个粒子参与能量和动量的分配，因此，放出的的粒子就不象粒子那样具有确定的能量，因而构成连续谱。,Py + Pe + P = 0,1956年，从实验上发现了中微子。,2020/10/8,72,4、衰变的三种类型及衰变条件,衰变能：,衰变条件：,2020/10/8,73,（2）衰变：,+衰变条件： Mx（A，Z）My（A，Z-1）+2me,衰变能,（3）K俘获：原子核俘获一个

21、核外轨道上的电子而转变为另一个原子核的过程。,衰变能,2020/10/8,74,K俘获条件： Mx（A，Z）My（A，Z-1）+K/c2,K K壳层电子的结合能,由于2mec2 K，因此，能发生+衰变的原子核总可以发生K俘获，反之K俘获的原子核不一定能发生+衰变。,判断方法：,发射X标识谱,产生俄歇电子,五、r衰变,1、辐射跃迁,2020/10/8,75,2、内变换电子,六、穆斯堡尔效应：原子核的无反冲r射线的共振吸收现象,核力：核子之间的相互作用力。,一、核力的基本性质,1核力是短程力 只在 fm 数量级的范围内发生作用,r：0.8-2fm 引力 r：2fm 消失,2核力是一种强相互作用,核力的强度比库仑力大一百倍,第三节 核力,3核力近似地与电荷无关,4核力具有饱和性,核子只与它最靠近的几个核子有相互作用,核的密度近似地为一常数,核的结合能近似地与核子数成正比,从经典电磁观点看，带电粒子间的相互作用是通过电磁场传递的，电磁场满足麦克斯伟方程,从量子场观点看，带电粒子间的相互作用是通过交换光子而