原子物理學第八章

原子物理學第八章第一頁，共三十六頁，2022年，8月28日一、X射線的發(fā)現(xiàn)在1895年以前，由陰極射線管產生的X射線在實驗里已經存在了30多年，在X射線發(fā)現(xiàn)前，不斷有人抱怨，放在陰極射線管附近的照相底片模糊或感光。如1879年的克魯克斯，1890年的古德斯比德等人，但發(fā)現(xiàn)X射線的卻是倫琴。倫琴，1845年出生于德國的一個商人家庭，1869年在蘇黎世大學獲博士學位。1895年11月8日傍晚，倫琴在研究陰極射線管中氣體放電實驗時，為了避免雜光對實驗的影響，他用黑紙板將管子包起來，卻發(fā)現(xiàn)距陰極管一段距離外的一塊涂有鉑氰酸鋇結晶物質的屏幕發(fā)出了熒光，倫琴馬上意識到,這可能是一種前所未有的新射線，經檢查發(fā)現(xiàn),射線來自陰極射線管管壁?！?/p>

8.1X射線的產生及其波長強度的測量第二頁，共三十六頁，2022年，8月28日令人驚奇的是，當用木頭等不透明物質擋住這種射線時，熒光屏仍然發(fā)光，而且這種射線能使黑紙包住的照相底片感光，不被電磁場偏轉。經過一個多月的研究，他未能搞清這種射線的本質，因此賦予它一個神秘的名字--X射線。1895年12月28日，倫琴向德國物理學醫(yī)學會遞交了第一篇關于X射線的論文，《論新的射線》，并公布了他夫人的X射線手骨照片。倫琴的發(fā)現(xiàn)引起了極大的轟動，以致于在全世界范圍內掀起了X射線研究熱，1896年關于X射線的研究論文高達1000多篇。對X射線的公布，促使法國物理學家貝克勒爾也投入到這一研究領域之中，為了弄清X射線產生的機制。他想，如果把熒光物質放在強光下照時，是否在發(fā)熒光的同時，也能放出X射線呢？第三頁，共三十六頁，2022年，8月28日于是他把一塊熒光物質（鈾的化合物--鉀鈾酰硫酸鹽晶體）放在用黑紙包住的照相底片上，然后放在太陽下曬，結果在底片上果然發(fā)現(xiàn)了與熒光物質形狀相同的“像”。一次偶然的機會使他發(fā)現(xiàn)，未經太陽曝曬的底片沖出來后，出現(xiàn)了很深的感光黑影，這使他非常吃驚。是什么使底片感光呢？跟熒光物質是否有關呢？他進一步用不發(fā)熒光的鈾化合物進行實驗，同樣使底片感光；可見鈾化合物能發(fā)出一種肉眼看不見的射線，與熒光無關。1896年3月2日，他向法國科學院報告了這一驚人的發(fā)現(xiàn)，從此打開了一個新的研究領域。放射線的發(fā)現(xiàn)看似偶然，但正如楊振寧先生在評價這一故事時所說的那樣，“科學家的‘靈感’對科學家的發(fā)現(xiàn)‘非常重要’；這種靈感必源于他的豐富的實踐和經驗。”第四頁，共三十六頁，2022年，8月28日第五頁，共三十六頁，2022年，8月28日第六頁，共三十六頁，2022年，8月28日使熒光屏發(fā)出熒光；二．X射線的產生１．發(fā)現(xiàn)：1895年德國大學教授倫琴在做氣體放電實驗時首先發(fā)現(xiàn)的。

２．性質：穿透性很強；對動植物組織有刺激作用。３．本質：X射線具有光所具有的一切性質：反射，折射，偏振等，所以X射線從本質上來說是波長極短的電磁波。<0.1nm：硬X射線，>0.1nm：軟X射線使氣體電離；使照相底片爆光；４·X射線的產生

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X射線由X射線管產生。第七頁，共三十六頁，2022年，8月28日陰極電子真空管X射線圖5.6X

射線管示意圖第八頁，共三十六頁，2022年，8月28日三、X射線波長和強度的測定1、原理：

利用X射線在晶體的衍射可以測定它的波長，晶體作為立體光柵，一束X射線射入晶體，發(fā)生衍射時，從任何一晶面上，那些出射方向對平面的傾角與入射線的傾角相等的X射線，滿足布拉格公式:n=2dsinn=1、2、…..

出射線就會加強。如圖5.7第九頁，共三十六頁，2022年，8月28日層dAB圖5.7布拉格公式推導第十頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、測量方法測量波長：

OA/r=2

=OA/2r

已知晶格常數d，測出值及其對應的n值，代入布拉格公式，求出。（測量d的方法見教材）測定強度：由譜線的深淺程度可以測出相對強度。S1S2AA1CP

圖5.8

O第十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日每個亮點為勞厄斑點,對應于一組晶面.斑點的位置反映了對應晶面的方向.由這樣一張照片就可以推斷晶體的結構(連續(xù)譜的X射線)第十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日3．晶體粉末法(單波長的射線)

每一同心園對應一組晶面,不同的園環(huán)代表不同的晶面陣,環(huán)的強弱反映了晶面上原子的密度大小第十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日4．(1)X射線的衍射是研究晶體結構有效方法

晶體衍射圖就可以確定晶體內部的原子（或分子）間的距離和排列-1915年布拉格父子因此獲諾貝爾物理獎(2)X射線分析可用來研究高分子的結構

(a)Eu(DBM)3Phen－PMMA的廣角X－射線衍射圖

(b)Eu(DBM)3Phen的X－射線衍射圖第十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日實驗表明，X射線譜由兩部分構成，一部分波長連續(xù)變化，稱為連續(xù)譜，它的最小波長只與外加電壓有關；另一部分波長是分立的，與靶材料有關，成為某種材料的標識，所以稱為標識譜，又叫特征譜，它迭加在連續(xù)譜上形成X射線的發(fā)射譜。下面對這兩部分譜線的特點和產生機制進行詳細分析?！?/p>

8.2X射線的發(fā)射譜連續(xù)譜：鎢靶，不同的電壓

標識譜：鎢靶和鉬靶，相同的電壓第十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日一、連續(xù)譜——軔致輻射（殺車輻射）1、連續(xù)譜的特征在上述產生X射線的裝置中，電子打到陽極材料后，有波長連續(xù)變化的光輻射產生，下面分兩點研究輻射的特性。1）連續(xù)譜與管壓的關系（靶不變）前圖表示以鎢作陽極材料加不同電壓時，以λ為橫軸，輻射強度為縱軸；在不同管壓下得到的波長—強度分布曲線。由圖可見，當陽極材料不變時，λmin和Ιmax隨管壓V的升高都向短波方向移動。2）連續(xù)譜與陽極材料的關系（電壓不變）前圖表示管壓為35KV時，用鉬和鎢作靶材料時的I～λ曲線。由圖可見λmin與靶無關。是由管壓V決定的。第十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日電子離子光子圖

軔致輻射第十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、連續(xù)譜產生的微觀機制通過上面對連續(xù)譜特征的分析，我們很容易想到，連續(xù)譜不應該是原子光譜，而應該是電子在靶上減速而產生的?？梢韵胂蟮剑桓邏杭铀俸蟮碾娮舆M入靶內，可以到達不同的深度，其速率從驟減為0，有很大的加速度，而伴隨著帶電粒子的加速運動，必然有電磁輻射產生，這便是產生X射線連續(xù)譜的原因，用光子的概念可以對連續(xù)譜的產生給出定量的分析。設電子入射速度，在靶上減速而損失的能量為；減速過程中的能量差為，則根據上面的分析，將以光子的形式向外輻射；由于是連續(xù)變化的，而是一定的，所以連續(xù)變化.第十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日v是連續(xù)的，作為極限情況，，則從而得

上式表明，電子在電壓V下加速而獲得能量并全部轉化為輻射時，由此得需要指出的是，解釋光電效應的Einstein方程是：當金屬的逸出功能很小時，近似的有：這與上式在形式上是完全相同的。因此，X射線連續(xù)譜可稱為光電效應的逆效應。第十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日二、標識譜——線狀譜（內殼層電子的躍遷）1、線狀譜的特征a、不同元素線狀譜的波長是不同的，從而成為我們識別某種元素的標準，猶如人的指紋，故得名為標識譜，但是他們的線系結構是相似的，都分為K,L,M,……等線系；且譜線具有精細結構，K系分為b、改變靶物質時，隨Z的增大，同一線系的線狀譜波長向短波方向移動，但沒有周期性變化；c、某元素的標識譜與其化合的狀態(tài)無關；d、對一定的陽極靶材料，產生標識譜的外界電壓有一個臨界值.

L系分為等；2、產生的根源：是原子內層電子躍遷產生的，它反映了原子內層結構的情況。譜線的波長代表能級的間隔。第二十頁，共三十六頁，2022年，8月28日圖X射線各線系的產生KKK系線MMM系線LL

L系線M（n=3）L（n=2）K（n=1）第二十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日

3.產生機制:

從陰極發(fā)出的電子經高壓加速成高速電子打到陽極上,由于電子能量很高,它能深入到原子的內層,將內殼層電子之一擊出原子之外,使原子電離,并在內殼層出現(xiàn)一個空穴,當鄰近內殼層的電子躍遷到這個空穴時,就發(fā)射出波長很短的X射線，由于內殼層能級分立，所以產生X射線的線狀譜，原子序數較大的元素，內殼層能級間隔就越大，發(fā)出的X射線的光子能量高，波長就短，所以波長依次變化，不具有周期性。第二十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日

一般形式:四莫塞萊定律莫塞萊研究了一系列元素的K線系,發(fā)現(xiàn)各元素的K線系滿足下面的規(guī)律：K線:L線:作業(yè):P2481、4、5第二十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日As33Se34Br35Rb37Sr38Nb41Rh45圖8.8幾種元素的線系譜，按原子序數的次序上下排列直進射線第二十四頁，共三十六頁，2022年，8月28日

9080706050403020100X射線K線系的莫塞萊圖21102030405060708090Z第二十五頁，共三十六頁，2022年，8月28日§

8.3同X射線有關的原子能級一、X射線標識譜的產生（內殼層電子的躍遷）1、內殼層電子躍遷的前提：必須有空穴2、產生電子空穴的方法：

a、用高速電子轟擊靶核，與原子發(fā)生非彈性碰撞；

b、內殼層電子吸收高能光子使內層電子電離。3、標識譜產生的原因：深能級（內殼層）電子電離形成電子空位，內殼層電子自發(fā)重新排列，發(fā)出光子，產生X射線標識譜。二、內殼層中電離態(tài)的能級和躍遷1、電離能的高低

a、基態(tài)時，最內殼層電子最穩(wěn)定，n越小，En也越小。

b、內殼層電子電離能：n越小，ΔEn就越大。

c、內殼層電子電離態(tài)能級：n越小，電離態(tài)能級En就越大。第二十六頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、電離態(tài)對應的原子能級(內殼層)

由電子組態(tài)互補定則知，滿殼層缺少1個電子所形成的原子態(tài)等價于單電子組態(tài)形成的原子態(tài).3、能級躍遷的選擇定則：

ΔL=±1，ΔJ=0、±1(結合P231能級圖)第二十七頁，共三十六頁，2022年，8月28日X射線通過物質時，我們將X射線稱為光子，則根據光子能量（hv）的不同，它們與物質的相互作用有以下三種情況：

a、X射線的光子打在吸收物上，打出電子來，而光子本身消失了，此即光電效應。對光子來說，這是真實吸收?！肮怆娦钡碾娮涌梢允亲杂呻娮樱部梢允鞘`電子。光子能量hv不太大時，發(fā)生這種相互作用；

b、X射線通過物質后，波長和能量發(fā)生改變，此稱compton效應；當hv增大時，發(fā)生compton效應；

c、光子能量hv大于電子靜止質量的兩倍時(1.02Mev)，光子在原子核場附近將轉化為一對正、負電子。這被稱作電子偶效應；以上三種效應不僅與光子的能量有關，還與靶的原子序數有關。第四節(jié)：X射線的吸收第二十八頁，共三十六頁，2022年，8月28日1、強度表達式設一束X射線，射向吸收體前強度是通過厚度為dx的吸收體后，強度增量為dI，減少量-dI將正比于dx和通過dx時的強度I，若取比例系數為μ，則-dI=μI(x)dx兩邊積分得:

可見強度I(x)隨厚度x按指數衰減(朗伯--比耳定律)。IoIxμ=-dI/（I(x)dx）……….(2)

μ—衰減系數，單位是cm-1，表示射線經過單位厚度的減弱百分數。第二十九頁，共三十六頁，2022年，8月28日2、吸收和散射

X射線強度減弱包括兩個過程：吸收和散射，因此是兩種過程的聯(lián)合效果，即（1）衰減常數第三十頁，共三十六頁，2022年，8月28日3、吸收系數與波長、吸收物的原子序數的關系：4、X射線吸收過程的應用：5、吸收限與原子能級：P231圖８.１０第三十一頁，共三十六頁，2022年，8月28日從微觀上看,吸收是原子的過程,用單位面積中的原子數和單位厚度除各系數可得:作業(yè)：p2485、6第三十二頁，共三十六頁，2022年，8月28日實驗結果--除原來譜線外,出現(xiàn)波長變長的另一條線.波長改變的數值與散射角有關,隨角度的增加而增強;且隨著散射角的增大,新譜線增強,原譜線減弱.§

8.4

康普頓效應(Compton)---粒子性(1927諾貝爾獎)第三十三頁，共三十六頁，2022年，8月28日量子力學解釋:按照經典理論，光在介質表面反射后,其頻率是不會改變的。