原子物理第六章x射線

1、原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線第六章 X射線原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：2 2、X X射線的產(chǎn)生機制射線的產(chǎn)生機制3 3、康普頓散射、康普頓散射4 4、X X射線的吸收射線的吸收1 1、X X射線的發(fā)現(xiàn)及其特性射線的發(fā)現(xiàn)及其特性原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線重重 點：點：1、X射線的產(chǎn)生機制射線的產(chǎn)生機制2、康普頓散射、康普頓散射原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線6.1、X射線的發(fā)現(xiàn)及其波性射線的發(fā)現(xiàn)及其波性威廉威廉倫琴倫琴(Rontgen, W.K.) （1845

2、1923） X射線也被稱為射線也被稱為倫琴射線倫琴射線，是德國物理學(xué)家倫琴于，是德國物理學(xué)家倫琴于1895年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時他正在研究陰極射線，偶然發(fā)現(xiàn)放在陰極射年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時他正在研究陰極射線，偶然發(fā)現(xiàn)放在陰極射線管附近的熒光屏上發(fā)出了熒光。經(jīng)過查找，證實是陰極射線管附近的熒光屏上發(fā)出了熒光。經(jīng)過查找，證實是陰極射線管壁發(fā)出的新射線使熒光屏發(fā)光的。他把這種射線命名為線管壁發(fā)出的新射線使熒光屏發(fā)光的。他把這種射線命名為X射線射線。后來研究表明。后來研究表明X射線是一種波長很短的電磁波，其波射線是一種波長很短的電磁波，其波長范圍為長范圍為0.001nm10.0nm。 The Nobel Prize

3、in Physics 1901發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)X X射線射線原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線 這個發(fā)現(xiàn)成為這個發(fā)現(xiàn)成為1919世紀(jì)世紀(jì)9090年代物理學(xué)上的三大年代物理學(xué)上的三大發(fā)現(xiàn)之一。發(fā)現(xiàn)之一。19011901年，倫琴因為發(fā)現(xiàn)年，倫琴因為發(fā)現(xiàn)X X射線成為了射線成為了諾貝爾物理學(xué)獎的諾貝爾物理學(xué)獎的第一個獲得者第一個獲得者。 這種射線具有幾個特點：這種射線具有幾個特點： 它具有很強的穿透性，能透過紙板、薄鋁板和人體等它具有很強的穿透性，能透過紙板、薄鋁板和人體等 它以直線傳播，不因電磁場作用而偏轉(zhuǎn)它以直線傳播，不因電磁場作用而偏轉(zhuǎn) 它能使照相底片感光，使氣體電離它能使照相

4、底片感光，使氣體電離原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線一、一、X射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn) X射線的發(fā)現(xiàn)，開創(chuàng)射線的發(fā)現(xiàn)，開創(chuàng)了人類探索物質(zhì)世界的新了人類探索物質(zhì)世界的新紀(jì)元。倫琴因發(fā)現(xiàn)紀(jì)元。倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線射線而揭開了而揭開了20世紀(jì)物理學(xué)革世紀(jì)物理學(xué)革命的序幕，成為命的序幕，成為20世紀(jì)最世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家之一。偉大的物理學(xué)家之一。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線二、二、X射線管射線管 凡是以高速運動的電子凡是以高速運動的電子碰到任何障礙物，都能產(chǎn)生碰到任何障礙物，都能產(chǎn)生X射線射線。

5、 因此為了獲得因此為了獲得X射線，必須有一這樣的儀器，它可以：射線，必須有一這樣的儀器，它可以： （1）用某種方法得到一定量的）用某種方法得到一定量的自由電子自由電子； （2）迫使這些電子在一定的方向上以）迫使這些電子在一定的方向上以很大的速度很大的速度運動；運動； （3）在電子運動的路途上設(shè)且一個急劇阻止電子的障）在電子運動的路途上設(shè)且一個急劇阻止電子的障礙物（礙物（靶靶）。）。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線 產(chǎn)生產(chǎn)生X射線最常用的方法是讓加速的電子轟擊靶子射線最常用的方法是讓加速的電子轟擊靶子（通常用高熔點的金屬材料制成），從而發(fā)出（通常用高熔點的金屬材料制成

6、），從而發(fā)出X射線。射線。 在一個真空管里裝有燈絲電極在一個真空管里裝有燈絲電極（陰極）（陰極）K和靶子（陽極，或?qū)桶凶樱枠O，或?qū)﹃帢O）陰極）P。燈絲通電加熱后打到。燈絲通電加熱后打到陽極上，就能產(chǎn)生陽極上，就能產(chǎn)生X射線。由于射線。由于電子打在靶子上面使其溫度升高電子打在靶子上面使其溫度升高很大，所以一般的靶子都是用高很大，所以一般的靶子都是用高熔點的金屬制成。熔點的金屬制成。 能量足夠高的光子照射物質(zhì)材料能量足夠高的光子照射物質(zhì)材料原子核在發(fā)生自發(fā)轉(zhuǎn)變時原子核在發(fā)生自發(fā)轉(zhuǎn)變時高速運動的帶電粒子也會產(chǎn)生電磁輻射（同步輻射）高速運動的帶電粒子也會產(chǎn)生電磁輻射（同步輻射）其他方法：其他方法：

7、原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線三、三、X射線的波性射線的波性波動性：波動性：衍射、干涉、偏振衍射、干涉、偏振等。等。1906年，巴克拉用實驗證明了年，巴克拉用實驗證明了X射線的偏振特性。射線的偏振特性。1912年，勞厄提出了年，勞厄提出了X射線的衍射實驗并被證實。射線的衍射實驗并被證實。原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線四、四、X射線的偏振射線的偏振1、偏振、偏振橫波橫波是質(zhì)點振動方向與傳播方向垂直的機械波。是質(zhì)點振動方向與傳播方向垂直的機械波。 縱波縱波是質(zhì)點的振動方向與傳播方向一致的波。是質(zhì)點的振動方向與傳播方向一致的波。 原子物理學(xué)(A

8、tomic Physics) 第六章 X射線機械橫波的檢驗機械橫波的檢驗若振動方向平行若振動方向平行AB 通通若把若把AB旋旋900 則則 不通不通AB只有橫波有偏振現(xiàn)象，而縱波無偏振問題只有橫波有偏振現(xiàn)象，而縱波無偏振問題偏振偏振: : 波波的振動方向相對傳播方向的不對稱性。的振動方向相對傳播方向的不對稱性。原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線腰橫別扁擔(dān)進不了城門腰橫別扁擔(dān)進不了城門形象說明偏振片的原理形象說明偏振片的原理原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線線偏振光線偏振光在紙面內(nèi)振動在紙面內(nèi)振動垂直紙面的振動垂直紙面的振動光波的振動方向只有一個光

9、波的振動方向只有一個線偏振光的檢測線偏振光的檢測檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，光強檢偏器旋轉(zhuǎn)一周，光強兩強兩弱兩強兩弱，能夠，能夠消光消光。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線起偏和檢偏起偏和檢偏原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線2、X射線的偏振射線的偏振原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線五、五、X射線的衍射射線的衍射 X射線的本質(zhì)和光一樣，是一種電磁波，但它的波長射線的本質(zhì)和光一樣，是一種電磁波，但它的波長比可見光短得多。因此它也具有反射、折射、干涉、衍射、比可見光短得多。因此它也具有反射、折射、干涉、衍射、偏振等波動的特性。偏振等波

10、動的特性。 發(fā)現(xiàn)晶體的發(fā)現(xiàn)晶體的X射線衍射。射線衍射。 The Nobel Prize in Physics 1914M.V.Laue(1879 1960) 晶體由原子的規(guī)則排列構(gòu)成，晶體中兩個相鄰原子的晶體由原子的規(guī)則排列構(gòu)成，晶體中兩個相鄰原子的間隔約為間隔約為0.1nm的數(shù)量級，這與的數(shù)量級，這與X射線波長數(shù)量級相同，射線波長數(shù)量級相同，因此，晶體對因此，晶體對X射線來說可以作為天然的光柵。射線來說可以作為天然的光柵。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線19121912年，德國物理學(xué)家勞厄（年，德國物理學(xué)家勞厄（M.V.Laue)M.V.Laue)設(shè)想：天設(shè)想：天

11、然晶體可以看作是光柵常數(shù)很小的空間三維衍射光柵，然晶體可以看作是光柵常數(shù)很小的空間三維衍射光柵，適合于適合于X X射線的衍射。射線的衍射。勞厄?qū)嶒灒涸谌槟z板上形成對稱分布的若干衍射勞厄?qū)嶒灒涸谌槟z板上形成對稱分布的若干衍射斑點，稱為斑點，稱為勞厄斑勞厄斑證實了證實了X X射線的波動性。射線的波動性。X X射線射線準(zhǔn)直縫準(zhǔn)直縫天然晶體天然晶體勞厄斑勞厄斑乳膠板乳膠板原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線勞厄相勞厄相 1912年，弗里德里克年，弗里德里克和厄平在勞厄的建議下，和厄平在勞厄的建議下，做了做了X射線對單晶的衍射射線對單晶的衍射實驗。得到了勞厄相片。實驗。得到了勞厄相

12、片。單晶，連續(xù)波長入射單晶，連續(xù)波長入射德拜相德拜相 利用單色利用單色X射線入射多晶粉末射線入射多晶粉末原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線布拉格（布拉格（Bragg）公式）公式 圖中所示的兩條射線，圖中所示的兩條射線，它們經(jīng)過晶體衍射后的路徑它們經(jīng)過晶體衍射后的路徑會不同，兩條路徑的長度差會不同，兩條路徑的長度差為為 ，2 sind衍射產(chǎn)生干涉極大值的條件就是衍射產(chǎn)生干涉極大值的條件就是 2 sindn1,2,3,n 這就是布拉格公式。這就是布拉格公式。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線6.2、X射線產(chǎn)生的機制射線產(chǎn)生的機制一、一、X射線的發(fā)射

13、譜射線的發(fā)射譜X射線測譜儀射線測譜儀 右圖所示的裝置中可以測右圖所示的裝置中可以測量量X射線的射線的強度強度以及以及波長波長。 實驗測量發(fā)現(xiàn)，實驗測量發(fā)現(xiàn)，X射線的發(fā)射譜線由兩個部分構(gòu)成，射線的發(fā)射譜線由兩個部分構(gòu)成，一部分是波長連續(xù)變化的一部分是波長連續(xù)變化的連續(xù)譜連續(xù)譜，用不同動能的電子轟擊，用不同動能的電子轟擊不同材料的靶子時，所產(chǎn)生的連續(xù)譜具有相似的形狀，都不同材料的靶子時，所產(chǎn)生的連續(xù)譜具有相似的形狀，都有確定的有確定的最短波長最短波長，連續(xù)，連續(xù)X射線譜與靶金屬的性質(zhì)無關(guān)；射線譜與靶金屬的性質(zhì)無關(guān)；另一部分是具有分立波長的另一部分是具有分立波長的線狀譜線狀譜，這些譜線的波長只取，這

14、些譜線的波長只取決于靶材料的化學(xué)元素，因此又稱為決于靶材料的化學(xué)元素，因此又稱為標(biāo)識譜標(biāo)識譜。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線二、連續(xù)譜二、連續(xù)譜軔致輻射軔致輻射 連續(xù)譜的一個顯著特點就是對于連續(xù)譜的一個顯著特點就是對于確定的工作電壓確定的工作電壓V，存在一個波長的，存在一個波長的最小值最小值 ，它和陽極材料的性質(zhì)無，它和陽極材料的性質(zhì)無關(guān)，只取決于工作電壓關(guān)，只取決于工作電壓V。實驗表明，。實驗表明， 和工作電壓和工作電壓V有如下關(guān)系有如下關(guān)系 000hcVe0hVe或或這里的這里的 也就是連續(xù)譜的最高頻率。也就是連續(xù)譜的最高頻率。 0原子物理學(xué)(Atomic P

15、hysics) 第六章 X射線 連續(xù)譜是電子在靶上被減速而產(chǎn)生的；高速電子到了連續(xù)譜是電子在靶上被減速而產(chǎn)生的；高速電子到了靶上，受靶中原子的作用而速度驟減，電子的動能轉(zhuǎn)化成靶上，受靶中原子的作用而速度驟減，電子的動能轉(zhuǎn)化成輻射能，就有射線放出，這樣的輻射稱為輻射能，就有射線放出，這樣的輻射稱為軔致輻射軔致輻射。 將常數(shù)帶入后，最短波長還可以表示為將常數(shù)帶入后，最短波長還可以表示為 301.24 10hcnmVeV可見，如果在實驗中測得了可見，如果在實驗中測得了 和和V，就可以由此算出，就可以由此算出普朗克常數(shù)，這也是早期測定普朗克常數(shù)的一種有效普朗克常數(shù)，這也是早期測定普朗克常數(shù)的一種有效方

16、法。方法。 0量子極限量子極限原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線軔致輻射的強度：軔致輻射的強度：與入射帶電粒子的質(zhì)量平方成反比與入射帶電粒子的質(zhì)量平方成反比與靶核電荷數(shù)的平方成正比與靶核電荷數(shù)的平方成正比因此，醫(yī)學(xué)、工業(yè)上使用的因此，醫(yī)學(xué)、工業(yè)上使用的X射線多采用射線多采用鎢鎢靶。靶。X射線的產(chǎn)生過程可以看成光電效應(yīng)的逆過程。射線的產(chǎn)生過程可以看成光電效應(yīng)的逆過程。原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線三、特征輻射（標(biāo)識輻射）三、特征輻射（標(biāo)識輻射） 標(biāo)識譜線最早被巴克拉（標(biāo)識譜線最早被巴克拉（Barkla）于）于1906年發(fā)現(xiàn)，它是疊加在連續(xù)譜上的

17、細(xì)銳年發(fā)現(xiàn)，它是疊加在連續(xù)譜上的細(xì)銳的線狀譜，只有當(dāng)工作電壓超過某一臨界的線狀譜，只有當(dāng)工作電壓超過某一臨界值時才會出現(xiàn)。它與陽極材料有關(guān)。值時才會出現(xiàn)。它與陽極材料有關(guān)。 同種元素，無論它是單質(zhì)，還是存在于化合物中，同種元素，無論它是單質(zhì)，還是存在于化合物中，其標(biāo)識譜都是相同的，不同元素的標(biāo)識譜不同。其標(biāo)識譜都是相同的，不同元素的標(biāo)識譜不同。 隨著元素原子序數(shù)的增大，標(biāo)識譜線的波長單調(diào)隨著元素原子序數(shù)的增大，標(biāo)識譜線的波長單調(diào)地減小，而并不像光學(xué)譜那樣出現(xiàn)周期性變化。地減小，而并不像光學(xué)譜那樣出現(xiàn)周期性變化。 標(biāo)識譜線的數(shù)目通常比光學(xué)光譜要少，結(jié)構(gòu)也較簡標(biāo)識譜線的數(shù)目通常比光學(xué)光譜要少，結(jié)構(gòu)

18、也較簡單。它們也分成幾個線系。單。它們也分成幾個線系。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線莫塞萊定律莫塞萊定律 英國物理學(xué)家莫塞萊（英國物理學(xué)家莫塞萊（Moseley）在研究了從鋁到金）在研究了從鋁到金的的38種元素的種元素的X射線標(biāo)識譜線波長后，于射線標(biāo)識譜線波長后，于1913年總結(jié)出了年總結(jié)出了一個規(guī)律：一個規(guī)律：標(biāo)識譜標(biāo)識譜K線系的頻率線系的頻率 近似地正比于產(chǎn)生該譜線近似地正比于產(chǎn)生該譜線的元素的原子序數(shù)的元素的原子序數(shù)Z的平方的平方。這一規(guī)律被稱為。這一規(guī)律被稱為莫塞萊定律莫塞萊定律。 他給出了他給出了 線波數(shù)的經(jīng)驗公式線波數(shù)的經(jīng)驗公式 K2221112KR

19、Z是是K殼層的屏蔽因子，有殼層的屏蔽因子，有 K1K，因此也可以寫為，因此也可以寫為 2314R Z原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線 后來，人們對后來，人們對L線系也作了研究，發(fā)現(xiàn)有和線系也作了研究，發(fā)現(xiàn)有和K線系線系類似的近似關(guān)系，只是其中的屏蔽因子和前面的數(shù)值系類似的近似關(guān)系，只是其中的屏蔽因子和前面的數(shù)值系數(shù)有所不同，如對數(shù)有所不同，如對 線有線有1L22225117.47.43623R ZR Z莫塞萊的實驗第一次提供了精確測量原子序數(shù)莫塞萊的實驗第一次提供了精確測量原子序數(shù)Z的方法，的方法，歷史上就是用莫塞萊公式定出了元素的原子序數(shù)歷史上就是用莫塞萊公式定出了

20、元素的原子序數(shù)Z，并糾，并糾正了正了 和和 在周期表上的次序。在周期表上的次序。 27Co28Ni原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線X射線射線K線系的莫塞萊圖線系的莫塞萊圖原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線AsZ33Se34Br35Rb37Sr38幾種原子的幾種原子的K線系線系原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線經(jīng)過人們的研究，得出了標(biāo)識譜的一些特性經(jīng)過人們的研究，得出了標(biāo)識譜的一些特性 各種元素的標(biāo)識譜有相似的結(jié)構(gòu)，不同于可見光的各種元素的標(biāo)識譜有相似的結(jié)構(gòu)，不同于可見光的光譜彼此相差可以很大。光譜彼此相差可以很大。 按原

21、子序數(shù)的次序比較各元素的標(biāo)識譜，譜線的按原子序數(shù)的次序比較各元素的標(biāo)識譜，譜線的波長依次變動，不具有周期性。波長依次變動，不具有周期性。 K線系甚至線系甚至L線系的結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分無關(guān)。線系的結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分無關(guān)。 X射線需要加幾萬伏的電壓才能激發(fā)出某些線系。射線需要加幾萬伏的電壓才能激發(fā)出某些線系。X射射線的光子能量比可見光的光子能量大得多。線的光子能量比可見光的光子能量大得多。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線 X射線的標(biāo)識譜是靶子中的原子發(fā)出的，但是射線的標(biāo)識譜是靶子中的原子發(fā)出的，但是它不顯示出周期性的變化，與化學(xué)成分無關(guān)，且光它不顯示出周期性的變化，與化學(xué)成分無

22、關(guān)，且光子能量很大，因此可以認(rèn)為這是原子子能量很大，因此可以認(rèn)為這是原子內(nèi)層電子躍遷內(nèi)層電子躍遷的結(jié)果。各元素原子的內(nèi)層電子填滿后，殼層的結(jié)的結(jié)果。各元素原子的內(nèi)層電子填滿后，殼層的結(jié)構(gòu)是相同的，不同的只是對應(yīng)于各層的能量的數(shù)值。構(gòu)是相同的，不同的只是對應(yīng)于各層的能量的數(shù)值。周期性的變化和化學(xué)性質(zhì)也是外層電子的性質(zhì)周期性的變化和化學(xué)性質(zhì)也是外層電子的性質(zhì)。X射線既然沒有這些性質(zhì)，足見是由內(nèi)層電子躍遷所射線既然沒有這些性質(zhì)，足見是由內(nèi)層電子躍遷所發(fā)出的。發(fā)出的。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線 我們還可以看到，前面這些式子與玻爾氫原子的公我們還可以看到，前面這些式子與

23、玻爾氫原子的公式非常相似，也可以用玻爾理論來說明，式非常相似，也可以用玻爾理論來說明， 例如對于例如對于 線系，是電子在線系，是電子在n=2和和n=1之間躍遷所發(fā)之間躍遷所發(fā)出的輻射，但不同的是用（出的輻射，但不同的是用（Z-1）代替了）代替了Z，這是因為，這是因為對多電子原子的內(nèi)殼層對多電子原子的內(nèi)殼層n=1層出現(xiàn)空位時，考慮到電層出現(xiàn)空位時，考慮到電子的屏蔽效應(yīng)，在子的屏蔽效應(yīng)，在n=2層中的電子感受到的是（層中的電子感受到的是（Z=1）個正電荷的庫侖作用，所以個正電荷的庫侖作用，所以X射線的射線的 線系的波數(shù)具線系的波數(shù)具有有 的形式。的形式。KK22211112R Z同理，可以將同理，

24、可以將 線系解釋為對應(yīng)于內(nèi)層電子在線系解釋為對應(yīng)于內(nèi)層電子在n=3和和n=2之間的躍遷。這些都說明之間的躍遷。這些都說明X射線標(biāo)識譜是由原射線標(biāo)識譜是由原子中內(nèi)層電子的躍遷產(chǎn)生的。子中內(nèi)層電子的躍遷產(chǎn)生的。 L原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線 研究表明，研究表明，K線系是最內(nèi)層（線系是最內(nèi)層（n=1）以外各層的電子）以外各層的電子躍遷到最內(nèi)層的結(jié)果，躍遷到最內(nèi)層的結(jié)果，L線系是第二層（線系是第二層（n=2）以外各層）以外各層的電子躍遷到第二層的結(jié)果，的電子躍遷到第二層的結(jié)果，M線系是第三層（線系是第三層（n=3）以）以外各層電子躍遷到第三層的結(jié)果。外各層電子躍遷到第三

25、層的結(jié)果。 K線系中的線系中的 線，波長最長，強度最大，是第二層電線，波長最長，強度最大，是第二層電子躍遷到第一層時所發(fā)射的；而子躍遷到第一層時所發(fā)射的；而 線則是第三層電子躍線則是第三層電子躍遷到第一層時所發(fā)射的，波長較短；強度最弱的遷到第一層時所發(fā)射的，波長較短；強度最弱的 線是線是第四層電子躍遷到第一層時所發(fā)射的。其余各線類似。第四層電子躍遷到第一層時所發(fā)射的。其余各線類似。 KKK 可見，標(biāo)識譜反映了可見，標(biāo)識譜反映了原子內(nèi)層結(jié)構(gòu)原子內(nèi)層結(jié)構(gòu)的情況。譜線波長的情況。譜線波長代表能級的間隔，譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)顯示能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)。代表能級的間隔，譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)顯示能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)。所以所以X射線

26、標(biāo)識譜對研究原子結(jié)構(gòu)具有重要的意義射線標(biāo)識譜對研究原子結(jié)構(gòu)具有重要的意義。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線以以X射線為分析手段的方法，以產(chǎn)生空位的方法命名：射線為分析手段的方法，以產(chǎn)生空位的方法命名： e-X，用電子束產(chǎn)生空位，稱為電子，用電子束產(chǎn)生空位，稱為電子X熒光分析；熒光分析； p-X，用質(zhì)子束產(chǎn)生空位，稱為質(zhì)子，用質(zhì)子束產(chǎn)生空位，稱為質(zhì)子X熒光分析；熒光分析； I-X，用離子束產(chǎn)生空位，稱為離子，用離子束產(chǎn)生空位，稱為離子X熒光分析；熒光分析； X-X，用，用X射線產(chǎn)生空位，稱為射線產(chǎn)生空位，稱為X熒光分析；熒光分析；原子物理學(xué)(Atomic Physic

27、s) 第六章 X射線電子內(nèi)殼層的躍遷電子內(nèi)殼層的躍遷2,3,1nnK X射線射線3,4,2nnL X射線射線4,5,3nnM X射線射線對于對于K線系線系21nnK X射線射線31nnK X射線射線41nnK X射線射線四、特征輻射的標(biāo)記方法四、特征輻射的標(biāo)記方法原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線鎘鎘原原子子的的X射射線線能能級級圖圖原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線 把原子中各層電子電離出去所需的能量是不同的。最把原子中各層電子電離出去所需的能量是不同的。最內(nèi)層電子在原子中的能量最低，第二層較高，第三層更高，內(nèi)層電子在原子中的能量最低，第二層較

28、高，第三層更高，依次類推。所以要使最內(nèi)層的電子電離，需要提供的能量依次類推。所以要使最內(nèi)層的電子電離，需要提供的能量最大（約為最大（約為104eV），其次是第二層，依次類推。），其次是第二層，依次類推。 因此，標(biāo)識譜線的結(jié)構(gòu)取決于原子內(nèi)層的電子殼層結(jié)構(gòu)。因此，標(biāo)識譜線的結(jié)構(gòu)取決于原子內(nèi)層的電子殼層結(jié)構(gòu)。只有在較重的元素中，其只有在較重的元素中，其M殼層、殼層、N殼層才可能是閉合的內(nèi)殼層才可能是閉合的內(nèi)殼層，也才有可能產(chǎn)生殼層，也才有可能產(chǎn)生M線系、線系、N線系的標(biāo)識譜線。線系的標(biāo)識譜線。 不同元素的原子具有相似的內(nèi)層結(jié)構(gòu)，只是各殼層的不同元素的原子具有相似的內(nèi)層結(jié)構(gòu)，只是各殼層的能量不同，因而

29、它們的標(biāo)識譜線都有相似的成分，只是波能量不同，因而它們的標(biāo)識譜線都有相似的成分，只是波長不同而不顯示周期性。長不同而不顯示周期性。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線五、俄歇電子五、俄歇電子 另一種非輻射過程，通過庫侖相互作用將能量轉(zhuǎn)移給另一種非輻射過程，通過庫侖相互作用將能量轉(zhuǎn)移給另一外層電子。非輻射效應(yīng)如圖所示，稱為另一外層電子。非輻射效應(yīng)如圖所示，稱為俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)，所，所發(fā)射出的電子在發(fā)射出的電子在1925年由法國物理學(xué)家俄歇（年由法國物理學(xué)家俄歇（Auger）首）首先發(fā)現(xiàn)的。先發(fā)現(xiàn)的。 KILIILI

30、IILIM俄歇電子俄歇電子 俄歇電子的能量決定于俄歇電子的能量決定于原子內(nèi)層原子內(nèi)層能級的結(jié)構(gòu)能級的結(jié)構(gòu)，因此對俄歇電子的能量，因此對俄歇電子的能量和強度的研究能使我們得到關(guān)于原子和強度的研究能使我們得到關(guān)于原子的結(jié)合能、狀態(tài)量子數(shù)信息。測量固的結(jié)合能、狀態(tài)量子數(shù)信息。測量固體材料俄歇電子譜可以用來分析材料，體材料俄歇電子譜可以用來分析材料，特別是關(guān)于表面的一些組成和結(jié)構(gòu)的特別是關(guān)于表面的一些組成和結(jié)構(gòu)的情況。情況。 俄歇電子的產(chǎn)生.swf原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線 對于對于Z小的原子，外層電子躍遷入內(nèi)層空位小的原子，外層電子躍遷入內(nèi)層空位通過俄歇效應(yīng)的幾率比發(fā)

31、射通過俄歇效應(yīng)的幾率比發(fā)射X射線的幾率大。當(dāng)射線的幾率大。當(dāng)Z超過超過35時時，發(fā)射，發(fā)射X射線的幾率將超過俄歇效應(yīng)。射線的幾率將超過俄歇效應(yīng)。在原子發(fā)射俄歇電子后，原子中將出現(xiàn)兩個空位，在原子發(fā)射俄歇電子后，原子中將出現(xiàn)兩個空位，它往往通過它往往通過發(fā)射發(fā)射X射線而退激發(fā)射線而退激發(fā)，因此，因此俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)常伴隨有常伴隨有X射線的發(fā)射射線的發(fā)射。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線六、電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā)六、電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā) 當(dāng)原子殼層中有電子空位時，可以發(fā)射當(dāng)原子殼層中有電子空位時，可以發(fā)射X射線，射線，也可以發(fā)射俄歇電子，還可以也可以發(fā)射俄歇電子，還可

32、以使原子核激發(fā)使原子核激發(fā)。 1973年，日本大阪大學(xué)森田正人從理論上建年，日本大阪大學(xué)森田正人從理論上建議這種新的能量轉(zhuǎn)移機制，并為實驗所證實。議這種新的能量轉(zhuǎn)移機制，并為實驗所證實。原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線七、同步輻射七、同步輻射這是一種新型的產(chǎn)生這是一種新型的產(chǎn)生X射線的手段。射線的手段。 同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在作曲線運動同步輻射是速度接近光速的帶電粒子在作曲線運動時沿切線方向發(fā)出的電磁輻射時沿切線方向發(fā)出的電磁輻射 也叫也叫同步光同步光。這種光。這種光是是1947年在美國通用電器公司的一臺年在美國通用電器公司的一臺70Mev的同步加速的同步

33、加速器中首次觀察到的，被命名為器中首次觀察到的，被命名為同步輻射同步輻射。 接近光速運動著的電子或正電子在改變運動方向時接近光速運動著的電子或正電子在改變運動方向時放出的電磁波叫做放出的電磁波叫做輻射波輻射波，因為這一現(xiàn)象是在同步加速，因為這一現(xiàn)象是在同步加速器上發(fā)現(xiàn)的，所以稱為器上發(fā)現(xiàn)的，所以稱為同步輻射同步輻射。這種電子的自發(fā)輻射，。這種電子的自發(fā)輻射，強度高、覆蓋的頻譜范圍廣，可以任意選擇所需要的波強度高、覆蓋的頻譜范圍廣，可以任意選擇所需要的波長且連續(xù)可調(diào)，因此成為一種科學(xué)研究的新光源。長且連續(xù)可調(diào)，因此成為一種科學(xué)研究的新光源。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X

34、射線 在雨中快速轉(zhuǎn)動雨傘時，沿傘邊緣的切線方向會飛在雨中快速轉(zhuǎn)動雨傘時，沿傘邊緣的切線方向會飛出一簇簇水珠。利用彎轉(zhuǎn)磁鐵可以強迫高能電子束團在出一簇簇水珠。利用彎轉(zhuǎn)磁鐵可以強迫高能電子束團在環(huán)形的同步加速器以接近于光速作回旋運動，在切線方環(huán)形的同步加速器以接近于光速作回旋運動，在切線方向會有電磁波發(fā)射出來。向會有電磁波發(fā)射出來。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線1、直線加速器、直線加速器 2、回旋加速器和電子感應(yīng)加速器、回旋加速器和電子感應(yīng)加速器3、同步加速器、同步加速器 同步輻射的類型同步輻射的類型 另外還有印度、巴另外還有印度、巴西、西班牙、加拿大、西、西班牙、加

35、拿大、荷蘭、瑞士、泰國、荷蘭、瑞士、泰國、新加坡等國家均建有新加坡等國家均建有同步輻射光源實驗室。同步輻射光源實驗室。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線我國的同步輻射事業(yè)我國的同步輻射事業(yè) 從從20世紀(jì)世紀(jì)70年代末北京正負(fù)電子對撞機（年代末北京正負(fù)電子對撞機（BEPC）的建造開始。的建造開始。 第一代：第一代：北京同步輻射裝北京同步輻射裝置（置（BSRF）。）。2.2Gev 第二代：第二代：國家同步輻射實驗國家同步輻射實驗室（室（NSRL）。）。800Mev 第三代：第三代：上海（上海（SSRF）。）。3.5Gev 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章

36、 X射線同步輻射光的特點同步輻射光的特點 1、高強度、高強度 如用如用X光機拍攝一幅晶體缺陷照片，通常需要光機拍攝一幅晶體缺陷照片，通常需要7-15天天的感光時間，而利用同步輻射光源只需要十幾秒或幾分鐘，的感光時間，而利用同步輻射光源只需要十幾秒或幾分鐘，工作效率提高了幾萬倍。高亮度的特性決定了同步輻射光工作效率提高了幾萬倍。高亮度的特性決定了同步輻射光源可以用來做許多常規(guī)廣源所無法進行的工作。源可以用來做許多常規(guī)廣源所無法進行的工作。 2、能譜寬、能譜寬 同步輻射從紅外線、可見光、同步輻射從紅外線、可見光、真空紫外、軟真空紫外、軟X射線一直延伸到射線一直延伸到硬硬X射線（如圖），是目前唯一射

37、線（如圖），是目前唯一能覆蓋這樣寬的頻譜范圍又能得能覆蓋這樣寬的頻譜范圍又能得到高亮度的光源。利用單色器可到高亮度的光源。利用單色器可以隨意選擇所需要的波長，進行以隨意選擇所需要的波長，進行單色光的實驗。單色光的實驗。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線3、方向性好、方向性好 利用同步輻射光學(xué)元件引出的同步輻射光源具有高利用同步輻射光學(xué)元件引出的同步輻射光源具有高度的準(zhǔn)直性，經(jīng)過聚焦，可大大提高光的亮度，可進行度的準(zhǔn)直性，經(jīng)過聚焦，可大大提高光的亮度，可進行極小樣品和材料中微量元素的研究。極小樣品和材料中微量元素的研究。 4、脈沖性、脈沖性 同步輻射光是由儲存環(huán)中周期運

38、動的電子束團輻射同步輻射光是由儲存環(huán)中周期運動的電子束團輻射發(fā)出的，具有納秒至微秒的時間脈沖結(jié)構(gòu)。利用這種特發(fā)出的，具有納秒至微秒的時間脈沖結(jié)構(gòu)。利用這種特性，可研究與時間有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)、物理激發(fā)過程、生性，可研究與時間有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)、物理激發(fā)過程、生物細(xì)胞的變化等。物細(xì)胞的變化等。 與可見光一樣，儲存環(huán)發(fā)出的同步輻射光根據(jù)觀察與可見光一樣，儲存環(huán)發(fā)出的同步輻射光根據(jù)觀察者的角度可具有線偏振性或圓偏振性，可用來研究樣品者的角度可具有線偏振性或圓偏振性，可用來研究樣品中特定參數(shù)的取向問題。中特定參數(shù)的取向問題。 5、偏振性、偏振性原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線同步輻射

39、的應(yīng)用同步輻射的應(yīng)用 同步輻射光是一個連續(xù)的波譜，從而為相關(guān)科學(xué)研究同步輻射光是一個連續(xù)的波譜，從而為相關(guān)科學(xué)研究提供高亮度、高準(zhǔn)直性的優(yōu)質(zhì)光源。對于同步輻射的應(yīng)用提供高亮度、高準(zhǔn)直性的優(yōu)質(zhì)光源。對于同步輻射的應(yīng)用有以下幾個大方面的應(yīng)用。有以下幾個大方面的應(yīng)用。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線6.3、康普頓散射、康普頓散射ArthurHolyCompton（18921962） 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) The Nobel Prize in Physics 1927 對于對于X射線通過物質(zhì)時逐漸減弱是由于兩種過程：吸收射線通過物質(zhì)時逐漸減弱是由于兩種過程：吸收和散射。這里

40、先討論散射問題。和散射。這里先討論散射問題。 早在早在1912年，就有人發(fā)現(xiàn)年，就有人發(fā)現(xiàn)X射線被物質(zhì)散射后射線被物質(zhì)散射后波長有波長有變長變長的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。1922年康普頓作了大量實驗證實了這種實年康普頓作了大量實驗證實了這種實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)散射光除了有波長不改變的部分外，還有波驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)散射光除了有波長不改變的部分外，還有波長變長的部分。后人把這個現(xiàn)象稱作長變長的部分。后人把這個現(xiàn)象稱作康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線一、經(jīng)典考慮一、經(jīng)典考慮晶體晶體 光闌光闌X 射線管射線管探探測測器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì)

41、)j 0散射波長散射波長 康普頓散射實驗.swf原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線o（A）0.7000.750波長波長=45Oj. . . . . . . . . . . . . . .00=0Oj=90Oj=135Oj實驗結(jié)果：實驗結(jié)果： 對于不同的散射角，除了有原對于不同的散射角，除了有原波長外，都出現(xiàn)了波長增加的譜波長外，都出現(xiàn)了波長增加的譜線；線； 波長差隨散射角而變化，與原波波長差隨散射角而變化，與原波長無關(guān)；長無關(guān)； 對于不同的元素，相同的散射角對于不同的元素，相同的散射角方向上，波長差與散射物無關(guān)；方向上，波長差與散射物無關(guān)； 原波長譜線的強度隨散射物原原

42、波長譜線的強度隨散射物原子序數(shù)的增加而增加，新增的譜線子序數(shù)的增加而增加，新增的譜線強度隨原子序數(shù)的增加而減小。強度隨原子序數(shù)的增加而減小。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線 經(jīng)典理論又一次遇到困難經(jīng)典理論又一次遇到困難 經(jīng)典散射理論：經(jīng)典散射理論： 當(dāng)波長當(dāng)波長 0 0的射線入射后，使電偶極子的射線入射后，使電偶極子受迫振動受迫振動 發(fā)出散射波的波長在發(fā)出散射波的波長在各方各方均是均是 0 0。 無法解釋無法解釋波長改變波長改變和和散射角散射角的關(guān)系。的關(guān)系。 康普頓采用了愛因斯坦的康普頓采用了愛因斯坦的光量子光量子假說假說 成功地解釋了實驗現(xiàn)象，成功地解釋了實驗現(xiàn)

43、象， 進一步證明了光量子假說的正確性。進一步證明了光量子假說的正確性。原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線二、量子解釋二、量子解釋 光子理論認(rèn)為康普頓效應(yīng)是高能光子理論認(rèn)為康普頓效應(yīng)是高能光子光子和低能和低能自由電子自由電子作作彈性碰撞彈性碰撞的結(jié)果，具體解釋如下：的結(jié)果，具體解釋如下：n 若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電若光子和外層電子相碰撞，光子有一部分能量傳給電子子,散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光散射光子的能量減少，于是散射光的波長大于入射光的波長，頻率變低。的波長，頻率變低。n 若光子和束縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個若光子和束

44、縛很緊的內(nèi)層電子相碰撞，光子將與整個原子交換能量原子交換能量,由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰由于光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子質(zhì)量，根據(jù)碰撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。撞理論，碰撞前后光子能量幾乎不變，波長不變。n 因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長因為碰撞中交換的能量和碰撞的角度有關(guān)，所以波長改變和散射角有關(guān)。改變和散射角有關(guān)。原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線yex電子電子靜止靜止0h0myx散射散射光子光子反沖反沖電子電子hm原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線2eeePPPhm chE22422eeehEm cP cPc

45、康普頓康普頓假設(shè)假設(shè): : 碰撞過程碰撞過程 遵守遵守能量守恒定律能量守恒定律和和動量守恒定律動量守恒定律 利用相對論能量與動量關(guān)系利用相對論能量與動量關(guān)系 得出結(jié)果得出結(jié)果PhPhjeP反沖電子反沖電子散射光子散射光子原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線)cos1 (00jcmhPhPhjeP反沖電子反沖電子散射光子散射光子 康普頓散射公式康普頓散射公式 上式說明：波長改變與散射物質(zhì)無關(guān)，僅決定于上式說明：波長改變與散射物質(zhì)無關(guān)，僅決定于散射角散射角；波長改變隨散射角增大而增加波長改變隨散射角增大而增加。 由以上討論可知，散射光波長的增加是由于碰撞時入射由以上討論可知，

46、散射光波長的增加是由于碰撞時入射光子將部分能量給了電子的結(jié)果，如果電子被原子束縛得很光子將部分能量給了電子的結(jié)果，如果電子被原子束縛得很緊，不能從光子處獲得能量，那么散射光的波長也不會發(fā)生緊，不能從光子處獲得能量，那么散射光的波長也不會發(fā)生變化。變化。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線三、物理意義三、物理意義1、電子的康普頓波長、電子的康普頓波長當(dāng)散射角為當(dāng)散射角為90度時，得到度時，得到 o0A024263. 0cmhc 電子的康普頓波長電子的康普頓波長 其物理含義是，其物理含義是，入射光子的能量與電子的靜止能量入射光子的能量與電子的靜止能量相等時所對應(yīng)的光子的波長

47、相等時所對應(yīng)的光子的波長。0137eecerrm c折合電子康普頓波長折合電子康普頓波長約為約為經(jīng)典電子半徑的經(jīng)典電子半徑的137倍。倍。原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線2、 只決定于只決定于 ，而與，而與 無關(guān)。無關(guān)。j20.00486cnmj波長改變最大波長改變最大這就是康普頓散射引起的這就是康普頓散射引起的最大位移最大位移，即入射波長能夠增，即入射波長能夠增長的最大數(shù)值。長的最大數(shù)值。3、 與與 緊密相關(guān)。緊密相關(guān)。E 散射光子的能量隨入射光子的能量增大而增大，散射光子的能量隨入射光子的能量增大而增大，但除了但除了 以外。以外。0j原子物理學(xué)(Atomic Ph

48、ysics) 第六章 X射線4、相干散射、相干散射 在康普頓散射中總是伴隨著在康普頓散射中總是伴隨著 的散射，稱為的散射，稱為相干散射相干散射。0 如果光子與石墨中被原子核束縛得很緊的電子發(fā)生如果光子與石墨中被原子核束縛得很緊的電子發(fā)生碰撞（內(nèi)層電子）相當(dāng)于光子和碰撞（內(nèi)層電子）相當(dāng)于光子和整個原子整個原子碰撞（碰撞（m0是原是原子質(zhì)量）子質(zhì)量） 這樣，散射光的能量這樣，散射光的能量(波長波長)幾乎不改變幾乎不改變從而散射線從而散射線中還有與中還有與原波長原波長相同的射線。原子序數(shù)愈大的散射體原相同的射線。原子序數(shù)愈大的散射體原波長的成分愈多。波長的成分愈多。0(1 cos )hm cj原子物

49、理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線四、康普頓散射與基本常量四、康普頓散射與基本常量 根據(jù)康普頓位移與三個基本常量之間的關(guān)系，根據(jù)康普頓位移與三個基本常量之間的關(guān)系，進行基本常量的測定。進行基本常量的測定。測定普朗克常量測定普朗克常量h測定光子能量測定光子能量0(1 cos )hm cj原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線康普頓散射實驗的意義康普頓散射實驗的意義l 支持了支持了“光量子光量子”概念，進一步證實了概念，進一步證實了Ehl 首次在實驗上證實了愛因斯坦提出的首次在實驗上證實了愛因斯坦提出的“光量光量子具有動量子具有動量”的假設(shè)的假設(shè)P = E/c

50、 = h /c = h/ l 證實了證實了在微觀的單個碰撞事件中動量和能量在微觀的單個碰撞事件中動量和能量守恒定律仍然成立守恒定律仍然成立原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線康普頓康普頓（A. H.Compton)美國人美國人(1892-1962）康普頓康普頓在做康普頓散射實驗在做康普頓散射實驗原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)吳有訓(xùn)對研究康普頓效應(yīng)的貢獻(xiàn)1923年參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作年參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作對證實康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)對證實康普頓效應(yīng)作出了重要貢獻(xiàn)1925192519261926年，

51、吳有訓(xùn)用銀的年，吳有訓(xùn)用銀的X X射線射線( ( 0 0=5.62nm) =5.62nm) 為入射線，為入射線，以以1515種輕重不同的元素為散射物質(zhì)在同一散射角種輕重不同的元素為散射物質(zhì)在同一散射角( ( ) )測測量各種波長的散射光強度做了大量量各種波長的散射光強度做了大量X X 射線散射實驗。射線散射實驗。0120 j j 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn) (18971977)原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線1. 與散射物質(zhì)無關(guān)，僅與散射角有關(guān)與散射物質(zhì)無關(guān)，僅與散射角有關(guān)曲線表明曲線表明0 II 2. 輕元素輕元素0 II 重元素重元素吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)的康普的康普頓效應(yīng)頓效應(yīng)散射實散

52、射實驗曲線驗曲線0120 j j原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線 證實了康普頓效應(yīng)的普遍性證實了康普頓效應(yīng)的普遍性 證實了兩種散射線的產(chǎn)生機制證實了兩種散射線的產(chǎn)生機制 外層電子外層電子( (自由電子自由電子) )散射散射 0 0內(nèi)層電子內(nèi)層電子( (整個原子整個原子) )散射散射在康普頓的一本著作在康普頓的一本著作“X-Rays in theory and experiment”(1935) )中中19處處引用了吳的工作。引用了吳的工作。兩圖并列作為康普頓效應(yīng)的證據(jù)。兩圖并列作為康普頓效應(yīng)的證據(jù)。意義意義: : 吳有訓(xùn)對康普頓效應(yīng)最突出的貢獻(xiàn)在于吳有訓(xùn)對康普頓效應(yīng)最

53、突出的貢獻(xiàn)在于測定了測定了x射線散射射線散射中變線、不變線的強度比率中變線、不變線的強度比率R隨散射物原子序數(shù)變化的曲線，隨散射物原子序數(shù)變化的曲線，證實并發(fā)展了康普頓的量子散射理論。證實并發(fā)展了康普頓的量子散射理論。原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線 例：波長為例：波長為 的的X X射線與靜止的自由電子碰射線與靜止的自由電子碰撞撞, ,現(xiàn)在從和入射方向成現(xiàn)在從和入射方向成 角的方向去觀察散射輻射。角的方向去觀察散射輻射。求求: (1) : (1) 散射散射X X射線的波長射線的波長;(2);(2)反沖電子的能量反沖電子的能量;(3);(3)反反沖電子的動量。沖電子的動

54、量。nm02. 00 90 xyxyPe h/ 0h/ 3422318101022 6.63 10sinsin29.11 103 1040.024 100.0024hJ sm ckgm smnmj 解：解：(1)(1)散射后散射后X X射線波長的改變?yōu)樯渚€波長的改變?yōu)樵游锢韺W(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線所以散射所以散射X X的波長為的波長為0034811211111636.63 103 102.4 102 102.24 1010.7 106.66 10hchchcJ sm smmmJeV (2) (2) 根據(jù)能量守恒根據(jù)能量守恒, ,反沖電子獲得的能量就是入射光子反沖電子

55、獲得的能量就是入射光子與散射光子能量的差值與散射光子能量的差值, ,所以所以00.00240.020.0224nmnmnm (3) (3) 根據(jù)動量守恒根據(jù)動量守恒, ,有有0cosehp原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線34112306.63 10cos0.7532 104.4 10ehJ spmkg m s221 2022022222222341 2244423()2.24102106.63 10()4.48104.44 10ephmmJ smkg m s 419所以所以0cosehpep0hh原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線6.4、X射線

56、的吸收射線的吸收 X射線由于具有很短的波長，因此在物質(zhì)中具有很強射線由于具有很短的波長，因此在物質(zhì)中具有很強的穿透能力。但是，由于的穿透能力。但是，由于X射線與物質(zhì)相互作用，射線與物質(zhì)相互作用，X射線射線的強度會因為的強度會因為X射線通過物質(zhì)而被減弱，這就是射線通過物質(zhì)而被減弱，這就是X射線的射線的吸收現(xiàn)象。吸收現(xiàn)象。一、兩類相互作用一、兩類相互作用1、多次小相互作用。、多次小相互作用。2、全或無相互作用。、全或無相互作用。粒子散射實驗。粒子散射實驗。光電效應(yīng)。光電效應(yīng)。原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線 設(shè)沒有加入吸收物之前，測得射線強度為設(shè)沒有加入吸收物之前，測得射

57、線強度為 ，放入，放入吸收物并逐步增加它的厚度吸收物并逐步增加它的厚度x，那么通過吸收物后的射，那么通過吸收物后的射線強度線強度I就會逐步減小就會逐步減小 0I0 xII e 朗伯朗伯-比耳定律比耳定律其中，其中， 為為吸收系數(shù)吸收系數(shù)。dIIdx 可見，可見， 是射線經(jīng)過單位厚度的吸收物后強度減弱的是射線經(jīng)過單位厚度的吸收物后強度減弱的百分?jǐn)?shù)。它代表吸收物對百分?jǐn)?shù)。它代表吸收物對X射線的衰減作用的大小。射線的衰減作用的大小。 原子物理學(xué)(Atomic Physics) 第六章 X射線0 xII e 進一步可以把吸收式寫為進一步可以把吸收式寫為 其中，其中， 為吸收物的密度。這樣為吸收物的密度。這樣 dIIdx 表示射線經(jīng)過在單位面積具有一單位質(zhì)量的物質(zhì)表示射線經(jīng)過在單位面積具有一單位質(zhì)量的物質(zhì)后減弱的百分?jǐn)?shù)，稱為后減弱的百分?jǐn)?shù)，稱為質(zhì)量