原子物理atom08剖析課件

第8章：X

射線

X射線又名倫琴射線，是倫琴(W.C.R?ntgen)在1895年發(fā)現(xiàn)的，他把新發(fā)現(xiàn)的射線命名為X射線。X射線是一種波長(zhǎng)較短的電磁波，其波長(zhǎng)范圍一般在0.001nm到1nm或更長(zhǎng)一點(diǎn)。X射線性質(zhì)：X

射線是一種電磁波，波長(zhǎng)很短，穿透力很強(qiáng)。X射線管的結(jié)構(gòu)

：KAX射線X射線管-+G

X射線管的陰極和陽(yáng)極之間加有高電壓，一般是幾萬(wàn)伏到十幾萬(wàn)伏，甚至更高。8.1X射線的產(chǎn)生及其波長(zhǎng)和強(qiáng)度的測(cè)量X射線一般是在X射線管中產(chǎn)生的。

1913年英國(guó)的布拉格父子，提出了一種精確研究X射線的方法，并作出了精確的定量計(jì)算。二人因在X射線研究晶體結(jié)構(gòu)方面作出的巨大貢獻(xiàn)，同獲1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。WilliamBraggandLawrenceBragg8.2X射線的發(fā)射譜及產(chǎn)生機(jī)制

x射線譜是由兩部分構(gòu)成的，一是波長(zhǎng)連續(xù)變化的部分（圖a）

，稱為連續(xù)譜，它的最小波長(zhǎng)只與外加電壓有關(guān)。另一部分是具有分立波長(zhǎng)的譜線，這部分線狀譜線要么不出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)，它們的峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位置完全決定于靶材料本身，故這部分譜線稱之為特征譜，又稱標(biāo)識(shí)譜。標(biāo)識(shí)譜重疊在連續(xù)譜之上，如同山丘上的寶塔（圖b）。X射線產(chǎn)生的機(jī)制

X射線連續(xù)譜是電子在靶上被減速而產(chǎn)生的：高速電子射到靶上，受靶材料原子的作用而速度驟減，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成輻射能，放射出射線，由此產(chǎn)生的輻射稱之為韌致輻射，又稱為剎車輻射。由于電子到達(dá)靶子時(shí)速度是連續(xù)變化的，因此輻射的X射線具有連續(xù)譜的性質(zhì)。1.

連續(xù)譜X射線連續(xù)譜最短波長(zhǎng)0與加速電壓有如下關(guān)系:利用X射線連續(xù)譜最短波長(zhǎng)與加速電壓的關(guān)系可以測(cè)定普朗克常數(shù)1920年與合作者一起利用Ｘ射線短波限與加速電壓的關(guān)系測(cè)定普朗克常數(shù)，獲得當(dāng)時(shí)該方法最精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，被國(guó)際物理界沿用16年之久。葉企孫，物理學(xué)家、教育家，我國(guó)近代物理學(xué)奠基人之一。1918年6月清華學(xué)校畢業(yè)赴美，1923年獲哈佛大學(xué)博士學(xué)位。1925年后歷任清華大學(xué)教授、物理系主任、理學(xué)院院長(zhǎng)，西南聯(lián)合大學(xué)教授、理學(xué)院院長(zhǎng)，清華大學(xué)校務(wù)委員會(huì)主任委員。1952年院系調(diào)整時(shí)調(diào)入北京大學(xué)。2.標(biāo)識(shí)譜標(biāo)識(shí)譜是線狀譜，由具有特定波長(zhǎng)的譜線構(gòu)成。譜線的波長(zhǎng)決定于靶材料。每一種元素有一套一定波長(zhǎng)的射線譜，成為這元素的標(biāo)識(shí)，所以稱為標(biāo)識(shí)譜。各元素的標(biāo)識(shí)譜有相似的結(jié)構(gòu)，清楚地分為幾個(gè)線系。波長(zhǎng)最短的一組線稱為K線系，比K線系波長(zhǎng)更長(zhǎng)一些，譜線也較多的一組譜線稱為L(zhǎng)線系。波長(zhǎng)更長(zhǎng)的還有M線系和N線系。莫塞萊公式K線的波數(shù)L1線的波數(shù)標(biāo)識(shí)譜有下述特性：(1)

各種元素的標(biāo)識(shí)譜有相似的結(jié)構(gòu)，不同于可見(jiàn)光的光譜彼此相差可以很大。(2)

按原子序數(shù)的次序比較各元素的標(biāo)識(shí)譜，譜線的波長(zhǎng)依次變動(dòng)，但看不出有周期性的變化。(3)

K線系甚至L線系的結(jié)構(gòu)與化學(xué)成分無(wú)關(guān)。(4)

X射線管上需要加幾萬(wàn)伏特的電壓才能激發(fā)出某些線系。X射線的光子能量比可見(jiàn)光的光子能量大得多。

K線系是最內(nèi)層(n＝1)以外各層的電子躍遷到最內(nèi)層的結(jié)果。L線系是第二層(n＝2)以外各層的電子躍遷到第二層的結(jié)果。M層是第三層(n＝3)以外各層的電子躍遷到第三層的結(jié)果。標(biāo)識(shí)譜反映了原于內(nèi)層結(jié)構(gòu)的情況。譜線的波長(zhǎng)代表能級(jí)的間隔。譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)顯示能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。所以X射線標(biāo)識(shí)譜對(duì)研究原子結(jié)構(gòu)問(wèn)題有重要意義。8.3與X射線有關(guān)的原子能級(jí)選擇定則L=1J=0,1式中k=J+1/2，J是總角動(dòng)量。X射線各能級(jí)的光譜項(xiàng)：俄歇電子發(fā)射在原子殼層中產(chǎn)生空穴后，產(chǎn)生X射線僅是釋放能量的一種途徑。另一種途徑稱之為俄歇電子發(fā)射，它是由法國(guó)物理學(xué)家俄歇(P.Auger)于1923年發(fā)現(xiàn)的。假如在K層中有了一個(gè)空穴[例如以光電相互作用產(chǎn)生這一空穴，見(jiàn)右圖(a)和(b)，當(dāng)L層的一個(gè)電子躍遷到K層時(shí)，多余的能量可以釋放X射線,見(jiàn)右圖(c)，也可以不釋放X射線，而把能量傳遞給另一層(例如M層)中的一個(gè)電子，這個(gè)電子就可以脫離原子[見(jiàn)圖(d)]，并被稱為俄歇電子。8.4X射線的吸收X射線通過(guò)物質(zhì)后強(qiáng)度會(huì)發(fā)生衰減，強(qiáng)度為I的射線經(jīng)過(guò)厚度為dx的薄層后強(qiáng)度變化了dI:稱為衰減系數(shù)。X射線通過(guò)物質(zhì)后的衰減是由兩種過(guò)程產(chǎn)生的，一種是射線被吸收，另一種是被散射。因此代表兩種過(guò)程的聯(lián)合效果，可列為真實(shí)的吸收和散射系數(shù)之和0dxxI0由上式可得：/代表射線經(jīng)過(guò)單位面積具有單位質(zhì)量的那么一層物質(zhì)后減弱的百分?jǐn)?shù),被稱為質(zhì)量衰減系數(shù)，/被稱為質(zhì)量吸收系數(shù)。吸收是原子過(guò)程，把上面的吸收系數(shù)與一個(gè)原子聯(lián)系起來(lái)，更有理論意義。原子衰減常數(shù)、原子吸收常數(shù)和原子散射系數(shù)其中，A

為原子量，NA為Avogadro常數(shù)。由實(shí)驗(yàn)可證明所以由右圖可以看到：1)吸收系數(shù)一般隨波長(zhǎng)的減小而降低，即波長(zhǎng)較短的射線貫穿本領(lǐng)高；2)波長(zhǎng)減到某一值時(shí)，吸收系數(shù)突然增加，這些吸收突然增加處稱為吸收限(或吸收邊)。K吸收限表示X射線光子的能量大到足以使一個(gè)1s電子電離，LI吸收限表示X射線光子的能量大到足以使一個(gè)2s電子電離，LII和LIII吸收限表示X射線光子的能量大到足以使一個(gè)2p電子電離。2）實(shí)驗(yàn)規(guī)律8.5康普頓散射1）實(shí)驗(yàn)裝置波長(zhǎng)改變量隨散射角而異，對(duì)同一散射角，原子量較小的物質(zhì)散射強(qiáng)度大，但波長(zhǎng)改變量相同?？灯疹D散射散射規(guī)律：康普頓波長(zhǎng)：吳有訓(xùn)，字正之，1897年4月26日出生于江西省高安縣。物理學(xué)家、教育家，我國(guó)近代物理學(xué)奠基人之一。以系統(tǒng)、精湛的實(shí)驗(yàn)為康普頓效應(yīng)的確立做出了重要貢獻(xiàn)。是我國(guó)科學(xué)事業(yè)的杰出領(lǐng)導(dǎo)人和組織者，對(duì)我國(guó)科學(xué)事業(yè)特別是新學(xué)科的建立和發(fā)展起了積極的推動(dòng)作用。康普頓(ArthurCompton,1892~1962)，美國(guó)著名物理學(xué)家，因?qū)灯疹D效應(yīng)的研究而被授予1927年諾貝爾物理獎(jiǎng)。用愛(ài)因斯坦量子理論解釋康普頓散射光子與電子彈性碰撞光子動(dòng)量能量守恒：(1)動(dòng)量守恒：(2)能量守恒：(1)動(dòng)量守恒：(2)由(2)式有：或(3)由(1)式有即(4)即式中c=h/m0

c=0.0024nm，被稱為康普頓波長(zhǎng)。(3)(4)(4)減(3)得利用相對(duì)論質(zhì)量和速度的關(guān)系，可把上式可寫(xiě)為愛(ài)因斯坦光量子理論成功解釋了康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)：光子與外層自由電子或受束縛電子發(fā)生“完全彈性碰撞”?？灯疹D效應(yīng)0.005nm光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中光的波長(zhǎng)（λ）100nm左右，遠(yuǎn)大于△λ，康普頓效應(yīng)不明顯?？灯疹D效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中X射線波長(zhǎng)0.01~0.1nm,△λ與λ相差不大，現(xiàn)象明顯。例1：波長(zhǎng)為0.04nm的X射線經(jīng)物質(zhì)散射后產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。若散射角等于900

，試求：（1）散射光波長(zhǎng)；（2）反沖電子獲得的能量；（3）反沖電子動(dòng)量的大小和方向。

解：（1）康普頓散射公式：散射光波長(zhǎng)：Pe（2）反沖電子動(dòng)能等于入射X射線與散射光波能量之差(3)動(dòng)量守恒：Pe例2：證明在康普頓散射實(shí)驗(yàn)中，波長(zhǎng)為0的一個(gè)光子與質(zhì)量為m0的靜止電子碰撞后，電子的反沖角與光子散射角之間的關(guān)系為：證：散射前后體系動(dòng)量守恒，有由以上兩式可知：把康普頓散射公式：代入上式得最后利用半角公式可得：8.6X射線在晶體中的衍射設(shè)u0和u是入射和出射方向的單位矢量，則上三式可寫(xiě)成由圖可見(jiàn)用1、2、3代表s和a、b、c的夾角，則上三式又可寫(xiě)成：提出m1、m2和m3的最大公約數(shù)n，m1=nh、m2=n