原子物理學(xué)第八章

原子物理學(xué)第八章原子物理學(xué)第八章原子物理學(xué)第八章一、X射線的發(fā)現(xiàn)在1895年以前，由陰極射線管產(chǎn)生的X射線在實(shí)驗(yàn)里已經(jīng)存在了30多年，在射線發(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(xué)獲博士學(xué)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(shí)驗(yàn)時，為了避免雜光對實(shí)驗(yàn)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(jié)晶物質(zhì)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(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),射線來自陰極射線管管壁?！?.1X射線的產(chǎn)生及其波長強(qiáng)度的測量書籍能培養(yǎng)我們的道德情操，給我們巨大的精神力量，鼓舞我們前進(jìn)原子物理學(xué)第八章原子物理學(xué)第八章原子物理學(xué)第八章一、X射線的1一、X射線的發(fā)現(xiàn)在1895年以前，由陰極射線管產(chǎn)生的X射線在實(shí)驗(yàn)里已經(jīng)存在了30多年，在射線發(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(xué)獲博士學(xué)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(shí)驗(yàn)時，為了避免雜光對實(shí)驗(yàn)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(jié)晶物質(zhì)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(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),射線來自陰極射線管管壁?！?/p>

8.1X射線的產(chǎn)生及其波長強(qiáng)度的測量一、X射線的發(fā)現(xiàn)§8.1X射線的產(chǎn)生及其波長強(qiáng)度的測量2令人驚奇的是，當(dāng)用木頭等不透明物質(zhì)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(zhuǎn)。經(jīng)過一個多月的研究，他未能搞清這種射線的本質(zhì)，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(xué)醫(yī)學(xué)會遞交了第一篇關(guān)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(nèi)掀起了X射線研究熱，1896年關(guān)于X射線的研究論文高達(dá)1000多篇。對X射線的公布，促使法國物理學(xué)家貝克勒爾也投入到這一研究領(lǐng)域之中，為了弄清X射線產(chǎn)生的機(jī)制。他想，如果把熒光物質(zhì)放在強(qiáng)光下照時，是否在發(fā)熒光的同時，也能放出X射線呢？令人驚奇的是，當(dāng)用木頭等不透明物質(zhì)擋住這種射線3于是他把一塊熒光物質(zhì)（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(jié)果在底片上果然發(fā)現(xiàn)了與熒光物質(zhì)形狀相同的“像”。一次偶然的機(jī)會使他發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)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(zhì)是否有關(guān)呢？他進(jìn)一步用不發(fā)熒光的鈾化合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(guān)。1896年3月2日，他向法國科學(xué)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(lǐng)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(xué)家的‘靈感’對科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)‘非常重要’；這種靈感必源于他的豐富的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)?！庇谑撬岩粔K熒光物質(zhì)（鈾的化合物--鉀鈾酰硫酸鹽晶體）放在用4使熒光屏發(fā)出熒光；二．X射線的產(chǎn)生１．發(fā)現(xiàn)：1895年德國大學(xué)教授倫琴在做氣體放電實(shí)驗(yàn)時首先發(fā)現(xiàn)的。

２．性質(zhì)：穿透性很強(qiáng)；對動植物組織有刺激作用。３．本質(zhì)：X射線具有光所具有的一切性質(zhì)：反射，折射，偏振等，所以X射線從本質(zhì)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(chǎn)生

:

X射線由X射線管產(chǎn)生。使熒光屏發(fā)出熒光；二．X射線的產(chǎn)生１．發(fā)現(xiàn)：1895年德國5原子物理學(xué)第八章6原子物理學(xué)第八章7陰極電子真空管X射線圖5.6X

射線管示意圖陰極電子真空管X射線圖5.6X射線管示意圖8三、X射線波長和強(qiáng)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?qū)ζ矫娴膬A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(qiáng)。如圖5.7三、X射線波長和強(qiáng)度的測定1、原理：9

層

dAB

圖5.7布拉格公式推導(dǎo)層dAB圖5.7布拉格公式推導(dǎo)102、測量方法測量波長：

OA/r=2

=OA/2r

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

圖5.8

O2、測量方法S1S2AA1CP圖5.8O11每個亮點(diǎn)為勞厄斑點(diǎn),對應(yīng)于一組晶面.斑點(diǎn)的位置反映了對應(yīng)晶面的方向.由這樣一張照片就可以推斷晶體的結(jié)構(gòu)(連續(xù)譜的X射線)每個亮點(diǎn)為勞厄斑點(diǎn),對應(yīng)于一組晶面.斑點(diǎn)的123．晶體粉末法(單波長的射線)

每一同心園對應(yīng)一組晶面,不同的園環(huán)代表不同的晶面陣,環(huán)的強(qiáng)弱反映了晶面上原子的密度大小3．晶體粉末法(單波長的射線)每一同心園對應(yīng)一組晶面,不134．(1)X射線的衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)有效方法

晶體衍射圖就可以確定晶體內(nèi)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(jié)構(gòu)

(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4．(1)X射線的衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)有效方法(2)X射14實(shí)驗(yàn)表明，X射線譜由兩部分構(gòu)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(guān)；另一部分波長是分立的，與靶材料有關(guān)，成為某種材料的標(biāo)識，所以稱為標(biāo)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(diǎn)和產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)分析?！?/p>

8.2X射線的發(fā)射譜連續(xù)譜：鎢靶，不同的電壓

標(biāo)識譜：鎢靶和鉬靶，相同的電壓實(shí)驗(yàn)表明，X射線譜由兩部分構(gòu)成，一部分波長連15一、連續(xù)譜——軔致輻射（殺車輻射）1、連續(xù)譜的特征在上述產(chǎn)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(chǎn)生，下面分兩點(diǎn)研究輻射的特性。1）連續(xù)譜與管壓的關(guān)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(qiáng)度為縱軸；在不同管壓下得到的波長—強(qiáng)度分布曲線。由圖可見，當(dāng)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(guān)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(guān)。是由管壓V決定的。一、連續(xù)譜——軔致輻射（殺車輻射）16電子離子光子圖

軔致輻射電子離子光子圖軔致輻射172、連續(xù)譜產(chǎn)生的微觀機(jī)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(yīng)該是原子光譜，而應(yīng)該是電子在靶上減速而產(chǎn)生的?？梢韵胂蟮?，被高壓加速后的電子進(jìn)入靶內(nèi)，可以到達(dá)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(yùn)動，必然有電磁輻射產(chǎn)生，這便是產(chǎn)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(chǎn)生給出定量的分析。設(shè)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(jù)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.2、連續(xù)譜產(chǎn)生的微觀機(jī)制18v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(zhuǎn)化為輻射時，由此得需要指出的是，解釋光電效應(yīng)的Einstein方程是：當(dāng)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(yīng)的逆效應(yīng)。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V19二、標(biāo)識譜——線狀譜（內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，猶如人的指紋，故得名為標(biāo)識譜，但是他們的線系結(jié)構(gòu)是相似的，都分為K,L,M,……等線系；且譜線具有精細(xì)結(jié)構(gòu)，K系分為b、改變靶物質(zhì)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(biāo)識譜與其化合的狀態(tài)無關(guān)；d、對一定的陽極靶材料，產(chǎn)生標(biāo)識譜的外界電壓有一個臨界值.

L系分為等；2、產(chǎn)生的根源：是原子內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生的，它反映了原子內(nèi)層結(jié)構(gòu)的情況。譜線的波長代表能級的間隔。二、標(biāo)識譜——線狀譜（內(nèi)殼層電子的躍遷）1、線狀譜的特征b、20圖X射線各線系的產(chǎn)生K

K

K系線M

M

M系線L

L

L系線M（n=3）L（n=2）K（n=1）圖X射線各線系的產(chǎn)生KKK系線MMM系線21

3.產(chǎn)生機(jī)制:

從陰極發(fā)出的電子經(jīng)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(nèi)層,將內(nèi)殼層電子之一擊出原子之外,使原子電離,并在內(nèi)殼層出現(xiàn)一個空穴,當(dāng)鄰近內(nèi)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(nèi)殼層能級分立，所以產(chǎn)生X射線的線狀譜，原子序數(shù)較大的元素，內(nèi)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。3.產(chǎn)生機(jī)制:22

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、5一般形式:四莫塞萊定律莫塞萊研究了一系23As33Se34Br35Rb37Sr38Nb41Rh45圖8.8幾種元素的線系譜，按原子序數(shù)的次序上下排列直進(jìn)射線直進(jìn)射線24

9080706050403020100X射線K線系的莫塞萊圖

2

1102030405060708090Z90X射線K線系的莫塞萊圖21102025§

8.3同X射線有關(guān)的原子能級一、X射線標(biāo)識譜的產(chǎn)生（內(nèi)殼層電子的躍遷）1、內(nèi)殼層電子躍遷的前提：必須有空穴2、產(chǎn)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(nèi)殼層電子吸收高能光子使內(nèi)層電子電離。3、標(biāo)識譜產(chǎn)生的原因：深能級（內(nèi)殼層）電子電離形成電子空位，內(nèi)殼層電子自發(fā)重新排列，發(fā)出光子，產(chǎn)生X射線標(biāo)識譜。二、內(nèi)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(nèi)殼層電子最穩(wěn)定，n越小，En也越小。

b、內(nèi)殼層電子電離能：n越小，ΔEn就越大。

c、內(nèi)殼層電子電離態(tài)能級：n越小，電離態(tài)能級En就越大?！?.3同X射線有關(guān)的原子能級一、X射線標(biāo)識譜的產(chǎn)262、電離態(tài)對應(yīng)的原子能級(內(nèi)殼層)由電子組態(tài)互補(bǔ)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(jié)合P231能級圖)原子物理學(xué)第八章27X射線通過物質(zhì)時，我們將X射線稱為光子，則根據(jù)光子能量（hv）的不同，它們與物質(zhì)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(yīng)。對光子來說，這是真實(shí)吸收?！肮怆娦?yīng)”的電子可以是自由電子，也可以是束縛電子。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(zhì)后，波長和能量發(fā)生改變，此稱compton效應(yīng)；當(dāng)hv增大時，發(fā)生compton效應(yīng)；

c、光子能量hv大于電子靜止質(zhì)量的兩倍時(1.02Mev)，光子在原子核場附近將轉(zhuǎn)化為一對正、負(fù)電子。這被稱作電子偶效應(yīng)；以上三種效應(yīng)不光與光子的能量有關(guān)，還與靶的原子序數(shù)有關(guān)。第四節(jié)：X射線的吸收X射線通過物質(zhì)時，我們將X射線稱為光子，則根據(jù)281、強(qiáng)度表達(dá)式設(shè)一束X射線，射向吸收體前強(qiáng)度是通過厚度為dx的吸收體后，強(qiáng)度增量為dI，減少量-dI將正比于dx和通過dx時的強(qiáng)度I，若取比例系數(shù)為μ，則-dI=μI(x)dx兩邊積分得:

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

μ—衰減系數(shù)，單位是cm-1，表示射線經(jīng)過單位厚度的減弱百分?jǐn)?shù)。1、強(qiáng)度表達(dá)式通過厚度為dx的吸收體后，強(qiáng)度增量為dI，減少292、吸收和散射

X射線強(qiáng)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(shù)2、吸收和散射（1）衰減常數(shù)303、吸收系數(shù)與波長、吸收物的原子序數(shù)的關(guān)系：4、X射線吸收過程的應(yīng)用：5、吸收限與原子能級：P231圖８.１０3、吸收系數(shù)與波長、吸收物的原子序數(shù)的關(guān)系：4、X射線吸收過31從微觀上看,吸收是原子的過程,用單位面積中的原子數(shù)和單位厚度除各系數(shù)可得:從微觀上看,吸收是原子的過程,用單位面積中的原子數(shù)和單位厚32實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)值與散射角有關(guān),隨角度的增加而增強(qiáng);且隨著散射角的增大,新譜線增強(qiáng),原譜線減弱.§

8.4

康普頓效應(yīng)(Compton)---粒子性(1927諾貝爾獎)實(shí)驗(yàn)結(jié)果--除原來譜線外,出現(xiàn)波長變長的另一條線.33量子力學(xué)解釋:按照經(jīng)典理論，光在介質(zhì)表面反射后,其頻率是不會改變的。然而Compton在