原子物理學(xué)課件：第八章：X射線

1、教學(xué)要求,（1）了解X射線發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)事實(shí)、產(chǎn)生方法，掌握X射線的連續(xù)譜與標(biāo)識譜的特征和產(chǎn)生的機(jī)制，解釋同X射線有關(guān)的原子能級產(chǎn)生的原因。 （2）了解X射線的吸收的規(guī)律，掌握康普頓散射，理解光子與物質(zhì)的相互作用。 （3）了解X射線在晶體中的衍射的規(guī)律。,第八章：X射線,2020/10/8,2,第一節(jié)：X射線的產(chǎn)生和波長的測定,一、電磁波譜,原子光譜,光學(xué)光譜:原子受激發(fā),價電子躍遷所獲得的譜。 ( 從紅外線-可見光-紫外線： 10-310-9米）,X射線光譜：原子內(nèi)殼層電子躍遷所獲 得的譜。,電 磁 波 譜,二、X射線的發(fā)現(xiàn),1895年，倫琴用黑紙把陰極射線管包起來，發(fā)現(xiàn)1m遠(yuǎn)處的熒光屏上發(fā)出微

2、弱的熒光，甚至將屏移出2m之外還有熒光出現(xiàn)。這種射線走直線，不反射、不折射，也不受磁場偏折。所以他稱未知的射線為X射線。但它的穿透性很強(qiáng)，可穿透他夫人的手顯示出手骨骼圖象。,1.X射線的發(fā)現(xiàn),1879年,克魯克斯證明了陰極射線是帶電的粒子流。,該照片在醫(yī)學(xué)上具有劃時代意義。1895年12月28日，倫琴宣讀了“論新的射線”；1901年獲第一個諾貝爾物理獎。,性質(zhì)：穿透性很強(qiáng)；,對動植物組織有刺激作用。,本質(zhì)：是波長很短的電磁波（0.001nm1nm),使氣體電離；,使照相底片爆光；, X射線的產(chǎn)生 : 一般由高速電子打在物體上產(chǎn)生。 在實(shí)驗(yàn)室由X射線管產(chǎn)生。,使熒光屏發(fā)出熒光；,陰極,電子,圖

3、X 射線管示意圖,三、 X射線波長的測定,1912年，勞厄指出X射線是波長很短的電磁波。他借助晶體這天然光柵觀察X射線的衍射，證明了X光的波動性。勞厄因研究晶體的X射線獲1941年諾貝爾物理獎。,原理：利用X射線在晶體的衍射可以測定它的波長,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：,出射線就會加強(qiáng)。,用布喇格公式可以計算晶面距，反之，若已知d，還可以確定X射線的波長。,從而在給定下可確定X射線的波長。,晶體可形成許多不同取向的晶面。在方向衍射的X光將得到加強(qiáng)，出現(xiàn)了勞厄光斑。,原子間距由 , 給出，d=0.282nm。,四、測定強(qiáng)度：由譜線的深淺程度

4、可以測出相對強(qiáng)度P223。,例如 1(g)的NaCl(A=58.5)，,其密度：=2.163(g/cm3)，所以分子數(shù)密度為,S1,S2,A,A1,O,C,P,x射線攝譜儀示意圖,OA/r=2 =OA/2 r 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。,2020/10/8,13,第二節(jié)、X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。,2020/10/8,14,一、連續(xù)譜,1、特性 (p225),波長是連續(xù)變化的，有一最短波長，最短波長只與加速電壓有關(guān)，與陽極材料無關(guān)。,2、最短波長,當(dāng)電子動能全部轉(zhuǎn)變成光子能量,U-加速電壓,2020/10/8,

5、15,3、產(chǎn)生機(jī)理,當(dāng)高速電子打到靶上時，與靶中的原子核發(fā)生碰撞，速度驟減而產(chǎn)生輻射軔致輻射,二、標(biāo)識譜,1、特性,線狀譜，波長決定于陽極材料，是元素的標(biāo)識 ；,各元素的標(biāo)識譜有相似性；,譜線系與化學(xué)成分無關(guān)；,要有足夠的電壓才能產(chǎn)生標(biāo)識譜 。,2020/10/8,16,2、產(chǎn)生機(jī)理,由高速電子與原子發(fā)生非彈性碰撞，使原子的內(nèi)層電子電離而產(chǎn)生空位，當(dāng)外層電子躍遷至內(nèi)層時，就輻射標(biāo)識譜。,2020/10/8,17,3、標(biāo)識譜的譜線,光譜項(xiàng) ：,則譜線的波數(shù) ：,X射線譜線系:,K線系：L、M、N各層電子K層空位,L線系：M、N各層電子L層空位,M線系：N、O各層電子M層空位 依次類推,4. 莫塞

6、萊定律及原子序數(shù)的測定(P227),根據(jù)元素X射線在圖上的位置,就可定出該元素的原子序數(shù),給出,由莫塞萊 線公式,早期元素周期表是按原子量大小順序排列的。如K(A=39.1)在Ar(A=39.9)前 ； Ni(A=58.7)在Co(A=58.9)前。由莫塞萊圖給出 KX射線波長是Ar:4.19 ；K:3.74 ； Co:1.79 ； Ni:1.66 。,2020/10/8,20,同步輻射*,同步輻射是速度接近光速（vc）的帶電粒子在磁場中沿弧形軌道運(yùn)動時放出的電磁輻射，由于它最初是在同步加速器上觀察到的，便又被稱為“同步輻射” 。,主要特點(diǎn)：,1、功率大（超大功率X光管比同步輻射的功率小了四個

7、量級）,2、能譜寬 （從遠(yuǎn)紅外、可見光、紫外直到硬X射線 ）,3、方向性好,4、特定的時間結(jié)構(gòu) （是一種脈沖光，脈沖寬度為0.11納秒 ）,5、完全的平面偏振波光（同步輻射在電子軌道平面內(nèi)是完 全偏振的光 ）,2020/10/8,21,同步輻射的應(yīng)用,近代生物學(xué) ：測定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu),通過X射線小角散射可研究蛋白質(zhì)生理活動過程和神經(jīng)作用過程等的動態(tài)變化，,固體物理學(xué),可用于研究固體的電子狀態(tài)、固體的結(jié)構(gòu)、激發(fā)態(tài)壽命及晶體的生長和固體的損壞等動態(tài)過程。,表面物理學(xué)和表面化學(xué)，可用于研究固體的表面性質(zhì)，如半導(dǎo)體和金屬表面的光特性；物質(zhì)的氧化、催化、腐蝕等。,2020/10/8,22

8、,結(jié)構(gòu)化學(xué)，可用于測定原子的配位結(jié)構(gòu)、大分子之間的化學(xué)鍵參數(shù)等，如對催化劑、金屬酶的結(jié)構(gòu)測定。,醫(yī)學(xué)，可用于腫瘤的診斷和治療，如測定血液內(nèi)一些元素的含量、血管造影、診斷人體內(nèi)各種腫瘤和進(jìn)行微型手術(shù)以除去人體特殊部位的一些異常分子等。, 光刻技術(shù)，普遍采用的紫外線光刻的最小線寬約2微米，而同步輻射光近似平行光束,用于光刻時其線寬可降至20埃，使分辨率提高幾個數(shù)量級 。,2020/10/8,23,用同步輻射拍的醫(yī)學(xué)照片,2020/10/8,24,第三節(jié) 同X射線有關(guān)的原子能級,一、鎘的能級圖(P231),1、能級圖,基態(tài)電子組態(tài)：,一個1s電子電離：,一個2s電子電離 ：,一個2p電子電離 ：,依

9、次類推,2020/10/8,25,2020/10/8,26,二、躍遷的選擇定則,三、X射線譜線系,K線系：,L線系：,K能級：K殼層的一個電子電離能,2020/10/8,27,四、和堿金屬原子光譜比較,因?yàn)闈M殼層失去一個電子的原子態(tài)和一個價電子的堿金屬原子態(tài)相同。所以，X射線標(biāo)識譜和堿金屬原子的光譜和能級有相似的結(jié)構(gòu)。,能級雙層 光譜雙線或更多,2020/10/8,28,第四節(jié) X射線的吸收,一、兩類相互作用,多次小相互作用,全或無相互作用,2020/10/8,29,二、X射線的吸收,系數(shù)計為，則：,射線經(jīng)過單位厚度后減弱的百分?jǐn)?shù)，稱為衰減系數(shù),2020/10/8,30,積分后,朗伯比耳定律,

10、是吸收體密度,(mg/cm2)稱質(zhì)量厚度， /(cm2/mg)稱質(zhì)量衰減系數(shù)。上式還可寫成,改寫因子,2020/10/8,31,射線減弱的原因,吸收,散射,三、吸收限,原子各殼層有一個電子電離時需要吸收的能量,Cd的電離態(tài)能級,2020/10/8,33,2020/10/8,34,從上圖不難看出，吸收系數(shù)隨X光子能量增加而下降，這是由于X光子能量越高，其穿透性越強(qiáng)。仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn)，圖中有幾處突變。它們對應(yīng)K、L、M吸收線。 K、L、M吸收限是X光子分別使K層、 L層、M層一個電子電離發(fā)生共振吸收的能量。 的突變即吸收限的出現(xiàn)，再證明原子內(nèi)部電子的殼層結(jié)構(gòu)。,2020/10/8,35,第五節(jié) 康普

11、頓效應(yīng),一、康普頓效應(yīng)（散射）,當(dāng)X射線通過一些較輕元素的物質(zhì)時，散射光中除了與后來波長相同的X射線以外，還有波長變長的X射線，這種效應(yīng)叫康普頓效應(yīng)。,實(shí)驗(yàn)結(jié)果：,對同一散射物質(zhì),且隨 的增加，新譜線增強(qiáng),2020/10/8,36,對不同的散射物，只要 相同， 相同，但波長變長的射線強(qiáng)度 隨Z的增加而減少。（P239圖8.15),2020/10/8,37,二、散射公式的推導(dǎo),2020/10/8,38,能量守恒：,動量守恒：,相對論關(guān)系：,，,2020/10/8,39,意義：用光子概念成功地解釋了X光的散射實(shí)驗(yàn)，這是繼光電效應(yīng)之后，再次證明光的粒子性。并指出像光子、電子這樣的微觀粒子也服從守恒律

12、?？灯疹D散射是X光與物質(zhì)相互作用的一種形式。,2020/10/8,40,第九章 原子核物理,原子核物理：研究原子核的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化,2020/10/8,41,第一節(jié) 原子核的基本性質(zhì),一、原子核的電荷,Z-核電荷數(shù)（原子序數(shù)）,測Z 1913年莫塞萊,Z=192 天然元素 Z92 超鈾元素,二、原子核的成分,1932年 查德威克發(fā)現(xiàn)了中子,2020/10/8,42,三、原子核的質(zhì)量,原子核的質(zhì)量原子的質(zhì)量-核外電子的質(zhì)量,2020/10/8,43,原子質(zhì)量=原子量*原子質(zhì)量單位,質(zhì)量數(shù)A：原子質(zhì)量以u為單位時，其值卻接近一個整 數(shù)，稱為質(zhì)量數(shù),同位素：Z相同，A不同的元素,同量異位素：A相

13、同，Z不同的元素,、,同質(zhì)異能素：同一種原子核處在不同的能量狀態(tài),2020/10/8,44,四、原子核的大小,實(shí)驗(yàn)表明，核半徑,體積,密度,五、原子核的角動量,I核的自旋量子數(shù),2020/10/8,45,角動量在某一方向的分量,原子的總角動量,六、原子核的磁矩,玻爾磁子,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、原子核的電四極距,實(shí)驗(yàn)證明，原子核的電四極距,原子核的電四極距與電荷分布的關(guān)系,2020/10/8,48,八、原子核的結(jié)合能,1、結(jié)合能,原子質(zhì)量原子核質(zhì)量+電子質(zhì)量,2020/10/8,49,核的質(zhì)量虧損：組成原子核

14、的單個核子質(zhì)量之和與 該原子核質(zhì)量之差,2020/10/8,50,結(jié)合能：,2、平均結(jié)合能（比結(jié)合能）,定義 ：,把原子核拆成自由核子時平均對每個核子所需作的功 或核子結(jié)合成原子核時平均每個核子所放出的能量。,越大，核越穩(wěn)定,比結(jié)合能曲線,2020/10/8,51,2020/10/8,52,（a) 中等質(zhì)量的核（A=40120)， 大，核結(jié)合得緊，穩(wěn)定性 好， 對輕、重核，小，核結(jié)合得松，穩(wěn)定性差。,獲得核能的兩個途徑：（一）重核裂變 （二）輕核聚變,（b) 當(dāng)A30時，常數(shù)，EA,顯示核力的飽和性。,（c）對A30的核，隨A有周期性的變化， A=4的倍數(shù)時，最大，說明存在殼層結(jié)構(gòu)。,2020

15、/10/8,53,第二節(jié) 原子核的放射衰變,一、放射性衰變及其規(guī)律,1、放射性衰變：一種元素的原子核自發(fā)地放射某種射線變成另一種元素的原子核的過程,放射性核素：,天然,人造,1896年，法國，貝克勒耳，鈾鹽,1898年，居里夫人, 原子現(xiàn)象,2020/10/8,54,2、射線,3、衰變規(guī)律,t N,適用于大量單獨(dú)存放的放射性原子核,衰變規(guī)律：,2020/10/8,55,衰變常數(shù)：,越大衰變越快,物理意義：表示單位時間內(nèi)每個原子核的衰變幾率,半衰期T ：,放射性核素的原子核數(shù)目衰變到原來的一半所需的時間,幾種放射物及其半衰期, 4.5109年 1622年 3.82日 + 20.4分 310-7秒

16、,放射物 射線 半衰期T,2020/10/8,57,放射性原子核在衰變前平均生存的時間,三者關(guān)系：,4、放射性活度,（1）放射性活度的定義：單位時間內(nèi)發(fā)生核衰變的次數(shù),2020/10/8,58,通常稱,為放射性強(qiáng)度，又稱放射性活度，用I表示。,（2）放射性活度的單位：貝克勒耳Bq,常用單位：居里Ci，毫居里mCi，微居里Ci, 盧瑟福Rd,2020/10/8,59,二、放射系,許多放射性同位素并非一次衰變就達(dá)到穩(wěn)定，而是一代接一代地衰變，直到穩(wěn)定的核素為止，這樣就構(gòu)成一個放射系。,2020/10/8,60,1、四個放射系,2、位移定則,衰變,2020/10/8,61,衰變,3、四個放射系的特點(diǎn)

17、 (P299-302),(1) 起源于一個半衰期很長的重元素，,（2）各子代表分別由、衰變形成，A、按位移定則減少， 最后變成一個穩(wěn)定的核素，,（3）每個系各代的質(zhì)量數(shù)A滿足一個規(guī)律，,(4) 有放射性分支，,(5) 三個天然放射系都有氣體核素Rn。,2020/10/8,62,三、衰變：,原子核放出一個粒子而變成另一個原子核的過程,1、衰變方程,2、衰變能Ed：原子核在衰變過程中釋放的能量，,也等于衰變后和衰變前體系的動能之差。,設(shè)母核原來靜止，V0=0,質(zhì)量為mx,子核速度為V,質(zhì)量為my,根據(jù)動量守恒定律：,2020/10/8,63,(1)計算衰變能方法之一,2020/10/8,64,(2

18、)計算衰變能方法之二,根據(jù)衰變前后總能量守恒有：,衰變能：,2020/10/8,65,用相應(yīng)的原子質(zhì)量代替核的質(zhì)量，忽略電子與原子核之間的結(jié)合能，則,3、衰變條件,例：判斷是否發(fā)生衰變。,2020/10/8,66,不能發(fā)生衰變,4、能譜和原子核能級,測得粒子的動能有六種,鐳放射兩種能量不同的粒子，其結(jié)果又都變成氡，這說明氡實(shí)際上存在著兩種不同的狀態(tài)：正常態(tài)和激發(fā)態(tài)。 如果把與氡核正常態(tài)對應(yīng)的能級取為零，即E0=0，那么激發(fā)態(tài)的能級便為E1=0.184MeV。,例：對鐳的衰變,測得粒子的動能分別為：,相應(yīng)的衰變能：, ，4.612MeV,，4.793MeV,，0.189MeV,4.879,0.1

19、84,0,氡,鐳,顯然，當(dāng)氡核由激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷時，要發(fā)射能量h=0.184MeV的光子。實(shí)驗(yàn)上觀測到h=0.189MeV的光子。,2020/10/8,69,粒子能譜具有分立特性原子核具有分立的能量狀態(tài)。,四、 衰變,1、衰變能譜,(1) 粒子能量連續(xù)分布,(2) 具有確定的最大值Em，且Em=Ed,(3)曲線有一極大值，此處,2020/10/8,70,2、粒子能譜引發(fā)的困境：,第一，粒子能譜是連續(xù)的，而原子核具有分立能級。,第二，能量不守恒？,第三，角動量不守恒？,3、中微子假設(shè),1930年，泡利提出了中微子假設(shè)，成功地解釋了上述矛盾， 并被以后的實(shí)驗(yàn)所證實(shí),泡利認(rèn)為：當(dāng)放射性物質(zhì)發(fā)生衰變時

20、，除了放出粒子外，還要放出一個中性粒子，其靜止質(zhì)量幾乎為0，故稱為中微子。,2020/10/8,71,中微子分為兩種：中微子和反中微子，它們的質(zhì)量完全相同，都不帶電荷，但自旋方向不同。,衰變過程中能量動量守恒，在衰變過程中都有三個粒子參與能量和動量的分配，因此，放出的的粒子就不象粒子那樣具有確定的能量，因而構(gòu)成連續(xù)譜。,Py + Pe + P = 0,1956年，從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了中微子。,2020/10/8,72,4、衰變的三種類型及衰變條件,衰變能：,衰變條件：,2020/10/8,73,（2）衰變：,+衰變條件： Mx（A，Z）My（A，Z-1）+2me,衰變能,（3）K俘獲：原子核俘獲一個

21、核外軌道上的電子而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€原子核的過程。,衰變能,2020/10/8,74,K俘獲條件： Mx（A，Z）My（A，Z-1）+K/c2,K K殼層電子的結(jié)合能,由于2mec2 K，因此，能發(fā)生+衰變的原子核總可以發(fā)生K俘獲，反之K俘獲的原子核不一定能發(fā)生+衰變。,判斷方法：,發(fā)射X標(biāo)識譜,產(chǎn)生俄歇電子,五、r衰變,1、輻射躍遷,2020/10/8,75,2、內(nèi)變換電子,六、穆斯堡爾效應(yīng)：原子核的無反沖r射線的共振吸收現(xiàn)象,核力：核子之間的相互作用力。,一、核力的基本性質(zhì),1核力是短程力 只在 fm 數(shù)量級的范圍內(nèi)發(fā)生作用,r：0.8-2fm 引力 r：2fm 消失,2核力是一種強(qiáng)相互作用,核力的強(qiáng)度比庫侖力大一百倍,第三節(jié) 核力,3核力近似地與電荷無關(guān),4核力具有飽和性,核子只與它最靠近的幾個核子有相互作用,核的密度近似地為一常數(shù),核的結(jié)合能近似地與核子數(shù)成正比,從經(jīng)典電磁觀點(diǎn)看，帶電粒子間的相互作用是通過電磁場傳遞的，電磁場滿足麥克斯偉方程,從量子場觀點(diǎn)看，帶電粒子間的相互作用是通過交換光子而