大学物理光谱的物理基础课件

1、第十三章 光谱的物理基础, 掌握：原子、分子光谱的类型和特点、X射线强度和硬度的概念、X射线谱及X射线产生的微观机制、短波极限公式的应用、X射线的吸收规律、光辐射的三种基本形式和激光特性。 熟悉：光谱分析原理、X射线的基本性质、X-CT成像原理、激光的发射原理和激光的生物效应。 了解：X射线在医学上的应用、激光器的基本结构和激光在医学上的应用。,第十三章 光谱的物理基础,1. 光谱 电磁辐射（不论在可见区或在可见区以外）的波长成分和强度分布的记录，有时只是波长成分的记录。 光谱的类别从形状区分可分为三类： 明线光谱 、带状光谱 、连续光谱,第一节 原子光谱,一、原子光谱,2. 原子光谱（atomic spectrum），是由原子中的电子受激发在不同能级间跃迁所产生的光谱。原子光谱的不连续表明了电子的能量是量子化的。,原子光谱的特征：分立的线状光谱，发射谱是一些明亮的细线，吸收谱是一些暗线。,原子的光学光谱是最外层电子受激后辐射的，能级间的能量差小，光子的频率较低；原子的标识X射线谱（详见本章第五节）是内层电子电离后辐射的，能级间的能量差较大，光子的频率很高。,二、标识X射线谱,第一节

2、原子光谱,1.分子能级之间跃迁形成发射光谱和吸收光谱。 分子光谱的特征是带状光谱（band spectrum）。 它是许多谱线密集而成的光谱带，若干个带组成一组，分子光谱中可以有若干个组 。,2. 分子光谱类型：转动光谱、振动光谱和电子光谱。,第二节 分子光谱,一、分子光谱的特点和分类,1. 分子的转动能级是指分子的整体转动形成的。对双原子分子主要考虑的转动是转动轴通过分子质心并垂直于分子轴（原子核间的联线）的转动。 2. 分子的纯转动光谱由分子转动能级之间的跃迁产生，分布在远红外波段，波长是毫米或厘米的数量级，通常主要观测吸收光谱。,二、分子的转动光谱,第二节 分子光谱,1. 构成分子的诸原子之间的振动，形成振动能级。如双原子分子沿着轴线振动。多原子分子的振动比较复杂，是多种振动方式的叠加，振动的能量是量子化的。振动能级的间隔比电子能级的间隔小。 2. 分布在近红外波段，波长是几个微米的数量级，通常主要观测吸收光谱。,三、分子的振动光谱,第二节 分子光谱,1.在分子中有两个或两个以上的原子核，电子在这样一个电场中运动。分子中电子的运动，正如原子中电子的运动一样也形成不同的电子态，每一

3、状态具有一定的能量，即电子能级。 2.分子光谱是电子能级、振动能级和转动能级的跃迁共同形成的，可分成许多带，它是带状光谱，分布在可见或紫外波段，可观测发射光谱。 3.分子能量包括电子的运动能量、分子的振动能量、分子的转动能量。 E=Ee+Ev+Er,四、分子的电子光谱,第二节 分子光谱,利用物质的分子对红外辐射的吸收，得到与分子结构相应的红外光谱图，从而来鉴别分子结构的方法，称为红外吸收光谱法。 红外吸收光谱主要利用分子的振转光谱。 利用红外吸收光谱可以鉴别各种化合物，还可以直接反映分子中各种原子团的存在 。,五、红外吸收光谱,第二节 分子光谱,第三节 拉曼散射光谱,1. 红外光谱和拉曼光谱都是研究和反映分子振动和转动特征的。但红外光谱是吸收光谱，照射分子的部分入射能量内吸收了；而拉曼光谱（Raman spectrum）是一种散射光谱。两者产生的机制完全不一样。,一、拉曼光谱原理,2. 拉曼光谱分析法是基于印度科学家拉曼（Raman）所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。,第三节 拉曼散射光谱,二、拉曼

4、散射光谱的特征,1. 对同一样品，同一拉曼谱线的位移与入射光的波长无关,只和样品的振动转动能级有关。,3.一般情况下，斯托克斯线比反斯托克斯线的强度大。,2.在以波数为变量的拉曼光谱图上，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧。,1. 在正常状态下原子处于基态，原子在受到热（火焰）或电（电火花）的激发时，原子获得足够的能量，外层电子由基态跃迁到不同的激发态，处于激发态的原子跃迁回基态或较低激发态时发出不同波长的特征光谱（线状光谱）。 2. 测定原子特征谱线的波长和强度进行定性和定量分析的方法称为原子发射光谱法（atomic emission spectrometry, AES）。,第四节 光谱分析原理,一、原子发射光谱分析,原子吸收分光光度法（atomic absorption spectrometry, AAS）又称原子吸收光谱分析。 利用物质所产生的原子蒸气对特征谱线的吸收作用来进行定量分析的一种方法。 基态原子吸收其共振辐射，外层电子由基态跃迁至激发态而产生原子吸收光谱。,二、原子吸收分光光度法,第四节 光谱分析原理,荧光分析法（fluorescence analys

5、is） 通过测量待测元素的原子蒸气在辐射能作用下所产生的荧光的发射强度，来测定元素含量的方法。 机制属发射光谱但又与原子吸收光谱有许多相同之处。,三、荧光分析法,第四节 光谱分析原理,红外光谱法（infrared spectrometry）又称为“红外分光光度分析法”。简称“IR”,分子吸收光谱的一种。 利用物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析及对各种吸收红外光的化合物的定性和定量分析的方法。 被测物质的分子在红外线照射下，只吸收与其分子振动、转动频率相一致的红外光谱。,四、红外光谱法,第四节 光谱分析原理,紫外光谱法就是紫外可见分光光度法，是分子吸收光谱的一部分。 分子中电子能级跃迁产生的一种波长最短的分子吸收光谱。 以紫外或可见单色光照射吸光物质的溶液,用仪器测量入射光被吸收的程度(常用吸光度表示),记录吸光度随波长的变化的曲线,或波长一定时,用吸光度和吸光物质浓度之间的关系来进行定性或定量分析。,五、紫外光谱法,第四节 光谱分析原理,1. 贯穿作用 2. 电离作用 3. 荧光作用 4. 感光作用 5. 生物效应,第五节 X 射线,一、X射线的基本性质,高频，对实物物

6、质的贯穿本领大于低频波动。对不同物质的贯穿能力的差别可以利用。,对原子序数小的分子组成的物质贯穿本领小,对比：脂肪 肌肉 骨胳,1.贯穿作用,第五节 X 射线,高能量能使一些物质的原子和分子电离。还可以诱发有机体的各种生物效应,合理利用可用于治疗。,3. 荧光作用,能量比较大的光子，照射到某些物质时，能使其原子处于激发态，当它们回到基态时发出荧光。,E = hv,荧光强弱与X射线的强度有关。,2.电离作用,第五节 X 射线,4. 光化学作用,5. 生物效应,X射线能使一些物质发生光化学反应。,照相底片感光拍摄X光片的原理,原发机制是X射线在生物体内产生激发和电离，使组织细胞产生损害、抑制，甚至坏死。,是放射治疗的基础，也是X射线工作者应当注意防护的原因。,第五节 X 射线,产生条件 高速度运动的电子流；可以供电子流轰击的靶(或阻碍电子运动的障碍物，把电子的动能转换为X射线的能量。,波长为10-8 10-12 m的电磁波,二、X射线的产生,第五节 X 射线,2. 产生装置 X射线管，低压电源，高压电源。,第五节 X 射线,X射线管:核心部件 低压电源:灯丝电子流 高压电源:加速电子 阳极

7、作用: 钨靶作用: 产生机制:轫致辐射 1% X射线 99%热能,3. 各部件作用,第五节 X 射线,4. 管电压和管电流,加在两极间的直流高压称为管电压。 X射线管内两极间形成的电流称为管电流。,第五节 X 射线,1. X射线的强度,单位时间内通过与射线方向垂直的单位面积的辐射能量为X射线的强度。用 I 表示。,i表示X射线光子的频率，Ni为频率为vi的X射线的光子数，h为普朗克常量。,三、X射线的强度和硬度,第五节 X 射线,X射线硬度是指X射线对物质的贯穿本领： E = hv,2. X射线的硬度,在医学上习惯用管电流来间接表示X射线的硬度，称为千伏率。,第五节 X 射线,3. X射线硬度对比,第五节 X 射线,当X射线管内的高速电子流撞击在阳极靶上时，由于靶是原子序数较高的物质制成的，所以电子受到靶原子核强电场的作用而减速，电子失去的一部分动能 就转化为一个X光子的能量而辐射出来,即Ek=h，这种辐射称为韧致辐射。,1. 连续X射线(continuous X-rays）,四、 X射线谱（X-ray spectrum）,第五节 X 射线,图15-2 X射线谱示意图,第五节 X 射线

8、,与强度为零相对应的波长是连续光谱中最短波长， 或称为短波极限。,图15-3 钨靶的连续X射线谱,第五节 X 射线,设管电压为U，电子电荷量为e，则电子在加速电场内获得的动能等于电场对它做的功eU，可以求得X光子的最大能量(max 是与短波极限min对应的最高频率，光速为c ) ，有,上式表明，射线谱的最短波长与管电压成反比，而与靶的物质种类无关。,第五节 X 射线,代入数据，同时U用kV作为单位，可得：,第五节 X 射线,高速电子进入靶内，与原子的内层电子发生强烈的相互作用，使其脱出，原子核内层出现空缺。,外层电子会发生跃迁以填补内层的空缺，跃迁过程中发出一个X光子，其能量hv就是两个能级的能量差。,这种谱线的波长决定于阳极靶的材料，不同元素制成的靶具有不同的线状X射线谱。,2.标识X射线(characteristic X-rays ),第五节 X 射线,下页中的图绘出了钨在较高电压下的X射线谱，当管电压增加到70kV以上时，连续X射线谱在0.02nm附近叠加了四条谱线，在曲线上出现了四个高峰。 当电压继续升高时，连续X射线谱的强度和短波极限发生很大变化，但这四条谱线在图中的位置却始

9、终不变，即它们的波长不变。这些谱线的波长决定于阳极靶的材料。不同元素制成的靶具有不同的线状光谱，它们可以作为这种元素的标识，因此称这些线状X射线谱为标识X射线谱。,第五节 X 射线,钨靶在较高电压下的X射线谱,标识X射线发生机理,第五节 X 射线,实验表明,单色平行X射线通过均匀物质时的吸收规律与光的吸收规律一样可以用下式表示:,式中I0是入射的X射线强度，I是通过厚度为x(cm)的物质层后的X射线强度，是物质的线性吸收系数，单位cm-1。,1. 单色X射线的吸收规律,五、 X 射线的吸收,第五节 X 射线,如果x的单位为cm，则的单位为cm-1，而m的单位为cm2/g,物质的线性吸收系数和其密度的比值称为质量吸收系数,记作m，即,2. 质量吸收系数及质量厚度,xm=x，称为质量厚度,它等于单位面积中，厚度为x的吸收层的质量。 xm的常用单位为g/cm2。,第五节 X 射线,3. 半价层,半价层就是使X射线强度减弱一半时所需要的吸收体厚度(或质量厚度)。,半价层与吸收系数之间的关系式：,半价层和吸收系数成反比，对给定波长的单色X射线束，半价层是一常数，它标志着该射线对物质的贯穿本领。,式中x1/2为吸收体厚度的半价层，xm1/2为吸收物质厚度半价层。,第五节 X 射线,4. 质量吸收系数与波长和原子序数的关系,式中 k是常数，a=3-4， Z是吸收物质的原子序数，是射线X的波长。,吸收系数中含有多种元素时，它的质量吸收系数大约等于其中各种元素的质量系数系数按照物体中所含质量比例计算的均值。,第五节 X 射线,练习1：若空气中各组分的质量百分比为氮75.5%，氧23.2%，氩1.3%，试计算在能量为20KV光子作用下，空气的质量衰减系数。已知氮，氧，氩的质量衰减系数分别为0.36,0.587和8.31(m2kg-1)。,练习2：人体中肌肉的质量吸收系数和水非常接近，求在相同X射线照射下，肌肉和骨骼的质量吸收系数之比？已知骨骼分子式为Ca3(PO4)2,第五节 X 射线,1. 常规X射线投影成像,由于人体内各种不同的，强度均匀的X 射线透过身体不同部位后的强度是不同的。将这些强度不同的X射线投影到荧光屏上，就可以显示出明暗不同的荧光像,称为X射线透视术。如果让透过人体的X射线投射到照相底片上，显影后就可以观察到各处

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