原子物理 chap8.ppt

1第八章 X射线§8.1 X射线的发现及其波性§8.3 同X射线有关的原子能级§8.5 康普顿效应X射线的产生及 X射线的发射谱 §8.2§8.4 X射线的吸收谱2§ 8.1 X射线的发现及其波性1、X射线的发现克鲁克斯设计了高真空的阴极射线管(克鲁克斯管)1879年证明了阴极射线是带电的粒子流(后汤姆孙进一 步确认为是电子)，同时发现在阴极射线管附近发生照 片被莫名其妙感光1895年，伦琴用黑纸把阴极射线 管包起来，发现1m远处的荧光屏上发出微弱的荧光， 甚至将屏移出2m之外还有荧光出现这种射线走直线 ，不反射、不折射，也不受磁场偏折所以他称未知 的射线为X射线但它的穿透性很强，可穿透他夫人的 手显示出手骨骼图象3该照片在医学上具有划时代意义1895年12月28日伦琴 宣读了“论新的射线”，1901年获第一个诺贝尔物理奖4K是钨丝做成的热阴极，发射电子；A是阳极或靶子， 由熔点高的重金属做成，根据需要决定材料5X射线的本质和特性： 1912年，劳厄指出X射线本质就是波长很短的电磁波， 波长一般在0.01A至10A或更长些的范围波长小于1A的叫硬X射线；波长大于1A的叫软X射线。

波长大小由所加电压决定，具有光的一切性质 例如：折射、反射、干涉、衍射、偏振等照射到某些物体上时会使这些物体发光、可使照片 感光、可使气体电离、可穿透一般光线透不过的物 体等62、X射线的衍射1912年，劳厄借助晶体---天然光栅---观察X射线 的衍射证明了X光的波动性对不同方向的平面 出射方向不同，衍射结果也不同因研究晶体的X 射线获1941年诺贝尔物理奖7在θ方向衍射的X光将得到加强，出现了劳厄光斑晶体可形成许多不同取向的晶面 X射线经晶面距 为d的晶面反射时，凡光程满足从而在给定θ下可确定X射线的波长λ原子间距由 ,给出，d=0.282nm例如NaCl(A=58.5)的密度ρ=2.163(g/cm3)，分子数密度为布喇格公式83、 X射线的测量测量装置： X射线摄谱仪（底片）和X射线测谱计（电离室）9§8.2 X射线的产生和发射谱实验发现，X射线谱由两部分组成： 波长连续变化的连续谱和由分立（线状）谱组成的 特征谱或称标识谱101、X射线的连续谱带电粒子在加(减)速运动时，将伴随有电磁波辐射。

当带电粒子(电子)进入靶内，在靶核的库仑场作用下 骤然减速，速度连续减小，发射波长连续的X射线， 形成连续谱这种辐射称作轫致辐射，即带电粒子变 速时所发辐射它是加速电子全部动能转换成辐射能所对应的波长连续谱的形状与靶材(Z)无关，连续谱有一个最小波长λmin ， 它仅与加速电压有关（对应于电子仅仅到达靶子表面）：原因：库仑作用使得电子进入靶子后速度连续减小，电子动能 转化为辐射能进入深度不同，则转化为光子的能量不同，即 产生的光子频率不同112、 X射线的特征谱 莫塞莱定律X射线特征谱是巴拉克于1906年发现的他观察到连续谱上出 现一系列分立谱线，并用K、L、M…字母标识，并且对不同元素 谱线波长的分布不同，而对每种元素有确定的射线谱，故称作 特征谱或标识谱因特征谱的发现获1917年的诺贝尔奖1913年莫塞莱测量了从Al（铝）到Au（金）38种元素的X射线， 发现各元素发射X射线频率的平方根ν1/2近似与原子序数Z成线 性关系12例如: Kα－X射线的波数可写成莫塞莱公式(上式)与类氢光谱公式相一致，这表明：Kα－X射线是内层电子从n＝2到n=1跃迁产生的因子 (Z-1)理解为当n=1(K)壳层中一个电子被电离后n=2(L) 壳层电子感受到(Z-1)核电荷库仑作用。

也指出要发射Kα－X射线，必须从n=1壳层事先电离出 一个电子成电离状态，其电离能或阈能是从n=1移去一 个电子所需的能量而Kα－X射线的能量是电子从n＝1 到n＝2层的能量差值13K线系所有谱线的波数可表示为L线系所有谱线的波数可表示为随Z呈线性关系(见图)说明 它受外层电子影响很小，只受 原子核的影响莫塞莱图提供 了从实验测定原子序数Z的一 种有效方法历史上正是他首 次纠正了27Co，28Ni在周期表 的次序14总结：一、X射线的本质：波长很小的电磁波，由晶体衍射实验确定 二、X射线发射谱： 连续谱 + 分立谱连续谱：与靶材料无关，最小波长仅由加速电压决定，韧致辐射（带电粒子加速运动）产生结果分立谱：不同元素谱线波长的分布不同，而对每种元素有确定的射线谱，称作特征谱或标识谱15标识谱的特性：（1）各种元素的标识谱有相似的结构，完全不同于可见光的光谱彼此相差很大，说明不是价电子跃迁结果；（2）按照原子序数的次序比较各元素的标识谱，谱线的波长变化，但是没有周期性，也说明不是价电子跃迁结果；（3）线系的结构与化学成分无关，即与是原子还是离子没有关系，再次说明不是价电子跃迁结果；（4）需要加很高电压才能产生标识谱，说明跃迁的能级间隔 大，即X射线的光子能量比可见光的光子能量大很多。

结论：X射线的标识谱来自靶原子中内层电子的跃迁16谱线与跃迁之间的关系：（1）K线系是最内层（n=1）以外各层的电子跃迁到最内层的结果； （2）L线系是第二层（n=2）以外各层的电子跃迁到第二层的结果；（3）M线系是第三层（n=3）以外各层的电子跃迁到第三层的结果；依次类推4）K线系的第一条谱线Kα是第二层的电子跃迁到最内层的结果，间隔最小，波长最长；Kβ是第三层的电子跃迁到最内层的结果； Kγ是第四层的电子跃迁到最内层的结果，波长最短；依次类推17§8.3 同X射线有关的原子能级K线系：K：LK；K：MK；K：NK；L线系：L：ML；L：NL；L：OL； 特征X射线由内层电子的 跃迁所产生同X射线有关的原子能级产生X射线标识谱的跃迁的 选择定则19不难看出，其能级结构十分类同碱金属能级结构，但 是X射线是内层电子的跃迁由于泡里不相容原理的限 制，需要先将内层电子电离掉形成空穴由于满壳层 的轨道角动量、自旋角动量和总角动量都为零，所以 少一个电子壳层的上述角动量分别与该壳层只有一个 电子的角动量相同（只是方向相反）由此推知，少 一个电子的原子态（即电离态）与只有一个电子（碱 金属）的原子态相同。

当K壳层的一个电子被电离后，原子处于电离态电离 态的能级与中性原子未电离的基态能相比为最高L层 的电离态能级次之，形成电离态能级如图所示（考虑 精细结构）20电离能是使某壳层一个电子被电离所需的能量，也是该 壳层电子的结合能若用光子电离(共振吸收)，该能量 又称吸收限为了描述内层电子向“下”的跃迁，需将上 图倒转电子跃迁后的末态为K、L、M…时，对应的X射线分别称 K线系，L线系，M线系…，同一个线系中用α,β,γ… 表示不同的上能级向同一下能级跃迁的谱线例如从L、 M、N层向K层跃迁的K线系，依次表示为Ｋα,Ｋβ,Ｋγ 在Kα线中还有两条Kα1，Kα2线对应 2P3/2和2P1/2向下的 跃迁X射线特征谱的选择定则也与碱金属光谱相同，21Kα1, kα2Kβ1, kβ222§ 8.4 X射线的吸收1. X射线的吸收律2. X射线吸收的两种方式3. 吸收限231、 X射线的吸收率积分给出朗伯－比耳定律当一束X光通过厚度为dx的吸收体后，强度减少量- dI: （1）正比于dx； （2）正比于入射强度I(x) 即引入衰减系数μ物理意义：射线经单位厚度的减弱百分比是吸收长度，即通过x0厚度的吸收体后，强度为入射 强度的e-1 ( 37％)；242、X射线吸收的两种方式射线强度减小原因有两种：被物体吸收（τ）和散射（σ）， 其中散射改变射线线的方向，因此在原方向上强度减弱。

μ=τ+σ说明：（1）波长越短，吸收越少，则穿透能力越强；（2）原子序数越高，吸收越强，穿透越弱吸收系数与波长及吸收物原子序数关系： τ=CZ4λ3说明：这个公式理论和实验两个方面都可以得到25实验测量结果： 铅的质量吸收系数（纵坐标） 随波长（横坐标）的变化特征：（1）吸收系数一般随波长的减小而降低，即波长较短的射线的穿透本领高； （2）波长减到某一数值，吸收系数突然增加，这些地方称作吸收限说明：常数C只在一定波长范围内为常数263、吸收限（又称吸收边缘）从上图看出，吸收系数随X光子能量增加而下降，这是 由于X光子能量越高，穿透性越强仔细观察会发现， 图中有几处突变，它们分别对应K、L、M…吸收限 K、L、M…吸收限是X光子分别使K层、 L层、M层一个电 子电离发生共振吸收的能量吸收系数的突变即吸收限的出现，再次证明了原子 内部电子的壳层结构K吸收限对应于光子能量可以使一个1s电子电离掉； LI吸收限对应于光子能量可以使一个2s电子电离掉； LII，III吸收限对应于光子能量使一个2p电子电离掉27§ 8.5 康普顿效应1923年，康普顿在研究X射线经物质的散射实验中 发现，散射的X光除有原入射波长成分外，还有波 长较长的部分，其波长差随散射角θ而变。

光阑X 射线管探 测 器X 射线谱仪石墨体 (散射物质)j晶体一、实验装置0康普顿效应散射曲线的特点：1.除原波长0外出现了移向长波方面的新的散射波长 ；散射中出现 >  0 的现象——康普顿散射2.新波长 随散射角 的增大而增大；3.当散射角 增大时原波长的谱线强度降低 而新波长的谱线强 度升高二.实验结果30经典散射理论不能解释散射 波长随θ的变化，康普顿应 用了爱因斯坦的光子概念， 认为X射线经物质的散射是 光子与外层电子（可视为自 由电子）的碰撞过程在碰 撞中遵从能量和动量守恒碰前：电子静止，光子频率ν碰后：电子运动，光子频率31平 方1212－×c2得：（能量守恒）（动量守恒）32康普顿波长康普顿散射公式意义:用光子概念成功地解释了X光的散射实验，这 是继光电效应之后，再次证明光的粒子性，并指出 像光子、电子这样的微观粒子也服从守恒律康普 顿散射是X光与物质相互作用的一种形式。