第7章-X射线优秀PPT.ppt

7.1X射线发觉及特性射线发觉及特性一、一、X射线的发觉射线的发觉1895年11月8日，伦琴发觉。X射线是波长极短的电磁波0.01nm 1nm，它不会被磁场偏转，具有很强的穿透力，而且波长越短，穿透力越强。0.1nm：软X射线。1901年荣获诺贝尔物理学奖（第年荣获诺贝尔物理学奖（第一名获物理奖）一名获物理奖）WilhelmConradRoentgen二、二、X射线射线的产生的产生 1895 1895年伦琴发觉，受高速电子撞击的金属会放射年伦琴发觉，受高速电子撞击的金属会放射一种穿透性很强的射线称射线一种穿透性很强的射线称射线X 射线射线冷却水冷却水 0 0 的射线的射线的射线的射线 =-0 0且波长的变更且波长的变更随散射角随散射角的增大而的增大而增大增大吴有训的试验结果吴有训的试验结果 经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率的频率.经典理论无法说明波长变更经典理论无法说明波长变更.（三）（三）经典理论的经典理论的困难困难波长的变更波长的变更 =-0与散射物质无关与散射物质无关波长不变波长不变波长不变波长不变经典波动理论：经典波动理论：经典波动理论：经典波动理论：光作用光作用光作用光作用辐射同频光波辐射同频光波辐射同频光波辐射同频光波(散射光散射光散射光散射光)带电粒子作同频受迫振动带电粒子作同频受迫振动带电粒子作同频受迫振动带电粒子作同频受迫振动光子光子电子电子 电子反冲速度很大，需用电子反冲速度很大，需用相对论力学相对论力学来处理来处理.1 1 物理模型物理模型 入射光子（入射光子（X 射线或射线或 射线）能量大射线）能量大 .固体表面电子束缚较弱，可视为固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子近自由电子.（四）量子说明（四）量子说明电子电子光子光子 电子热运动能量电子热运动能量 ，可近似为，可近似为静止电子静止电子.范围为：范围为：（2）光子理论分析）光子理论分析a.a.光子与自由或束缚较弱电子的碰撞光子与自由或束缚较弱电子的碰撞光子的一部分能量传给电子，则散射光子能量小于入射光子光子的一部分能量传给电子，则散射光子能量小于入射光子即即有有有有b.光子与束缚很紧的电子（原子实）的碰撞光子与束缚很紧的电子（原子实）的碰撞轻原子轻原子轻原子轻原子中电子束缚较弱，中电子束缚较弱，中电子束缚较弱，中电子束缚较弱，重原子重原子重原子重原子中电子束缚较紧，所以中电子束缚较紧，所以中电子束缚较紧，所以中电子束缚较紧，所以原子量小的物质，康普顿效应较强，反之则相反原子量小的物质，康普顿效应较强，反之则相反原子量小的物质，康普顿效应较强，反之则相反原子量小的物质，康普顿效应较强，反之则相反电子与整个原子或原子实作弹性碰撞，而原子质量比光子电子与整个原子或原子实作弹性碰撞，而原子质量比光子大的多，所以光子不会显著失去能量，即有大的多，所以光子不会显著失去能量，即有=0 0或或=0 0说明：散射过程为光子和自由电子和原子实的弹性碰撞说明：散射过程为光子和自由电子和原子实的弹性碰撞理论分析理论分析能量守恒能量守恒动量守恒动量守恒 康普顿波长康普顿波长 康普顿公式康普顿公式 散射光波长的改变量散射光波长的改变量 仅与仅与 有关有关 散射光子能量减小散射光子能量减小康普顿公式康普顿公式（3）结论）结论（4）探讨）探讨（5）物理意义物理意义 若若 则则 ,可见光观察可见光观察不不到康普顿效应到康普顿效应.光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性.微观粒子也遵守微观粒子也遵守能量守恒能量守恒和和动量守恒动量守恒定律定律.与与 有关系有关系与物质无关与物质无关，是光子与近自由电子，是光子与近自由电子间的相互作用间的相互作用.散射中散射中 的散射光是因的散射光是因光子光子与金属中的与金属中的紧束缚紧束缚电子电子（原子核）的作用（原子核）的作用.康普顿公式康普顿公式解（解（1）例例 波长波长 电子作弹性碰撞电子作弹性碰撞,在与入在与入射角成射角成 角的方向观上察角的方向观上察,的的X射线与静止的自由射线与静止的自由问问（2）反冲电子得到多少动能？反冲电子得到多少动能？（1）散射波长的改变量散射波长的改变量为多少？为多少？（3）在碰撞中，光子的能量损失了多少？在碰撞中，光子的能量损失了多少？（2）反冲电子的动能反冲电子的动能（3）光子损失的能量反冲电子的动能光子损失的能量反冲电子的动能 X射线由两部分构成，一是波长连续变更的连续射线由两部分构成，一是波长连续变更的连续谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分是具谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分是具有分立波长的线状谱，波长取决于靶材料，称为标识有分立波长的线状谱，波长取决于靶材料，称为标识谱、特征谱。谱、特征谱。连续谱，钨靶，不同的电压连续谱，钨靶，不同的电压 标识谱：钨靶和钼靶，相同的电压。标识谱：钨靶和钼靶，相同的电压。7.2X射线谱射线谱1 X射线连续谱射线连续谱 连续谱的短波极限：假如入射电子在一次碰撞中失去全部动能，则辐射出的光子就有最短波长它的最小波长0 ，最小波长只与外加电压有关。轫致辐射：高速电子打到靶上，受轫致辐射：高速电子打到靶上，受靶的作用而突然减速，其一部分动靶的作用而突然减速，其一部分动能转化为辐射能放出射线。能转化为辐射能放出射线。一般，入射电子要经过多次一般，入射电子要经过多次的碰撞以后才失去全部动能，最终的碰撞以后才失去全部动能，最终停止在靶物体内，每次碰撞失去的停止在靶物体内，每次碰撞失去的能量不同，因此韧致辐射产生能量不同，因此韧致辐射产生X射射线的连续谱。线的连续谱。最小波长（频率最高）只依赖于外加电压V，V越大，越小，与靶材料无关。连续谱：是高速电子（子弹）减速发出的射线连续谱：是高速电子（子弹）减速发出的射线2 X射线的标识谱射线的标识谱标标识识谱谱：各各别别波波长长的的线线状状谱谱线线构构成成，谱谱线线的的波波长长由由靶靶子子元元素素确确定定，成成为为元元素素的的标标识识，称为标识谱。称为标识谱。标标识识谱谱产产生生：靶靶子子原原子子发发出出的的。靶靶原原子子受受到刺激，内层电子发生跃迁产生的辐射。到刺激，内层电子发生跃迁产生的辐射。标识谱特点：标识谱特点：1、各各种种元元素素的的标标识识谱谱有有相相像像的的结结构构，只是波长不同只是波长不同2、按按原原子子序序数数的的次次序序比比较较各各元元素素的的标标识识谱谱，谱谱线线波波长长依依次次变变动动。没没有有周周期变更。期变更。3、K、L线线系系与与元元素素的的结结构构和和化化学学性性质无关质无关4、X射射线线的的产产生生须须要要很很高高的的激激发发电电压压（几万伏）（几万伏）X射线光子的能量很大。射线光子的能量很大。图8.7铑靶发出的K系标识谱主壳层主壳层线系：线系：K、L、M、每一线系有每一线系有等多条等多条谱线3.莫塞莱定律及原子序数的测定莫塞莱定律及原子序数的测定标识谱的位移：莫塞莱发觉：谱线的频率随原子序数的增加而缓慢增加。标识谱的位移：莫塞莱发觉：谱线的频率随原子序数的增加而缓慢增加。把各元素的射线谱按原子序数和波长排列，看到谱线波长随原子序数把各元素的射线谱按原子序数和波长排列，看到谱线波长随原子序数的变更的变更发生位置的移动。发生位置的移动。(原子序数原子序数Z越大波长越短越大波长越短,频率越高频率越高)各种元素的标识谱有相像的结构，只是波长不同各种元素的标识谱有相像的结构，只是波长不同.各种元素的内部结构各种元素的内部结构都是相像的，标识谱是由原子内层电子发出的都是相像的，标识谱是由原子内层电子发出的 依据元素依据元素X X射线在图上的位置射线在图上的位置,就可就可定出该元素的原子序数定出该元素的原子序数.对对K系系b=1,对对L系系b=7.4 莫塞莱定律：莫塞莱定律：波数的方根与原子的序波数的方根与原子的序数数Z Z的线性关系称为莫塞莱定律的线性关系称为莫塞莱定律H.G.J.Moseley在在1913年年首次发觉了原子序数。首次发觉了原子序数。由于其他电子的屏蔽，单电子感受到原子核的电荷是等效电荷(Z-b)e，b称为激发电子的屏蔽数，它与电子所在的壳层n有关。(内层有空穴才有跃迁内层有空穴才有跃迁)原子序数原子序数Z越大波长越短越大波长越短,频率越高频率越高电子屏蔽电子屏蔽:外层电子感受到内层原子实总电量的作用外层电子感受到内层原子实总电量的作用K线系线系 K LK K MK K NK 1 X射线标识谱由内层电子的跃迁所产生射线标识谱由内层电子的跃迁所产生2.产生产生X射线标识谱的跃迁的选择定则射线标识谱的跃迁的选择定则7.3X射线与原子的内层能级射线与原子的内层能级 内层电子离原子核很近，束缚紧密，须要足够高能粒子束的照内层电子离原子核很近，束缚紧密，须要足够高能粒子束的照射，才能使原子内层电子激发。此外由于泡利原理的限制，被激射，才能使原子内层电子激发。此外由于泡利原理的限制，被激发的电子只能跃迁到外层未被占据的能态，或被电离。发的电子只能跃迁到外层未被占据的能态，或被电离。若一个内层电子被电离或激发后留下一个空位（空穴空穴）则一个较高壳层的电子就可以跃迁下来，发出辐射，即产生了X射线。L线系：线系：L：ML；L：NL；L：OL；谱线是相邻最近主壳层能级之间发生的跃迁谱线是相邻最近主壳层能级之间发生的跃迁谱线是相邻次近主壳层能级之间发生的跃迁谱线是相邻次近主壳层能级之间发生的跃迁谱线是相隔两层主壳层能级之间发生的跃迁谱线是相隔两层主壳层能级之间发生的跃迁n=1K层层(单层单层)n=2L层层(多层多层)L,L,L,LK2,33 K L M 线系线系内层电子跃迁内层电子跃迁4空穴跃迁空穴跃迁空穴：内层的电子被激发或电离，留下的空位成为空穴。产生空穴须要很空穴：内层的电子被激发或电离，留下的空位成为空穴。产生空穴须要很大的能量。大的能量。空穴原子具有较高的能级：当原子受到高速粒子（电子）的轰击或空穴原子具有较高的能级：当原子受到高速粒子（电子）的轰击或X射线的照射，使原子内层的电子被激发或电离而出现空穴，从而原子处在射线的照射，使原子内层的电子被激发或电离而出现空穴，从而原子处在较高的能量状态，即处于激发态，这时较外层的电子才有可能跃迁填充到空较高的能量状态，即处于激发态，这时较外层的电子才有可能跃迁填充到空穴上，发出穴上，发出X射线。射线。空穴跃迁：空穴跃迁：较外层的电子跃迁到内层的空穴，又留下的空位成为空穴。因较外层的电子跃迁到内层的空穴，又留下的空位成为空穴。因此，电子由较外层向内层的跃迁可等效的看成内壳层的空穴跃迁到外层。此，电子由较外层向内层的跃迁可等效的看成内壳层的空穴跃迁到外层。O内层电子跃迁内层电子跃迁内层空穴跃迁内层空穴跃迁KLMK,n=1L,n=2M,n=3N,n=4P电离能4镉原子镉原子X射线射线48号元素镉号元素镉Cd基态电子组态基态电子组态Kr4d105s2Kr氪满层结构氪满层结构5层结构最外层有层结构最外层有5s2两个电子两个电子原子基态：原子基态：1S0满壳中具有一个满壳中具有一个空穴的光谱项与空穴的光谱项与该壳层中只有一该壳层中只有一个电子的光谱项个电子的光谱项相同相同,只是多重态只是多重态的次学序是相反的次学序是相反的的.即角动量相反即角动量相反.4俄歇效应俄歇效应俄歇效应是俄歇效应是1925年法国物理学家俄歇（年法国物理学家俄歇（P.P.Auger）首先发觉）首先发觉原子内层有空穴处于激发态，外层电子跃迁内层空穴时，其多余的能量通过辐射原子内层有空穴处于激发态，外层电子跃迁内层空穴时，其多余的能量通过辐射X射线而释放，这仅是一种退极发的过程。另一种是非辐射的过程，通过库仑相射线而释放，这仅是一种退极发的过程。另一种是非辐射的过程，通过库仑相互作用将能量转移给另一外层电子，这个效应成为俄歇效应。互作用将能量转移给另一外层电子，这个效应成为俄歇效应。得到能量的电子成为俄歇电子。得到能量的电子成为俄歇电子。俄歇电子的能量确定于原子内层能级结构。因此对俄歇电子的能量和强度的探讨来分析原子的结合能、状态的量子信息，材料的结构特性。原子序数Z小的原子，外层电子跃入能层空穴产生俄歇效应的概率大于放射X射线的概率。当Z超过35时，产生X射线的概率大于发生俄歇效应的概率。原子放射俄歇电子后，原子中出现两个空穴，原子放射俄歇电子后，原子中出现两个空穴，它往往通过放射它往往通过放射X射线而退激发，因此射线而退激发，因此俄歇效应常伴有俄歇效应常伴有X射线的放射。射线的放射。KL俄歇电子俄歇电子精品课件精品课件！精品课件精品课件！X射射线线的的吸吸取取和和散散射射:射射线线穿穿过过物物体体后后一一方方面面被被物物体体吸吸取取，另一方面被物体散射，因此在原方向上强度减低。另一方面被物体散射，因此在原方向上强度减低。小小,则吸取小则吸取小,贯穿实力强贯穿实力强;Z大则吸取强大则吸取强7.4X射线的吸取射线的吸取称称为为衰减常数，衰减常数，吸取系数，吸取系数，为为散射系数散射系数称称为为原子衰减常数，原子衰减常数，原子吸取系数，原子吸取系数，为为原子散射系数原子散射系数吸取系数与波长及吸取物的原子序数的关系吸取系数与波长及吸取物的原子序数的关系