最新原子物理学第八章精品课件.ppt

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1、一、一、X X射线的发现射线的发现在在18951895年以前，由阴极射线管产生的年以前，由阴极射线管产生的X X射线在实验里已经存射线在实验里已经存在了在了3030多年，在多年，在X X射线发现前，不断有人抱怨，放在阴极射线管射线发现前，不断有人抱怨，放在阴极射线管附近的照相底片模糊或感光。如附近的照相底片模糊或感光。如18791879年的克鲁克斯，年的克鲁克斯，18901890年的年的古德斯比德等人，但发现古德斯比德等人，但发现 X X 射线的却是伦琴。射线的却是伦琴。伦琴，伦琴，18451845年出生于德国的一个商人家庭，年出生于德国的一个商人家庭，18691869年在苏黎世年在苏黎世大学

2、获博士学位。大学获博士学位。18951895年年1111月月8 8日傍晚，伦琴在研究阴极射线管日傍晚，伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，他用黑纸板中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，他用黑纸板将管子包起来，却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰酸将管子包起来，却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰酸钡钡 结晶物质的屏幕发出了荧光，伦琴马上意识到结晶物质的屏幕发出了荧光，伦琴马上意识到, ,这这可能是一种前所未有的新射线，经检查发现可能是一种前所未有的新射线，经检查发现, ,射线来自阴极射线射线来自阴极射线管管壁。管管壁。 8.1 X射线的产生及其波长强度的

3、测量射线的产生及其波长强度的测量6() )BaPt CN三、三、 X射线波长和强度的测定射线波长和强度的测定1、原理、原理： 利用利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长，晶体射线在晶体的衍射可以测定它的波长，晶体作为立体光栅，一束作为立体光栅，一束X射线射入晶体，发生衍射时，射线射入晶体，发生衍射时，从任何一晶面上，那些出射方向对平面的倾角与入从任何一晶面上，那些出射方向对平面的倾角与入射线的倾角相等的射线的倾角相等的X射线，满足布拉格公式射线，满足布拉格公式: n =2dsin n=1、2、. 出射线就会加强。如图出射线就会加强。如图5.7层dAB图图5.7 布拉格公式推导布拉格公式推导2、

4、测量方法、测量方法 测量波长：测量波长： OA/r=2 =OA/2 r 已知晶格常数d，测出 值及其对应的n值，代入布拉格公式，求出。（测量d的方法见教材） 测定强度：测定强度：由谱线的深浅程度可以测出相对强度。S1S2AA1CP 图图5.8 O 每个亮点为劳厄斑点每个亮点为劳厄斑点,对应于一组晶面对应于一组晶面. 斑点的位斑点的位置反映了对应晶面的方向置反映了对应晶面的方向.由这样一张照片就可以推由这样一张照片就可以推断晶体的结构断晶体的结构(连续谱的连续谱的X射线射线)3 3晶体粉末法晶体粉末法(单波长的射线单波长的射线) 每一同心园对应一组晶面每一同心园对应一组晶面,不同的园环代表不同的

5、园环代表不同的晶面阵不同的晶面阵,环的强弱反映了晶面上原子的环的强弱反映了晶面上原子的密度大小密度大小2 sin ,12ndn， ， ， 4(1) X射线的衍射是研究晶体结构有效方法射线的衍射是研究晶体结构有效方法 晶体衍射图就可以确定晶体内部的原子（或分子）间的距离和排列-1915年布拉格父子因此获诺贝尔物理奖 (2)X(2)X射线分析可用来研究高分子的结构射线分析可用来研究高分子的结构 2040200400600800100012001400(b)(a) (a) Eu(DBM)3PhenPMMA的广角X射线衍射图 (b) Eu(DBM)3Phen的X射线衍射图 实验表明，实验表明，X射线谱

6、由两部分构成，一部分波长连续变化，射线谱由两部分构成，一部分波长连续变化，称为连续谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分波长称为连续谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，所以称为标是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，所以称为标识谱，又叫特征谱，它迭加在连续谱上形成识谱，又叫特征谱，它迭加在连续谱上形成X射线的发射谱。射线的发射谱。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱连续谱：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

7、同的电标识谱：钨靶和钼靶，相同的电压压一、连续谱一、连续谱轫致辐射（杀车辐射）轫致辐射（杀车辐射）1 1、连续谱的特征、连续谱的特征在上述产生在上述产生X X射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波长射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波长连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。1 1）连续谱与管压的关系（靶不变）连续谱与管压的关系（靶不变）前图表示以钨作阳极材料加不同电压时，以前图表示以钨作阳极材料加不同电压时，以为横轴，辐射为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长强度为纵轴；在不同管压下得到的波长强度分布曲线。由图强度分布曲线。由

8、图可见，当阳极材料不变时，可见，当阳极材料不变时，minmin和和max max 随管压随管压V V的升高都向短的升高都向短波方向移动。波方向移动。2 2）连续谱与阳极材料的关系（电压不变）连续谱与阳极材料的关系（电压不变）前图表示管压为前图表示管压为35KV35KV时，用钼和钨作靶材料时的时，用钼和钨作靶材料时的I I曲线。曲线。由图可见由图可见 minmin与靶无关。是由管压与靶无关。是由管压V V决定的。决定的。minmaxImin电子离子光子图图 轫致辐射轫致辐射2 2、连续谱产生的微观机制、连续谱产生的微观机制通过上面对连续谱特征的分析，我们很容易想到，连续谱不通过上面对连续谱特征的

9、分析，我们很容易想到，连续谱不应该是原子光谱，而应该是电子在靶上减速而产生的。可以想应该是原子光谱，而应该是电子在靶上减速而产生的。可以想象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度，象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度，其速率从其速率从 骤减为骤减为0 0，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生加速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生X X射线连续谱的射线连续谱的原因，用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。原因，用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。 设电子入射速度设电子入射速度

10、，在靶上减速而损失的能量为，在靶上减速而损失的能量为 ；减速过程中的能量差为减速过程中的能量差为 ，则，则根据上面的分析，根据上面的分析， 将以光子的形式向外辐射；由于将以光子的形式向外辐射；由于 是是连续变化的，而连续变化的，而 是一定的，所以是一定的，所以 连续变化连续变化. .0vE损0vE损EmvE221EE损0vE2012hmvE损0损Emaxv是连续的，作为极限情况，是连续的，作为极限情况，则，则从而得从而得 2max012hvmveVminhcmin1.2412.4()()nmAV KVV KV上式表明，电子在电压上式表明，电子在电压V下加速而获得能量并全部转化为辐射时下加速而获

11、得能量并全部转化为辐射时，由此得，由此得逸Wmvhv221221mvhv 需要指出的是，解释光电效应的需要指出的是，解释光电效应的Einstein方程是：方程是：当金属的逸出功能很小时，近似的有：当金属的逸出功能很小时，近似的有：这与上式在形式上是完全相同的。因此，这与上式在形式上是完全相同的。因此，X射线连续谱可称射线连续谱可称为光电效应的逆效应。为光电效应的逆效应。二、标识谱二、标识谱线状谱（内壳层电子的跃迁）线状谱（内壳层电子的跃迁）,LLL1、线状谱的特征、线状谱的特征a、不同元素线状谱的波长是不同的，从而成为我们识别某种、不同元素线状谱的波长是不同的，从而成为我们识别某种元素的标准，

12、犹如人的指纹，故得名为标识谱，但是他们的线元素的标准，犹如人的指纹，故得名为标识谱，但是他们的线系结构是相似的，都分为系结构是相似的，都分为K,L,M,等线系；且谱线具有精细等线系；且谱线具有精细结构，结构，K系分为系分为 b b、改变靶物质时，随、改变靶物质时，随Z Z的增大，同一线系的线状谱波长向短波方的增大，同一线系的线状谱波长向短波方向移动，但没有周期性变化；向移动，但没有周期性变化；c c、某元素的标识谱与其化合的状态无关；、某元素的标识谱与其化合的状态无关；d d、对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外界电压有一个临界值、对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外界电压有一个临界值. . ,K

13、KKL系分为系分为等；等；2、产生的根源：是原子内层电子跃迁产生的，它反映了原子内产生的根源：是原子内层电子跃迁产生的，它反映了原子内层结构的情况。谱线的波长代表能级的间隔。层结构的情况。谱线的波长代表能级的间隔。图图 X射线各线系的产生射线各线系的产生K KK系线M MM系线L L L系线M（n=3）L（n=2）K（n=1） 3. 产生机制产生机制: 从阴极发出的电子经高压加速成高速电子打到阳从阴极发出的电子经高压加速成高速电子打到阳极上极上,由于电子能量很高由于电子能量很高,它能深入到原子的内层它能深入到原子的内层,将内将内壳层电子之一击出原子之外壳层电子之一击出原子之外,使原子电离使原子

14、电离,并在内壳层并在内壳层出现一个空穴出现一个空穴,当邻近内壳层的电子跃迁到这个空穴时当邻近内壳层的电子跃迁到这个空穴时,就发射出波长很短的就发射出波长很短的 X 射线，由于内壳层能级分立，射线，由于内壳层能级分立，所以产生所以产生X 射线的线状谱，原子序数较大的元素，内射线的线状谱，原子序数较大的元素，内壳层能级间隔就越大，发出的壳层能级间隔就越大，发出的X 射线的光子能量高，射线的光子能量高，波长就短，波长就短，所以波长依次变化，不具有周期性。所以波长依次变化，不具有周期性。 一般形式一般形式:四四 莫塞莱定律莫塞莱定律 莫塞莱研究了一系列元素的莫塞莱研究了一系列元素的K线系线系,发现各元

15、素的发现各元素的K线系满足下面的规律：线系满足下面的规律：K 线线:L 线线:22211(1) 12R Z22211(7.4) 23R Z212221211() ()nR Zannnn作业作业: P248 1、4、5As 33Se 34Br 35Rb 37Sr 38Nb 41Rh 45图 8.8 几种元素的线系谱，按原子序数的次序上下排列直进射线直进射线 9080706050403020100X射射线线K线线系系的的莫莫塞塞莱莱图图2110 20 30 40 50 60 70 80 90RZ 8.3 同同X射线有关的原子能级射线有关的原子能级一、一、X射线标识谱的产生（内壳层电子的跃迁）射线标

16、识谱的产生（内壳层电子的跃迁）1、内壳层电子跃迁的前提：、内壳层电子跃迁的前提： 必须有空穴必须有空穴2、产生电子、产生电子空穴空穴的方法：的方法： a、用高速电子轰击靶核，与原子发生非弹性碰撞；、用高速电子轰击靶核，与原子发生非弹性碰撞； b、内壳层电子吸收高能光子使内层电子电离。、内壳层电子吸收高能光子使内层电子电离。3、标识谱产生的原因：深能级（内壳层）电子电离形成电子、标识谱产生的原因：深能级（内壳层）电子电离形成电子空位，内壳层电子自发重新排列，发出光子，产生空位，内壳层电子自发重新排列，发出光子，产生X射线标射线标识谱。识谱。二、内壳层中电离态的能级和跃迁二、内壳层中电离态的能级和

17、跃迁1、电离能的高低、电离能的高低 a、基态时，最内壳层电子最稳定，、基态时，最内壳层电子最稳定，n越小，越小，En也越小。也越小。 b、内壳层电子电离能：、内壳层电子电离能： n越小，越小，En就越大。就越大。 c、内壳层电子电离态能级：、内壳层电子电离态能级： n越小，电离态能级越小，电离态能级En就越大。就越大。2、电离态对应的原子能级、电离态对应的原子能级(内壳层内壳层) 由电子组态互补定则知，满壳层缺少由电子组态互补定则知，满壳层缺少1个电子所形成的原个电子所形成的原子态等价于单电子组态形成的原子态子态等价于单电子组态形成的原子态.3、能级跃迁的选择定则：、能级跃迁的选择定则： L=

18、L=1 1， J=0J=0、1 1 ( (结合结合P P231231能级图能级图) ) X射线通过物质时，我们将射线通过物质时，我们将X射线称为光子，则根据光子能射线称为光子，则根据光子能量（量（hv）的不同，它们与物质的相互作用有以下三种情况：）的不同，它们与物质的相互作用有以下三种情况： a、X射线的光子打在吸收物上，打出电子来，而光子本身射线的光子打在吸收物上，打出电子来，而光子本身消失了，此即光电效应。对光子来说，这是真实吸收。消失了，此即光电效应。对光子来说，这是真实吸收。“光电光电效应效应”的电子可以是自由电子，也可以是束缚电子。光子能量的电子可以是自由电子，也可以是束缚电子。光子

19、能量hv不太大时，发生这种相互作用；不太大时，发生这种相互作用； b、X射线通过物质后，波长和能量发生改变，此称射线通过物质后，波长和能量发生改变，此称compton效应；当效应；当hv增大时，发生增大时，发生compton效应；效应； c、光子能量光子能量hv大于电子静止质量的两倍时大于电子静止质量的两倍时(1.02Mev)，光子，光子在原子核场附近将转化为一对正、负电子。这被称作电子偶效在原子核场附近将转化为一对正、负电子。这被称作电子偶效应；应； 以上三种效应不仅与光子的能量有关，还与靶的原子序数有以上三种效应不仅与光子的能量有关，还与靶的原子序数有关。关。第四节：第四节：X射线的吸收射

20、线的吸收0I0( ).(1)xI xI e1、强度表达式、强度表达式设一束设一束X射线，射向吸收体前强度是射线，射向吸收体前强度是通过厚度为通过厚度为dx的吸收体后，强度增量为的吸收体后，强度增量为dI，减少量，减少量-dI将正将正比于比于dx和通过和通过dx时的强度时的强度I，若取比例系数为，若取比例系数为，则，则 -dI=I(x)dx两边积分得两边积分得: 可见强度可见强度I(x)随厚度随厚度x按指数衰减按指数衰减(朗伯朗伯-比耳定律比耳定律)。 =-dI/（I(x)dx） .(2) 衰减系数，单位是衰减系数，单位是cm-1，表示射线经过单位厚度的减，表示射线经过单位厚度的减弱百分数。弱百

21、分数。2、吸收和散射、吸收和散射 X射线强度减弱包括两个过程：吸收和散射，因此射线强度减弱包括两个过程：吸收和散射，因此是两种过是两种过程的联合效果，即程的联合效果，即， 真实吸收系数， 散射系数( ).xdII 将（2）式变形，引入吸收物的密度 ，则： 质量衰减系数dx它表示射线经过单位面积，具有单位质量那么一层物质后减弱的百分数。同理， 为质量吸收系数，它表示射线经过单位面积，具有单位质量那么一层物质后吸收的百分数； 表示射线经过单位面积，具有单位质量那么一层物质后散射的百分数。43aaZCZaZ实验证明，原子吸收系数同射线波长、吸收物的原子序数 满足以下关系： 、，即波长越短，射线贯穿本

22、领越大。b、Z，物质吸收本领越强，如果要充分屏蔽有害射线，应选择 较大的物质来吸收。从微观上看从微观上看,吸收是原子的过程吸收是原子的过程, 用单位面积中的原子数和用单位面积中的原子数和单位厚度除各系数可得单位厚度除各系数可得:0aNA原子衰减常数：，表示射线经过单位面积，且只有一个原子那样一层吸收物后被衰减的百分数。aNA原子吸收系数：，意义同上。aNA原子散射系数：，意义同上。实验结果-除原来谱线外, 出现波长变长的另一条线. 波长改变的数值与散射角有关, 随角度的增加而增强; 且随着散射角的增大, 新谱线增强,原谱线减弱. 8.4 康普顿效应康普顿效应(Compton)-(1927诺贝尔

23、奖诺贝尔奖)hvE 224202pccmEEcphcEp00m定量推导定量推导: X射线的光子同电子碰射线的光子同电子碰撞的结果撞的结果. 康普顿散射公式康普顿散射公式-康普顿散射中射线波长的改变与原波长康普顿散射中射线波长的改变与原波长无关无关, 只与散射角有关。只与散射角有关。220hm chmcppmv01 coshm c Compton解释是否正确，就要看它的结论是否与实验吻合。下面我们将对此进行讨论0221/mmvc90nmcmh002426. 00)1 . 0(nmCompton效应的讨论：效应的讨论： 在上式中，令在上式中，令 ， 得得称为称为Compton波长。波长。 由由 的表达式可见的表达式可见与与无关，不论无关，不论多少，多少，对实际测量来说，有意义的测量是对实际测量来说，有意义的测量是在给定方向测量，在给定方向测量，一定，一定，一定，所以一定，所以越小，越小，才越大；所以只对波长较短的才越大；所以只对波长较短的的的X射线，射线，才大到足以被观察的程度。而对可见光，才大到足以被观察的程度。而对可见光，很大很大 ，很小，所以通常情况下，观察不到这种波长的改变，经典理很小，所以通常情况下，观察不到这种波长的改变，经典理论与实验符合的很好。论与实验符合的很好。是一定的；是一定的；37 结束语结束语