原子物理学第八章幻灯片.ppt
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1、原子物理学第八章第1页,共36页,编辑于2022年,星期五一、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在了射线在实验里已经存在了3030多年,在多年,在X X射线发现前,不断有人抱怨,放在阴极射线管附近的照相底片模射线发现前,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。如糊或感光。如18791879年的克鲁克斯,年的克鲁克斯,18901890年的古德斯比德等人,但发现年的古德斯比德等人,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
2、国的一个商人家庭,18691869年在苏黎世大学获博年在苏黎世大学获博士学位。士学位。18951895年年1111月月8 8日傍晚,伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时,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,他用黑纸板将管子包起来,却发现距阴极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钡管一段距离外的一块涂有铂氰酸钡 结晶物质的屏幕发出了荧结晶物质的屏幕发出了荧光,伦琴马上意识到光,伦琴马上意识到,这可能是一种前所未有的新射线,经检查发现这可能是一种前所未有的新射线,经检查发现,射线来自阴极射线管管壁。射线来自阴
3、极射线管管壁。8.1 X射线的产生及其波长强度的测量射线的产生及其波长强度的测量第2页,共36页,编辑于2022年,星期五 令人惊奇的是,当用木头等不透明物质挡住这种射线令人惊奇的是,当用木头等不透明物质挡住这种射线时,荧光屏仍然发光,而且这种射线能使黑纸包住的照相时,荧光屏仍然发光,而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光,不被电磁场偏转。经过一个多月的研究,他未底片感光,不被电磁场偏转。经过一个多月的研究,他未能搞清这种射线的本质,因此赋予它一个神秘的名字能搞清这种射线的本质,因此赋予它一个神秘的名字-X射射线。线。1895年年12月月28日,伦琴向德国物理学医学会递交了日,伦琴向德国物理学
4、医学会递交了第一篇关于第一篇关于X射线的论文,射线的论文,论新的射线论新的射线,并公布了他夫,并公布了他夫人的人的X射线手骨照片。射线手骨照片。伦琴的发现引起了极大的轰动,以致于在全世界伦琴的发现引起了极大的轰动,以致于在全世界范围内掀起了范围内掀起了X射线研究热,射线研究热,1896年关于年关于X射线的研究论射线的研究论文高达文高达1000多篇。对多篇。对X射线的公布,促使法国物理学家贝射线的公布,促使法国物理学家贝克勒尔也投入到这一研究领域之中,为了弄清克勒尔也投入到这一研究领域之中,为了弄清X射线产生射线产生的机制。他想,如果把荧光物质放在强光下照时,是否在的机制。他想,如果把荧光物质放
5、在强光下照时,是否在发荧光的同时,也能放出发荧光的同时,也能放出X射线呢?射线呢?第3页,共36页,编辑于2022年,星期五于是他把一块荧光物质(铀的化合物于是他把一块荧光物质(铀的化合物-钾铀酰硫酸盐晶体)放在用黑钾铀酰硫酸盐晶体)放在用黑纸包住的照相底片上,然后放在太阳下晒,结果在底片上果然发现了纸包住的照相底片上,然后放在太阳下晒,结果在底片上果然发现了与荧光物质形状相同的与荧光物质形状相同的“像像”。一次偶然的机会使他发现,未经太。一次偶然的机会使他发现,未经太阳曝晒的底片冲出来后,出现了很深的感光黑影,这使他非常吃阳曝晒的底片冲出来后,出现了很深的感光黑影,这使他非常吃惊。是什么使底
6、片感光呢?跟荧光物质是否有关呢?他进一步用惊。是什么使底片感光呢?跟荧光物质是否有关呢?他进一步用不发荧光的铀化合物进行实验,同样使底片感光;可见铀化合物不发荧光的铀化合物进行实验,同样使底片感光;可见铀化合物能发出一种肉眼看不见的射线,与荧光无关。能发出一种肉眼看不见的射线,与荧光无关。1896年年3月月2日,他向法国科学院报告了这一惊人的发现,从此日,他向法国科学院报告了这一惊人的发现,从此打开了一个新的研究领域。打开了一个新的研究领域。放射线的发现看似偶然,但正如杨振宁放射线的发现看似偶然,但正如杨振宁先生在评价这一故事时所说的那样,先生在评价这一故事时所说的那样,“科学家的科学家的灵感
7、灵感对科学家对科学家的发现的发现非常重要非常重要;这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。;这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。”第4页,共36页,编辑于2022年,星期五第5页,共36页,编辑于2022年,星期五第6页,共36页,编辑于2022年,星期五使荧光屏发出荧光;使荧光屏发出荧光;二二 X射线的产生射线的产生发现发现:1895年德国大学教授伦琴在做气体放电实年德国大学教授伦琴在做气体放电实 验验时首先发现的。时首先发现的。性质:穿透性很强;性质:穿透性很强;对动植物组织有刺激作用。对动植物组织有刺激作用。本质:本质:X射线具有光所具有的一切性质:反射,折射,偏振等,所以射线具有光所具有的
8、一切性质:反射,折射,偏振等,所以X射线从本射线从本质上来说是波长极短的电磁波。质上来说是波长极短的电磁波。0.1nm:软:软X射射线线使气体电离;使气体电离;使照相底片爆光;使照相底片爆光;X射线的产生射线的产生:X射线由射线由X射线管产生。射线管产生。第7页,共36页,编辑于2022年,星期五阴极电子真空管X射线图图5.6 X 射线管示意图射线管示意图第8页,共36页,编辑于2022年,星期五三、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
9、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第9页,共36页,编辑于2022年,星期五层dAB图图5.7 布拉格公式推导布拉格公式推导第10页,共36页,编辑于2022年,星期五2、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
10、深浅程度可以测出相对强度。S1S2AA1CP 图图5.8 O第11页,共36页,编辑于2022年,星期五 每每个个亮亮点点为为劳劳厄厄斑斑点点,对对应应于于一一组组晶晶面面.斑斑点点的的位位置置反反映映了了对对应应晶晶面面的的方方向向.由由这这样样一一张张照照片片就就可可以以推推断断晶晶体体的的结结构构(连续谱的连续谱的X射线射线)第12页,共36页,编辑于2022年,星期五3 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,不同的园环代表不不同的园环代表不同的晶面阵同的晶面阵,环的强弱反映了晶面上原子的密度大环的强弱反映了晶面上原子的密度大小小
11、第13页,共36页,编辑于2022年,星期五4(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 (a)Eu(DBM)3PhenPMMA的广角X射线衍射图 (b)Eu(DBM)3Phen的X射线衍射图第14页,共36页,编辑于2022年,星期五 实验表明,实验表明,X射线谱由两部分构成,一部分波长连续变化,称为连续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
12、部分波长是分立的,与靶材料谱,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,所以称为标识谱,又叫特征谱,它迭加在连有关,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续谱上形成X射线的发射谱。下面对这两部分谱线的特点和产生机射线的发射谱。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。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 标标识识谱谱:钨钨靶靶和和钼钼靶靶,相相同同的的电电压压第15页,共36页,编辑于2022年,星期五一、连续谱一、连续谱轫致辐射(杀车辐射)轫致辐射(杀
13、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,有波长连续变化射线的装置中,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。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,辐射强度为纵为横轴,辐射强度为纵轴;在不同管压下得到的波长轴;在不同管压下得到的波长强度分布曲线。由图可见,当阳极强度分布曲线。由图可见,当阳极材料不变时,材料不变时,minmin和和max max 随管压随
14、管压V V的升高都向短波方向移动。的升高都向短波方向移动。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。由图可曲线。由图可见见 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。第16页,共36页,编辑于2022年,星期五电子离子光子图图 轫致辐射轫致辐射第17页,共36页,编辑于2022年,星期五2 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,连续谱不应该通过上面对连续谱特征的分析,我们很容易想
15、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。可以想象到,被是原子光谱,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,其速率从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 骤骤减为减为0 0,有很大的加速度,而伴随着带电粒子的加速运动,必然有电,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,这便是产生磁辐射产生,这便是产生X X射线连续谱的原因,用光子的概念可以对连续射线连续谱的原因,用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。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 ,在靶上减速而损失的能量
16、为,在靶上减速而损失的能量为 ;减速;减速过程中的能量差为过程中的能量差为 ,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 是连续变是连续变化的,而化的,而 是一定的,所以是一定的,所以 连续变化连续变化.第18页,共36页,编辑于2022年,星期五v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 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得能量并全部转化为辐射时,由此得,由此得需要指出的是,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
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- 原子 物理学 第八 幻灯片
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