原子物理学概述.pptx

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1、原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量一、X X射线的产生1 1、X X射线 由于高能电子减速或原子中内层电子跃迁而产生的波长数量级为埃的电磁辐射，称为X X射线。2 2、X X射线的产生 X X射线一般由高速度的电子打击在物体上产生。第八章 X射线1第1页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量一、X X射线的产生2 2、X X射线的产生 产生的工具是一个真空管，里边有两个电极，如图8.18.1所示。K K是钨丝制成的阴极，通电使钨丝加热到白热，就会发射电子。A A是阳极，所用材料视需要而定。第八章 X射线2第2页/共106页原子

2、物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量一、X X射线的产生2 2、X X射线的产生 跨这两个电极上加高电压，一般几万伏特到十几万伏特，也有高到二十几万伏特或更高的，这也决定于应用上的需要。这样，阴极所发的电子就被电场加速，打在阳极上，射线就从阳极上发射出来，阳极又称为靶子。由于电子打在上面使其温度升高很大，一般用的射线管的靶子是熔点高的金属制成的。第八章 X射线3第3页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量二、X X射线的特点 X X射线的本质和光一样，是一种电磁波，但它的波长比可见光短得多，大约在1 1埃左右，或更短一些，这同加在射

3、线管上的电压有关。X X射线也会发生反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象。主要特点是：1 1、人目不能见，但照射在某些物体上会使这些物体发荧光，有些物体这样发出的荧光是很强的。2 2、X X射线还能使照相片感光，还能使气体电离。它能透过一般光线透不过的物体。第八章 X射线4第4页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量三、X X射线波长的测定 利用X X射线在晶体中的衍射可以测定它的波长。晶体是原子有规则排列起来的结构，晶体中二邻近原子的距离也在1 1埃的数量级，与X X射线波长相仿，所以晶体可以用作X X射线很合适的光栅，下面叙述一个测量X X射线波长的方法

4、。第八章 X射线5第5页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量三、X X射线波长的测定1 1、布喇格（BraggBragg）公式 在晶体中有规则地排列起来的原子形成各组平面，原子的位置都落在各组几何平面上。设有一晶体，它的内部原子的排列如图8.28.2所示。第八章 X射线6第6页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量三、X X射线波长的测定1 1、布喇格（BraggBragg）公式 、等是原子构成的一组互相平行的平面，它们之间的距离是d d。又设一束X X射线射在这组平面上，每一个平面上都会有原子受到照射。现在考虑这束

5、射线中两条射线1 1和2 2，分别落在两个邻近平面的两个原子A A和B B上。射线会以A A和B B为中心再向四面射出。设入射的射线和平面之间的夹角是。第八章 X射线7第7页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量三、X X射线波长的测定1 1、布喇格（BraggBragg）公式 现在考虑由A A和B B射出的、也和平面成角的二射线11和22。那么由图可知1A11A1和2B22B2两条路径长度的差别是2dsin2dsin。如果这个差别恰好等于波长的整倍数，11和22两条射线就会互相加强。总括起来说，当一束射线射入晶体而发生衍射时，从任何一组晶面上，那出射方向

6、对平面的倾角和入射射线的倾角相等的射线，如果满足下式，（1 1）出射射线就会加强。这个公式称为布喇格（BraggBragg）公式。第八章 X射线8第8页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量三、X X射线波长的测定1 1、布喇格（BraggBragg）公式 在晶体中，原子构成很多组不同方向的平行面。图8.38.3显示怎样可以把二维的原子排列联成不同方向的平行直线，这就可以了解怎样在三维空间中，原子构成不同方向的平面，所以一束射线射入晶体，有可能从不同方向射出衍射后的射线。利用上述原理来测量射线的波长和强度。第八章 X射线9第9页/共106页原子物理学 8.

7、1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量三、X X射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定（1 1）方法一 仪器的布置一般如图8.48.4所示。第八章 X射线10第10页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量三、X X射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定（1 1）方法一 图中的O是射线直射在相片上的位置。量出OA弧线距离，把它用相片到晶体的距离除就得到角度2的数值。但由于直射的射线很强，在O处出现的线往往变宽，不易测准位置。实际的做法是转动一下晶体的方向，重复上述步骤，就可以获得与A对称的一条谱线A。把AA的弧线距离用软片到晶体

8、的距离除就得到4的数值。把计算所得的d和测得的值代入（1）式，波长就可以算出。第八章 X射线11第11页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量三、X X射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定（1 1）方法一 如果观察到有几个，而其正弦又成整倍数的关系，就可以认出对应于各个的n值了。又如果我们使角度从零逐渐增加，对某一波长说，第一次出现谱线的那个就对应于n等于1。一束射线往往不止一种波长，所以晶体转动时，相片上可以记录下几种波长的谱线。从它们的位置计算出相应的角，从而可以算出波长。第八章 X射线12第12页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1

9、 X射线的产生及其波长和强度的测量三、X X射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定（1 1）方法一 相片上谱线的深浅在适当的露光范围内与射线的强度有线性关系，因此用相片也可以测得射线的相对强度。第八章 X射线13第13页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量三、X X射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定（1 1）方法一 相片上谱线的深浅在适当的露光范围内与射线的强度有线性关系，因此用相片也可以测得射线的相对强度。第八章 X射线14第14页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量三、X X射线波长的测

10、定2 2、X X射线波长和强度的测定（2 2）方法二 用电离室代替相片作为记录器。仪器装置的大意如图8.58.5所示，这可以称做X X射线测谱计。第八章 X射线15第15页/共106页原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量三、X X射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定（2 2）方法二 当达到某一角度时，电离电流会突然增强，那就表示这时进入电离室的射线特别强，公式（1 1）已满足。把这时的角度代入公式，波长可以算出。而电流的强度也就代表这个波长的射线的强度。第八章 X射线16第16页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱 用上节所说的方法

11、可以把X X 射线谱记录在相片上，相片上谱线的位置相当于不同的波长。图8.68.6和图8.88.8是一些例子。第八章 X射线17第17页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱 X X射线谱是两部分构成的，一部分是波长连续变化的，称为连续谱；另一部分是具有各别波长的线状谱，这又称为标识谱，标识谱重叠在连续谱上。在相片上如果露光时间不够，连续谱有时不明显；如果加长露光时间，也可以照出连续谱。第八章 X射线18第18页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱一、连续谱 图8.7 中显示连续谱有一个最短波长。最短波长的数值同射线管上所加电压V有下列关系：即 （1）

12、这里是相当于最短波长的频率，也就是最高频率。第八章 X射线19第19页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱一、连续谱 第八章 X射线20第20页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱一、连续谱 第八章 X射线21第21页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱一、连续谱 连续谱是电子在靶上被减速而产生的。高速电子到了靶上，受靶中原子核的库仑场的作用而速度骤减，电子的动能转成辐射能，就有射线放出，这样的辐射称为轫致辐射。第八章 X射线22第22页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱一、连续谱 第八章 X射线23第2

13、3页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱二、标识谱（线状谱）1 1、标识谱 标识谱是线状谱，由具有各别波长的谱线构成。谱线的波长决定于靶子的材料。每一种元素有一套一定波长的射线谱，成为这元素的标识，所以称为标识谱。各元素的标识谱有相似的结构，清楚地分为几个线系。如图8.78.7所示。第八章 X射线24第24页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱二、标识谱（线状谱）1 1、标识谱 第八章 X射线25第25页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱二、标识谱（线状谱）2 2、莫塞莱定律 莫塞莱研究了一系列元素的K K线系，发现各元素的K

14、 K线系有相似的结构，只是波长不同。如果把各元素的射线谱的相片按原子序数的次序上下排列起来，把相同波长的位置上下对齐，就会看到谱系依次位移，如图8.88.8所示。第八章 X射线26第26页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱二、标识谱（线状谱）2 2、莫塞莱定律 第八章 X射线27第27页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱二、标识谱（线状谱）2 2、莫塞莱定律 第八章 X射线28第28页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱二、标识谱（线状谱）3 3、标识谱的特性（1 1）各种元素的标识谱有相似的结构，不同于可见光的光谱彼此相差

15、可以很大。（2 2）按原子序数的次序比较各元素的标识谱，谱线的波长依次变动，如上文所叙述，看不出有周期性的变化。（3 3）K K线系甚至L L线系的结构与化学成分无关。例如用两种铜的化合物做成的靶子所发铜的K K线系是相同的。（4 4）X X射线管上需要加几万伏特的电压才能激发出某些线系。X X射线的光子能量比可见光的光子能量大得多。第八章 X射线29第29页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱二、标识谱（线状谱）4 4、关于标识谱的结论 X X射线的标识谱是靶子中的原子发出的。从它不显示周期性的变化，同化学成分无关和光子能量很大来看，可以知道这是原子内层电子跃迁所发的。

16、各元素原子的内层电子填满后，壳层的结构是相同的，所不同的只是对应于各层的能量的数值。周期性的变化和化学性质是外层电子的问题。X X射线标识谱既不显出这些情况，足见是内层电子所发的。第八章 X射线30第30页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱二、标识谱（线状谱）第八章 X射线31第31页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱二、标识谱（线状谱）标识谱反映了原子内层结构的情况。谱线的波长代表能级的间隔，谱线的精细结构显示能级的精细结构。所以X射线标识谱对研究原子结构问题有重要意义。第八章 X射线32第32页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射

17、线的发射谱第八章 X射线33第33页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱第八章 X射线34第34页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱第八章 X射线35第35页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱第八章 X射线36第36页/共106页原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱第八章 X射线37第37页/共106页原子物理学第八章 X射线38第38页/共106页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 X射线标识谱来源于原子内层电子的跃迁，但内层电子是填满的。根据泡利原理，不可能再加电子。例如第一层只能最多有两个

18、电子，不可能有第三个，要有跃迁必须先有电子空位。要电子跃迁到n=1那一层，必须先使那一层有一个空位。产生K线系的条件是最内层（n=1)有空位，产生L线系的条件是第二层（n=2)有空位。第八章 X射线39第39页/共106页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 产生电子空位可以由高速电子对原子的非弹性碰撞实现，也可以由吸收能量足够高的光子来实现。前一方法把要研究的材料装在X射线管的靶上，使它发出射线，这是一般产生X射线的方法；后一方法把要研究的材料放在从另一个射线管发出的射线的路径中，使它吸收射线而发射次级射线，次级射线一般比较弱。第八章 X射线40第40页/共106页原子物理

19、学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 如果要产生X射线标识谱，就需要把原子内层电子电离出去，使原子处在电离态。把各层电子电离出去所需的能量是不同的，最内层电子在原子中的能量最低，第二层的高一些，第三层的更高一些，以此类推。所以要使最内层的电子电离，需要供给原子的能量最大，其次是第二层，再次是第三层。因此最内层一个电子电离后的电离态的能级同中性原子的基态比较是最高的。其次是第二层一个电子电离的状态的能级，以此类推。图8.10是一个例子，这是镉原子的电离态的能级。第八章 X射线41第41页/共106页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级第八章 X射线42第42页/共10

20、6页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 在X射线的术语中把n等于1、2、3、各层分别称做K、L、M、N、O层，各层的电子称做K电子等等。在图8.10中，左边注的K、L 等符号指的是各该层有一个电子电离后的能级，左边的数字表示镉的各电离态能级相对于基态的高度，这是以厘米-1为单位的，乘以hc的值就等于以尔格为单位的数值。注意L级距离基态差不多只有K能级距离基态的十分之一，M级差不多只有K 级的百分之一，N级差不多只有K级的千分之一。图上能级的间隔不是按比例画的。第八章 X射线43第43页/共106页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 第八章 X射线44第4

21、4页/共106页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 在图的右边注明了各壳层剩下的各类电子数和形成的原子态。满壳层的轨道角动量、自旋角动量以及总角动量都等于零。缺少一个电子的那个壳层别等于一个电子的这三种角动量，只是方向相反，这样和一个电子组合在一起，才能使这三种角动量等于零。由此可知，满壳层缺少了一个电子形成的原子态就同具有一个电子的原子态相同了。其他原子，如果完整壳层发生电离，也会有相似的能级，只是能级的数值不同。最外层电子的情况当然各个原子是不同的。第八章 X射线45第45页/共106页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 第八章 X射线46第46页/

22、共106页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 各种原子的X射线能级可以通过观察这些原子对X射线的吸收直接测定，所得结果可以和发射谱的数据互相参证。关于怎样通过吸收的观察测定能级将在下一节论述。代表X射线能级的理论公式先由索末斐按轨道理论推得，后来戈登用量子力学方法也获得同样的结论。下面所列是他们推得对应于各能级的谱项公式：第八章 X射线47第47页/共106页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 第八章 X射线48第48页/共106页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 第八章 X射线49第49页/共106页原子物理学 8.3 8.3 同

23、X X射线有关的原子能级 第八章 X射线50第50页/共106页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 第八章 X射线51第51页/共106页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 第八章 X射线52第52页/共106页原子物理学 8.3 8.3 同X X射线有关的原子能级 第八章 X射线53第53页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收第八章 X射线54第54页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收第八章 X射线55第55页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收第八章 X射线56第56页/共106页原子物理

24、学 8.4 X 8.4 X射线的吸收 一、吸收和散射第八章 X射线57第57页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收一、吸收和散射第八章 X射线58第58页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收一、吸收和散射第八章 X射线59第59页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系 第八章 X射线60第60页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系 如果测出某一种物体对不同波长的射线的质量吸收系数，并把它对波长作标绘，就会得到如图8.118.11所示那

25、样的曲线。第八章 X射线61第61页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系 图8.11表示铅的质量吸收系数随波长的变化。这里可以看到：（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贯穿本领高；（2）波长减到某一数值，吸收系数突然增加，这些吸收突然增加处称为吸收限。第八章 X射线62第62页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系 第八章 X射线63第63页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系 第八章 X射线

26、64第64页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系 第八章 X射线65第65页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收三、X X射线吸收过程的应用 X X射线有高贯穿本，可用于透视如果使射线经过一个物体，再照射在荧光板或照相底片上，则由于射线被物体各部分吸收的程度不同，射到荧光板上就会产生明暗的差别，这样就显出物体内部的影像。在医疗及工业材料和成品的检验上用得颇多。根据（7 7）式，波长愈短，吸收系数愈小，也就是透射本领高，所以检查不易透射的物体必须用高电压。又原子吸收系数与 成正比，每个铅、铁等元素的原子比碳、氢等元

27、素的原子的吸收要大得多。此外，对同厚度的物体，吸收也决定于射线穿过的原子数。这些因素就使物体内部的变化显现在透视图像上。第八章 X射线66第66页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收三、X X射线吸收过程的应用 X射线被生物体吸收后会对后者起作用，这可以用来医治某些疾病，另外还有其他生物学上的用处。但是，人体受X射线的照射是有损害的，波长较长的射线容易被吸收，因此对生物体的影响更大。在这方面工作的人员应注意防护。第八章 X射线67第67页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收四、吸收限与原子能级 波长越短，光子的能量越大。图8.11和8.12中显示波长减到

28、某些数值时吸收突然增加。这些吸收限表示射线的光子能量已经大到一个数值，足以使吸收物的原子吸收它时能够产生电离了。图中的K吸收限表示光子的能量已经大到足以使一个1s电子电离，吸收限表示能量足以使一个2s电子电离，和 表示能量足以使一个2p电子电离。所以各吸收限分别代表原子各壳层有一个电子电离时需要吸收的能量。第八章 X射线68第68页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收四、吸收限与原子能级 第八章 X射线69第69页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收 从以上关于X X射线标识谱和吸收限的讨论，可以看到原子中的电子确是分成壳层的。从X X射线的观测，可以把

29、这些壳层的能量求出来，这是研究原子内层结构的很好的途径。第八章 X射线70第70页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收 第八章 X射线71第71页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收 第八章 X射线72第72页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收 第八章 X射线73第73页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收 第八章 X射线74第74页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收 第八章 X射线75第75页/共106页原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收 作业：P249 6第八章 X射线76第7

30、6页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应一、康普顿效应 上节讨论到X X射线通过物质时逐渐减弱是由于两种过程：吸收和散射。对吸收的问题上节已经加以论述。对散射早年也有好些人进行过研究。康普顿研究发现，X X射线被散射后，除波长不改变的部分外，还有波长变长的部分出现，这现象称作康普顿效应。它是康普顿在19221922年到19231923年间首次观察到并提出理论解释的。第八章 X射线77第77页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应二、康普顿效应实验1 1、装置 康普顿的实验装置如图8.138.13所示。当时用钼所制的靶T T所发的射线被一块石墨R R散射，散射出来的射线

31、经窄缝达到测量器的晶体上。这样就可以按照以前所说的方法测量散射射线的波长。在不同散射角测得散射射线的波长，如图8.148.14所示，这是用电离室所测的结果。第八章 X射线78第78页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应二、康普顿效应实验2 2、现象 图8.148.14中显示除原有钼的 线外，还有波长变长的另一条线。波长改变的数值与散射角有关，随角度的增加而增加，而且随着散射角的增大。新谱线增强，原谱线减弱。第八章 X射线79第79页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应二、康普顿效应实验2 2、现象吴有训在1925192619251926年曾观察银的 线在同一散射角被

32、一系列元素散射的情况，图8.158.15是观察的结果。这里可以看到，新谱线的移动与散射物的性质无关，当散射物的原子序数增加时，原谱线的强度增加，移动的新谱线的强度减低。第八章 X射线80第80页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应二、康普顿效应实验2 2、现象第八章 X射线81第81页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释第八章 X射线82第82页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释第八章 X射线83第83页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释第八章 X射线84第

33、84页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释第八章 X射线85第85页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释第八章 X射线86第86页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释 现在还要说明一下实验结果的某些情况。按照上述理论，在一定散射角上波长的改变是一定的，而实际观察到那波长改变了的谱线有一个较宽的强度分布，不是恰好等于（5 5）式的数值，只是最高峰落在那式的数值上。这是因为电子实际在碰撞前不是静止的，它在原子中运动着。只是在原子序数较低的原子中，电子的速度比碰后的速度要小得多，所

34、以理论公式的推导中把它近似地作为零。这样，实际的波长改变就分布在理论值的附近了。第八章 X射线87第87页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释另一个情况是，随着原子序数的增加，波长改变的那谱线的强度逐渐减弱，而波长不变的那谱线的强度逐渐增强。这是因为原子序数愈高，原子中有更多的电子和原子核有较强的结合，可以近似地看作自由电子只是最外层的几个，在电子的总数中相对地减少了。光子同结合强固的电子碰撞就等同于同质量很大的原子碰撞，波长即便有改变也是很微小的，不能观察出来，所以波长不变的谱线强度随原子序数而增加。由于近似自由电子的数目相对地减少，所以波长改变的谱线

35、随原子序数增加而减弱。第八章 X射线88第88页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应在康普顿散射中，光子损失一部分能量。这是能量较高的光子通过物质时能量损失的重要方式之一。当光子的能量低时，通过物质时能量的损失主要是电离吸收，正如上节所讨论的。但电离吸收随波长减小而急剧下降。对能量较高的光子，电离吸收的能量损失成为次要的，而康普顿散射的能量损失成为主要的。这不仅发生在短波的X X射线上，也发生在更短波长的射线上，因而具有较广泛的意义。在原子核物理和高能粒子物理中会遇到这个问题。这个效应也一直被认为是光的微粒性的有力证据之一。第八章 X射线89第89页/共106页原子物理学 8.5

36、 8.5 康普顿效应第八章 X射线90第90页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应第八章 X射线91第91页/共106页原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应第八章 X射线92第92页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射 在本章第一节我们讨论了怎样利用X X射线在晶体中的衍射来测量射线的波长。目的只是要说明一个测量的方法，所以只提到射线在一组晶面上衍射的情况。对布喇格公式只作了简单的说明。本节将对X X射线在晶体中的衍射作较详细的讨论。第八章 X射线93第93页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射一、射线在晶体中的衍射公式

37、晶体是原子有规则地排列起来的结构，这种有规则的排列沿各方向是作等间隔的重复的。一个晶体可以看作是基本单元连接起来的。一般说，晶体的基本单元总可以用一个平行六面体代表。在8.18.1节说到原子在晶体中的有规则排列构成很多组不同方向的平行面。如果把一束X X射线射入晶体，在每一组平行面上只要有满足布喇格公式的波长，都能发出与入射射线对平面作等角的射线。这样，如果一束入射射线是由很多不同波长的射线组成的，就有很多束射线从晶体向不同方向射出。第八章 X射线94第94页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射一、射线在晶体中的衍射公式晶体对X X射线起了立体光栅的作用。如图8.1

38、78.17所示。利用图8.178.17及相关理论进行推导可得（P242-245P242-245）（1111）式中的d d是与射线成等角的一组平面之间的距离，这式子正是布喇格公式。第八章 X射线95第95页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射二、密勒指数 从上面的推导可以知道，如果射线经衍射向某一方向射出，就一定有与射出射线对应的一组晶面，这组晶面与入射射线和出射射线是成等角的。晶体中这样的平行面是很多的，因此当一束含有很多波长的射线射入晶体时，就可能有好多束射线从晶体向不同方向射出。第八章 X射线96第96页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中

39、的衍射二、密勒指数 第八章 X射线97第97页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射二、密勒指数 第八章 X射线98第98页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射二、密勒指数 第八章 X射线99第99页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射三、晶面间隔d d的计算公式 第八章 X射线100第100页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射四、劳厄相片 把含有较强连续谱的X X射线先后通过两个小圆孔，使成为细束，然后射在一片晶体上，如图8.208.20所示。由于衍射，就有好多束射线从晶体射出。如

40、果在晶体后面放一照相底片接受射线，经适当照射时间，显像后，相片上就现出有规则地地排列的斑点，每一斑点对应于一组晶面，由斑点的位置可以知道各组对应平面的方向。因此，由这样一张相片就可以推断晶体的结构。这是利用X X射线分析晶体结构的一个方法，是劳厄（M.von M.von Laue)Laue)在19121912年首先做出的。图8.218.21是一幅劳厄相片。第八章 X射线101第101页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射四、劳厄相片第八章 X射线102第102页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射五、晶体粉末法 上述方法需要一片单晶体，但

41、许多晶体的晶粒小，呈粉末状，或者是多晶体如一般金属的情况。要研究这些晶体的结构，可以把晶体粉末装在一小管中，放在图8.208.20中晶体的位置，令一细束单波长的射线射在上面，再用一照相底片接受射线，显像后会现出许多同心圆（8.228.22），这里波长只有一种。第八章 X射线103第103页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射五、晶体粉末法但晶体是各方向都有，总有一些能满足布喇格公式的要求。由圆圈的大小可以推得发生这圈的晶面与入射射线所成的角，从而算出d d值。从这样求得的一组d d值就可以推断晶体的结构。研究金属那样的多晶体，只需拿一片样品放在上述粉末管的位置，摄得相片就可以了。第八章 X射线104第104页/共106页原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射 X X射线的衍射是研究晶体结构很有效的方法，也可以用来研究高分子的结构。所以X X射线是研究物质结构的有用工具。第八章 X射线105第105页/共106页感谢您的观看！第106页/共106页