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1、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 8.28.4 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
2、 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
3、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下可确定X射线的波长。原子间距由 ,给出,d=0.282nm。例如NaCl(A=58.5)的密度=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)98.2 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
4、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min , 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
5、 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1/2近似与原子序数Z成线 性关系。12例如: KX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:KX射线是内层电子从n2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
6、荷库仑作用。也指出要发射KX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KX射线的能量是电子从n1 到n2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
7、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
8、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K是第二层的电子跃迁到最内层的结果,间隔最小,波长最长;K是第三层的电子跃迁到最内层的结果; K是第四层的电子跃迁到最内层的结果,波长最短;依次类推。178.3 同X射线有关的原子能级K线系:K:LK;K:MK;K:NK;L线系:L:ML;L:NL;L:OL; 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
9、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
10、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, 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, 在K线中还有两条K1,K2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,21K1, k2K1, k222 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
11、入射强度I(x) 。即引入衰减系数物理意义: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()和散射(), 其中散射改变射线线的方向,因此在原方向上强度减弱。=+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: =CZ43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
12、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
13、.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,光子频率碰后:电子运动,光子频率31平 方1212c2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。