原子物理 chap8

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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。