原子物理学(x射线)

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1、第五章 X射线5.1. X射线的发现及其波性 5.2. X射线的产生的机制 5.3. 康普顿散射 5.4. X射线的吸收5.1. X射线的发现及其波性 X射线的发现 X射线管 X射线的波性 X射线的偏振 X射线的衍射5.1.1.X射线的发现(1) l895年德国物理学家伦琴在作阴极射线 管(X射线管)中气体放电的实验研究时， 偶然发现了有一种使荧光屏上有微弱的 荧光产生的看不见的射线 沿直线传播 穿透性强(不被物质反射和折射) 不被电磁场偏转 他把这种未知射线称为 x 射线5.1.1.X射线的发现(2) 后来人们认识到： x 射线是一种高能光子穿透性很强 x 射线是波长很短的电磁波： 波长:0

2、.001nm 1 nm 软x射线: 波长大于0.1nm 硬x射线:波长小于0.1nm5.1.2.X射线管(1)X射线线管X 射线线电电子真空管KAA-阳极(靶)K-阴极K由钨丝钨丝 制成,当 钨钨 丝丝通电电加热热时产时产 生 热电热电 子。热电热电 子 受 A、K 之间电场间电场 的 作用高速撞击击阳极 A，发发射出X射线线 。5.1.3.X射线的波性(1) 加速带电粒子辐射电磁波 X射线管中,高速电子在靶上突然停止 辐射电磁波 X射线线电磁波 波动性的显示 偏振,衍射5.1.3.X射线的偏振(1) 横波:振动方向与传播方向k垂直的波 电磁波是横波,电矢量E垂直k横波才有偏振 线偏振光:电矢

3、量E振动恒定在一个方向 圆偏振光: E在垂直k的平面内作圆周运 动 X射线的偏振5.1.3.X射线的偏振(2)双散射实验无偏振的X射线,z方向入射散射体; 若X射线为横波,振 动沿x, y方向;散射体散射的波沿x, y方向振动,x方向只 传播y方向振动的波;经第二散射体散射的波沿沿y方向 振动, z方向强度最大,y方向强度最小证实X射线的偏振性5.1.4.X射线的衍射(1) 电磁波通过狭缝衍射 要求波长与狭缝的大小同数量级 X射线波长数量级:0.1nm 0.1nm的狭缝难以制造 晶体: 原子(格点)有规则排列的结构 晶格常数d : 相邻格点的距离 晶格常数d的数量级与X射线波长数量级相同 晶体

4、是X射线的天然三维光栅5.1.4.X射线的衍射(2) 晶面:晶体中有规则排列的格点形成的平 面不同族平面有 不同晶格常数格点形成很 多族不同方 向的平面5.1.4.X射线的衍射(3) X射线晶体衍射的研究方法 点间干涉: 处理一个晶面各个格点的干涉 面间干涉: 处理一族晶面中不同晶面之间 的干涉 点间干涉:一个晶面中各个格点的干涉 可以证明:一个晶面内二维点阵的零级主极大 方向为以晶面为镜面的反射线方向(入射角 等于反射角)5.1.4.X射线的衍射(4) 面间干涉:X射线在一族晶面之间的干涉 (1)布喇格面: X 射线入射角 等于出射角 的一组晶面假设晶面为 布喇格面5.1.4.X射线的衍射(

5、5) 面间干涉:X射线在一族晶面之间的干涉(2) 任意两相邻光之间的光程差为面间干涉加强(主极强)条件布喇格公式5.1.4.X射线的衍射(6) 给定X射线入射方向,波长; 给定晶体 一组布拉格方程 给定晶体多族不同方向的晶面 一族晶面(布喇格面)一个布喇格方程5.1.4.X射线的衍射(7) 在入射方向、入射波长和晶体取向给定后一 般情形下可能根本就没有主极强 给定入射方向、晶体取向 , d 对任意, 可能不满足 可以证明,在任意方向测得主极强对应 一族布喇格面 布喇格公式一定被满足5.1.4.X射线的衍射(8) X射线衍射的应用已知, 可测 d X射线晶体结构分析 研究晶体结构、材料性质已知,

6、 d 可测 X射线光谱分析 研究原子结构晶体X射线5.1.4.X射线的衍射(9) 实际观察X射线衍射的作法(1) 劳厄法：使用波长连续的X射线照射晶体 给定晶体取向,不限定波长 每个晶面组的布喇格方程可以满足 得到所有晶面族反射的主极大。每个主极 大对应一个亮斑可定晶 面方向晶体X射线5.1.4.X射线的衍射(10) 实际观察X射线衍射的作法(2) 粉末法：用确定波长的X射线入射到多晶粉末上 给定波长,不限定晶体取向 大量无规的晶面取向，总可使布喇格条件满足 实验布局对称性 得到系列同心圆环.每个同心圆环一族晶面可定晶 格常数5.2. X射线的产生的机制 X射线的发射谱 连续谱-轫致辐射 特征

7、辐射(标识辐射)-电子内壳层跃 迁 特征辐射的标记方法 俄歇电子 同步辐射5.2.1.X射线的发射谱(1) X射线发射谱: X射线的波长与强度的关系 图 X射线谱的构成(1)连续谱:波长连 续变化部分.其 最短波长只与 外加电压有关5.2.1.X射线的发射谱(2) X射线谱的构成(2)特征谱或标识谱: 分立谱线部分.或 出现,或不出现. 一旦出现特征峰 所对应的波长只 与靶材本身有关5.2.2.连续谱连续谱 -轫轫致辐辐射(1) 轫轫致辐辐射 带电粒子在加(减)速电磁波辐射 连续谱形成 X射线管中,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,发射出波 长连续的X射线. 连续谱

8、的最短波长与阳极的材料无关: 由于X射线只是电子有加速度而辐射产生5.2.2.连续谱连续谱 -轫轫致辐辐射(2) 连续谱有一个最小波长min, 它仅与加速电压 V有关: 电子在电场V中加速, 获得动能eV 动能eV全部转化为辐射的光子能量时,对应最 小波长min与实验一致min的存在是量子论正确性的又一例证。测普朗克常数 h5.2.3.特征辐辐射-电子内壳层跃迁(1) 给定元素,特征谱分为几个系列， K系列:谱线: K , K , K , , L系列:谱线: L , L , L , , M系列:谱线: M , M , M , , N系列:谱线: N , N , N , , K谱线频率莫塞莱经验

9、公式莫塞莱定律提供了精确测测量Z的方法5.2.3.特征辐辐射-电子内壳层跃迁 (2) 理解莫塞莱经验公式 高速粒子将能量给了靶原子的n=1内层电子, 使 n=1内层电子跃迁到能量较高的最外层或完全脱 离原子(即电离), 内层留下了“空位” 能量比“空位”能量高的n=2内层电子就会跃迁下 来到这空位, 同时发射电磁波, K谱线 (n=2 n=1跃迁) K谱线频率与莫塞莱经验公式一致跃迁电子受到Z-1 个正电荷的作用5.2.3.特征辐辐射-电子内壳层跃迁 (3) 产生K谱线的阈能大于产生K谱线的能量 阈能或电离能是从n=1壳层移去一个电子所需 的能量 K谱线的能量是电子n2壳层与n1壳层的能 量差

10、值 不同元素原子光谱周期性与K谱线无周期 性 原子光谱是原子最外层电子跃迁的结果, 外层 电子组态的周期性决定了它的周期性. K谱线是内层电子的跃迁的结果. 无周期性5.2.4.特征辐辐射的标记方法(1)不考虑精细结构K-X射线:终态在n=1(K)壳层 L-X射线: 终态在n=2(L)壳层K-X射线:依初态K, K, K L-X射线:依初态L, L , L5.2.4.特征辐辐射的标记方法(2)考虑精细结构L壳层: LI, LII, LIIIM壳层: MI, MII, MIII, MIV, MVK K2, K1K K2, K15.2.5.俄歇电子(1) 俄歇电电子 外层电层电 子向空位跃跃迁时时

11、,可以不发发射X射 线线,将能量传给传给 同层层的其他或更外层层的电电 子,这这个电电子获获得能量而脱离原子-e, 俄歇电子X射线线KLM5.2.5.俄歇电子(2) 俄歇电电子的动能 KLM分别表示K、L、M层电子的结合能(能 量的负值). L K 跃迁, 释放能量: -L-(-K )=K -L 能量K - L传递给M层电子,使其电离, 发射俄 歇电电子,动能:(K L) -M 俄歇电电子动能由元素确定测量俄歇电电子动能 ,一种分析元素的手段5.2.6.同步辐射(1) 同步辐射: 同步回旋加速器中电子作圆周运 动, 辐射的X光. 一种新型强 X光源 特点： 能谱宽: 0.110 4 (连续谱)

12、 功率大: 可达10 kW; 超大功率的X光管只有10 W 方向性好 高度偏振5.3. 康普顿散射 康普顿散射的实验装置 康普顿散射的实验规律 经典考虑 量子解释 几点讨论 康普顿散射与基本测量5.3.1.康普顿散射的实验装置晶体光阑X 射线管探 测 器X 射线谱仪石墨体 (散射物质)0散射波长X 射线在石墨上的散射=0O=45O=90O=135O. . . . . . . . . . . . .o（A）0.7000.750波长. .05.3.2.康普顿散 射的实验规律(1)康普顿顿效应应 散射的X射线线中不仅仅有 与入射线线波长长相同的射 线线，而且也有波长长大于 入射线线波长长的射线线康普

13、顿散射曲线5.3.2.康普顿散射的实验规律(2) 康普顿散射曲线的三个特点 除原波长0外出现了移向长波方向的新的散射波长 波长的偏移 波长的偏移只与散射角 有关, 而与散射物质种类 及入射的X射线的波长0无关 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。c = 0.0241=2.4110-3nm（实验值）康普顿波长5.3.3.经典考虑 经典电磁理论:电磁辐射通过物质，被 散射的辐射与入射辐射有相同的波长入射X光 电子以同频率振动 散射出同频率的X光 经典电磁理论不能解释康普顿顿效应应5.3.4.量子解释(1) 定性分析 X 射线光子与“静止”的“自由外层电子”发 生碰撞

14、 X光的光子能量 石墨中的外层电子在原子中的束缚能 eV外层电子可看为自由电子 X射线的光子与静止的自由电子之间是弹性碰撞 ，并假设在碰撞过程中能量守恒,动量守恒 光子把部分能量传给了电子,光子能量减小, 频率变小,因而波长变长5.3.4.量子解释(2) 定量计算(1) 能量与动量守恒定律e自由电子(静止) m0h5.3.4.量子解释(3) 定量计算(2)和实验符合康普顿散射公式 定量计算(3) 散射光子的能量5.3.4.量子解释(4)乘(hc ) -1 定量计算(4) 电子反冲动能5.3.4.量子解释(5) 电子的康普顿波长(1) 意义一 入射光子的能量与电子的静止能量相等时 所对应的光子的

15、波长 意义二 = 90 时,散射波长与入射波长之差5.3.5.几点讨论(1) 电子的康普顿波长(2) 折合电子康普顿波长 经典电子半径5.3.5.几点讨论(2)折合电子康普顿波长约 为经典电子半径的137倍 为什么与散射物的种类无关?散射物中的电子都看成自由电子 为什么散射线中还观察到有原波长的射线 ? 光子与石墨中和原子核束缚很紧的内层电子 的碰撞，应看做是光子和整个原子的碰撞弹性碰撞中, 入射光子几乎不损失能量, 即散射光子波长不变 相干散射:康普顿散射中出现的=0的散射 非相干散射:康普顿散射5.3.5.几点讨论(3)为什么用可见光做散射实验,观察不到波 长的偏移现象? 与0无关,只与 有关; =180, 取最大为 0.0049nm; 可见光的波长 0 500nm;