原子物理chapPPT学习教案

1、会计学1 原子物理原子物理chap 2 该照片在医学上具有划时代意义。该照片在医学上具有划时代意义。18951895年年1212月月2828日伦琴日伦琴 宣读了宣读了“论新的射线论新的射线”，19011901年获第一个诺贝尔物理奖。年获第一个诺贝尔物理奖。 第1页/共33页 3 K K是钨丝做成的热阴极，发射电子；是钨丝做成的热阴极，发射电子；A A是阳极或靶子，是阳极或靶子， 由熔点高的重金属做成，根据需要决定材料。由熔点高的重金属做成，根据需要决定材料。 第2页/共33页 4 X X射线的本质和特性：射线的本质和特性： 19121912年，劳厄指出年，劳厄指出X X射线本质就是波长很短的射

2、线本质就是波长很短的电磁波，电磁波， 波长一般在波长一般在0.01A0.01A至至10A10A或更长些的范围。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。 第3页/共33页 5 2、X射线的衍射射线的衍射 19121912年，劳厄借助晶体年，劳厄借助晶体-天然光栅天然光栅-观察观察X X射线射线 的衍射。证明了的衍射。证明了X X光的波动性。对不同方向的平面光的波动性。对不同方向的平面 出射

3、方向不同，衍射结果也不同。因研究晶体的出射方向不同，衍射结果也不同。因研究晶体的X X 射线获射线获19411941年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。 第4页/共33页 6 在在方向衍射的方向衍射的X X光将得到加强，出现了光将得到加强，出现了劳厄光斑劳厄光斑。 晶体可形成许多不同取向的晶面。晶体可形成许多不同取向的晶面。 X X射线经晶面距射线经晶面距 为为d d的晶面反射时，凡光程满足的晶面反射时，凡光程满足 从而在给定从而在给定下可确定下可确定X射线的波长射线的波长。 558 1632100262 2 1 23 3 . . n d 原子间距由原子间距由 , 给出，d=0.282nm 。 A

4、 N n A 例如NaCl(A=58.5)的密度=2.163(g/cm3)，分子数密度为 1,2,32nndsin 布喇格公式 第5页/共33页 7 3、 X射线的测量射线的测量 测量装置：测量装置： X X射线射线摄谱仪摄谱仪（底片）和（底片）和X X射线射线测谱计测谱计（电离室）（电离室） 第6页/共33页 8 8.2 X射线的产生和发射谱 实验发现，实验发现，X X射线谱由两部分组成：射线谱由两部分组成： 波长连续变化的波长连续变化的连续谱连续谱和由分立（线状）谱组成的和由分立（线状）谱组成的 特征谱或称标识谱特征谱或称标识谱。 第7页/共33页 9 1、X射线的连续谱射线的连续谱 带电

5、粒子在加带电粒子在加( (减减) )速运动时，将伴随有电磁波辐射。速运动时，将伴随有电磁波辐射。 当带电粒子当带电粒子( (电子电子) )进入靶内，在靶核的库仑场作用下进入靶内，在靶核的库仑场作用下 骤然减速，速度连续减小，发射波长连续的骤然减速，速度连续减小，发射波长连续的X X射线，射线， 形成连续谱。这种辐射称作形成连续谱。这种辐射称作轫致辐射，轫致辐射，即带电粒子变即带电粒子变 速时所发辐射。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。它是加速电子全部动能转换成辐射能所对应的波长。 A VeV hc10.39812 min 连续谱的形状与靶材(Z)无关，连续谱有一个最

6、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：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。产生的光子频率不同。 第8页/共33页 10 2、 X X射线的特征谱射线的特征谱 莫塞莱定律莫塞莱定律 X X射线特征谱是巴拉克于射线特征谱是巴拉克于19061906年发现的。他观察到连续谱上出年发现的。他观察到连续谱上出 现一系列分立谱线，并用现一系列分立谱线，并用K K、L L、M

7、M字母标识，并且字母标识，并且对不同元素对不同元素 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，故称作 特征谱或标识谱特征谱或标识谱。因特征谱的发现获。因特征谱的发现获19171917年的诺贝尔奖。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。 第9页/共33页 11 例如例如: K: K X X射线的波数可写成射线的波数可写成 莫塞莱公式莫塞莱公式( (上式上式) )与类氢光谱公式相一致，这表明：与类氢光谱公式相一致，这表明： 1

8、 2 1 1 1 )( 22 2 KKK ZR K K X X射线是内层电子从射线是内层电子从n n2 2到到n=1n=1跃迁产生的。因子跃迁产生的。因子 (Z-1)(Z-1)理解为当理解为当n=1(K)n=1(K)壳层中一个电子被电离后壳层中一个电子被电离后n=2(L)n=2(L) 壳层电子感受到壳层电子感受到(Z-1)(Z-1)核电荷库仑作用。核电荷库仑作用。 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。 第10页/共33页 12 K线系所有谱线的波数可表示为线系所有谱线

9、的波数可表示为 4321,)-)(Z 1 - 1 1 ( k 2 k 22 、 n n R k L线系所有谱线的波数可表示为线系所有谱线的波数可表示为 5437.4,)-)( 1 - 2 1 ( 2 22 、nZ n R LLL 随随Z呈线性关系呈线性关系(见图见图)。说。说 明它受外层电子影响很小，只明它受外层电子影响很小，只 受原子核的影响。莫塞莱图提受原子核的影响。莫塞莱图提 供了从实验测定原子序数供了从实验测定原子序数Z的的 一种有效方法。历史上正是他一种有效方法。历史上正是他 首次纠正了首次纠正了27Co，28Ni在周期在周期 表的次序表的次序。 第11页/共33页 13 总结：总结

10、： 一、一、X射线的本质：射线的本质： 波长很小的波长很小的电磁波电磁波，由，由晶体衍射晶体衍射实验确定。实验确定。 二、二、X射线发射谱：射线发射谱： 连续谱连续谱 + 分立谱分立谱 连续谱：连续谱：与靶材料无关，最小波长仅由加速电压决定，与靶材料无关，最小波长仅由加速电压决定， 韧致辐射（带电粒子加速运动）产生结果韧致辐射（带电粒子加速运动）产生结果 分立谱：分立谱：不同元素谱线波长的分布不同，而对每种元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，称作素有确定的射线谱，称作特征谱或标识谱特征谱或标识谱 第12页/共33页 14 标识谱的特性：标识谱的特性： （1）各种元素的标

11、识谱有相似的结构，完全不同于可见光的）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；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）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；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）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；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

12、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：结论：X X射线的标识谱来自靶原子中内层电子的跃迁。射线的标识谱来自靶原子中内层电子的跃迁。 第13页/共33页 15 谱线与跃迁之间的关系：谱线与跃迁之间的关系： （1）K线系是最内层（线系是最内层（n=1）以外各层的电子跃迁到最内层）以外各层的电子跃迁到最内层 的结果；的结果； （2）L线系是第二层（线系是第二层（n=2）以外各层的电子跃迁到第二层）以外各层的电子跃迁到第二层 的结果；的结果； （3）M线系是第三层（线系是第三层（n=3）以外各层的电子跃迁到第三层）以外各层的电子跃迁到第三层 的结果；依次类推。的结果；依次类

13、推。 （4）K线系的第一条谱线线系的第一条谱线K是第二层的电子跃迁到最内层的是第二层的电子跃迁到最内层的 结果，间隔最小，波长最长；结果，间隔最小，波长最长；K是第三层的电子跃迁到是第三层的电子跃迁到 最内层的结果；最内层的结果； K是第四层的电子跃迁到最内层的结果，是第四层的电子跃迁到最内层的结果， 波长最短；依次类推。波长最短；依次类推。 第14页/共33页 16 8.3 同X射线有关的原子能级 第15页/共33页 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

14、择定则 1L 01J ， 第16页/共33页 18 不难看出，其能级结构十分类同碱金属能级结构，但不难看出，其能级结构十分类同碱金属能级结构，但 是是X X射线是内层电子的跃迁。由于泡里不相容原理的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，个电子的角动量相同（只是方向相

15、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。（碱金属）的原子态相同。 当当K K壳层的一个电子被电离后，原子处于电离态。电离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。态的能级与中性原子未电离的基态能相比为最高。L L层层 的电离态能级次之，形成电离态能级如图所示（考虑的电离态能级次之，形成电离态能级如图所示（考虑 精细结构）。精细结构）。 第17页/共33页 19 电离能是使某壳层一个电子被电离所需的能量，也是该电离能是使某壳层一个电子被电离所需的能量，也是该

16、 壳层电子的结合能。若用光子电离壳层电子的结合能。若用光子电离( (共振吸收共振吸收) )，该能量，该能量 又称又称吸收限吸收限。为了描述内层电子向。为了描述内层电子向“下下”的跃迁，需将的跃迁，需将 上图倒转。上图倒转。 1 1; ,0j l 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， 第18页/共33页 20 K1, k2 K1, k2

17、 第19页/共33页 21 8.4 X射线的吸收 1.X射线的吸收律 2. X2. X射线吸收的两种方式射线吸收的两种方式 3. 3. 吸收限吸收限 第20页/共33页 22 1、 X X射线的吸收率射线的吸收率 0 x x eIeII(x) 0 x 0 积分给出积分给出朗伯比耳定律 当一束当一束X X光通过厚度为光通过厚度为dxdx的吸收体后，强度减少量的吸收体后，强度减少量- - dI:dI: （1 1）正比于）正比于dxdx； （2 2）正比于入射强度）正比于入射强度I(x)I(x)。 即即 I(x)dxdI 引入衰减系数 I(x)dx dI 物理意义物理意义：射线经单位厚度的减弱百分比

18、。：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)； 1 o x 第21页/共33页 23 2 2、X X射线吸收的两种方式射线吸收的两种方式 射线强度减小原因有两种：被物体射线强度减小原因有两种：被物体吸收吸收（）和）和散射散射（），）， 其中散射改变其中散射改变射线的方向，因此在原方向上强度减弱。射线的方向，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：吸收系数与波长及吸收物原子序数关系： =CZ43 说明：说明：这个

19、公式理论和实验两个方面都可以得到。这个公式理论和实验两个方面都可以得到。 第22页/共33页 24 实验测量结果：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：特征： （1 1）吸收系数一般随波长的减）吸收系数一般随波长的减 小而降低，即波长较短的小而降低，即波长较短的 射线的穿透本领高；射线的穿透本领高； （2 2）波长减到某一数值，吸收）波长减到某一数值，吸收 系数突然增加，这些地方系数突然增加，这些地方 称作称作吸收限吸收限。 说明：说明：常数常数C C只在一定波长范围内为常数。只在一定波长范围内为常数。 第23页/共33页 25 3 3、吸收限（又称吸收边缘

20、）、吸收限（又称吸收边缘） 从上图看出，吸收系数随从上图看出，吸收系数随X X光子能量增加而下降，这是光子能量增加而下降，这是 由于由于X X光子能量越高，穿透性越强。仔细观察会发现，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，它们分别对应图中有几处突变，它们分别对应K K、L L、M M吸收限。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 K吸收限对应于光子能量可以使一个吸收限对应于光子能量可以使一个1s1s电子电离掉；电子电离掉； L LI I吸收限对应于光

21、子能量可以使一个吸收限对应于光子能量可以使一个2s2s电子电离掉；电子电离掉； L LII II，IIIIII吸收限对应于光子能量使一个 吸收限对应于光子能量使一个2p2p电子电离掉。电子电离掉。 第24页/共33页 26 8.5 康普顿效应 19231923年，康普顿在研究年，康普顿在研究X X射线经物质的散射实验中射线经物质的散射实验中 发现，散射的发现，散射的X X光除有原入射波长成分外，还有波光除有原入射波长成分外，还有波 长较长的部分，其波长差随散射角长较长的部分，其波长差随散射角而变。而变。 2 sin 2 第25页/共33页 光阑光阑 X 射线管 探 测 器 X 射线谱仪 石墨体

22、 (散射物质) j 晶体 一、实验装置一、实验装置 0 康普顿效应 第26页/共33页 散射曲线的特点散射曲线的特点： 1.除原波长除原波长 0外出现了移向长外出现了移向长 波方面的新的散射波长波方面的新的散射波长 ； 散射中出现散射中出现 0 的现象的现象 康普顿散射康普顿散射 2.新波长新波长 随散射角随散射角 的增大而的增大而 增大；增大； j 3.当散射角当散射角 增大时原波长的谱增大时原波长的谱 线强度降低线强度降低 而新波长的谱线强而新波长的谱线强 度升高。度升高。 j 0j 45j 90j 135j I (A) 二二. .实验结果实验结果 第27页/共33页 29 经典散射理论不能解释散射经典散射理论不能解释散射 波长随波长随的变化，康普顿应的变化，康普