原子物理学第六章

1、第六章第六章 X射线射线 760nm400nm 可见光可见光 电电 磁磁 波波 谱谱 红外线红外线 紫外线紫外线 射射 线线 X射线射线 长波无线电波长波无线电波 6 10 10 10 14 10 18 10 22 10 2 10 4 10 8 10 12 10 16 10 20 10 24 10 0 10 频率频率Hz 16 10 8 10 波长波长m4 10 4 10 0 10 8 10 12 10 短波无线电波短波无线电波 无线电波无线电波 cm1 . 0m103 4 760nmnm106 5 nm400nm760 可见光可见光 红外线红外线 400nm1nm 1nm0.001nm 0.

2、001nm 紫外光紫外光 x 射线射线 射线射线 X射线的波长范围：射线的波长范围： 0.001nm1nm 硬硬X射线：射线：0.001nm0.1nm, 0.01埃埃-1埃埃 波长波长较短的硬较短的硬X射线能量较高，穿透性射线能量较高，穿透性较强较强 适用于适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析金属部件的无损探伤及金属物相分析。 软软X射线：射线：0.1nm1nm, 1埃埃-10埃埃 波长波长较长的软较长的软X射线能量较低，穿透性弱射线能量较低，穿透性弱， 用于用于分析非金属的分析分析非金属的分析。 6.1 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性 阴极射线管产生未知射线，有极强的穿透阴极射线管

3、产生未知射线，有极强的穿透 性，可以使荧光屏产生荧光，使胶片感光。性，可以使荧光屏产生荧光，使胶片感光。 因此称之为因此称之为X光。光。 1895年年11月月8日日 1 X射线的发现射线的发现 1895年，年底年，年底Rntgen 论新的论新的射线射线，及，及照片。照片。 1896年，维也纳医院在外科手术过程中采用该射线年，维也纳医院在外科手术过程中采用该射线 2. X射线管射线管 K阴极，阴极，A阳极（钨、钼、铂等重金属）阳极（钨、钼、铂等重金属） 两极之间加上高压（几个两极之间加上高压（几个103V105V） 1895年年Rntgen产生的产生的 软软X射线射线 图1 X射线管示意图 3.

4、 X射线的波性射线的波性 经典电动力学指出带电粒子做变速运动要辐射电磁波，经典电动力学指出带电粒子做变速运动要辐射电磁波， X射线为一种电磁波。射线为一种电磁波。 当时观测不到折射、衍射、反射等波的特性，当时观测不到折射、衍射、反射等波的特性， 1906年年Barkla实验显示了实验显示了 X射线的偏振射线的偏振 1912年，年，Laue提出提出X射线衍射设想，射线衍射设想， Friedrich和和 Knipping实验证实实验证实Laue 设想设想 光波是光波是横波横波 光的偏振光的偏振 . 机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别 机械波穿过狭缝机械波穿过狭缝 4. X射线的偏振射线的偏振

5、 图2 双散射实验示意图 5. X射线的衍射射线的衍射 Laue建议用晶体作光栅建议用晶体作光栅 图3 岩盐晶体中钠离子 和氯离子的排列 Bragg公式公式 图4 布拉格公式的推导 每个亮点为劳厄斑点每个亮点为劳厄斑点, 对应于一组晶面对应于一组晶面. 斑点的位斑点的位 置反映了对应晶面的方置反映了对应晶面的方 向向.由这样一张照片就可由这样一张照片就可 以推断晶体的结构以推断晶体的结构(连续谱连续谱 的的X射线射线) 图5 劳厄相片法 的实验示意图 图6 蓝宝石单晶的劳厄照相 蛋白质的蛋白质的LaueLaue衍射图衍射图 Bragg公式可以公式可以正确正确 解释解释Laue的的实验实验结果。

6、结果。 Bragg发明晶体发明晶体反射式反射式 X射线谱仪射线谱仪，并用，并用于于晶晶 体结构分析。实验体结构分析。实验证证 实实NaCl晶体晶体中只有中只有Na+ 和和Cl- Debye和和Scherrer提出多晶粉末法提出多晶粉末法 图7 多晶粉末法实验示意图 图8 X射线在多晶上的衍射 6.2 X射线产生的机制射线产生的机制 1. X射线的发射谱射线的发射谱 测量测量X射线发射谱的装置示意图射线发射谱的装置示意图 X射线发射线发 生器生器 分光计分光计 记录记录 仪仪 X射线的发射谱射线的发射谱 连续谱：波长连续变化连续谱：波长连续变化 最小波长只与外加电压有关最小波长只与外加电压有关

7、2. 连续谱连续谱-轫致辐射轫致辐射 连续谱产生的原因：带电粒子连续谱产生的原因：带电粒子做变速运动做变速运动，带电粒子，带电粒子速度在速度在 靶核库伦场中连续变化靶核库伦场中连续变化 轫致辐射轫致辐射：带电粒子与原子或原子核相碰撞，发生骤然：带电粒子与原子或原子核相碰撞，发生骤然减速减速 时，由此伴随产生的辐射，也叫刹车辐射。时，由此伴随产生的辐射，也叫刹车辐射。 X射线管内的阳极靶多用钨靶射线管内的阳极靶多用钨靶 74W184 m -1 入射带电粒子 辐射强度I Q 2 靶核电荷 辐射强度I 实验实验发现：连续谱发现：连续谱形状与形状与 靶子材料无关靶子材料无关 Duane 和和 Hunt

8、 分析实验分析实验结果给出结果给出 经验公式经验公式 （*）式给出实验上精确测量）式给出实验上精确测量Planck常数的一个方法常数的一个方法 1915年年Duane和和Hunt 测量测量Planck 常数，与光电效应试验得出常数，与光电效应试验得出 的一致的一致 X射线的产生可视为逆光电效应射线的产生可视为逆光电效应 特征谱：具有分离波长特征谱：具有分离波长 （标识谱）（标识谱） 谱峰所对应的波长完全谱峰所对应的波长完全 由靶材料决定由靶材料决定 3. 特征辐射特征辐射-电子内壳层的跃迁电子内壳层的跃迁 特征谱线完全由靶材料决定特征谱线完全由靶材料决定 特征特征X射线用来作为元素的标识射线用

9、来作为元素的标识 特征谱线由特征谱线由Barkla 在在1906年首年首 先发现先发现 每个元素发出若干系列特征谱线，每个元素发出若干系列特征谱线， 按贯穿能力分为按贯穿能力分为 1913年年Moseley测定测定Al-Au 38种元素种元素X射线的特征谱线射线的特征谱线 画出特征谱线频率的平方画出特征谱线频率的平方 根根-原子序数原子序数Z Moseley的发现标志的发现标志X射线射线 光谱学诞生光谱学诞生 经验公式经验公式 图9 X射线的莫塞莱标会 1913年年Bohr理论发表，理论发表，Moseley的经验公式可由的经验公式可由Bohr 理论导出。理论导出。 K L M N inK hv

10、ET outKL hvEE K射线产生示意图 n=1 K E 电离一个的电子所需能量 Moseley实验提供了精确测量实验提供了精确测量Z的方法的方法 元素标识谱作为元素的指纹元素标识谱作为元素的指纹 Moseley实验：实验：更正更正27Co与与28Ni在周期表上的位置，在周期表上的位置， 指出了指出了43、61、75号元素的位置号元素的位置 产生特征谱线的先决条件产生特征谱线的先决条件：K层层电离一个电子，也就电离一个电子，也就 是产生一个相应的空穴是产生一个相应的空穴 X射线分析的种类：射线分析的种类： I) e-X，用电子束产生空穴，称之电子，用电子束产生空穴，称之电子X荧光分析荧光分

11、析 II) p-X，用质子束产生空穴，称之，用质子束产生空穴，称之质质子子X荧光分析荧光分析 III) I-X，用离子束产生空穴，称之离子，用离子束产生空穴，称之离子X荧光分析荧光分析 VI) X-X，用用X射线产生射线产生空穴，称之空穴，称之X荧光分析荧光分析 4. 特征辐射的标记方法特征辐射的标记方法 n1 K-X射线射线 n2 L-X射线射线 n3 M-X射线射线 n4 N-X射线射线 21 K 31 K 41 K 图10 产生X射线的能级示意图 考虑轨道角动量量子数考虑轨道角动量量子数 L=0, 1 J=0, 1 4. 特征辐射的标记方法特征辐射的标记方法 图10 产生X射线的能级示意

12、图 X射线的标记方法射线的标记方法 X射线的标记方法射线的标记方法 5. 俄歇俄歇(Auger)电子电子 原子壳层中产生空穴后原子壳层中产生空穴后原子能级升高原子能级升高 产生产生X射线射线 产生产生Auger电子电子：K层层中有一个空穴，中有一个空穴，L层电子跃迁到层电子跃迁到K层，层， 释放的能量使得另一层的一个电子，使其释放的能量使得另一层的一个电子，使其 脱离原子，该电子被称为脱离原子，该电子被称为Auger电子电子 较轻元素发射较轻元素发射Auger电子的几率大电子的几率大 较重元素发射较重元素发射X射线的几率大射线的几率大 对对Auger电子的测量也可以作为分析元素的方法电子的测量

13、也可以作为分析元素的方法 6. 电子跃迁诱发原子核激发电子跃迁诱发原子核激发 电子填充空穴电子填充空穴 时，能量转移时，能量转移 给原子核，使给原子核，使 得原子核跃迁得原子核跃迁 到激发态到激发态 实验上发现实验上发现 235U 3D3/22P3/2 3/2+ 概率小概率小10-7 7. 同步辐射同步辐射 带电粒子做变速运动，发出电磁辐射。带电粒子做变速运动，发出电磁辐射。 同步辐射：电子在同步回旋加速器（或者其他圆形加速器）同步辐射：电子在同步回旋加速器（或者其他圆形加速器） 中作圆周运动时产生的辐射中作圆周运动时产生的辐射 1947年，朱洪元首先从理论上确定了同步辐射的存在年，朱洪元首先

14、从理论上确定了同步辐射的存在 及其所具有的特点及其所具有的特点 1947年年4月，美国纽约通用电气公司的研究人员在调试月，美国纽约通用电气公司的研究人员在调试 电子同步回旋加速器时，发现了同步辐射现象电子同步回旋加速器时，发现了同步辐射现象 同步辐射的特点：同步辐射的特点： 辐射功率大辐射功率大 超大功率超大功率X光管，电子流为光管，电子流为1A，高压，高压50kV， 电子束功率为电子束功率为50kW时时, 靶上产生靶上产生10W的的X射线射线 20GeV电子同步加速器上，电子流为电子同步加速器上，电子流为1A，半径，半径192m， 产生产生1500kW的的X射线射线 辐射能谱宽辐射能谱宽 同

15、步辐射辐射能谱是连续谱，同步辐射辐射能谱是连续谱，X X光管辐射光管辐射能谱集中能谱集中 在特征谱附近在特征谱附近 图11 同步辐射能谱示意图 方向性好方向性好 X X光管辐射方向空间各向同性光管辐射方向空间各向同性 同步辐射方向集中在切线方向，同步辐射方向集中在切线方向， 图12 同步辐射的方向性 图13 同步辐射与X光管辐射特性比较 (同步辐射以实线表示；X光管辐射以虚线表示) 蛋白质的蛋白质的LaueLaue 衍射图衍射图 晶体晶体 光阑光阑 X 射线管射线管 探探 测测 器器 X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体 (散射物质散射物质) j 0 散射波长散射波长 6.3 Compton散射

16、散射 1. Compton散射散射 1923年年 Compton实验上证明了实验上证明了X射线的粒子性射线的粒子性 在该实验中光子的能量和动量都得以体现在该实验中光子的能量和动量都得以体现 X射线通过实物物质发生射线通过实物物质发生散射时散射时，在散射光中除了有原波长，在散射光中除了有原波长 的的X光外，还产生了比原有波长更长的光外，还产生了比原有波长更长的X光，其波长的增量光，其波长的增量 随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应 (Compton (Compton effect)effect)。 首次在实验上证实了首次在实验上证实了Einst

17、ein提出的提出的“光量子具有动量光量子具有动量”的的 假设假设 Compton 获得获得19271927年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 （A. H.Compton)(1892-1962） 吴有训吴有训 (18971977) Compton 散射散射 2. 量子解释量子解释 经典物理无法解释经典物理无法解释 Compton效应效应 Compton应用应用Einstein的光量子理论解释了的光量子理论解释了Compton效应效应 Compton认为认为Compton效应是光子与自由电子碰撞的结果效应是光子与自由电子碰撞的结果 图14 辐射与电子的散射 考虑相对论效应考虑相对论效应 Compto

18、n 公式公式 散射光子的能量散射光子的能量 反冲电子的动能反冲电子的动能 散射光子的最小能量散射光子的最小能量 反冲电子的最小动能反冲电子的最小动能 3. Compton 散射的物理意义散射的物理意义 电子的电子的 Compton 波长波长 含义：入射光子的能量与电子静止质量相等时，含义：入射光子的能量与电子静止质量相等时， 所对应光子的波长所对应光子的波长 =90时，时，入射光子与散射光子的波长差入射光子与散射光子的波长差 折合电子折合电子Compton 波长波长 经典电子半径经典电子半径 折合电子折合电子Compton 波长约为电子经典半径的波长约为电子经典半径的137倍倍 康普顿散射引起

19、的最大位移康普顿散射引起的最大位移 图15 康普顿位移随角度的变化 相干散射相干散射 相干散射相干散射 入射入射光子光子与与内层束缚电子发生相互作用内层束缚电子发生相互作用 Compton 散射实验中总是散射实验中总是伴随相干伴随相干散散 射，相干散射提供了参照谱线射，相干散射提供了参照谱线 相干散射本质上是弹性散射相干散射本质上是弹性散射 4. Compton 散射与基本常量散射与基本常量 相应相应原理原理 测量基本测量基本常数常数h 测量入射光子的能量测量入射光子的能量 5. Compton 轮廓轮廓 Compton 轮廓轮廓随随 散射散射元素元素原子序原子序 数数Z的变化的变化 反映物质

20、内部的电反映物质内部的电 子动量分布。子动量分布。 Compton 轮廓法测轮廓法测 量电子动量分布优量电子动量分布优 点：点： 1.反映反映外层的电子运外层的电子运 动状态；动状态； 2.简化简化样品的制备；样品的制备； 3.可以可以了解了解分子和分子和固固 体中电子的一些性体中电子的一些性 质质 6. 逆逆Compton 效应效应 逆逆Compton 效应：高能电子把一部分能量转移给光子，效应：高能电子把一部分能量转移给光子，光子光子 获得获得能量，频率变大，波长能量，频率变大，波长变短的变短的现象。现象。 产生逆Compton辐射的先决条件：高能电子和背景辐射(光子)。 Compton效

21、应：高能光子与低能电子相碰撞时，光子将其一效应：高能光子与低能电子相碰撞时，光子将其一 部分能量传递给电子，从而损失能量变为低能量光子，频率变部分能量传递给电子，从而损失能量变为低能量光子，频率变 小，波长变长。小，波长变长。 6.3 X射线的吸收射线的吸收 1. 两类相互作用两类相互作用 多次小相互作用多次小相互作用 重带电粒子通过物质时的相互作用重带电粒子通过物质时的相互作用 单能的、准直的入射重带电粒子单能的、准直的入射重带电粒子束束 穿过吸收体后，粒子的能量降低，穿过吸收体后，粒子的能量降低， 且不再是单能，而是有一个弥散；且不再是单能，而是有一个弥散； 在方向上，有一个角度扩散。在方

22、向上，有一个角度扩散。 特点：特点：i) 能谱弥散能谱弥散 图18 每个粒子受到多次作用 图19 重带电粒子与物质相互作用 ii) 角度扩展角度扩展 实际射程实际射程 R 平均射程平均射程 R0 外推射程外推射程 Rext 切线 图19 重带电粒子与物质相互作用 图19 重带电粒子与物质相互作用 入射粒子要么完全穿过物质、要么入射粒子要么完全穿过物质、要么 被吸收被吸收 全或无相互作用全或无相互作用 出射粒子保持单能、准直特性出射粒子保持单能、准直特性 典型事例：光电效应 积分后 图20 每个粒子要么不受到作用， 要么从初束中消失 图21 全或无相互作用的特性 Lambert-Beer 定律定

23、律 透射粒子数为入射粒子透射粒子数为入射粒子数的数的1/e(37%) 时所对应的吸收厚度时所对应的吸收厚度 图21 全或无相互作用的特性 图21 全或无相互作用的特性 2. 光子与物质相互作用光子与物质相互作用 光电效应光电效应 Compton 效应效应 电子偶效应电子偶效应 光子与光子与束缚电子相互作用束缚电子相互作用 光子与光子与自由电子的散射自由电子的散射 当光子的能量大于电子的静当光子的能量大于电子的静 止质量的两倍时止质量的两倍时(1.02MeV)， 光子在原子核场附近转化为光子在原子核场附近转化为 一对正负电子一对正负电子 吸收长度吸收长度x0（平均自由程）（平均自由程） 图22 光子与物质三种主要相互作用的 相对重要性 3. X射线的吸收射线的吸收 相干射线也被称作相干射线也被称作Rayleigh散射散射 1904年年Nobe