原子物理学(第八章)

1、原子物理学 X X射线射线又名又名伦琴射线伦琴射线，是伦琴在，是伦琴在18951895年发现的，他年发现的，他把新发现的射线命名为把新发现的射线命名为X X射线，是一种波长较短的电磁波。射线，是一种波长较短的电磁波。X X射线谱的某些特性反映了原子内部射线谱的某些特性反映了原子内部结构的情况。通过结构的情况。通过X X射线可以对原子射线可以对原子结构问题进一步的探索，本章将以结构问题进一步的探索，本章将以这方面的讨论为主要内容。此外，这方面的讨论为主要内容。此外，X X射线的衍射和透射在生产事业和科射线的衍射和透射在生产事业和科学研究上有重要应用，也将作扼要学研究上有重要应用，也将作扼要的介绍

2、。的介绍。第八章第八章 X射线射线威威.康拉德康拉德.伦琴伦琴第一个获得诺贝尔物理学奖1原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量一、一、X X射线的产生射线的产生1 1、X X射线射线 由于高能电子减速或原子中内层电子跃迁而产生的由于高能电子减速或原子中内层电子跃迁而产生的波长数量级为埃的电磁辐射，称为波长数量级为埃的电磁辐射，称为X X射线。射线。2 2、X X射线的产生射线的产生 X X射线一般由高速度的电子打击在物体上产生。射线一般由高速度的电子打击在物体上产生。第八章第八章 X射线射线2原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及

3、其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量一、一、X X射线的产生射线的产生2 2、X X射线的产生射线的产生 产生的工具是一个真空管，里边有两个电极，如图产生的工具是一个真空管，里边有两个电极，如图8.18.1所示。所示。K K是钨丝制成的阴极，通电使钨丝加热到白热，是钨丝制成的阴极，通电使钨丝加热到白热，就会发射电子。就会发射电子。A A是阳极，所用材料视需要而定。是阳极，所用材料视需要而定。 第八章第八章 X射线射线3原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量一、一、X X射线的产生射线的产生2 2、X X射线的产生射线的产生 跨

4、这两个电极上加高电压，一般几万伏特到十几万伏跨这两个电极上加高电压，一般几万伏特到十几万伏特，也有高到二十几万伏特或更高的，这也决定于应用特，也有高到二十几万伏特或更高的，这也决定于应用上的需要。这样，阴极所发的电子就被电场加速，打在上的需要。这样，阴极所发的电子就被电场加速，打在阳极上，射线就从阳极上发射出来，阳极又称为靶子。阳极上，射线就从阳极上发射出来，阳极又称为靶子。由于电子打在上面使其温度升高很大，一般用的射线管由于电子打在上面使其温度升高很大，一般用的射线管的靶子是熔点高的金属制成的。的靶子是熔点高的金属制成的。 第八章第八章 X射线射线4原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产

5、生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量二、二、X X射线的特点射线的特点 X X射线的本质和光一样，是一种电磁波，但它的波长射线的本质和光一样，是一种电磁波，但它的波长比可见光短得多，大约在比可见光短得多，大约在1 1埃左右，或更短一些，这同加埃左右，或更短一些，这同加在射线管上的电压有关。在射线管上的电压有关。X X射线也会发生反射、折射、干射线也会发生反射、折射、干涉、衍射、偏振等现象。涉、衍射、偏振等现象。主要特点主要特点是：是： 1 1、人目不能见，但照射在某些物体上会使这些物体、人目不能见，但照射在某些物体上会使这些物体发荧光，有些物体这样发出的荧光是很强的。发荧光，有

6、些物体这样发出的荧光是很强的。 2 2、X X射线还能使照相片感光，还能使气体电离。它射线还能使照相片感光，还能使气体电离。它能透过一般光线透不过的物体。能透过一般光线透不过的物体。第八章第八章 X射线射线5原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量三、三、X X射线波长的测定射线波长的测定 利用利用X X射线在晶体中的衍射可以测定它的波长。晶体射线在晶体中的衍射可以测定它的波长。晶体是原子有规则排列起来的结构，晶体中二邻近原子的距是原子有规则排列起来的结构，晶体中二邻近原子的距离也在离也在1 1埃的数量级，与埃的数量级，与X X射线波长相仿

7、，所以晶体可以射线波长相仿，所以晶体可以用作用作X X射线很合适的光栅，下面叙述一个测量射线很合适的光栅，下面叙述一个测量X X射线波长射线波长的方法。的方法。第八章第八章 X射线射线6原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量三、三、X X射线波长的测定射线波长的测定1 1、布喇格（、布喇格（BraggBragg）公式）公式 在晶体中有规则地排列在晶体中有规则地排列起来的原子形成各组平面，起来的原子形成各组平面，原子的位置都落在各组几何原子的位置都落在各组几何平面上。设有一晶体，它的平面上。设有一晶体，它的内部原子的排列如图内部原子的排列如

8、图8.28.2所示。所示。 第八章第八章 X射线射线7原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量三、三、X X射线波长的测定射线波长的测定1 1、布喇格（、布喇格（BraggBragg）公式）公式 、等是原子构成的一组互相平行的平面，它等是原子构成的一组互相平行的平面，它们之间的距离是们之间的距离是d d。又设一束。又设一束X X射线射在这组平面上，每一射线射在这组平面上，每一个平面上都会有原子受到照射。现在考虑这束射线中两条个平面上都会有原子受到照射。现在考虑这束射线中两条射线射线1 1和和2 2，分别落在两个邻近平面的两个原子，分别落在两

9、个邻近平面的两个原子A A和和B B上。射上。射线会以线会以A A和和B B为中心再向四面射出。设入射的射线和平面之为中心再向四面射出。设入射的射线和平面之间的夹角是间的夹角是。 第八章第八章 X射线射线8原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量三、三、X X射线波长的测定射线波长的测定1 1、布喇格（、布喇格（BraggBragg）公式）公式 现在考虑由现在考虑由A A和和B B射出的、也和平面成射出的、也和平面成角的二射线角的二射线11和和22。那么由图可知。那么由图可知1A11A1和和2B22B2两条路径长度的差别是两条路径长度的差别

10、是2dsin2dsin。如果这个差别恰好等于波长。如果这个差别恰好等于波长的整倍数，的整倍数，11和和22两条射线就会互相加强。总括起来说，当一束射线射入两条射线就会互相加强。总括起来说，当一束射线射入晶体而发生衍射时，从任何一组晶面上，那出射方向对平晶体而发生衍射时，从任何一组晶面上，那出射方向对平面的倾角和入射射线的倾角相等的射线，如果满足下式，面的倾角和入射射线的倾角相等的射线，如果满足下式， （1 1）出射射线就会加强。这个公式称为出射射线就会加强。这个公式称为布喇格（布喇格（BraggBragg）公式）公式。第八章第八章 X射线射线2 sin , n=1,2,3,nd9原子物理学 8

11、.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量三、三、X X射线波长的测定射线波长的测定1 1、布喇格（、布喇格（BraggBragg）公式）公式 在晶体中，原子构成很多组不同方向的平行面。图在晶体中，原子构成很多组不同方向的平行面。图8.38.3显示怎样可以把二维的原子排列联成不同方向的平行直线，显示怎样可以把二维的原子排列联成不同方向的平行直线，这就可以了解怎样在三维空间中，原子这就可以了解怎样在三维空间中，原子构成不同方向的平面，所以一束射线射构成不同方向的平面，所以一束射线射入晶体，有可能从不同方向射出衍射后入晶体，有可能从不同方向射出衍射后的射线。的

12、射线。利用上述原理来测量射线的波长和强度利用上述原理来测量射线的波长和强度。第八章第八章 X射线射线10原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量三、三、X X射线波长的测定射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定射线波长和强度的测定（1 1）方法一）方法一 仪器的布置一般如图仪器的布置一般如图8.48.4所示。所示。 第八章第八章 X射线射线11原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量三、三、X X射线波长的测定射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定射线波长和强度的测定

13、（1 1）方法一）方法一 图中的O是射线直射在相片上的位置。量出OA弧线距离，把它用相片到晶体的距离除就得到角度2的数值。但由于直射的射线很强，在O处出现的线往往变宽，不易测准位置。实际的做法是转动一下晶体的方向，重复上述步骤，就可以获得与A对称的一条谱线A。把AA的弧线距离用软片到晶体的距离除就得到4的数值。把计算所得的d和测得的值代入（1）式，波长波长就可以算出就可以算出。第八章第八章 X射线射线12原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量三、三、X X射线波长的测定射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定射线波长和强度的测定（

14、1 1）方法一）方法一 如果观察到有几个，而其正弦又成整倍数的关系，就可以认出对应于各个的n值了。又如果我们使角度从零逐渐增加，对某一波长说，第一次出现谱线的那个就对应于n等于1。一束射线往往不止一种波长，所以晶体转动时，相片上可以记录下几种波长的谱线。从它们的位置计算出相应的角，从而可以算出波长算出波长。 第八章第八章 X射线射线13原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量三、三、X X射线波长的测定射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定射线波长和强度的测定（1 1）方法一）方法一 相片上谱线的深浅在适当的露光范围内与射线的强度

15、有线性关系，因此用相片也可以测得射线的相对强度相对强度。第八章第八章 X射线射线14原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量三、三、X X射线波长的测定射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定射线波长和强度的测定（1 1）方法一）方法一 相片上谱线的深浅在适当的露光范围内与射线的强度有线性关系，因此用相片也可以测得射线的相对强度相对强度。第八章第八章 X射线射线15原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量三、三、X X射线波长的测定射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定

16、射线波长和强度的测定（2 2）方法二）方法二 用电离室代替相片作用电离室代替相片作为记录器。仪器装置的大为记录器。仪器装置的大意如图意如图8.58.5所示，这可以称所示，这可以称做做X X射线测谱计。射线测谱计。 第八章第八章 X射线射线16原子物理学 8.1 X 8.1 X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量三、三、X X射线波长的测定射线波长的测定2 2、X X射线波长和强度的测定射线波长和强度的测定（2 2）方法二）方法二 当达到某一角度时，电离电流会突然增强，那就表示这当达到某一角度时，电离电流会突然增强，那就表示这时进入电离室的射线特别强，公式（时进入电离室的

17、射线特别强，公式（1 1）已满足。把这时的）已满足。把这时的角度代入公式，波长可以算出。而电流的强度也就代表这个角度代入公式，波长可以算出。而电流的强度也就代表这个波长的射线的强度。波长的射线的强度。第八章第八章 X射线射线17原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱 用上节所说的方法可以把用上节所说的方法可以把X X 射线谱记录在相片上，相片射线谱记录在相片上，相片上谱线的位置相当于不同的波长。图上谱线的位置相当于不同的波长。图8.68.6和图和图8.88.8是一些例子。是一些例子。 第八章第八章 X射线射线18原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱 X

18、 X射线谱是两部分构成的，一部分是波长连续变化的，射线谱是两部分构成的，一部分是波长连续变化的，称为称为连续谱连续谱；另一部分是具有各别波长的；另一部分是具有各别波长的线状谱线状谱，这又称为，这又称为标识谱标识谱，标识谱重叠在连续谱上。在相片上如果露光时间不，标识谱重叠在连续谱上。在相片上如果露光时间不够，连续谱有时不明显；如果加长露光时间，也可以照出连够，连续谱有时不明显；如果加长露光时间，也可以照出连续谱。续谱。 第八章第八章 X射线射线19原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱一、连续谱一、连续谱 图8.7 中显示连续谱有一个最短波长。最短波长的数值同射线管上所加电压

19、V有下列关系：即 （1）这里是相当于最短波长的频率，也就是最高频率。第八章第八章 X射线射线0hcVe0hVe20原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱一、连续谱一、连续谱 第八章第八章 X射线射线21原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱一、连续谱一、连续谱 第八章第八章 X射线射线22原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱一、连续谱一、连续谱 连续谱是电子在靶上被减速而产生的连续谱是电子在靶上被减速而产生的。高速电子到了靶。高速电子到了靶上，受靶中原子核的库仑场的作用而速度骤减，电子的动能上，受靶中原子核的库仑场的作用而速度骤减，

20、电子的动能转成辐射能，就有射线放出，这样的辐射称为轫致辐射。转成辐射能，就有射线放出，这样的辐射称为轫致辐射。 第八章第八章 X射线射线23原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱一、连续谱一、连续谱 第八章第八章 X射线射线24原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱二、标识谱（线状谱）二、标识谱（线状谱）1 1、标识谱、标识谱 标识谱是线状谱标识谱是线状谱，由具有各别，由具有各别波长的谱线构成。谱线的波长决定波长的谱线构成。谱线的波长决定于靶子的材料。每一种元素有一套于靶子的材料。每一种元素有一套一定波长的射线谱，成为这元素的一定波长的射线谱，成为这元素

21、的标识，所以称为标识谱。各元素的标识，所以称为标识谱。各元素的标识谱有相似的结构，清楚地分为标识谱有相似的结构，清楚地分为几个线系。如图几个线系。如图8.78.7所示。所示。 第八章第八章 X射线射线25原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱二、标识谱（线状谱）二、标识谱（线状谱）1 1、标识谱、标识谱 第八章第八章 X射线射线26原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱二、标识谱（线状谱）二、标识谱（线状谱）2 2、莫塞莱定律、莫塞莱定律 莫塞莱研究了一系列元素的莫塞莱研究了一系列元素的K K线系，发现各元素的线系，发现各元素的K K线系线系有相似的结构

22、，只是波长不同。如果把各元素的射线谱的相有相似的结构，只是波长不同。如果把各元素的射线谱的相片按原子序数的次序上下排列起来，把相同波长的位置上下片按原子序数的次序上下排列起来，把相同波长的位置上下对齐，就会看到谱系依次位移，如图对齐，就会看到谱系依次位移，如图8.88.8所示。所示。 第八章第八章 X射线射线27原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱二、标识谱（线状谱）二、标识谱（线状谱）2 2、莫塞莱定律、莫塞莱定律 第八章第八章 X射线射线28原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱二、标识谱（线状谱）二、标识谱（线状谱）2 2、莫塞莱定律、莫塞莱定律

23、 第八章第八章 X射线射线29原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱二、标识谱（线状谱）二、标识谱（线状谱）3 3、标识谱的特性、标识谱的特性（1 1）各种元素的标识谱有相似的结构，不同于可见光的光）各种元素的标识谱有相似的结构，不同于可见光的光谱彼此相差可以很大。谱彼此相差可以很大。（2 2）按原子序数的次序比较各元素的标识谱，谱线的波长）按原子序数的次序比较各元素的标识谱，谱线的波长依次变动，如上文所叙述，看不出有周期性的变化。依次变动，如上文所叙述，看不出有周期性的变化。（3 3）K K线系甚至线系甚至L L线系的结构与化学成分无关。例如用两种线系的结构与化学成分无关

24、。例如用两种铜的化合物做成的靶子所发铜的铜的化合物做成的靶子所发铜的K K线系是相同的。线系是相同的。（4 4）X X射线管上需要加几万伏特的电压才能激发出某些线系。射线管上需要加几万伏特的电压才能激发出某些线系。X X射线的光子能量比可见光的光子能量大得多。射线的光子能量比可见光的光子能量大得多。 第八章第八章 X射线射线30原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱二、标识谱（线状谱）二、标识谱（线状谱）4 4、关于标识谱的结论、关于标识谱的结论 X X射线的标识谱是靶子中的原子发出的。从它不显示周射线的标识谱是靶子中的原子发出的。从它不显示周期性的变化，同化学成分无关和光

25、子能量很大来看，可以知期性的变化，同化学成分无关和光子能量很大来看，可以知道这是原子内层电子跃迁所发的。各元素原子的内层电子填道这是原子内层电子跃迁所发的。各元素原子的内层电子填满后，壳层的结构是相同的，所不同的只是对应于各层的能满后，壳层的结构是相同的，所不同的只是对应于各层的能量的数值。周期性的变化和化学性质是外层电子的问题。量的数值。周期性的变化和化学性质是外层电子的问题。X X射线标识谱既不显出这些情况，足见是内层电子所发的。射线标识谱既不显出这些情况，足见是内层电子所发的。 第八章第八章 X射线射线31原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱二、标识谱（线状谱）二、

26、标识谱（线状谱）第八章第八章 X射线射线32原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱二、标识谱（线状谱）二、标识谱（线状谱） 标识谱反映了原子内层结构的情况。谱线的波长代表能级的间隔，谱线的精细结构显示能级的精细结构。所以X射线标识谱对研究原子结构问题有重要意义。第八章第八章 X射线射线33原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱第八章第八章 X射线射线34原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱第八章第八章 X射线射线35原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱第八章第八章 X射线射线36原子物理学 8.2 X 8.2

27、X射线的发射谱射线的发射谱第八章第八章 X射线射线37原子物理学 8.2 X 8.2 X射线的发射谱射线的发射谱第八章第八章 X射线射线38原子物理学第八章第八章 X射线射线39原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 X射线标识谱来源于原子内层电子的跃迁，但内层电子是填满的。根据泡利原理，不可能再加电子。例如第一层只能最多有两个电子，不可能有第三个，要有跃迁必须先有电子空位。要电子跃迁到n=1那一层，必须先使那一层有一个空位。产生K线系的条件是最内层（n=1)有空位，产生L线系的条件是第二层（n=2)有空位。第八章第八章 X射线射线40原子物理学 8.3 8

28、.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 产生电子空位可以由高速电子对原子的非弹性碰撞实现，也可以由吸收能量足够高的光子来实现。前一方法把要研究的材料装在X射线管的靶上，使它发出射线，这是一般产生X射线的方法；后一方法把要研究的材料放在从另一个射线管发出的射线的路径中，使它吸收射线而发射次级射线，次级射线一般比较弱。第八章第八章 X射线射线41原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 如果要产生X射线标识谱，就需要把原子内层电子电离出去，使原子处在电离态。把各层电子电离出去所需的能量是不同的，最内层电子在原子中的能量最低，第二层的高一些，第三层的更

29、高一些，以此类推。所以要使最内层的电子电离，需要供给原子的能量最大，其次是第二层，再次是第三层。因此最内层一个电子电离后的电离态的能级同中性原子的基态比较是最高的。其次是第二层一个电子电离的状态的能级，以此类推。图8.10是一个例子，这是镉原子的电离态的能级。第八章第八章 X射线射线42原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级第八章第八章 X射线射线43原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 在X射线的术语中把n等于1、2、3、 各层分别称做K、L、M、N、O层，各层的电子称做K电子等等。在图8.10中，左边注的K、L 等符

30、号指的是各该层有一个电子电离后的能级，左边的数字表示镉的各电离态能级相对于基态的高度，这是以厘米-1为单位的，乘以hc的值就等于以尔格为单位的数值。注意L级距离基态差不多只有K能级距离基态的十分之一，M级差不多只有K 级的百分之一，N级差不多只有K级的千分之一。图上能级的间隔不是按比例画的。第八章第八章 X射线射线44原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 第八章第八章 X射线射线45原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 在图的右边注明了各壳层剩下的各类电子数和形成的原子态。满壳层的轨道角动量、自旋角动量以及总角动量都等

31、于零。缺少一个电子的那个壳层别等于一个电子的这三种角动量，只是方向相反，这样和一个电子组合在一起，才能使这三种角动量等于零。由此可知，满壳层缺少了一个电子形成的原子态就同具有一个电子的原子态相同了。 其他原子，如果完整壳层发生电离，也会有相似的能级，只是能级的数值不同。最外层电子的情况当然各个原子是不同的。 第八章第八章 X射线射线46原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 第八章第八章 X射线射线47原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 各种原子的X射线能级可以通过观察这些原子对X射线的吸收直接测定，所得结果可以和发射

32、谱的数据互相参证。关于怎样通过吸收的观察测定能级将在下一节论述。 代表X射线能级的理论公式先由索末斐按轨道理论推得，后来戈登用量子力学方法也获得同样的结论。下面所列是他们推得对应于各能级的谱项公式：第八章第八章 X射线射线48原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 第八章第八章 X射线射线49原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 第八章第八章 X射线射线50原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 第八章第八章 X射线射线51原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有

33、关的原子能级 第八章第八章 X射线射线52原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 第八章第八章 X射线射线53原子物理学 8.3 8.3 同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级 第八章第八章 X射线射线54原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收第八章第八章 X射线射线55原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收第八章第八章 X射线射线56原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收第八章第八章 X射线射线57原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收 一、吸收和散射一、吸收和散射第八章第八章 X射线

34、射线58原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收一、吸收和散射一、吸收和散射第八章第八章 X射线射线59原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收一、吸收和散射一、吸收和散射第八章第八章 X射线射线60原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系 第八章第八章 X射线射线61原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系 如果测出某一种物如果测出某一种物体对不同波长的射线的体对不同波长

35、的射线的质量吸收系数，并把它质量吸收系数，并把它对波长作标绘，就会得对波长作标绘，就会得到如图到如图8.118.11所示那样的所示那样的曲线。曲线。第八章第八章 X射线射线62原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系 图8.11表示铅的质量吸收系数随波长的变化。这里可以看到：（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贯穿本领高；（2）波长减到某一数值，吸收系数突然增加，这些吸收突然增加处称为吸收限。第八章第八章 X射线射线63原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收二、

36、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系 第八章第八章 X射线射线64原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系 第八章第八章 X射线射线65原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系二、吸收系数与波长及吸收物的原子序数的关系 第八章第八章 X射线射线66原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收三、三、X X射线吸收过程的应用射线吸收过程的应用 X X射线有高贯穿本，可用于透视如果使射线经过一

37、个物射线有高贯穿本，可用于透视如果使射线经过一个物体，再照射在荧光板或照相底片上，则由于射线被物体各部体，再照射在荧光板或照相底片上，则由于射线被物体各部分吸收的程度不同，射到荧光板上就会产生明暗的差别，这分吸收的程度不同，射到荧光板上就会产生明暗的差别，这样就显出物体内部的影像。在医疗及工业材料和成品的检验样就显出物体内部的影像。在医疗及工业材料和成品的检验上用得颇多。根据（上用得颇多。根据（7 7）式，波长愈短，吸收系数愈小，也）式，波长愈短，吸收系数愈小，也就是透射本领高，所以检查不易透射的物体必须用高电压。就是透射本领高，所以检查不易透射的物体必须用高电压。又原子吸收系数与又原子吸收系

38、数与 成正比，每个铅、铁等元素的原子比成正比，每个铅、铁等元素的原子比碳、氢等元素的原子的吸收要大得多。此外，对同厚度的物碳、氢等元素的原子的吸收要大得多。此外，对同厚度的物体，吸收也决定于射线穿过的原子数。这些因素就使物体内体，吸收也决定于射线穿过的原子数。这些因素就使物体内部的变化显现在透视图像上。部的变化显现在透视图像上。第八章第八章 X射线射线4Z67原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收三、三、X X射线吸收过程的应用射线吸收过程的应用 X射线被生物体吸收后会对后者起作用，这可以用来医治某些疾病，另外还有其他生物学上的用处。但是，人体受X射线的照射是有损害的，波长较长

39、的射线容易被吸收，因此对生物体的影响更大。在这方面工作的人员应注意防护。 第八章第八章 X射线射线68原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收四、吸收限与原子能级四、吸收限与原子能级 波长越短，光子的能量越大。图8.11和8.12中显示波长减到某些数值时吸收突然增加。这些吸收限表示射线的光子能量已经大到一个数值，足以使吸收物的原子吸收它时能够产生电离了。图中的K吸收限表示光子的能量已经大到足以使一个1s电子电离， 吸收限表示能量足以使一个2s电子电离， 和 表示能量足以使一个2p电子电离。所以各吸收各吸收限分别代表原子各壳层有一个电子电离时需要吸收的能量限分别代表原子各壳层有一个

40、电子电离时需要吸收的能量。 第八章第八章 X射线射线ILIILIIIL69原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收四、吸收限与原子能级四、吸收限与原子能级 第八章第八章 X射线射线70原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收 从以上关于从以上关于X X射线标识谱和吸收限的讨论，可射线标识谱和吸收限的讨论，可以看到原子中的电子确是分成壳层的。从以看到原子中的电子确是分成壳层的。从X X射线的射线的观测，可以把这些壳层的能量求出来，这是研究观测，可以把这些壳层的能量求出来，这是研究原子内层结构的很好的途径。原子内层结构的很好的途径。 第八章第八章 X射线射线71原子物理

41、学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收 第八章第八章 X射线射线72原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收 第八章第八章 X射线射线73原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收 第八章第八章 X射线射线74原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收 第八章第八章 X射线射线75原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收 第八章第八章 X射线射线76原子物理学 8.4 X 8.4 X射线的吸收射线的吸收 作业：作业：P249 6第八章第八章 X射线射线77原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应一、康普顿效应一、康普顿效应 上

42、节讨论到上节讨论到X X射线通过物质时逐渐减弱是由于两种过程：射线通过物质时逐渐减弱是由于两种过程：吸收和散射。对吸收的问题上节已经加以论述。对散射早吸收和散射。对吸收的问题上节已经加以论述。对散射早年也有好些人进行过研究。康普顿研究发现，年也有好些人进行过研究。康普顿研究发现，X X射线被散射射线被散射后，除波长不改变的部分外，还有波长变长的部分出现，后，除波长不改变的部分外，还有波长变长的部分出现，这现象称作康普顿效应。它是康普顿在这现象称作康普顿效应。它是康普顿在19221922年到年到19231923年间年间首次观察到并提出理论解释的。首次观察到并提出理论解释的。第八章第八章 X射线射

43、线78原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应二、康普顿效应实验二、康普顿效应实验1 1、装置、装置 康普顿的实验装置如图康普顿的实验装置如图8.138.13所示。当时用钼所制的靶所示。当时用钼所制的靶T T所发的射线被一块石墨所发的射线被一块石墨R R散射，散射出来的射线经窄缝达散射，散射出来的射线经窄缝达到测量器的晶体上。这样就可以到测量器的晶体上。这样就可以按照以前所说的方法测量散射射按照以前所说的方法测量散射射线的波长。在不同散射角测得散线的波长。在不同散射角测得散射射线的波长，如图射射线的波长，如图8.148.14所示，所示，这是用电离室所测的结果。这是用电离室所测的结果。第

44、八章第八章 X射线射线79原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应二、康普顿效应实验二、康普顿效应实验2 2、现象、现象 图图8.148.14中显示除原有钼的中显示除原有钼的 线外，线外，还有波长变长的另一条线。波长改变还有波长变长的另一条线。波长改变的数值与散射角有关，随角度的增加的数值与散射角有关，随角度的增加而增加，而且随着散射角的增大。新而增加，而且随着散射角的增大。新谱线增强，原谱线减弱。谱线增强，原谱线减弱。 第八章第八章 X射线射线K80原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应二、康普顿效应实验二、康普顿效应实验2 2、现象、现象吴有训在吴有训在192519261

45、9251926年曾观察银的年曾观察银的 线在同一散射角被一线在同一散射角被一系列元素散射的情况，图系列元素散射的情况，图8.158.15是观察的结果。这里可以看是观察的结果。这里可以看到，新谱线的移动与散射物的性质无关，当散射物的原子到，新谱线的移动与散射物的性质无关，当散射物的原子序数增加时，原谱线的强度增加，移动的新谱线的强度减序数增加时，原谱线的强度增加，移动的新谱线的强度减低。低。 第八章第八章 X射线射线K81原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应二、康普顿效应实验二、康普顿效应实验2 2、现象、现象第八章第八章 X射线射线82原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效

46、应三、康普顿对实验现象的解释三、康普顿对实验现象的解释第八章第八章 X射线射线83原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释三、康普顿对实验现象的解释第八章第八章 X射线射线84原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释三、康普顿对实验现象的解释第八章第八章 X射线射线85原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释三、康普顿对实验现象的解释第八章第八章 X射线射线86原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释三、康普顿对实验现象的解释第八章第八章 X射线射线87原子物

47、理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释三、康普顿对实验现象的解释 现在还要说明一下实验结果的现在还要说明一下实验结果的某些情况某些情况。按照上述理。按照上述理论，在一定散射角上波长的改变是一定的，而实际观察到论，在一定散射角上波长的改变是一定的，而实际观察到那波长改变了的谱线有一个较宽的强度分布，不是恰好等那波长改变了的谱线有一个较宽的强度分布，不是恰好等于（于（5 5）式的数值，只是最高峰落在那式的数值上。这是因）式的数值，只是最高峰落在那式的数值上。这是因为电子实际在碰撞前不是静止的，它在原子中运动着。只为电子实际在碰撞前不是静止的，它在原子中运动着。只是在原

48、子序数较低的原子中，电子的速度比碰后的速度要是在原子序数较低的原子中，电子的速度比碰后的速度要小得多，所以理论公式的推导中把它近似地作为零。这样，小得多，所以理论公式的推导中把它近似地作为零。这样，实际的波长改变就分布在理论值的附近了。实际的波长改变就分布在理论值的附近了。 第八章第八章 X射线射线88原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应三、康普顿对实验现象的解释三、康普顿对实验现象的解释另一个情况另一个情况是，随着原子序数的增加，波长改变的那谱线的强度逐渐减弱，而波长不变的那谱线的强度逐渐增强。这是因为原子序数愈高，原子中有更多的电子和原子核有较强的结合，可以近似地看作自由电子只

49、是最外层的几个，在电子的总数中相对地减少了。光子同结合强固的电子碰撞就等同于同质量很大的原子碰撞，波长即便有改变也是很微小的，不能观察出来，所以波长不变的谱线强度随原子序数而增加。由于近似自由电子的数目相对地减少，所以波长改变的谱线随原子序数增加而减弱。第八章第八章 X射线射线89原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应在康普顿散射中，光子损失一部分能量。这是能量较高的在康普顿散射中，光子损失一部分能量。这是能量较高的光子通过物质时能量损失的重要方式之一。当光子的能量光子通过物质时能量损失的重要方式之一。当光子的能量低时，通过物质时能量的损失主要是电离吸收，正如上节低时，通过物质时能量

50、的损失主要是电离吸收，正如上节所讨论的。但电离吸收随波长减小而急剧下降。对能量较所讨论的。但电离吸收随波长减小而急剧下降。对能量较高的光子，电离吸收的能量损失成为次要的，而康普顿散高的光子，电离吸收的能量损失成为次要的，而康普顿散射的能量损失成为主要的。这不仅发生在短波的射的能量损失成为主要的。这不仅发生在短波的X X射线上，射线上，也发生在更短波长的也发生在更短波长的射线上，因而具有较广泛的意义。射线上，因而具有较广泛的意义。在原子核物理和高能粒子物理中会遇到这个问题。这个效在原子核物理和高能粒子物理中会遇到这个问题。这个效应也一直被认为是光的微粒性的有力证据之一。应也一直被认为是光的微粒性

51、的有力证据之一。第八章第八章 X射线射线90原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应第八章第八章 X射线射线91原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应第八章第八章 X射线射线92原子物理学 8.5 8.5 康普顿效应康普顿效应第八章第八章 X射线射线93原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射射线在晶体中的衍射 在本章第一节我们讨论了怎样利用在本章第一节我们讨论了怎样利用X X射线在晶体中的衍射线在晶体中的衍射来测量射线的波长。目的只是要说明一个测量的方法，射来测量射线的波长。目的只是要说明一个测量的方法，所以只提到射线在一组晶面上衍射的情况。对布喇格公式所以只提

52、到射线在一组晶面上衍射的情况。对布喇格公式只作了简单的说明。本节将对只作了简单的说明。本节将对X X射线在晶体中的衍射作较详射线在晶体中的衍射作较详细的讨论。细的讨论。 第八章第八章 X射线射线94原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射射线在晶体中的衍射一、射线在晶体中的衍射公式一、射线在晶体中的衍射公式 晶体是原子有规则地排列起来的结构，这种有规则的排晶体是原子有规则地排列起来的结构，这种有规则的排列沿各方向是作等间隔的重复的列沿各方向是作等间隔的重复的。一个晶体可以看作是基本。一个晶体可以看作是基本单元连接起来的。一般说，晶体的基本单元总可以用一个平单元连接起来的。一般说，晶

53、体的基本单元总可以用一个平行六面体代表。行六面体代表。 在在8.18.1节说到原子在晶体中的有规则排列构成很多组不同节说到原子在晶体中的有规则排列构成很多组不同方向的平行面。如果把一束方向的平行面。如果把一束X X射线射入晶体，在每一组平行面射线射入晶体，在每一组平行面上只要有满足布喇格公式的波长，都能发出与入射射线对平上只要有满足布喇格公式的波长，都能发出与入射射线对平面作等角的射线。这样，如果一束入射射线是由很多不同波面作等角的射线。这样，如果一束入射射线是由很多不同波长的射线组成的，就有很多束射线从晶体向不同方向射出。长的射线组成的，就有很多束射线从晶体向不同方向射出。 第八章第八章 X

54、射线射线95原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射射线在晶体中的衍射一、射线在晶体中的衍射公式一、射线在晶体中的衍射公式晶体对晶体对X X射线起了立体光栅的作用。如图射线起了立体光栅的作用。如图8.178.17所示。所示。利用图利用图8.178.17及相关理论进行推导可得（及相关理论进行推导可得（P242-245P242-245） （1111）式中的式中的d d是与射线成等角的一组是与射线成等角的一组平面之间的距离，这式子正是平面之间的距离，这式子正是布喇格公式。布喇格公式。第八章第八章 X射线射线2 sinnd96原子物理学 8.6 X 8.6 X射线在晶体中的衍射射线在晶体中的衍射二、密勒指数二、密勒指数 从上面的推导可以知道，如果射线经衍射向某一方向从上面的推导可以知道，如果射线经衍射向某一方向射出，就一定有与射出射线对射出，就一定有与射出射线对应的