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61010101410181022102104108101210161020102410010频率频率Hz1610810波长波长m4104100108101210短波无线电波短波无线电波无线电波无线电波cm1 . 0m1034760nmnm1065nm400nm760可见光可见光红外线红外线400nm1nm1nm0.001nm0.001nm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：

2、波长较短的硬射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。属物相分析。 0.001nm0.1nm 软软X射线：波长较长的软射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析。性弱，可用于分析非金属的分析。 0.1nm1nm6.1 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。1 X射线的发现射线的发

3、现1895年年11月月8日日1895年，年底年，年底Rntgen 论新的射线论新的射线，及照片。，及照片。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射线管射线管阴极，阳极（钨、钼、铂等重金属）阴极，阳极（钨、钼、铂等重金属）两极之间加上高压（两极之间加上高压（103V105V）1895年年Rntgen产生的产生的 软软X射线射线 3. 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。观测不到折射、衍射、反射等波的特性，观测不到折射、衍

4、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. X射线的衍射射线的衍射dLaue建议用晶体作光栅建议用晶体作光栅-3-13 NaCl 2.163 g cm 58.5g mol d 密度摩尔质量 分子体积3358.5258.5AAVVNddN0.282 nmd 2 sinsACCD

5、d 2 sin, 1,2,3dnnBragg公式公式 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)蛋白质蛋白质的的LaueLaue衍射图衍射图Bragg公式可以正公式可以正确解释确解释Laue的实的实验结果。验结果。Bragg发明晶体反发明晶体反射式射式X射线谱仪，射线谱仪，并用于晶体结构并用于晶体结构分析。分析。实验证实实验证实NaCl晶晶体中只有体中只有Na+和和Cl-Debye和和Scherrer提出多晶

6、粉末法提出多晶粉末法NoImageNoImage2 sin, 1,2,3dnnRdd6.2 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2. 连续谱连续谱-轫致辐射轫致辐射连续谱产生的原因连续谱产生的原因带电粒子做变速运动，带电粒子做变速运动，带电粒子速度在靶核库伦场中连续变化带电粒子速度在靶核库伦场中连续变化轫致辐射：带电粒子与原子或原子核相碰撞，发生骤然减轫致辐

7、射：带电粒子与原子或原子核相碰撞，发生骤然减 速时，由此伴随产生的辐射，也叫刹车辐射。速时，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 Q2靶核电荷辐射强度I实验发现实验发现连续谱形状与靶子材料无关连续谱形状与靶子材料无关min存在一个最短波长minZ与靶核电荷 无关 minf VDuane 和和 Hunt 分析实验结果分析实验结果给出经验公式给出经验公式min1.24 nmkVU（*）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min的物理意义maxminminmax/

8、hchchchc eEEeUU1.24 nm keVhc min1.24nm *hcUUmin量子极限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来作为元素的标识特征谱线由特征谱线由Barkla 在在190

9、6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,KKKLLLL1913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ZMoseley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2160.248 10 Hz1KKvZbb经验公式经验公式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。216222 21110.246 10 Hz12KKvRcZZ216Moseley

10、: 0.248 101 HzKvZ2222113113.61 eV124KERc ZZ特征辐射特征辐射-电子内壳层的跃迁电子内壳层的跃迁KLMNinKhvETKKLhvEEK射线产生示意图n=1KE 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在周期在周期表上的位置，指出了表上的位置，指出了43、61、75号元号元素的位置素的位置222111vRc Zmn 产生特征谱线的先决条件：产生特征谱线的先决条件：m层电离一个电子，也就层电离一个电子，也就是产生

11、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，用电子束产生空穴，称之，用电子束产生空穴，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 K41K考虑轨道角动量考虑轨道角动量量子数量子数

12、L=0, 1J=0, 1X射线的标记方法射线的标记方法5. 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层中有一个空穴，层中有一个空穴，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aeKLMEKXK KK射线数层荧光产额空穴数 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

13、的方法电子的测量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 424EIR m辐射强度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

14、同步辐射的存在年，朱洪元首先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 4kW88.47EPIRkW ; PERI辐射功率； 电子的能量 GeV运动曲率半径 m； 电子流强度 A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，

15、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光管辐射能谱光管辐射能谱集中在特征谱附近集中在特征谱附近 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， 1 GeV, =0.5 mrad=0.029E蛋白质蛋白质的的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

16、散射散射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散射的时，在散射光中除了有原波长射线通过实物物质发生散射的时，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，其波长的增量随光，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Einstein

17、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02222coshvEhvEppp pp22022222201/m cEmccEp cE

18、考虑相对论效应考虑相对论效应2222cosppp pp01 coshm cCompton 公式公式20, 11 coshvhvhvm c散射光子的能量散射光子的能量01 cos11 coskEEEhvmin1 2hvhv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,max21 2kEhv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 200hchm cm c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 0.002426 n

19、mec20hm c =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 01 coshm c0echm c折合电子折合电子Compton 波长波长202200044eeccrhem cem c经典电子半径经典电子半径22004eerm c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 只取决于只取决于，而与，而与无关无关01 coshm cmax020.0049 nmhm c020.0049 nmhm c E E与与紧密相关紧密相关1 cos11 coshcE 相干散射相干散射0相干散射相干散射入射光子入内层发生电子碰撞入射光子入内层发生

20、电子碰撞Compton 散射实验中总是伴随散射实验中总是伴随相干散射，相干散射提供了参照谱线相干散射，相干散射提供了参照谱线01 coshm c20, 11 coshvhvhvm c01 cos11 coskEEEhv4. Compton 散射与基本常量散射与基本常量 01 coshm c1 cos11 coskhcE0 c 0,0KhEE 对应原理对应原理01 coshm c测量基本常数测量基本常数1 cos11 cosEhv测量入射光子的能量测量入射光子的能量相干散射相干散射 相干射线也被称作相干射线也被称作Rayleigh散射散射 1904年年Nobel 物理学奖获得者物理学奖获得者 0

21、4I适用范围适用范围 天空为什么是蓝颜色？天空为什么是蓝颜色？ 20.3r入射光子入内层发生电子碰撞入射光子入内层发生电子碰撞Compton 散射实验中总是伴随散射实验中总是伴随相干散射，相干散射提供了参照谱线相干散射，相干散射提供了参照谱线5. Compton 轮廓轮廓 Compton 轮廓随轮廓随散射元素原子序数散射元素原子序数Z的变化的变化 反映不同元素中反映不同元素中电子的运动状态不同电子的运动状态不同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，光子效应：高能电子把一部分能量转移给光子，光子 获得能量，频率变大，波长变小的现象。获得能量

22、，频率变大，波长变小的现象。 Compton 轮廓法测量电子动量分布优点：轮廓法测量电子动量分布优点：反映外层的电子运动状态；反映外层的电子运动状态；简化样品的制备；简化样品的制备；可以了解分子、和固体中电子的一些性质可以了解分子、和固体中电子的一些性质逆逆Compton 散射散射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束单能的、准直的入射重带电粒子束特点：特点：i) 能谱弥散能谱弥散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

23、外推射程 Rext切线切线入射粒子要么完全穿过物质、入射粒子要么完全穿过物质、要么被吸收要么被吸收0 , Idx入射粒子束强度通过全或无相互作用全或无相互作用 dII x dx出射粒子保持单能、准直特性出射粒子保持单能、准直特性Lambert-Beer 定律定律 吸收系数0exII1 x吸收长度透射粒子数为入射粒子数的透射粒子数为入射粒子数的1/e(37%)时所对应的吸收厚度时所对应的吸收厚度 =xx-1 cm, cm x单位为的单位为，被称为线性吸收系数 吸收体的密度-2 mg cmx 质量厚度 1mg2 质量吸收系数 cm0expIIx2. 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束缚电子光子与束缚电子光子与自由电子光子与自由电子光子与原子核附近的电场光子与原子核附近的电场0exIIp eCe p吸收长度吸收长度x0（平均自由程）（平均自由程）01x22ehvm c3. X射线的吸收射线的吸收 0exIIp eCe p2maxmin2ehchvm cp eCcohX p eCe p不同能量 射线、作用不同KLMNKhvEETKLM