cap6(原子物理第六章)

1、Automic Physics 原子物理学原子物理学威廉威廉伦琴伦琴(Rontgen, W.K.) （18451923） X射线也被称为射线也被称为伦琴射线伦琴射线，是德国物理学家伦琴于，是德国物理学家伦琴于1895年发现的。当时他正在研究阴极射线，偶然发现放在阴极射年发现的。当时他正在研究阴极射线，偶然发现放在阴极射线管附近的荧光屏上发出了荧光。经过查找，证实是阴极射线管附近的荧光屏上发出了荧光。经过查找，证实是阴极射线管壁发出的新射线使荧光屏发光的。他把这种射线命名为线管壁发出的新射线使荧光屏发光的。他把这种射线命名为X射线射线。后来研究表明。后来研究表明X射线是一种波长很短的电磁波，其波

2、射线是一种波长很短的电磁波，其波长范围为长范围为0.001nm10.0nm。 The Nobel Prize in Physics 1901发现发现X X射线射线 这个发现成为这个发现成为1919世纪世纪9090年代物理学上的三大年代物理学上的三大发现之一。发现之一。19011901年，伦琴因为发现年，伦琴因为发现X X射线成为了射线成为了诺贝尔物理学奖的诺贝尔物理学奖的第一个获得者第一个获得者。 这种射线具有几个特点：这种射线具有几个特点： 它具有很强的穿透性，能透过纸板、薄铝板和人体等它具有很强的穿透性，能透过纸板、薄铝板和人体等 它以直线传播，不因电磁场作用而偏转它以直线传播，不因电磁场

3、作用而偏转 它能使照相底片感光，是气体电离它能使照相底片感光，是气体电离一、一、X射线的发现射线的发现 X射线的发现，开创射线的发现，开创了人类探索物质世界的新了人类探索物质世界的新纪元。伦琴因发现纪元。伦琴因发现X射线射线而揭开了而揭开了20世纪物理学革世纪物理学革命的序幕，成为命的序幕，成为20世纪最世纪最伟大的物理学家之一。伟大的物理学家之一。 二、二、X射线管射线管 凡是以高速运动的电子凡是以高速运动的电子碰到任何障碍物，都能产生碰到任何障碍物，都能产生X射线射线。 因此为了获得因此为了获得X射线，必须有一这样的仪器，它可以：射线，必须有一这样的仪器，它可以： （1）用某种方法得到一定

4、量的）用某种方法得到一定量的自由电子自由电子； （2）迫使这些电子在一定的方向上以）迫使这些电子在一定的方向上以很大的速度很大的速度运动；运动； （3）在电子运动的路途上设且一个急剧阻止电子的障）在电子运动的路途上设且一个急剧阻止电子的障碍物（碍物（靶靶）。）。 产生产生X射线最常用的方法是让加速的电子轰击靶子射线最常用的方法是让加速的电子轰击靶子（通常用高熔点的金属材料制成），从而发出（通常用高熔点的金属材料制成），从而发出X射线。射线。 在一个真空管里装有灯丝电极在一个真空管里装有灯丝电极（阴极）（阴极）K和靶子（阳极，或对和靶子（阳极，或对阴极）阴极）P。灯丝通电加热后打到。灯丝通电加热

5、后打到阳极上，就能产生阳极上，就能产生X射线。由于射线。由于电子打在靶子上面使其温度升高电子打在靶子上面使其温度升高很大，所以一般的靶子都是用高很大，所以一般的靶子都是用高熔点的金属制成。熔点的金属制成。 能量足够高的光子照射物质材料能量足够高的光子照射物质材料原子核在发生自发转变时原子核在发生自发转变时高速运动的带电粒子也会产生电磁辐射（同步辐射）高速运动的带电粒子也会产生电磁辐射（同步辐射）其他方法：其他方法：三、三、X射线的波性射线的波性波动性：波动性：衍射、干涉、偏振衍射、干涉、偏振等。等。1906年，巴克拉用实验证明了年，巴克拉用实验证明了X射线的偏振特性。射线的偏振特性。1912年

6、，劳厄提出了年，劳厄提出了X射线的衍射实验并被证实。射线的衍射实验并被证实。四、四、X射线的偏振射线的偏振1、偏振、偏振横波横波是质点振动方向与传播方向垂直的机械波。是质点振动方向与传播方向垂直的机械波。 纵波纵波是质点的振动方向与传播方向一致的波。是质点的振动方向与传播方向一致的波。 偏振偏振: : 波的振动方向相对传播方向的不对称性。波的振动方向相对传播方向的不对称性。机械横波的检验机械横波的检验若振动方向平行若振动方向平行AB 通通若把若把AB旋旋900 则则 不通不通AB只有横波有偏振现象，而纵波无偏振问题只有横波有偏振现象，而纵波无偏振问题腰横别扁担进不了城门腰横别扁担进不了城门形象

7、说明偏振片的原理形象说明偏振片的原理五、五、X射线的衍射射线的衍射 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。因此它也具有反射、折射、干涉、衍射、比可见光短得多。因此它也具有反射、折射、干涉、衍射、偏振等波动的特性。偏振等波动的特性。 发现晶体的发现晶体的X射线衍射。射线衍射。 The Nobel Prize in Physics 1914M.V.Laue(1879 1960) 晶体由原子的规则排列构成，晶体中两个相邻原子的晶体由原子的规则排列构成，晶体中两个相邻原子的间隔约为间隔约为0.1nm的数量级，这与的数量级，这与X射线波

8、长数量级相同，射线波长数量级相同，因此，晶体对因此，晶体对X射线来说可以作为天然的光栅。射线来说可以作为天然的光栅。 19121912年，德国物理学家劳厄（年，德国物理学家劳厄（M.V.Laue)M.V.Laue)设想：天设想：天然晶体可以看作是光栅常数很小的空间三维衍射光栅，然晶体可以看作是光栅常数很小的空间三维衍射光栅，适合于适合于X X射线的衍射。射线的衍射。劳厄实验：在乳胶板上形成对称分布的若干衍射劳厄实验：在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点，称为斑点，称为劳厄斑劳厄斑证实了证实了X X射线的波动性。射线的波动性。X X射线射线准直缝准直缝天然晶体天然晶体劳厄斑劳厄斑乳胶板乳胶板劳厄

9、相劳厄相 1912年，弗里德里克年，弗里德里克和厄平在劳厄的建议下，和厄平在劳厄的建议下，做了做了X射线对单晶的衍射射线对单晶的衍射实验。得到了劳厄相片。实验。得到了劳厄相片。单晶，连续波长入射单晶，连续波长入射德拜相德拜相 利用单色利用单色X射线入射多晶粉末射线入射多晶粉末布拉格（布拉格（Bragg）公式）公式 图中所示的两条射线，图中所示的两条射线，它们经过晶体衍射后的路径它们经过晶体衍射后的路径会不同，两条路径的长度差会不同，两条路径的长度差为为 ，2 sind衍射产生干涉极大值的条件就是衍射产生干涉极大值的条件就是 2 sindn1,2,3,n 这就是布拉格公式。这就是布拉格公式。推导

10、阿伏伽德罗常数？推导阿伏伽德罗常数？ 一、一、X射线的发射谱射线的发射谱X射线测谱仪射线测谱仪 右图所示的装置中可以测右图所示的装置中可以测量量X射线的射线的强度强度以及以及波长波长。 实验测量发现，实验测量发现，X射线的发射谱线由两个部分构成，射线的发射谱线由两个部分构成，一部分是波长连续变化的一部分是波长连续变化的连续谱连续谱，用不同动能的电子轰击，用不同动能的电子轰击不同材料的靶子时，所产生的连续谱具有相似的形状，都不同材料的靶子时，所产生的连续谱具有相似的形状，都有确定的有确定的最短波长最短波长，连续，连续X射线谱与靶金属的性质无关；射线谱与靶金属的性质无关；另一部分是具有分立波长的另

11、一部分是具有分立波长的线状谱线状谱，这些谱线的波长只取，这些谱线的波长只取决于靶材料的化学元素，因此又称为决于靶材料的化学元素，因此又称为标识谱标识谱。 另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，所以称为某种材料的标识，所以称为标识谱标识谱，又叫，又叫特征特征谱谱-它迭加在连续谱上。它迭加在连续谱上。 实验表明，实验表明，X射线由两部分构成，一部分射线由两部分构成，一部分波长连续变化，称为波长连续变化，称为连续谱连续谱；二、连续谱二、连续谱轫致辐射轫致辐射 连续谱的一个显著特点就是对于连续谱的一个显著特点就是对于确定的工作电压确定的工作电压

12、V，存在一个波长的，存在一个波长的最小值最小值 ，它和阳极材料的性质无，它和阳极材料的性质无关，只取决于工作电压关，只取决于工作电压V。实验表明，。实验表明， 和工作电压和工作电压V有如下关系有如下关系 000hcVe0hVe或或这里的这里的 也就是连续谱的最高频率。也就是连续谱的最高频率。 0 连续谱是电子在靶上被减速而产生的；高速电子到了连续谱是电子在靶上被减速而产生的；高速电子到了靶上，受靶中原子的作用而速度骤减，电子的动能转化成靶上，受靶中原子的作用而速度骤减，电子的动能转化成辐射能，就有射线放出，这样的辐射称为辐射能，就有射线放出，这样的辐射称为轫致辐射轫致辐射。 将常数带入后，最短

13、波长还可以表示为将常数带入后，最短波长还可以表示为 301.24 10hcnmVeV可见，如果在实验中测得了可见，如果在实验中测得了 和和V，就可以由此算出，就可以由此算出普朗克常数，这也是早期测定普朗克常数的一种有效普朗克常数，这也是早期测定普朗克常数的一种有效方法。方法。 0量子极限量子极限轫致辐射的强度：轫致辐射的强度：与入射带电粒子的质量平方成反比与入射带电粒子的质量平方成反比与靶核电荷数的平方成正比与靶核电荷数的平方成正比因此，医学、工业上使用的因此，医学、工业上使用的X射线多采用射线多采用钨钨靶。靶。X射线的产生过程射线的产生过程可以看成光电效应的逆过程。可以看成光电效应的逆过程。

14、三、特征辐射（标识辐射）三、特征辐射（标识辐射） 标识谱线最早被巴克拉（标识谱线最早被巴克拉（Barkla）于）于1906年发现，它是叠加在连续谱上的细锐年发现，它是叠加在连续谱上的细锐的线状谱，只有当工作电压超过某一临界的线状谱，只有当工作电压超过某一临界值时才会出现。它与阳极材料有关。值时才会出现。它与阳极材料有关。 同种元素，无论它是单质，还是存在于化合物中，同种元素，无论它是单质，还是存在于化合物中，其标识谱都是相同的，不同元素的标识谱不同。其标识谱都是相同的，不同元素的标识谱不同。 随着元素原子序数的增大，标识谱线的波长单调随着元素原子序数的增大，标识谱线的波长单调地减小，而并不像光

15、学谱那样出现周期性变化。地减小，而并不像光学谱那样出现周期性变化。 标识谱线的数目通常比光学光谱要少，结构也较简标识谱线的数目通常比光学光谱要少，结构也较简单。它们也分成几个线系。单。它们也分成几个线系。 莫塞莱定律莫塞莱定律 英国物理学家莫塞莱（英国物理学家莫塞莱（Moseley）在研究了从铝到金）在研究了从铝到金的的38种元素的种元素的X射线标识谱线波长后，于射线标识谱线波长后，于1913年总结出了年总结出了一个规律：一个规律：标识谱标识谱K线系的频率线系的频率 近似地正比于产生该谱线近似地正比于产生该谱线的元素的原子序数的元素的原子序数Z的平方的平方。这一规律被称为。这一规律被称为莫塞莱

16、定律莫塞莱定律。 他给出了他给出了 线波数的经验公式线波数的经验公式 K2221112KR Z是是K壳层的屏蔽因子，有壳层的屏蔽因子，有 K1K，因此也可以写为，因此也可以写为 2314R Z 后来，人们对后来，人们对L线系也作了研究，发现有和线系也作了研究，发现有和K线系线系类似的近似关系，只是其中的屏蔽因子和前面的数值系类似的近似关系，只是其中的屏蔽因子和前面的数值系数有所不同，如对数有所不同，如对 线有线有1L22225117.47.43623R ZR Z莫塞莱的实验第一次提供了精确测量原子序数莫塞莱的实验第一次提供了精确测量原子序数Z的方法，的方法，历史上就是用莫塞莱公式定出了元素的原

17、子序数历史上就是用莫塞莱公式定出了元素的原子序数Z，并纠，并纠正了正了 和和 在周期表上的次序。在周期表上的次序。 27Co28NiX射线射线K线系的莫塞莱图线系的莫塞莱图经过人们的研究，得出了标识谱的一些特性经过人们的研究，得出了标识谱的一些特性 各种元素的标识谱有相似的结构，不同于可见光的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。光谱彼此相差可以很大。 按原子序数的次序比较各元素的标识谱，谱线的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，不具有周期性。波长依次变动，不具有周期性。 K线系甚至线系甚至L线系的结构与化合状态无关。线系的结构与化合状态无关。

18、X射线需要加几万伏的电压才能激发出某些线系。射线需要加几万伏的电压才能激发出某些线系。X射射线的光子能量比可见光的光子能量大得多。线的光子能量比可见光的光子能量大得多。 X射线的标识谱是靶子中的原子发出的，但是射线的标识谱是靶子中的原子发出的，但是它不显示出周期性的变化，与化学状态无关，且光它不显示出周期性的变化，与化学状态无关，且光子能量很大，因此可以认为这是原子子能量很大，因此可以认为这是原子内层电子跃迁内层电子跃迁的结果。各元素原子的内层电子填满后，壳层的结的结果。各元素原子的内层电子填满后，壳层的结构是相同的，不同的只是对应于各层的能量的数值。构是相同的，不同的只是对应于各层的能量的数

19、值。周期性的变化和化学性质也是外层电子的性质周期性的变化和化学性质也是外层电子的性质。X射线既然没有这些性质，足见是由内层电子跃迁所射线既然没有这些性质，足见是由内层电子跃迁所发出的。发出的。 以以X射线为分析手段的方法，以产生空位的方法命名：射线为分析手段的方法，以产生空位的方法命名： e-X，用电子束产生空位，称为电子，用电子束产生空位，称为电子X荧光分析；荧光分析； p-X，用质子束产生空位，称为质子，用质子束产生空位，称为质子X荧光分析；荧光分析； I-X，用离子束产生空位，称为离子，用离子束产生空位，称为离子X荧光分析；荧光分析； X-X，用，用X射线产生空位，称为射线产生空位，称为

20、X荧光分析；荧光分析；电子内壳层的跃迁电子内壳层的跃迁2,3,1nnK X射线射线3,4,2nnL X射线射线4,5,3nnM X射线射线对于对于K线系线系21nnK X射线射线31nnK X射线射线41nnK X射线射线四、特征辐射的标记方法四、特征辐射的标记方法五、俄歇电子五、俄歇电子 另一种非辐射过程，通过库仑相互作用将能量转移给另一种非辐射过程，通过库仑相互作用将能量转移给另一外层电子。非辐射效应如图所示，称为另一外层电子。非辐射效应如图所示，称为俄歇效应俄歇效应，所，所发射出的电子在发射出的电子在1925年由法国物理学家俄歇（年由法国物理学家俄歇（Auger）首）首先发现的。先发现的

21、。 KILIILIIILIM俄歇电子俄歇电子 俄歇电子的能量决定于俄歇电子的能量决定于原子内层原子内层能级的结构能级的结构，因此对俄歇电子的能量，因此对俄歇电子的能量和强度的研究能使我们得到关于原子和强度的研究能使我们得到关于原子的结合能、状态量子数信息。测量固的结合能、状态量子数信息。测量固体材料俄歇电子谱可以用来分析材料，体材料俄歇电子谱可以用来分析材料，特别是关于表面的一些组成和结构的特别是关于表面的一些组成和结构的情况。情况。 俄歇电子的产生.swf 对于对于Z小的原子，外层电子跃迁入内层空位小的原子，外层电子跃迁入内层空位通过俄歇效应的几率比发射通过俄歇效应的几率比发射X射线的几率大

22、。当射线的几率大。当Z超过超过35时时，发射，发射X射线的几率将超过俄歇效应。射线的几率将超过俄歇效应。在原子发射俄歇电子后，原子中将出现两个空位，在原子发射俄歇电子后，原子中将出现两个空位，它往往通过它往往通过发射发射X射线而退激发射线而退激发，因此，因此俄歇效应俄歇效应常伴随有常伴随有X射线的发射射线的发射。 六、电子跃迁诱发原子核激发六、电子跃迁诱发原子核激发 当原子壳层中有电子空位时，可以发射当原子壳层中有电子空位时，可以发射X射线，射线，也可以发射俄歇电子，还可以也可以发射俄歇电子，还可以使原子核激发使原子核激发。 1973年，日本大阪大学森田正人从理论上建年，日本大阪大学森田正人从

23、理论上建议这种新的能量转移机制，并为实验所证实。议这种新的能量转移机制，并为实验所证实。七、同步辐射七、同步辐射这是一种新型的产生这是一种新型的产生X射线的手段。射线的手段。 同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射时沿切线方向发出的电磁辐射 也叫也叫同步光同步光。这种光。这种光是是1947年在美国通用电器公司的一台年在美国通用电器公司的一台70Mev的同步加速的同步加速器中首次观察到的，被命名为器中首次观察到的，被命名为同步辐射同步辐射。 接近光速运动着的电子或正电子在改变运动方向时接近光速运动着的电子或正电子在改变运

24、动方向时放出的电磁波叫做放出的电磁波叫做辐射波辐射波，因为这一现象是在同步加速，因为这一现象是在同步加速器上发现的，所以称为器上发现的，所以称为同步辐射同步辐射。这种电子的自发辐射，。这种电子的自发辐射，强度高、覆盖的频谱范围广，可以任意选择所需要的波强度高、覆盖的频谱范围广，可以任意选择所需要的波长且连续可调，因此成为一种科学研究的新光源。长且连续可调，因此成为一种科学研究的新光源。 在雨中快速转动雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞在雨中快速转动雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。利用弯转磁铁可以强迫高能电子束团在出一簇簇水珠。利用弯转磁铁可以强迫高能电子束团在环形的同步加速器以接近于光

25、速作回旋运动，在切线方环形的同步加速器以接近于光速作回旋运动，在切线方向会有电磁波发射出来。向会有电磁波发射出来。 1、直线加速器、直线加速器 2、回旋加速器和电子感应加速器、回旋加速器和电子感应加速器3、同步加速器、同步加速器 同步辐射的类型同步辐射的类型 另外还有印度、巴另外还有印度、巴西、西班牙、加拿大、西、西班牙、加拿大、荷兰、瑞士、泰国、荷兰、瑞士、泰国、新加坡等国家均建有新加坡等国家均建有同步辐射光源实验室。同步辐射光源实验室。 我国的同步辐射事业我国的同步辐射事业 从从20世纪世纪70年代末北京正负电子对撞机（年代末北京正负电子对撞机（BEPC）的建造开始。的建造开始。 第一代：

26、第一代：北京同步辐射装北京同步辐射装置（置（BSRF）。）。2.2Gev 第二代：第二代：国家同步辐射实验国家同步辐射实验室（室（NSRL）。）。800Mev 第三代：第三代：上海（上海（SSRF）。）。3.5Gev 同步辐射光的特点同步辐射光的特点 1、高强度、高强度 如用如用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常需要7-15天天的感光时间，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟，的感光时间，而利用同步辐射光源只需要十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。高亮度的特性决定了同步辐射光工作效率提高了几万倍。高亮度的特性决定了同步辐射光源可以用来做许多常规光源所无法进行

27、的工作。源可以用来做许多常规光源所无法进行的工作。 2、能谱宽、能谱宽 同步辐射从红外线、可见光、同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软真空紫外、软X射线一直延伸到射线一直延伸到硬硬X射线（如图），是目前唯一射线（如图），是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所需要的波长，进行以随意选择所需要的波长，进行单色光的实验。单色光的实验。 3、方向性好、方向性好 利用同步辐射光学元件引出的同步辐射光源具有高利用同步辐射光学元件引出的同步辐射光源具有高度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行度的准直性

28、，经过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行极小样品和材料中微量元素的研究。极小样品和材料中微量元素的研究。 4、脉冲性、脉冲性 同步辐射光是由储存环中周期运动的电子束团辐射同步辐射光是由储存环中周期运动的电子束团辐射发出的，具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。利用这种特发出的，具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。利用这种特性，可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程、生性，可研究与时间有关的化学反应、物理激发过程、生物细胞的变化等。物细胞的变化等。 与可见光一样，储存环发出的同步辐射光根据观察与可见光一样，储存环发出的同步辐射光根据观察者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来研究样品者的角度可具有线偏振性或圆

29、偏振性，可用来研究样品中特定参数的取向问题。中特定参数的取向问题。 5、偏振性、偏振性同步辐射的应用同步辐射的应用 同步辐射光是一个连续的波谱，从而为相关科学研究同步辐射光是一个连续的波谱，从而为相关科学研究提供高亮度、高准直性的优质光源。对于同步辐射的应用提供高亮度、高准直性的优质光源。对于同步辐射的应用有以下几个大方面的应用。有以下几个大方面的应用。 ArthurHolyCompton（18921962） 康普顿效应康普顿效应 The Nobel Prize in Physics 1927 对于对于X射线通过物质时逐渐减弱是由于两种过程：吸收射线通过物质时逐渐减弱是由于两种过程：吸收和散射

30、。这里先讨论散射问题。和散射。这里先讨论散射问题。 早在早在1912年，就有人发现年，就有人发现X射线被物质散射后射线被物质散射后波长有波长有变长变长的现象。的现象。1922年康普顿作了大量实验证实了这种实年康普顿作了大量实验证实了这种实验现象，发现散射光除了有波长不改变的部分外，还有波验现象，发现散射光除了有波长不改变的部分外，还有波长变长的部分。后人把这个现象称作长变长的部分。后人把这个现象称作康普顿效应康普顿效应。 一、经典考虑一、经典考虑晶体晶体 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 康普顿散射实验.swfo（

31、A）0.7000.750波长波长=45Oj. . . . . . . . . . . .00=0Oj=90Oj=135Oj实验结果：实验结果： 对于不同的散射角，除了有原对于不同的散射角，除了有原波长外，都出现了波长增加的谱波长外，都出现了波长增加的谱线；线； 波长差随散射角而变化，与原波波长差随散射角而变化，与原波长无关；长无关； 0120 j j 对于不同的元素，对于不同的元素，相同的散射角方向上，相同的散射角方向上，波长差与散射物无关；波长差与散射物无关； 原波长谱线的强原波长谱线的强度随散射物原子序度随散射物原子序数的增加而增加，数的增加而增加，新增的谱线强度随新增的谱线强度随原子序数

32、的增加而原子序数的增加而减小。减小。 实验结果：实验结果： 经典理论又一次遇到困难经典理论又一次遇到困难 经典散射理论：经典散射理论： 当波长当波长 0 0的射线入射后，使电偶极子的射线入射后，使电偶极子受迫振动受迫振动 发出散射波的波长在发出散射波的波长在各方各方均是均是 0 0。 无法解释无法解释波长改变波长改变和和散射角散射角的关系。的关系。 康普顿采用了爱因斯坦的康普顿采用了爱因斯坦的光量子光量子假说假说 成功地解释了实验现象，成功地解释了实验现象， 进一步证明了光量子假说的正确性。进一步证明了光量子假说的正确性。二、量子解释二、量子解释 光子理论认为康普顿效应是高能光子理论认为康普顿

33、效应是高能光子光子和低能和低能自由电子自由电子作作弹性碰撞弹性碰撞的结果，具体解释如下：的结果，具体解释如下：n 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子子,散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光散射光子的能量减少，于是散射光的波长大于入射光的波长，频率变低。的波长，频率变低。n 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量原子交换能量,由于光子质量远小于原子质量，根据碰由于光子质量远小于原子质量，根据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。撞理论，碰撞前后光子能量几

34、乎不变，波长不变。n 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长改变和散射角有关。改变和散射角有关。yex电子电子静止静止0h0myx散射散射光子光子反冲反冲电子电子hm康普顿效应.swf2eeePPPhm chE22422eeehEm cP cPc 康普顿康普顿假设假设: : 碰撞过程碰撞过程 遵守遵守能量守恒定律能量守恒定律和和动量守恒定律动量守恒定律 利用相对论能量与动量关系利用相对论能量与动量关系 得出结果得出结果PhPhjeP反冲电子反冲电子散射光子散射光子)cos1 (00jcmhPhPhjeP反冲电子反冲电子散射光子散射光子 康普

35、顿散射公式康普顿散射公式 上式说明：波长改变与散射物质无关，仅决定于上式说明：波长改变与散射物质无关，仅决定于散射角散射角；波长改变随散射角增大而增加波长改变随散射角增大而增加。 由以上讨论可知，散射光波长的增加是由于碰撞时入射由以上讨论可知，散射光波长的增加是由于碰撞时入射光子将部分能量给了电子的结果，如果电子被原子束缚得很光子将部分能量给了电子的结果，如果电子被原子束缚得很紧，不能从光子处获得能量，那么散射光的波长也不会发生紧，不能从光子处获得能量，那么散射光的波长也不会发生变化。变化。 三、物理意义三、物理意义1、电子的康普顿波长、电子的康普顿波长当散射角为当散射角为90度时，得到度时，

36、得到 o0A024263. 0cmhc 电子的康普顿波长电子的康普顿波长 其物理含义是，其物理含义是，入射光子的能量与电子的静止能量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波长相等时所对应的光子的波长。0137eecerrm c折合电子康普顿波长折合电子康普顿波长约为约为经典电子半径的经典电子半径的137倍。倍。2、 只决定于只决定于 ，而与，而与 无关。无关。j20.00486cnmj波长改变最大波长改变最大这就是康普顿散射引起的这就是康普顿散射引起的最大位移最大位移，即入射波长能够增，即入射波长能够增长的最大数值。长的最大数值。3、 与与 紧密相关。紧密相关。E 散射光子的能量随

37、入射光子的能量增大而增大，散射光子的能量随入射光子的能量增大而增大，但除了但除了 以外。以外。0j4、相干散射、相干散射 在康普顿散射中总是伴随着在康普顿散射中总是伴随着 的散射，称为的散射，称为相干散射相干散射。0 如果光子与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生如果光子与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生碰撞（内层电子）相当于光子和碰撞（内层电子）相当于光子和整个原子整个原子碰撞（碰撞（m0是原是原子质量）子质量） 这样，散射光的能量这样，散射光的能量(波长波长)几乎不改变几乎不改变从而散射线从而散射线中还有与中还有与原波长原波长相同的射线。原子序数愈大的散射体原相同的射线。原子序数愈大的散射

38、体原波长的成分愈多。波长的成分愈多。0(1 cos )hm cj四、康普顿散射与基本常量四、康普顿散射与基本常量 根据康普顿位移与三个基本常量之间的关系，根据康普顿位移与三个基本常量之间的关系，进行基本常量的测定。进行基本常量的测定。测定普朗克常量测定普朗克常量h测定光子能量测定光子能量0(1 cos )hm cj康普顿散射实验的意义康普顿散射实验的意义l 支持了支持了“光量子光量子”概念，进一步证实了概念，进一步证实了Ehl 首次在实验上证实了爱因斯坦提出的首次在实验上证实了爱因斯坦提出的“光量光量子具有动量子具有动量”的假设的假设P = E/c = h /c = h/ l 证实了证实了在微

39、观的单个碰撞事件中动量和能量在微观的单个碰撞事件中动量和能量守恒定律仍然成立守恒定律仍然成立 康普顿康普顿（A. H.Compton)美国人美国人(1892-1962）康普顿康普顿在做康普顿散射实验在做康普顿散射实验吴有训对研究康普顿效应的贡献吴有训对研究康普顿效应的贡献1923年参加了发现康普顿效应的研究工作年参加了发现康普顿效应的研究工作对证实康普顿效应作出了重要贡献对证实康普顿效应作出了重要贡献19251926年，吴有训用银的年，吴有训用银的X射线射线( 0 =5.62nm) 为入射线，以为入射线，以15种轻重不同的元素为散射物质种轻重不同的元素为散射物质在同在同一散射角一散射角( )测

40、量各种波长的散射光强度做了测量各种波长的散射光强度做了大量大量X 射线散射实验。射线散射实验。0120 j j 吴有训吴有训 (18971977)1. 与散射物质无关，仅与散射角有关与散射物质无关，仅与散射角有关曲线表明曲线表明0 II 2. 轻元素轻元素0 II 重元素重元素吴有训吴有训的康普的康普顿效应顿效应散射实散射实验曲线验曲线0120 j j 证实了康普顿效应的普遍性证实了康普顿效应的普遍性 证实了两种散射线的产生机制证实了两种散射线的产生机制 外层电子外层电子( (自由电子自由电子) )散射散射 0 0内层电子内层电子( (整个原子整个原子) )散射散射在康普顿的一本著作在康普顿的

41、一本著作“X-Rays in theory and experiment”(1935) )中中19处处引用了引用了吴的工作。吴的工作。两图并列作为康普顿效应的证据。两图并列作为康普顿效应的证据。意义意义: : 吴有训对康普顿效应最突出的贡献在于吴有训对康普顿效应最突出的贡献在于测定了测定了x射线射线散射中变线、不变线的强度比率散射中变线、不变线的强度比率R随散射物原子序数变化随散射物原子序数变化的曲线，的曲线，证实并发展了康普顿的量子散射理论。证实并发展了康普顿的量子散射理论。 例：波长为例：波长为 的的X X射线与静止的自由电子碰射线与静止的自由电子碰撞撞, ,现在从和入射方向成现在从和入射

42、方向成 角的方向去观察散射辐射。角的方向去观察散射辐射。求求: (1) : (1) 散射散射X X射线的波长射线的波长;(2);(2)反冲电子的能量反冲电子的能量;(3);(3)反反冲电子的动量。冲电子的动量。nm02. 00 90 xyxyPe h/ 0h/ 3422318101022 6.63 10sinsin29.11 103 1040.024 100.0024hJ sm ckgm smnmj 解：解：(1)(1)散射后散射后X X射线波长的改变为射线波长的改变为所以散射所以散射X X的波长为的波长为0034811211111636.63 103 102.4 102 102.24 101

43、0.7 106.66 10hchchcJ sm smmmJeV (2) (2) 根据能量守恒根据能量守恒, ,反冲电子获得的能量就是入射光子反冲电子获得的能量就是入射光子与散射光子能量的差值与散射光子能量的差值, ,所以所以00.00240.020.0224nmnmnm (3) (3) 根据动量守恒根据动量守恒, ,有有0cosehp34112306.63 10cos0.7532 104.4 10ehJ spmkg m s221 2022022222222341 2244423()2.24102106.63 10()4.48104.44 10ephmmJ smkg m s 419所以所以0co

44、sehpep0hh X射线由于具有很短的波长，因此在物质中具有很强射线由于具有很短的波长，因此在物质中具有很强的穿透能力。但是，由于的穿透能力。但是，由于X射线与物质相互作用，射线与物质相互作用，X射线射线的强度会因为的强度会因为X射线通过物质而被减弱，这就是射线通过物质而被减弱，这就是X射线的射线的吸收现象。吸收现象。一、两类相互作用一、两类相互作用1、多次小相互作用。、多次小相互作用。2、全或无相互作用。、全或无相互作用。粒子散射实验。粒子散射实验。光电效应。光电效应。 设没有加入吸收物之前，测得射线强度为设没有加入吸收物之前，测得射线强度为 ，放入，放入吸收物并逐步增加它的厚度吸收物并逐

45、步增加它的厚度x，那么通过吸收物后的射，那么通过吸收物后的射线强度线强度I就会逐步减小就会逐步减小 0I0 xII e 朗伯朗伯-比耳定律比耳定律其中，其中， 为为吸收系数吸收系数。dIIdx 可见，可见， 是射线经过单位厚度的吸收物后强度减弱的是射线经过单位厚度的吸收物后强度减弱的百分数。它代表吸收物对百分数。它代表吸收物对X射线的衰减作用的大小。射线的衰减作用的大小。 0 xII e 进一步可以把吸收式写为进一步可以把吸收式写为 其中，其中， 为吸收物的密度。这样为吸收物的密度。这样 dIIdx 表示射线经过在单位面积具有一单位质量的物质表示射线经过在单位面积具有一单位质量的物质后减弱的百

46、分数，称为后减弱的百分数，称为质量吸收系数质量吸收系数。 二、光子与物质相互作用二、光子与物质相互作用光电效应光电效应 光子与束缚电子的相互作用；光子与束缚电子的相互作用；康普顿效应康普顿效应 光子与自由电子的相互作用；光子与自由电子的相互作用；电子偶效应电子偶效应 当光子的能量大于电子的静止质当光子的能量大于电子的静止质量的两倍时，光子在原子核附近能转化为一对正量的两倍时，光子在原子核附近能转化为一对正负电子。负电子。 对于对于X射线来说，对吸收起主要作用的是光电效射线来说，对吸收起主要作用的是光电效应和康普顿效应。应和康普顿效应。吸收后的强度为吸收后的强度为00 xxII eI e而这时的

47、吸收系数将包括三个部分而这时的吸收系数将包括三个部分光电康对偶吸收长度（吸收长度（平均自由程平均自由程）01x10I Ie IIIIILL、221/23/222PP、三、三、X射线的吸收限与原子能级射线的吸收限与原子能级 吸收限的产生是不难理解的，吸收物原子中的电子按吸收限的产生是不难理解的，吸收物原子中的电子按壳层排列，各个壳层上的电子有不同的电离能。壳层排列，各个壳层上的电子有不同的电离能。 当入射光子的能量正好等于某壳层上电子的电离能当入射光子的能量正好等于某壳层上电子的电离能时，射线就会被共振吸收，使吸收系数突然增大，出现时，射线就会被共振吸收，使吸收系数突然增大，出现吸收限。吸收限。

48、 K吸收限吸收限 射线波长最短射线波长最短 L吸收限吸收限 三个相近的吸收限三个相近的吸收限 ,IIIIIIL LL2221 23 2,SPP同理，同理，M壳层有壳层有5个吸收限，个吸收限，N壳层有壳层有7个吸收限等等。个吸收限等等。 所以各吸收限分别代表原子各壳层有一个电子电所以各吸收限分别代表原子各壳层有一个电子电离时所需要吸收的能量。原子吸收了这样的能量，使离时所需要吸收的能量。原子吸收了这样的能量，使它从基态跃迁到各层的电离态，因此它从基态跃迁到各层的电离态，因此吸收限对应于基吸收限对应于基态能级与各电离能级之间的跃迁态能级与各电离能级之间的跃迁。 根据这种解释，吸收限波长根据这种解释

49、，吸收限波长 和原子中相应壳层和原子中相应壳层能级的电离能能级的电离能E应有如下关系应有如下关系 31.24 10hcnmEE其中其中E以以eV为单位。这样，在实验上测出某吸收限波长为单位。这样，在实验上测出某吸收限波长后即可算出相应壳层的电离能。后即可算出相应壳层的电离能。 从上面的分析还可以发现，吸收限应该和标识谱线从上面的分析还可以发现，吸收限应该和标识谱线有密切的关系。有密切的关系。一旦出现某个吸收限，即表示相应壳层一旦出现某个吸收限，即表示相应壳层上的电子已被电离，出现了空位，这时，较外层上的电上的电子已被电离，出现了空位，这时，较外层上的电子会来填充，从而产生相应于该壳层的标识谱线

50、子会来填充，从而产生相应于该壳层的标识谱线。 实验结果完全证实了这一推论。例如，对于吸收实验结果完全证实了这一推论。例如，对于吸收物银来说，当出现物银来说，当出现L吸收限时，同时就有吸收限时，同时就有L线系的标识线系的标识谱线出现，而当出现谱线出现，而当出现K吸收限时，则能同时观察到吸收限时，则能同时观察到K线线系标识谱的全部谱线。系标识谱的全部谱线。 应用应用1 1：运用：运用“通带通带”过滤片，选通某些光过滤片，选通某些光强的强的X X射线射线. . 原理：我们知道，产生原理：我们知道，产生KX射线的阈能总要射线的阈能总要大于该元素本身大于该元素本身KX射线的能量。而某物质的射线的能量。而某物质的KX线的阈能正是该物质线的阈能正是该物质E图上图上K吸收限的能量吸收限的能量 因此因此 ，该物质的，该物质的KXKX射线的能量位置，必定在射线的能量位置，必定在K K吸收限的左边，并且靠近吸收限的附近。吸收限的左边，并且靠近吸收限的附近。上一页上一页下一页下一页首页首页K 根据这个原理