原子物理学第八章

§8

X射线在观察领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑——巴斯德

我们已知原子的能级和光谱都由原子的外层电子决定的，那么内层的电子是否能发生跃迁而产生光谱呢？1807年，英国物理学家道尔顿依据实验提出：“气体，液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成。”他还认为，“同种元素的原子，其大小、质量及各种性质都是相同的。”从而把哲学意义上的原子论推广到科学的原子论。那么,线度大约在10-10m的原子是否真的不可再分割了？十九世纪末，连续三年的三大发现，首开了人们向微观世界进军的先河。它们是：（1）1895年德国的Rontgen（伦琴）发现X射线；（2）1896年，法国的Becguerel（贝克勒尔）发现了放射性；（3）1897年，英国的Thomson（汤姆逊）发现了电子。一、X射线的发现在1895年以前，由阴极射线管产生的X射线在实验里已经存在了30多年，在X射线发现前，不断有人抱怨，放在阴极射线管附近的照相底片模糊或感光。如1879年的克鲁克斯，1890年的古德斯比德等人，但发现X射线的却是伦琴。伦琴，1845年出生于德国的一个商人家庭，1869年在苏黎世大学获博士学位。1895年11月8日傍晚，伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，他用黑纸板将管子包起来，却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰酸钡结晶物质的屏幕发出了荧光，伦琴马上意识到,这可能是一种前所未有的新射线，经检查发现,射线来自阴极射线管管壁。§

8.1X射线的产生及其波长强度的测量令人惊奇的是，当用木头等不透明物质挡住这种射线时，荧光屏仍然发光，而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光，不被电磁场偏转。经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，因此赋予它一个神秘的名字--X射线。1895年12月28日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于X射线的论文，《论新的射线》，并公布了他夫人的X射线手骨照片。伦琴的发现引起了极大的轰动，以致于在全世界范围内掀起了X射线研究热，1896年关于X射线的研究论文高达1000多篇。对X射线的公布，促使法国物理学家贝克勒尔也投入到这一研究领域之中，为了弄清X射线产生的机制。他想，如果把荧光物质放在强光下照时，是否在发荧光的同时，也能放出X射线呢？于是他把一块荧光物质（铀的化合物--钾铀酰硫酸盐晶体）放在用黑纸包住的照相底片上，然后放在太阳下晒，结果在底片上果然发现了与荧光物质形状相同的“像”。一次偶然的机会使他发现，未经太阳曝晒的底片冲出来后，出现了很深的感光黑影，这使他非常吃惊。是什么使底片感光呢？跟荧光物质是否有关呢？他进一步用不发荧光的铀化合物进行实验，同样使底片感光；可见铀化合物能发出一种肉眼看不见的射线，与荧光无关。1896年3月2日，他向法国科学院报告了这一惊人的发现，从此打开了一个新的研究领域。放射线的发现看似偶然，但正如杨振宁先生在评价这一故事时所说的那样，“科学家的‘灵感’对科学家的发现‘非常重要’；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。”使荧光屏发出荧光；二．X射线的产生１．发现：1895年德国大学教授伦琴在做气体放电实验时首先发现的。

２．性质：穿透性很强；对动植物组织有刺激作用。３．本质：X射线具有光所具有的一切性质：反射，折射，偏振等，所以X射线从本质上来说是波长极短的电磁波。<0.1nm：硬X射线，>0.1nm：软X射线使气体电离；使照相底片爆光；４·X射线的产生

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X射线由X射线管产生。阴极电子真空管X射线图5.6X

射线管示意图三、X射线波长和强度的测定1、原理：

利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长，晶体作为立体光栅，一束X射线射入晶体，发生衍射时，从任何一晶面上，那些出射方向对平面的倾角与入射线的倾角相等的X射线，满足布拉格公式:n=2dsinn=1、2、…..

出射线就会加强。如图5.7层dAB图5.7布拉格公式推导2、测量方法测量波长：

OA/r=2

=OA/2r

已知晶格常数d，测出值及其对应的n值，代入布拉格公式，求出。（测量d的方法见教材）测定强度：由谱线的深浅程度可以测出相对强度。S1S2AA1CP

图5.8

O每个亮点为劳厄斑点,对应于一组晶面.斑点的位置反映了对应晶面的方向.由这样一张照片就可以推断晶体的结构(连续谱的X射线)3．晶体粉末法(单波长的射线)

每一同心园对应一组晶面,不同的园环代表不同的晶面阵,环的强弱反映了晶面上原子的密度大小4．(1)X射线的衍射是研究晶体结构有效方法

晶体衍射图就可以确定晶体内部的原子（或分子）间的距离和排列-1915年布拉格父子因此获诺贝尔物理奖(2)X射线分析可用来研究高分子的结构

(a)Eu(DBM)3Phen－PMMA的广角X－射线衍射图

(b)Eu(DBM)3Phen的X－射线衍射图实验表明，X射线谱由两部分构成，一部分波长连续变化，称为连续谱，它的最小波长只与外加电压有关；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，所以称为标识谱，又叫特征谱，它迭加在连续谱上形成X射线的发射谱。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。§

8.2X射线的发射谱连续谱：钨靶，不同的电压

标识谱：钨靶和钼靶，相同的电压一、悦连续唇谱——轫致缴辐射乎（杀逝车辐世射）1、连备续谱讨的特墨征在上州述产虎生X射线我的装胸置中否，电清子打干到阳辅极材览料后永，有蹈波长闻连续则变化蚕的光忠辐射招产生僚，下切面分贝两点遇研究况辐射愧的特始性。1）连松续谱娘与管贪压的螺关系匆（靶叼不变考）前图栋表示卷以钨曲作阳逐极材勿料加责不同谨电压策时，行以λ为横创轴，斑辐射某强度类为纵捐轴；菠在不箩同管样压下蔬得到适的波厉长—强度哀分布晃曲线阅。由郑图可棉见，迈当阳课极材盟料不缴变时守，λmi盼n和Ιma突x随管膛压V的升所高都略向短写波方圣向移都动。2）连址续谱异与阳怠极材赶料的桃关系慌（电工压不虫变）前图测表示份管压册为35幅KV时，玻用钼校和钨猛作靶毙材料豪时的I～λ曲线跟。由敞图可挑见λmi岛n与靶勺无关承。是弹由管拒压V决定圣的。电子离子光子图轫致耳辐射2、连杯续谱认产生围的微违观机颗制通过袋上面闪对连烘续谱梨特征对的分恭析，揉我们妻很容弱易想太到，呀连续听谱不臂应该缝是原歉子光产谱，超而应网该是到电子崇在靶冤上减俊速而劈燕产生巴的。并可以胶想象质到，典被高捧压加吃速后骡的电结子进敞入靶牲内，迎可以抱到达掠不同雨的深臣度，脂其速因率从尼骤减城为0，有指很大摘的加顿速度绝，而伏伴随孙着带大电粒艰子的麻加速剃运动中，必蚂然有假电磁袋辐射丢产生渡，这敬便是稿产生X射线椅连续复谱的誉原因明，用抹光子絮的概乐念可篇以对爹连续杜谱的挨产生炊给出还定量运的分叠析。设电趋子入间射速若度远，矮在靶盐上减诉速而及损失纤的能羡量为驱；跪减速乳过程液中的如能量梅差为数，愈则根据画上面奴的分膜析，划将以淡光子邻的形溜式向搜外辐谦射；译由于点是嚼连续乐变化遇的，屿而谈是杜一定赤的，任所以梨连险续变豪化.v是连续的，作为极限情况，，则从而得

上式表明，电子在电压V下加速而获得能量并全部转化为辐射时，由此得需要指出的是，解释光电效应的Einstein方程是：当金属的逸出功能很小时，近似的有：这与上式在形式上是完全相同的。因此，X射线连续谱可称为光电效应的逆效应。二、环标识嫁谱——线状合谱（贫内壳泉层电振子的湿跃迁多）1、线裳状谱仿的特推征a、不虚同元灭素线混状谱酒的波画长是双不同锤的，认从而菌成为历我们害识别习某种元素石的标管准，隔犹如房诚人的切指纹至，故令得名血为标川识谱秘，但司是他尘们的混线系结冻构是炎相似转的，减都分柱为K,啊L,烧M,灭……等线共系；圣且谱那线具展有精兔细结构属，K系分跃为b、改太变靶莲物质塔时，宏随Z的增框大，忧同一颈线系钢的线榴状谱滨波长护向短投波方向移貌动，荣但没喷有周挨期性刃变化饭；c、某幕元素箩的标观识谱夏与其骄化合天的状猜态无注关；d、对刮一定练的阳充极靶缎材料学，产谦生标鲜识谱军的外朵界电薪压有锈一个压临界陷值.L系分衔为等；2、产生由的根抗源：冲是原胀子内聪层电共子跃候迁产毕生的唤，它忠反映脑了原摘子内碌层结柿构的种情况寻。谱株线的休波长驼代表吨能级双的间橡隔。图X射线蒜各线吉系的汁产生KKK系线MMM系线LL

L系线M（n=3）L（n=2）K（n=1）3.产生锁机制:从阴略极发份出的亩电子贺经高洋压加衣速成秩高速慨电子辣打到警阳极搅上,由于扰电子甜能量慨很高,它能祸深入絮到原氧子的候内层,将内抗壳层搞电子恩之一鹅击出政原子世之外,使原矮子电推离,并在捧内壳骡层出沿现一室个空踪蝶穴,当邻颠近内酷壳层略的电烛子跃方迁到充这个宋空穴存时,就发于射出塘波长月很短营的X射线躺，由完于内杰壳层劝能级叔分立既，所和以产肚生X射线辰的线亦状谱渡，原盯子序仪数较哲大的肃元素违，内逆壳层欧能级粥间隔漂就越胜大，侮发出拦的X射线款的光横子能勒量高谅，波开长就呈短，所以抓波长旁依次筝变化旗，不用具有绸周期态性。一般赖形式:四代莫塞跑莱定闹律莫塞辞莱研咱究了练一系虽列元督素的K线系,发现刻各元党素的K线系她满足极下面发的规支律：K线:L线:作业:援P24雨81、4、5As吸33Se卡34Br虹35Rb37Sr38Nb41Rh45图8.秤8几种品元素丽的线刘系谱吸，按或原子裂序数墨的次券序上挽下排次列直进略射线9080706050403020100X射线K线系的莫塞莱图21102030405060708090Z§8.染3同X射线亏有关超的原厌子能滩级一、X射线脖标识棍谱的冻产生骂（内锻壳层仅电子绘的跃著迁）1、内市壳层保电子拨跃迁扩的前斜提：必须朋有空企穴2、产务生电投子空穴的方页法：a、用口高速毁电子嘴轰击工靶核壮，与最原子驾发生插非弹添性碰胳撞；b、内痒壳层范电子独吸收东高能络光子舅使内敬层电命子电泽离。3、标道识谱砍产生约的原耽因：窗深能财级（极内壳筑层）五电子懂电离迷形成窄电子腔空位拉，内拖壳层晒电子辜自发荣重新隶排列怎，发劝出光享子，柔产生X射线谨标识距谱。二、献内壳乐层中轿电离爬态的枪能级狡和跃著迁1、电阶离能锋的高崭低a、基柿态时较，最困内壳纷层电尿子最决稳定障，n越小阁，En也越寒小。b、内呀壳层核电子阵电离搬能：n越小骆，ΔEn就越屋大。c、内南壳层送电子遇电离盏态能剂级：n越小寻，电催离态碎能级En就越耳大。2、电碑离态牵对应誓的原招子能昨级(内壳蛛层)由电拘子组诵态互赖补定松则知顺，满躺壳层牌缺少1个电流子所浴形成挖的原悉子态诸等价置于单渔电子叨组态衰形成科的原跟子态.3、能鱼级跃红迁的载选择土定则门：ΔL=耀±1，ΔJ=陷0、±1(结合P23酒1能级侨图)X射线是通过陆物质艰时，泳我们颗将X射线触称为蔬光子比，则趁根据能光子复能量姿（hv）的塑不同呼，它勤们与练物质赵的相垒互作浑用有星以下妹三种巴情况爬：a、X射线骗的光均子打裤在吸爬收物却上，辞打出膨电子漠来，稍而光拖子本傅身消镇失了歼，此控即光弄电效圈应。常对光钓子来雅说，衬这是悲真实倾吸收镰。“斧光电红效应沸”的坐电子亚可以齐是自丽由电辞子，坛也可悦以是差束缚鼠电子饿。光艇子能持量hv不太削大时延，发唤生这浮种相沿互作鸣用；b、X射线才通过傲物质项后，破波长仇和能脊量发暂生改倡变，担此称co影mp崇to炎n效应波；当hv增大绣时，跨发生co妨mp贿to哈n效应沉；c、光子么能量hv大于光电子盈静止顺质量药的两路倍时(1诞.0毕2M务ev椅)，光秆子在柜原子蓬核场消附近茎将转宴化为抖一对判正、吧负电晃子。鼓这被掌称作志电子吹偶效枝应；以上骨三种吨效应心不仅企与光恰子的旷能量赢有关填，还质与靶畅的原乞子序斩数有歪关。第四敏节：X射线舱的吸画收1、强发度表姓达式设一旱束X射线呈，射揭向吸水收体盾前强芽度是通过川厚度刺为dx的吸订收体渐后，飞强度庄增量糊为dI，减考少量-dI将正比于dx和通纲过dx时的巩强度I，若垦取比帝例系这数为μ，则-dI=μI(x范)dx两边的积分增得:可见系强度I(亚x)随厚掀度x按指躁数衰庸减(朗伯--比耳拐定律)。IoIxμ=缘瑞-dI/（I(名x)养dx）……帆….率(2何)μ—衰减核系数银，单预位是cm-1，表傲示射歪线经叼过单溪位厚嫂度的陷减弱拒百分葱数。2、吸巧收和雅散射X射线英强度挖减弱搞包括钻两个锋过程靠：吸凶收和夸散射样，因泳此是两援种过升程的榜联合企效果召，即（1）衰老减常免数3、吸毙收系患数与验波长脆、吸疏收物店的原骨子序恭数的蜜关系抬：4、X射线隐吸收站过程投的应瘦用：5、吸棵收限肾与原纯子能偶级：P2介31图８.１０从微喷观上蝴看,吸收威是原馆子的债过程,用单消位面镰积中穴的原俯子数蜓和单召位厚生度除惧各系溜数可营得:作业竭：p2赖48径5、6实验宫结果--除原麦来谱惰线外,出现寺波长纪变长齐的另致一条断线.波长忆改变脾的数怖值与拍散射钟角有衬关,随角强度的雪增加忆而增仪强;且随庄着散耍射角猎的增亡大,新