第六章： x射线

AutomicPhysics原子物理学第六章：x射线第一节x射线的发现第二节x射线的产生机制第三节Compton散射第四节x射线的吸收第一节：X射线的发现在前面的学习中，我们发现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？这正是下面我们要讨论的问题。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。X射线的发现X射线的产生上一页下一页第六章:X射线首页那么,线度大约在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：1010m1895年德国的Rontgen（伦琴）发现X射线；1896年，法国的Becguerel（贝克勒尔）发现了放射性；1897年，英国的Thomson（汤姆逊）发现了电子。第一节：X射线的发现第六章:X射线X射线的发现X射线的产生上一页下一页首页在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。1869年在苏黎世大学获博士学位。1845年出生于德国的一个商人家庭，X射线的发现伦琴第一节：X射线的发现第六章:X射线X射线的发现X射线的产生上一页下一页首页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。6(())BaPtCN第一节：X射线的发现第六章:X射线X射线的发现X射线的产生上一页下一页首页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。第一节：X射线的发现第六章:X射线X射线的发现X射线的产生上一页下一页首页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”。第一节：X射线的发现第六章:X射线X射线的发现X射线的产生上一页下一页首页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。”第一节：X射线的发现第六章:X射线X射线的发现X射线的产生上一页下一页首页如图，在真空管两阴极和阳极之间加高压，阳极选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到X射线，其波长因高太的不同而异。当称硬X射线；称软X射线。68(1010)mmHg0.11nmA0.11nmA当X射线的发现X射线的产生第一节：X射线的发现第六章:X射线上一页下一页首页X射线的性质1）X射线能使照相底片感光；2）X射线有很大的贯穿本领；3）X射线能使某些物质的原子、分子电离；4）X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；5）X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。第一节：X射线的发现第六章:X射线X射线的发现X射线的产生上一页下一页首页第二节：X射线的产生机制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。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。实验表明，X射线由两部分构成，一部分波长连续变化，称为连续谱；连续谱标示谱第六章:X射线上一页下一页首页连续谱—轫致辐射1、连续谱的特征在上述产生X射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波长连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。1）连续谱与管压的关系（靶不变）前图表示以钨作阳极材料加不同电太时，以λ为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长—强度分布曲线。由图可见，当阳极材料不变时，和随管压V的升高都向短波方向移动。minmaxI第二节：X射线的产生机制第六章:X射线连续谱标示谱上一页下一页首页min2）连续谱与阳极材料的关系（电压不变）前图表示管压为35KV时，用钼和钨作靶材料时的I～λ曲线。由图可见与靶无关。是由管压V决定的。连续谱产生的微观机制通过上面对连续谱特征的分析，我们很容易想到，连续谱不应该是原子光谱，而应该是电子在靶上减速而产生的。可以想象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度，其速率从骤减为0，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生X射线连续谱的原因，用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。0v第二节：X射线的产生机制第六章:X射线连续谱标示谱上一页下一页首页2012hvmvE损0E损2max012hvmv设电子入射速度，在靶上减速而损失的能量为；减速过程中的能量差为，则根据上面的分析，将以光子的形式向外辐射；由于是连续变化的，而是一定的，所以连续变化.E损0vE212EmvE损EE损0vE即式中，v是连续的，作为极限情况，则从而得到max，第二节：X射线的产生机制第六章:X射线连续谱标示谱=ev(1)上一页下一页首页212hvmvW逸min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：（1）式最早是在实验工作中，从实验数据的总结得到的。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（1）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。212hvmv第二节：X射线的产生机制第六章:X射线连续谱标示谱(2)minhc1.24()nmVKV上一页下一页首页1标识辐射—线状谱————它是迭加在连续谱上的分立谱线１．线状谱的特征,,,KKK,,,LLL不同元素线状谱的波长是不同的，从而成为我们识别某种元素的标准，故得名为标识谱，但是他们的线系结构是相似的，都分为K,L,M,……等线系；且谱线具有精细结构，K系分为；L系分为等；改变靶物质时，随Z的增大，同一线系的线状谱波长向短波方向移动，但没有周期性变化；2连续谱标示谱第二节：X射线的产生机制第六章:X射线上一页下一页首页3某元素的标识谱与的化合状态无关；对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外界电压有一个临界值。42.线状谱产生的机制通过对上述特点的分析、归纳、总结、我们可得到如下几点结论：1）线状谱产生于原子内层电子的跃迁。2）产生线状谱的条件是：a.在原子的内层能级上有电子空位；b.其他壳层上电子向空位跃迁。第二节：X射线的产生机制第六章:X射线连续谱标示谱上一页下一页首页事实上，当外界提供足够大的能量时，使原子内层电子电离，从而使原子内层出现空位，外层电子向内层补充，放出的能量便形成了X射线的标识谱。3.定律--线状谱的定量计算1913年，英国物理学家Moseley通过对不同元素（不同Z）的X射线标识谱加以分析（共分析了从钴到金的38种元素）,发现一个规律：对同一线系的某条谱线来说，不同元素的X射线频率的平方根与原子序数Z成线性关系，变即vkZb，比喻对K线，Moseley得到一个经验公式1620.24810(1)()KvZHz（1）第二节：X射线的产生机制第六章:X射线连续谱标示谱上一页下一页首页22()nZERhcnKhv21EE事实上，这个公式可以从玻尔理论得到，根据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中n能级的状态相似，所以n能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：式中σ反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子感受到的有效电荷是Z-σ，这样当n=2上的电子向n=1跃迁产生K线时，我们有实验表明1，将其余常数代入得Kv（2）（3）第二节：X射线的产生机制第六章:X射线连续谱标示谱22211()()12RhcZ1620.24610(1)()ZHz上一页下一页首页4.线状谱的标记方法前面提到，X射线标识谱分为K,L,M,……等线系，每一系的谱线也分:α,β,γ,δ,ε,……等。但是，能级并不只与主量子数n有关。还与l,j有关，所以谱线被标记为,,(1,2,)iiKKi等。第二节：X射线的产生机制第六章:X射线连续谱标示谱上一页下一页首页klM5、标识谱产生的其它效应1）俄歇(Auger)电子当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生X射线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称AugerL电子。比如，L电子向K层跃迁所产生能量将M电子kEkL电离，则相应的俄歇电子动能为：第二节：X射线的产生机制第六章:X射线连续谱标示谱kME上一页下一页首页其中分别是K、L、M壳层中电子的结合能，而这些能量是由元素本性决定的，所以也是由元素本性决定的，它可以作为元素的标识。因此Auger电子测量可作为分析元素的手段之一；kLMkE、、第二节：X射线的产生机制第六章:X射线连续谱标示谱上一页下一页首页2）核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，使原子核跃迁到激发态。以上两个效应，分别是法国物理学家Auger和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产生的辐射。称同步辐射，这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。同步辐射第二节：X射线的产生机制第六章:X射线连续谱标示谱上一页下一页首页第三节：Compton散射前面我们讨论了X射线波的一面，事实上，X射线还有粒子性的一面，下面1.我们将要讨论的是X射线的粒子性。按照经典理论，光在介质表面反射后,其频率是不会改变的。然而Compton在X射线与物质散射的实验里却发现，被散射的X射线中，除了与入射X射线具有相同波长成分外，还有波长增加的部分出现，且这部分X射线的波长因散射角的不同而异。——这被称作Compton效应。它是经典理论所无法解释的。而量子理论可给予圆满的解释。光子的描述量子的解释有关的讨论第六章:X射线上一页下一页首页Ehv2Ep光子的能量的动量：按照Einstein的光子理论，光子的能量为按相对论的能量关系对于光子00m所以光子动量第三节：Compton散射第六章:X射线光子的描述量子的解释有关的讨论24220mccpEcpEch上一页下一页首页epppCompton认为，X射线在物质表面的散射实际上是光子与电子的碰撞过程。碰撞中能量和动量守恒。Compton散射设入射光子能量为hv，动量，散射光子能量为动量；初时电子静止，散射后质量m，动量则守恒关系为：其中写成标量式后，上式化为：phvpep220hvmchvmcm光子的描述量子的解释有关的讨论第三节：Compto