X射线的产生机制

内容提要：1、第七章X射线的产生；2、X射线的发射谱；3、与X射线有关的原子能级目的要求：1、了解X射线产生机制和特征；2、掌握同X射线有关的原子能级；重点难点：1、X射线有关的原子能级回主页教学内容：在第一章中提出了原子的核式结构，采用的研究方法是碰撞方法，接下来的几章都是用光谱方法研究原子中的电子的运动情况，但都只考虑了原子的价电子（最外层的电子），上一章我们学习了原子的总体结构问题，讨论了各种元素原子核外电子的分布情况（不仅仅是最外层）。那么这些原子的内层电子结构情况又是怎么得来的呢？这就是第八要讨论的问题，通过X射线对原子结构问题进一步研究。因为X射线谱的某些特性反映了原子内部结构的情况。一、X射线的产生、波长和强度测量X射线的发现是科学界的10大偶然发现之一。X射线又称为伦琴射线，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线管附近的荧光屏上发出了荧光。当时阴极射线的研究是一个热门课题，这种现象在伦琴之前就有好几个人发现过，但只有伦琴抓住了这一偶然发现，首先当时已经证明，阴极射线只能在空气中传播几个厘米，而伦琴发现将荧光屏放在离阴极射线管两米多时，仍能发出荧光。因此伦琴断定这是一种新的射线，由于当时不知道它的本质，所以称为X射线。后来1897年汤姆孙发现阴极射线就是高能电子束（电子的发现），也就是说X射线是因为阴极射线管的阳极受到高能电子轰击时发出一种新射线使屏光屏发光的。其实同样原理的实验设备或装置可以作很多研究工作。所以我们不要以为现在物理领域已经没有新发现了，恰恰相反，现在很多搞物理研究的工作学者是在使用已成熟的实验装置，并从中研究不同的实验现象和物理规律。说不定哪一天有大的突破。就如这一个简单的阴极射线管，经过科学家的稍加改造，导致了多项大的发现，一起揭开近代物理的序幕。1895年，电压几千伏到几十万伏，电子直拉打在阳极上；（发现X射线）1897年，没加电压，靠初速度，受电场作用，研究偏转情况；（证明电子的存在）1914年，电压几十伏，电子与气休原子发生碰撞，把能量给气体激发原子。（夫兰克赫兹实验，证明了原子能级的存在）说到这，想告诉同学们的是，我们学原子物理这门课，不光是要重视实验，还要知道模型在原子物理或微观领域的重要性。建立模型不但在宏观物理现象（比如：质点、刚体、点电荷等理想模型）的研究中起着简单化作用，在微观物理现象的研究中，也同样是研究的手段和方法，甚至可以说是必经之路。因为微观物质，我们看不见、摸不着、听不见，即没有感性的认识，从而不能形成直观的图像，还真的需要经典模型和用宏观物质概念来描述微观结构。可以这么说：模型是在大量实验事实基础上概括总结而成的对微观物质结构认识的反映，通过模型把实验事实与物质结构及其运动联系起来。比如前面学过的：卢瑟福的原子有核模型：α粒子的大散射实验→原子的核式结构玻尔的氢原子圆轨道模型：原子光谱实验→原子的电子运动原子的壳层模型：原子化学、物理性质的周期性实验→X射线的发射谱→原子的电子壳层排布结构虽然不要这些模型，用量子力学也可以全部推出这些内容，但模型仍不失为具有物理图象简明、计算简单的优点。以上都是题外话。现在我们转入正题。回来继续讨论X射线，自从发现X射线后，人们对它的本质在很长一段时间内未能取得进展。当时有很多科学家猜想它可能与光一样是一种电磁波，但当时未能观察到与光一样的衍射现象，直到1912年德国物理学家劳厄用晶体观察到了X射线的衍射现象，证明了X射线同光一样也是一种电磁波，具有干涉、衍射、偏振等波动的特性，而且具有很强的穿透能力。对X射线波长的测定就是通过它的衍射原理来进行的。但是由于X射线的波长很小，所以它的衍射现象并不明显，（大家在做光学实验时，知道光栅方程为，波长越小，则衍射角越小），对X射线，要能够观测到明显的衍射现象，必须要有足够小的光栅常数。普通的光栅是达不到要求的，怎么办呢？（先提前说一下，X射线的波长约为1埃的数量级，与我们学过的谁的尺寸同一个数量级？原子的大小）kdsin利用晶体中有规则排列的原子可形成X射线的光栅。如图所示。晶体：原子、离子或分子按一定空间次序排列而成的固体。现在考虑同一X射线束中的两条射线1和2，分别落在两个相邻原子A和B上，射线将向知个方向衍射，现在只考虑其中一个方向，什么方向呢？就是与入射方向对称的方向，如图1’和2’。则这两射线的波程差为，当波程差时，出射射线就会加强。这个公式称为布喇格公式。（它的具体推导可参考杨福家的原子物理学，教材的8。6节，或赵凯华的光学下册中也有较详细的介绍）sin2dndsin2由这个公式，我们可以作很多工作。a.已知晶体的晶格常数d和θ角，可得波长，研究未知X射线；b、目前X射线有很多的应用。如在医学和生命科学中，大家体检时所做透视、拍X光片，还有大家知道20世纪生命科学中最伟大的发现是什么吗？DNA双螺旋结构，它的提出过程中用到的一种方法就是分析DNA分子的X光衍射谱。C、X射线还有其它的一些应用，如工业探伤等。所以说物理学是其它科学技术的基础。二、X射线的发射谱利用前面讲的晶体衍射法（如图8。4所示），可以记录下X射线的谱线，谱线不同位置相当于不同的波长。实验发现，同一种阳极材料受到高能电子轰击时，会发出多种波长的X射线，与光谱一样。如图8.6所示。X射线谱是由两部分构成的，一部分是波长连续变化的，称为连续谱，另一部分是具有各别波长的线状谱，这又称为标识谱（因为它是和原子结构有关的，结构类似的原子发出X射线的标识谱也类似）．标识谱重叠在连续谱上．连续谱比较弱，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，也可以照出连续谱。如图8.7所示。当阴极射线管阴极和阳极间的电压较小是，只发出连续谱，当电压加大是，既有连续谱也有标识谱。下面分别讨论这两种谱的情况：三、X射线的产生机制1．连续谱的产生机制及其特点经典电动力学的结论：带电粒子（阴极射线或电子）加速后获得一定能量打在阳极上时，与原子发生碰撞，受到原子核的库仑作用，引起带电粒子的骤然减速，减少的能量必以辐射的方式出来。因为电子进入靶子内可以达到不同的深度，或者说它的速度变化是连续的，损失的能量是连续的，辐射的能量当然就是连续的，所以辐射的X射线具有连续谱的性质。所以说：连续谱是由轫致辐射，或刹车辐射引起的。由此可知，连谱谱X射线的能量等于电子的损失的能量。因此，它的最短波长的X射线的能量等于电子到达阳极时的能量Ve,V为射线管上所加的电压。即：minhcVehcmin因此，连续谱X射线的短波限与发射X射线的材料无关，而只与电压有关。2、标识谱的产生机理当射线管上的电压曾加到一定数值时，将产生比连续谱强得多的标识谱。它叠加在连续谱上，如图8.7所示。谱线的波长决定于靶材，每一种元素有一套特定波长的X射线谱，成为这一元素的标识，所以称为标识谱。特点：X射线标识谱光学光谱各元素的标识谱都有相似的结构只有同族元素有相似光谱结构无周期性有周期性结构简单结构复杂与化学成份无关与化学成份有关由内层电子跃迁产生由价电子跃迁产生正是由于内层电子都是满壳层的，各种元素内层电子的能级状态都是一样的，所示都有类似的结构，所不同的是由于原子核的电荷数不一样，所以能级的数值不同，所以标识谱的波长有所不同。所以我们说这一章是验证上一章理论的实验研究。3、产生X射线的电子跃迁内层电子跃迁的条件：要有空位内层电子是填满的．根据泡利原理不可能再加电子，例如第一层只能最多容两个电子，不可能再填第三个．外层的电子要跃迁到这里，必须先有电子空位，要电子跃迁到哪层，必须先使那一层有一个空位，如图所示。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，使它受高能电子碰撞而发出射线，这是一般产生X射线的方法。后一方法是利用一种X射线，照射另一种要研究的材料，内层电子吸收X射线的能量变成光电子，产生一个空位。有了一个空位后，外层的电子就要往里跃迁，从而发出新的X射线。K线系：当第一主壳层（K层）出现空位时，外层电子跃迁过来产生的X射线第二（L层）→第一层（K层）：产生Kα线第三（M层）→第一层（K层）：产生Kβ线第四（N层）→第一层（K层）：产生Kγ线…L线系：当第二主壳层（L层）出现空位时，外层电子跃迁过来产生的X射线第三（M层）→第二层（L层）：产生Lα线第四（N层）→第二层（L层）：产生Lβ线第五（O层）→第二层（L层）：产生Lγ线…M线系…4、莫塞莱定律英国物理学家莫塞莱研究了从铝到金的几十种元素的X射线标识谱波长，于1913年总结出莫塞莱定律：标识谱K线系的频率与元素的原子序数Z的平方成正比。如图8.8所示，随着原子序数Z的增加，谱线的波长在减小。又如图8.9所示。思考题：从哪一元素开始预期能出现X射线的K线系，哪一元素出现L互系？内容提要：1、同X射线有关的原子能级；2、X射线的吸收；3、康谱顿效应目的要求：1、掌握同X射线有关的原子能级；2、掌握康普顿效应；重点难点：1、X射线有关的原子能级上节课我们学习了产生X射线的实验、测量波长的方法以及产生X射线标识谱的电子跃迁情况。我们知道了X射线的标识谱的波数（频率）与原子序数的平方成正比。为什么会有这样的规律呢？波数取决于原子跃迁前后的能级，所以要搞清楚原子中内层电子跃迁的原子能级。一、与X射线有关的原子能级在发出X射线的标识谱之前，首先要使原子的内层电子产生空位，这需要的能量比前面我们学的产生光谱的激发能量和把价电子电离的能量都要大得多。以镉原子为例，如图所示。隔（Z=48）原子处在基态时，最外层是两个5s电子（见P208），内部各层都是排满了的，第5主壳层的第1次壳层也是满的，所以原子的总自旋量子数S=0，总角量子数L=0，总量子数J=0，所以原子态为1S0。如果给原子的能量（碰撞电子的能量）比较小，就只能使最外层的一个电子跃迁到更高的能级上（激发态），这时再往回跃迁就发出普通的光谱。当给原子的能量达到8.99eV时，将有一个5s电子被电离，只剩下一个5s电子，其它层层仍是满的，原子的能级由这个5s电子决定，S=1/2，L=0，J=1/2，所以原子态为212S当原子吸收的能量（碰撞电子的能量）比较大时，就可以使内层的电子电离。达到13eV时，将使一个4d电子电离。4d壳层填满时为10个电子，现在只剩下9个，电子态为4d9，它的原子态是什么呢？直接用9个电子偶合出一个原子态，是一个比较麻烦的事。但是我们可以用一个技术巧：满壳层时的轨道角动量、自旋角动量和总角动量都等于0，也就是说总的L=0，S=0，J=0，而10个电子的总角动量是由前面9个电子的总轨道角动量和第10个电子的角动量的矢量和。也就是说：，所以，也就是说9个4d电子的总轨道角动量和一个4d电子的轨道角动量大小是相等的，只是方向相反罢了。所以=201019PPP19PP同理=1/2，=5/2，3/2所以原子态为，是一个双重态。由此可知：满壳层缺少一个电子形成的原子态和该壳层具有一个电子形成的原子态是相同的。当给原子提供更大的能量时，能使原子更深层的电子给电离出去，使原子跃迁到更高的能级上，如图所示，左边向上的箭头表示，原子吸收能量使内层电子电离的过程。其中使最内层（K层）1s的电子电离需要最大的能量（需要268keV），原子也跃迁到了最高的能级，称为K吸收；使L层的电子电离能量要小得多(只需要几千电子伏)；使M层电子电离只要几百电子伏就够了。从各个完整的壳层电离一个电子后形成的原子态如图中最右边标示。图中右半部分向下的箭头表示，原子的内层电子出现空位后，原子处在一高能态，外层电子向内层跃迁填补空位时，能级向下跃迁，而产生X射线的过程。这里原子态之间跃迁时也要遵守选择定则，与光谱情况相同：正是由于X射线的标识谱线是原子内层结构情况的反映，因此对它的研究成为人们了解原子内部壳层结构的一个重要手段。二、X射线的吸收谱X射线波长很短