《原子物理学》第八章-X射线课件.ppt

1、第8章 x射线8.1 X射线的发现及其波性8.3 康普顿效应X射线的发射谱 8.2教学内容8.4 X射线的吸收8.5 X射线的应用第八章 X射线第8章 x射线教学要求（1）了解）了解X射线发现的实验事实、产生方法，掌握射线发现的实验事实、产生方法，掌握X射线的射线的连续谱与标识谱的特征和产生的机制，解释同连续谱与标识谱的特征和产生的机制，解释同X射线有关射线有关的原子能级产生的原因。的原子能级产生的原因。（2）了解）了解X射线的吸收的规律，掌握康普顿散射，理解光射线的吸收的规律，掌握康普顿散射，理解光子与物质的相互作用，了解子与物质的相互作用，了解同步辐射装置的原理与应同步辐射装置的原理与应用

2、。用。（3）了解）了解X射线在晶体中的衍射的规律。射线在晶体中的衍射的规律。第8章 x射线3重点重点 X射线连续谱与标识谱及产生机制射线连续谱与标识谱及产生机制 莫色勒定律莫色勒定律 康普顿散射康普顿散射 4难点难点 X射线的连续谱与标识谱产射线的连续谱与标识谱产生机制生机制 莫色勒定律莫色勒定律 康普顿散射康普顿散射第8章 x射线 8.1 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性一、电磁波谱一、电磁波谱二、二、X X射线的发现射线的发现三、三、X X射线的衍射射线的衍射四、四、X X射线的偏振射线的偏振第8章 x射线光学光谱光学光谱:原子受激发原子受激发,价电子跃迁所获得的谱。价电子跃迁所获得

3、的谱。(从红外线从红外线-可见光可见光-紫外线：紫外线：10-310-9米）米）一、电磁波谱一、电磁波谱:原子光谱原子光谱X射线光谱：原子内壳层电子跃迁所获得的谱。射线光谱：原子内壳层电子跃迁所获得的谱。第8章 x射线二、二、X射线的发现射线的发现 克鲁克斯设计了高真空的阴极射线管，后人称克鲁克鲁克斯设计了高真空的阴极射线管，后人称克鲁克斯管。克斯管。1879年他证明了阴极射线是带电的粒子流（后年他证明了阴极射线是带电的粒子流（后汤姆孙进一步确认为是电子）。他还同时抱怨阴极射线汤姆孙进一步确认为是电子）。他还同时抱怨阴极射线管附近使照片发生莫名其妙的感光一事。管附近使照片发生莫名其妙的感光一事

4、。1895年，年，伦琴伦琴用黑纸把阴极射线管包起来，发现用黑纸把阴极射线管包起来，发现1m远处的荧光屏上远处的荧光屏上发出微弱的荧光，甚至将屏移出发出微弱的荧光，甚至将屏移出2m之外还有荧光出现。之外还有荧光出现。经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，因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此赋予它一个神秘的名字-X射线射线。1.X射线的发现射线的发现第8章 x射线 该照片在医学上具有划时代意义。该照片在医学上具有划时代意义。1895年年12月月28日，伦日，伦琴宣读了琴宣读了论新的射线论新的射线；1901年获第一个诺贝尔物理奖。年获第一个诺贝尔物理奖。

5、第8章 x射线性质：穿透性很强；性质：穿透性很强；对动植物组织有刺激作用。对动植物组织有刺激作用。本质：本质：X射线具有光所具有的一切性质：反射，折射线具有光所具有的一切性质：反射，折 射，射，偏振等，所以偏振等，所以X射线从本质上来说是一种电磁波但其波长射线从本质上来说是一种电磁波但其波长比通常的光波要短的多。比通常的光波要短的多。X射线的波长范围在射线的波长范围在0.001nm到到1nm或更长一点。或更长一点。当当 称称硬硬X射线射线；称称软软X射线射线。使气体电离；使气体电离；使照相底片爆光；使照相底片爆光；X射线的产生射线的产生:X射线由射线由X射线管射线管产生。产生。使荧光屏发出荧光

6、；使荧光屏发出荧光；Anm11.0Anm11.0第8章 x射线阴极电子真空管X射线图图 X 射线管示意图射线管示意图第8章 x射线三、三、X射线的衍射射线的衍射 直到直到1912年，劳厄指出年，劳厄指出X射线是波长很短的电磁波。他射线是波长很短的电磁波。他借助晶体天然光栅观察借助晶体天然光栅观察X射线的衍射。证明了射线的衍射。证明了X光的波动光的波动性。劳厄因研究晶体的性。劳厄因研究晶体的X射线获射线获1941年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。第8章 x射线X 原理：利用原理：利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长，晶射线在晶体的衍射可以测定它的波长，晶体作为立体光栅，一束体作为立体光栅，一束X

7、射线射入晶体，发生衍射时，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线的倾角相等的X射线，满足射线，满足布拉格公式布拉格公式 n=2dsin n=1、2、.出射线就会加强。出射线就会加强。已知晶格常数已知晶格常数d，测出，测出 值及其对应的值及其对应的n值，代值，代入布拉格公式，求出入布拉格公式，求出。第8章 x射线1,2,32nndsin在在 方向衍射的方向衍射的X光将得到加强。该式称光将得到加强。该式称布喇格公式布喇格公式。用布。用布喇格公式可以计算晶面距。反之，若已知喇格公式可以计算晶面距。反之，若

8、已知d，还可以确定，还可以确定X射线的波长。射线的波长。晶体可形成许多不同取向的晶面。晶体可形成许多不同取向的晶面。X射线经晶面距射线经晶面距为为d的晶面反射时，凡光程满足的晶面反射时，凡光程满足v测定强度：由谱线的深浅程度可以测出相对强度。测定强度：由谱线的深浅程度可以测出相对强度。第8章 x射线Na离子Cl离子NaCl晶体结构例如例如1(g)的的NaCl(A=58.5)，其密度，其密度=2.163(g/cm=2.163(g/cm3 3)，所以分，所以分子数密度为子数密度为ANnA5.58163.21002.6221233ndd原子间距由原子间距由给出，给出，d=0.282nm。从而在给定从

9、而在给定下可确定下可确定X射线的波长射线的波长。第8章 x射线S1S2AA1OCPX射线摄谱仪示意图1,2,32nndsin第8章 x射线X射线在晶体中的衍射结果射线在晶体中的衍射结果1）.劳厄相片法劳厄相片法劳厄等人，劳厄等人，1912年使用连续波长的年使用连续波长的X射线对单晶做了衍射射线对单晶做了衍射实验。实验。劳厄斑点对应晶面，劳厄斑点对应晶面，位置反应晶面的方位置反应晶面的方向。向。第8章 x射线2）.多晶粉末法多晶粉末法德拜等人，德拜等人，1916年发明了多晶粉末法。年发明了多晶粉末法。一个同心圆环对应一个同心圆环对应一组晶面，环的强一组晶面，环的强弱反映晶面上原子弱反映晶面上原子

10、的密度。的密度。第8章 x射线X射线的发射谱射线的发射谱 8.2一、一、X射线发射光谱的测量射线发射光谱的测量二、二、X射线连续光谱射线连续光谱三、三、X射线的特征谱射线的特征谱 (标识谱标识谱)五、关于五、关于x射线的原子能级和能级跃迁图射线的原子能级和能级跃迁图四、莫塞莱定律四、莫塞莱定律第8章 x射线一、一、X射线发射光谱的测量射线发射光谱的测量 X射线发射光谱射线发射光谱 X X射线谱由两部分组成：波长连续变化的射线谱由两部分组成：波长连续变化的连续谱连续谱和和由分立谱组成的由分立谱组成的特征谱特征谱或称或称标识谱标识谱。X射线连续光谱射线连续光谱 两类两类 X射线的特征谱射线的特征谱

11、 (标识谱标识谱)第8章 x射线X射线发射谱（a）钨靶，不同的外加电压；（b）钨靶和钼靶，固定的外加电压第8章 x射线3.产生机制产生机制:快速电子射到阳极上快速电子射到阳极上,受到阳极中原子核的库受到阳极中原子核的库 仑场作用就会骤然减速仑场作用就会骤然减速;由此伴随产生的辐射由此伴随产生的辐射 称称之为之为轫致辐射轫致辐射。二、二、X射线连续谱射线连续谱 1.产生条件产生条件:仅当电子的能量不超过某一限度时仅当电子的能量不超过某一限度时,才只发才只发 射连续谱。射连续谱。2.特特 征征:强度随波长变化强度随波长变化,在某一波长处在某一波长处,强度有极值强度有极值 在长波方面强度降落缓慢在长

12、波方面强度降落缓慢,在短波方面强度降在短波方面强度降 落较快落较快,且有明显的极值，最短波长且有明显的极值，最短波长 极小极小。极小与材料无关极小与材料无关,只与加速电压有关只与加速电压有关,当当加加 速电压增高时速电压增高时 极小极小减小减小。由于电子速度连续变化，所以产生由于电子速度连续变化，所以产生连续谱连续谱。第8章 x射线 连续谱的能量来自电子动能连续谱的能量来自电子动能,因而因而 极小极小 与阳极材料无关。与阳极材料无关。由能量守恒由能量守恒:1/2 mv2=eV=hc/+消耗在靶上的热能消耗在靶上的热能通常通常:eV=h =hc/（为转化为光子能量的比例系数为转化为光子能量的比例

13、系数)当当 =1,eV=hc/极小极小 =0,eV=h =00 1 eV =hc/连续变化连续变化 是连续变化是连续变化它是加速电子全部动能转换成辐射能所对应的波长。它是加速电子全部动能转换成辐射能所对应的波长。nm(kV)1.24minVeVhc 第8章 x射线电子离子光子图 轫致辐射第8章 x射线三、三、X X射线的特征（标识）谱射线的特征（标识）谱 X射线特征谱是巴拉克于射线特征谱是巴拉克于1906年发现的。他观察到连续年发现的。他观察到连续谱上出现一系列分立谱线，并用谱上出现一系列分立谱线，并用K、L、M字母标识，因字母标识，因特征谱的发现使他获特征谱的发现使他获1917年的诺贝尔物理

14、奖。年的诺贝尔物理奖。1913年莫塞年莫塞莱测量了从莱测量了从Al到到Au共共38种元素的种元素的X射线，发现各元素发射射线，发现各元素发射X射线波数的平方根与原子序数成线性关系。射线波数的平方根与原子序数成线性关系。第8章 x射线 每种元素都有一每种元素都有一 特定的波长的线状光谱特定的波长的线状光谱,即即特征特征X射线谱成为这种元素的标志射线谱成为这种元素的标志。1.产生条件产生条件:当电子的能量当电子的能量(加速电压加速电压)超过某一临界超过某一临界 值时值时,除有连续谱外除有连续谱外,还在连续谱的背景还在连续谱的背景 上迭加一些线状谱。上迭加一些线状谱。2.特特 征征:线状谱的位置和结

15、构与阳极材料有关线状谱的位置和结构与阳极材料有关,即不同元素的阳极材料发射的线状光谱即不同元素的阳极材料发射的线状光谱 虽有相似结构虽有相似结构,但波长不同但波长不同,按原子序数顺按原子序数顺 序排列时序排列时,波长依次变化波长依次变化,不显示周期性变不显示周期性变 化。化。第8章 x射线 产生机制产生机制:从阴极发出的高速电子打到阳极上从阴极发出的高速电子打到阳极上,由于电子能量很由于电子能量很高高,它能它能深入到原子的内层深入到原子的内层,将内壳层电子之一击出原子之将内壳层电子之一击出原子之外外,使原子电离使原子电离,并在内壳层出现一个空穴并在内壳层出现一个空穴,当邻近内壳层的当邻近内壳层

16、的电子跃迁到这个空穴时电子跃迁到这个空穴时,就发射出波长很短的就发射出波长很短的 X 射线，由射线，由于内壳层能级分立，所以产生于内壳层能级分立，所以产生X 射线的线状谱，原子序射线的线状谱，原子序数较大的元素，内壳层能级间隔就越大，发出的数较大的元素，内壳层能级间隔就越大，发出的X 射线射线的光子能量高，波长就短，所以波长依次变化，不具有的光子能量高，波长就短，所以波长依次变化，不具有周期性。周期性。第8章 x射线 当内层当内层(如如K层层)电子被电离出现空穴后，上层电子向下电子被电离出现空穴后，上层电子向下跃迁时，跃迁时，除除以辐射以辐射X射线形式外射线形式外，还可以还可以将跃迁释放的能将

17、跃迁释放的能量量电离更高层的电子电离更高层的电子发射发射俄歇电子俄歇电子，或者或者将跃迁释放的将跃迁释放的能量传给原子核，能量传给原子核，使原子核处于激发态使原子核处于激发态。若用。若用K KL LM M分分别表示别表示K、L、M层电子的结合能层电子的结合能(对应电离能；吸收限对应电离能；吸收限)。一般轻元素发射俄歇电子几率较大，重元素发射一般轻元素发射俄歇电子几率较大，重元素发射X射线射线的几率较大。的几率较大。MLKAKE 当当L层电子向层电子向K层层(空穴空穴)跃迁时，使跃迁时，使M层电子电离，发射的俄层电子电离，发射的俄歇电子的动能为歇电子的动能为当当L层电子向层电子向K层层(空穴空穴

18、)跃迁时，辐射跃迁时，辐射X射线才形式释放能量，射线才形式释放能量，在在X射线的波长：射线的波长：LKch第8章 x射线第8章 x射线 X射线各线系的产生射线各线系的产生K KK系线M MM系线L L L系线MLK第8章 x射线四、莫塞莱定律四、莫塞莱定律莫塞莱研莫塞莱研究了一系究了一系列元素的列元素的K线系线系,发发现各元素现各元素的的K线系线系的的光谱项光谱项的平方根的平方根与原子序与原子序数成正比数成正比几种元素的K线系谱，按原子序数的次序上下排列第8章 x射线莫塞莱对莫塞莱对K线的波数总结出以下的公式：线的波数总结出以下的公式：莫塞莱公式莫塞莱公式(上式上式)与类氢光谱公式相一致，与类

19、氢光谱公式相一致，2221)-)(21-11(ZRK 这表明：这表明：KX射线是内层电子从射线是内层电子从n2到到n=1跃迁产生的。跃迁产生的。因子（因子（Z-1）理解为当）理解为当n=1(K)壳层中一个电子被电离后，壳层中一个电子被电离后，n=2(L)壳层电子感受到（壳层电子感受到（Z-1）核电荷库仑作用。它也指出要）核电荷库仑作用。它也指出要发射发射KX射线，必须从射线，必须从n=1壳层事先电离出一个电子成电壳层事先电离出一个电子成电离状态，其电离能或阈能是从离状态，其电离能或阈能是从n=1移去一个电子所需的能量。移去一个电子所需的能量。而而KX射线的能量是电子从射线的能量是电子从n1到到

20、n2层的能量差值。层的能量差值。4321,)-)(Z1-11(k2k22、nnRkK线的波数则表示为：线的波数则表示为：第8章 x射线那么将那么将L壳层一个电子电离后，产生的壳层一个电子电离后，产生的L线系的波数可表示为线系的波数可表示为5437.4,)-)(1-21(222、nZnRLLL 原子光谱是原子最外层电子跃迁原子光谱是原子最外层电子跃迁的结果，的结果，外层电子组态的周期性决定外层电子组态的周期性决定了元素性质的周期性了元素性质的周期性。X射线是内层射线是内层电子的跃迁的结果。电子的跃迁的结果。随随Z呈线性关呈线性关系系(见图见图)。说明它受外层电子影响很。说明它受外层电子影响很小，

21、只受原子核的影响。小，只受原子核的影响。莫塞莱图提莫塞莱图提供了从实验测定原子序数供了从实验测定原子序数Z的一种有的一种有效方法效方法。历史上正是他首次纠正了。历史上正是他首次纠正了27Co，28Ni在周期表的次序在周期表的次序。第8章 x射线给出给出由莫塞莱由莫塞莱 线公式线公式K2221)-)(Z21-11(RKA1.66Ni28A1.79Co72A3.74K19A4.194Ar181121.6Z 早期元素周期表是按原子量大小顺序排列的。如早期元素周期表是按原子量大小顺序排列的。如K(A=39.1)在在Ar(A=39.9)前前；Ni(A=58.7)在在Co(A=58.9)前。由莫塞莱图给出

22、前。由莫塞莱图给出 KX射线波长是射线波长是Ar:4.19 ；K:3.74 ；Co:1.79 ；Ni:1.66 。A。A。A。A第8章 x射线90807060504030201002g19080706050403020100X射线K线系莫塞莱图2g110 20 30 40 50 60 70 80 90第8章 x射线五、五、关于关于x x射线的原子能级和能级跃迁图射线的原子能级和能级跃迁图能级结构与碱金属能能级结构与碱金属能级结构类同，级结构类同，X射线是射线是内层电子的跃迁。内层电子的跃迁。少一个电子的原子态（即电少一个电子的原子态（即电离态）与只有一个电子（碱离态）与只有一个电子（碱金属）的

23、原子态相同。金属）的原子态相同。第8章 x射线K吸收限 电离能(ev)26.7124.0193.7273.5330.7810.6660.6320.42300.420n l j 1 0 1/22 0 1/22 1 1/22 1 3/23 0 1/23 1 1/23 1 3/23 2 3/23 2 5/2基态MLKL吸收限M吸收限Cd的电离态能级 电离能是使某壳层一个电离能是使某壳层一个电子被电离所需的能量；电子被电离所需的能量；也是该壳层电子的结合也是该壳层电子的结合能。若用光子电离能。若用光子电离(共振共振吸收吸收)该能量又称该能量又称吸收限吸收限。为了描述内层电为了描述内层电子向子向“下下”

24、的跃的跃迁，需将上图倒迁，需将上图倒转。转。当某壳层的一个电子被电离后，原子处于电离态。当某壳层的一个电子被电离后，原子处于电离态。K层的层的电离态电离态的能级与中性原子未电离的基态能相比为最高。的能级与中性原子未电离的基态能相比为最高。L层的电离态能级层的电离态能级次之，形成电离态能级如图所示。次之，形成电离态能级如图所示。第8章 x射线电子跃迁后的末态为电子跃迁后的末态为K、L、M时，时，对应的对应的X射线分别称射线分别称K线系，线系，L线系，线系，M线系线系，同一个线系中用同一个线系中用，表示不同表示不同的上能级向同一下能级跃迁的谱线。的上能级向同一下能级跃迁的谱线。在在K线中还有两条线

25、中还有两条K1，K2线对应线对应 2P3/2和和2P1/2向向下的跃迁。下的跃迁。X射线特征谱的选择射线特征谱的选择定则也与碱金属光定则也与碱金属光谱相同，谱相同，11;,0jl第8章 x射线 8.3 康普顿效应一、康普顿效应二、康普顿散射公式第8章 x射线 1923年，康普顿在研究X射线经物质的散射实验中发现，散射的X光除有原入射波长成分外，还有波长较长的部分，其波长差随散射角而变。2sin2 一、康普顿效应第8章 x射线 经典瑞利散射不能解释散射波长随的变化，康普顿应用了爱因斯坦的光子概念，认为X射线经物质的散射是光子与外层电子（可视为自由电子）的碰撞过程。在碰撞中遵从能量和动量守恒（见右

26、图）二、康普顿散射公式第8章 x射线22mchcmhovmnhnh)1-1()-(222hccmhcmmcoohcmchhccmcvmcoo32222222222cos21)2()()-(1)(平方2232222)1-1()()1-1(2)()(hchcmcmmcoo1cos2)()()(2222hhhmv212)c2得：(第8章 x射线cos1 hcmo2sin2)cos-(12cc 0.00243nm5111.242cmhccmhooc康普顿波长康普顿散射公式意义：用光子概念成功地解释了X光的散射实验，这是继光电效应之后，再次证明光的粒子性。并指出像光子、电子这样的微观粒子也服从守恒律。康

27、普顿散射是X光与物质相互作用的一种形式。第8章 x射线 由于X光子能量很高，被碰电子有反冲，其反冲动能可由能量守恒给出hhEr )cos-(1c )cos-(11112cmhho )cos1(1)cos1(1cos11122rhcmhhcmhhoocoocmhccmhr22由散射公式乘(hc)-1其中第8章 x射线)cos1(1)cos1(rrhhhErcrrrhE2212 ;max2cmhro rhErhErr22 maxmax,hEr max于是反冲能为当 时，有最大的反冲能 还不难看出，若 很小，则 很小。这表明光子能量较小时，或碰较重的粒子时，反冲较小，光子丢失的能量很小，散射基本上是

28、相干散射；相反，当h 很大时，会有第8章 x射线 8.4 X射线的吸收射线的吸收一、一、X X射线的吸收律射线的吸收律二、光与物质相互作用二、光与物质相互作用X X射线吸收的射线吸收的几种方式几种方式三、吸收限及其应用三、吸收限及其应用第8章 x射线 是吸收长度，即通过是吸收长度，即通过xo厚度的吸收体后，强度为厚度的吸收体后，强度为入射强度的入射强度的e1(37)；改写因子改写因子 ，是吸收体密度是吸收体密度,(mg/cm(mg/cm2 2)称称质量厚度质量厚度，/(cm(cm2 2/mg)/mg)称称质量吸收系数质量吸收系数。上式还可写成。上式还可写成dxxIdI)(000)(xxeIeI

29、xIxxx xeII0一、一、X X射线的吸收率射线的吸收率 当一束强度为当一束强度为Io的的X光通过厚度为光通过厚度为dx的吸收体后，强度减的吸收体后，强度减少量少量dI正比于正比于dx和强度和强度I(x)之乘积，引入之乘积，引入吸收系数吸收系数，有，有朗伯比耳定律朗伯比耳定律1ox积分给出积分给出第8章 x射线 当X射线由低能光子组成(一般不超过150Kev)时，这时不会发生电子偶效应。但相干的瑞利散射是重要的，因此吸收系数为对偶康光电相干康光电 二、二、光与物质相互作用光与物质相互作用-X-X射线吸收的几种方式射线吸收的几种方式 光与物质作用主要有以下三种形式：光电效应光子与束缚电子作用

30、，光子被完全吸收；康普顿效应光子与自由电子的散射；电子偶效应当光子的能量大于电子的静止能量的两倍时(即1.02MeV)，光子在原子核场附近可将全部能量转化为正、负电子对。这三种作用对应的吸收系数分别为 光电,康,对偶，总的吸收系数是第8章 x射线 其中 代表吸收体内第j元素的质量吸收系数，wj是它所占重量百分比（）。jjjw1jw 假若吸收体由j种不同纯元素均匀混合而成，那么该吸收体的质量吸收系数为j第8章 x射线在低能部分，吸收系数在低能部分，吸收系数主要贡献者是光电效应；主要贡献者是光电效应；高能部分，主要贡献者高能部分，主要贡献者是康普顿效应是康普顿效应第8章 x射线三.吸收限（又称吸收

31、边缘）及应用 从上图不难看出，吸收系数随X光子能量增加而下降，这是由于X光子能量越高，其穿透性越强。仔细观察会发现，图中有几处突变。它们对应K、L、M吸收线。K、L、M吸收限是X光子分别使K层、L层、M层一个电子电离发生共振吸收的能量。的突变即吸收限的出现，再证明原子内部电子的壳层结构。第8章 x射线吸收限在测量中的应用之一吸收限在测量中的应用之一过滤片过滤片 元素的吸收系数元素的吸收系数 随随E的下降曲线有三处突变分别称的下降曲线有三处突变分别称K、L、M吸收线限。在吸收限的两侧吸收系数吸收线限。在吸收限的两侧吸收系数 值十分悬值十分悬殊，因此可用作殊，因此可用作“滤波器滤波器”。例例第8章 x射线另一个在医学上的应用心血管造影术另一个在医学上的应用心血管造影术双色数值减除造影术双色数值减除造影术