原子物理學(xué) 第六章

1、第六章第六章 X射線射線760nm400nm 可見光可見光 電電 磁磁 波波 譜譜紅外線紅外線 紫外線紫外線 射射 線線X射線射線長波無線電波長波無線電波61010101410181022102104108101210161020102410010頻率頻率Hz1610810波長波長m4104100108101210短波無線電波短波無線電波無線電波無線電波cm1 . 0m1034760nmnm1065nm400nm760可見光可見光紅外線紅外線400nm1nm1nm0.001nm0.001nm紫外光紫外光x 射線射線 射線射線X射線的波長范圍：射線的波長范圍： 0.001nm1nm 硬硬X射線：

2、波長較短的硬射線：波長較短的硬X射線能量較高，穿射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無損探傷及金透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。屬物相分析。 0.001nm0.1nm 軟軟X射線：波長較長的軟射線：波長較長的軟X射線能量較低，穿透射線能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。性弱，可用于分析非金屬的分析。 0.1nm1nm6.1 X射線的發(fā)現(xiàn)及其波性射線的發(fā)現(xiàn)及其波性 陰極射線管產(chǎn)生未知射線，有極強(qiáng)的穿透陰極射線管產(chǎn)生未知射線，有極強(qiáng)的穿透性，可以使熒光屏產(chǎn)生熒光，使膠片感光。性，可以使熒光屏產(chǎn)生熒光，使膠片感光。因此稱之為因此稱之為X光。光。1 X射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)

3、現(xiàn)1895年年11月月8日日1895年，年底年，年底Rntgen 論新的射線論新的射線，及照片。，及照片。1896年，維也納醫(yī)院在外科手術(shù)過程中采用該射線年，維也納醫(yī)院在外科手術(shù)過程中采用該射線2. X射線管射線管陰極，陽極（鎢、鉬、鉑等重金屬）陰極，陽極（鎢、鉬、鉑等重金屬）兩極之間加上高壓（兩極之間加上高壓（103V105V）1895年年Rntgen產(chǎn)生的產(chǎn)生的 軟軟X射線射線 3. X射線的波性射線的波性經(jīng)典電動力學(xué)指出帶電粒子做變速運動要輻射電磁波，經(jīng)典電動力學(xué)指出帶電粒子做變速運動要輻射電磁波，X射線為一種電磁波。射線為一種電磁波。觀測不到折射、衍射、反射等波的特性，觀測不到折射、衍

4、射、反射等波的特性，1906年年Barkla實驗顯示了實驗顯示了 X射線的偏振射線的偏振1912年，年，Laue提出提出X射線衍射設(shè)想，射線衍射設(shè)想， Friedrich和和 Knipping實驗證實實驗證實Laue設(shè)想設(shè)想光波是光波是橫波橫波 光的偏振光的偏振 .機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別機(jī)械橫波與縱波的區(qū)別機(jī)械波穿過狹縫機(jī)械波穿過狹縫4. X射線的偏振射線的偏振5. X射線的衍射射線的衍射dLaue建議用晶體作光柵建議用晶體作光柵-3-13 NaCl 2.163 g cm 58.5g mol d 密度摩爾質(zhì)量 分子體積3358.5258.5AAVVNddN0.282 nmd 2 sinsACCD

5、d 2 sin, 1,2,3dnnBragg公式公式 每個亮點為勞厄斑點每個亮點為勞厄斑點,對應(yīng)于一組晶面對應(yīng)于一組晶面. 斑點的位斑點的位置反映了對應(yīng)晶面的方置反映了對應(yīng)晶面的方向向.由這樣一張照片就可由這樣一張照片就可以推斷晶體的結(jié)構(gòu)以推斷晶體的結(jié)構(gòu)(連續(xù)譜連續(xù)譜的的X射線射線)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的的LaueLaue衍射圖衍射圖Bragg公式可以正公式可以正確解釋確解釋Laue的實的實驗結(jié)果。驗結(jié)果。Bragg發(fā)明晶體反發(fā)明晶體反射式射式X射線譜儀，射線譜儀，并用于晶體結(jié)構(gòu)并用于晶體結(jié)構(gòu)分析。分析。實驗證實實驗證實NaCl晶晶體中只有體中只有Na+和和Cl-Debye和和Scherrer提出多晶

6、粉末法提出多晶粉末法NoImageNoImage2 sin, 1,2,3dnnRdd6.2 X射線產(chǎn)生的機(jī)制射線產(chǎn)生的機(jī)制1. X射線的發(fā)射譜射線的發(fā)射譜測量測量X射線發(fā)射譜的裝置示意圖射線發(fā)射譜的裝置示意圖X射線發(fā)射線發(fā)生器生器分光計分光計記錄記錄儀儀X射線的發(fā)射譜射線的發(fā)射譜連續(xù)譜：波長連續(xù)變化連續(xù)譜：波長連續(xù)變化最小波長只與外加電壓有關(guān)最小波長只與外加電壓有關(guān)2. 連續(xù)譜連續(xù)譜-軔致輻射軔致輻射連續(xù)譜產(chǎn)生的原因連續(xù)譜產(chǎn)生的原因帶電粒子做變速運動，帶電粒子做變速運動，帶電粒子速度在靶核庫倫場中連續(xù)變化帶電粒子速度在靶核庫倫場中連續(xù)變化軔致輻射：帶電粒子與原子或原子核相碰撞，發(fā)生驟然減軔致輻

7、射：帶電粒子與原子或原子核相碰撞，發(fā)生驟然減 速時，由此伴隨產(chǎn)生的輻射，也叫剎車輻射。速時，由此伴隨產(chǎn)生的輻射，也叫剎車輻射。X射線管內(nèi)的陽極靶多用鎢靶射線管內(nèi)的陽極靶多用鎢靶 74W184 m-1入射帶電粒子輻射強(qiáng)度I Q2靶核電荷輻射強(qiáng)度I實驗發(fā)現(xiàn)實驗發(fā)現(xiàn)連續(xù)譜形狀與靶子材料無關(guān)連續(xù)譜形狀與靶子材料無關(guān)min存在一個最短波長minZ與靶核電荷 無關(guān) minf VDuane 和和 Hunt 分析實驗結(jié)果分析實驗結(jié)果給出經(jīng)驗公式給出經(jīng)驗公式min1.24 nmkVU（*）式給出實驗上精確測量）式給出實驗上精確測量Planck常數(shù)的一個方法常數(shù)的一個方法min的物理意義maxminminmax/

8、hchchchc eEEeUU1.24 nm keVhc min1.24nm *hcUUmin量子極限1915年年Duane和和Hunt 測量測量Planck 常數(shù)，與光電效應(yīng)試驗得出常數(shù)，與光電效應(yīng)試驗得出的一致的一致X射線的產(chǎn)生可視為逆光電效應(yīng)射線的產(chǎn)生可視為逆光電效應(yīng)特征譜：具有分離波長特征譜：具有分離波長（標(biāo)識譜）（標(biāo)識譜）譜峰所對應(yīng)的波長完全譜峰所對應(yīng)的波長完全由靶材料決定由靶材料決定3. 特征輻射特征輻射-電子內(nèi)殼層的躍遷電子內(nèi)殼層的躍遷特征譜線完全由靶材料決定特征譜線完全由靶材料決定特征特征X射線用來作為元素的標(biāo)識射線用來作為元素的標(biāo)識特征譜線由特征譜線由Barkla 在在190

9、6年首年首先發(fā)現(xiàn)先發(fā)現(xiàn)每個元素發(fā)出若干系列特征譜線，每個元素發(fā)出若干系列特征譜線，按貫穿能力分為按貫穿能力分為,KKKLLLL1913年年Moseley測定測定Al-Au 38種元素種元素X射線的特征譜線射線的特征譜線畫出特征譜線頻率的平方畫出特征譜線頻率的平方根根-原子序數(shù)原子序數(shù)ZMoseley的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志X射線射線光譜學(xué)誕生光譜學(xué)誕生2160.248 10 Hz1KKvZbb經(jīng)驗公式經(jīng)驗公式1913年年Bohr理論發(fā)表，理論發(fā)表，Moseley的經(jīng)驗公式可由的經(jīng)驗公式可由Bohr理論導(dǎo)出。理論導(dǎo)出。216222 21110.246 10 Hz12KKvRcZZ216Moseley

10、: 0.248 101 HzKvZ2222113113.61 eV124KERc ZZ特征輻射特征輻射-電子內(nèi)殼層的躍遷電子內(nèi)殼層的躍遷KLMNinKhvETKKLhvEEK射線產(chǎn)生示意圖n=1KE 電離一個的電子所需能量Moseley實驗提供了精確測量實驗提供了精確測量Z的方法的方法元素標(biāo)識譜作為元素的指紋元素標(biāo)識譜作為元素的指紋Moseley實驗：實驗：更正更正27Co與與28Ni在周期在周期表上的位置，指出了表上的位置，指出了43、61、75號元號元素的位置素的位置222111vRc Zmn 產(chǎn)生特征譜線的先決條件：產(chǎn)生特征譜線的先決條件：m層電離一個電子，也就層電離一個電子，也就是產(chǎn)生

11、一個相應(yīng)的空穴是產(chǎn)生一個相應(yīng)的空穴X射線分析的種類：射線分析的種類：I) e-X，用電子束產(chǎn)生空穴，稱之電子，用電子束產(chǎn)生空穴，稱之電子X熒光分析熒光分析II) p-X，用質(zhì)子束產(chǎn)生空穴，稱之，用質(zhì)子束產(chǎn)生空穴，稱之質(zhì)質(zhì)子子X熒光分析熒光分析III) I-X，用離子束產(chǎn)生空穴，稱之離子，用離子束產(chǎn)生空穴，稱之離子X熒光分析熒光分析VI) X-X，用電子束產(chǎn)生空穴，稱之，用電子束產(chǎn)生空穴，稱之X熒光分析熒光分析4. 特征輻射的標(biāo)記方法特征輻射的標(biāo)記方法 n1 K-X射線射線n2 L-X射線射線n3 M-X射線射線n4 N-X射線射線21 K 31 K41K考慮軌道角動量考慮軌道角動量量子數(shù)量子數(shù)

12、L=0, 1J=0, 1X射線的標(biāo)記方法射線的標(biāo)記方法5. Auger電子電子原子殼層中產(chǎn)生空穴后原子殼層中產(chǎn)生空穴后原子能級升高原子能級升高 產(chǎn)生產(chǎn)生X射線射線產(chǎn)生產(chǎn)生Auger電子：電子：k層中有一個空穴，層中有一個空穴，L層電子躍遷到層電子躍遷到K層，層， 釋放的能量使得另一層的一個電子，使其釋放的能量使得另一層的一個電子，使其 脫離原子，該電子被稱為脫離原子，該電子被稱為Auger電子電子aeKLMEKXK KK射線數(shù)層熒光產(chǎn)額空穴數(shù) 較輕元素發(fā)射較輕元素發(fā)射Auger電子的幾率大電子的幾率大 較重元素發(fā)射較重元素發(fā)射X射線的幾率大射線的幾率大對對Auger電子的測量也可以作為分析元素

13、的方法電子的測量也可以作為分析元素的方法6. 電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā)電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā) 電子填充空穴電子填充空穴時，能量轉(zhuǎn)移時，能量轉(zhuǎn)移給原子核，使給原子核，使得原子核躍遷得原子核躍遷到激發(fā)態(tài)到激發(fā)態(tài) 實驗上發(fā)現(xiàn)實驗上發(fā)現(xiàn) 235U 3D3/22P3/2 3/2+概率小概率小10-7 7. 同步輻射同步輻射 424EIR m輻射強(qiáng)度帶電粒子做變速運動，發(fā)出電磁輻射。帶電粒子做變速運動，發(fā)出電磁輻射。 同步輻射：電子在同步回旋加速器（或者其他圓形加速器）同步輻射：電子在同步回旋加速器（或者其他圓形加速器） 中作圓周運動時產(chǎn)生的輻射中作圓周運動時產(chǎn)生的輻射 1947年，朱洪元首先從理論上確定了

14、同步輻射的存在年，朱洪元首先從理論上確定了同步輻射的存在及其所具有的特點及其所具有的特點1947年年4月，美國紐約通用電氣公司的研究人員在調(diào)試月，美國紐約通用電氣公司的研究人員在調(diào)試電子同步回旋加速器時，發(fā)現(xiàn)了同步輻射現(xiàn)象電子同步回旋加速器時，發(fā)現(xiàn)了同步輻射現(xiàn)象同步輻射的特點：同步輻射的特點： 輻射功率大輻射功率大 4kW88.47EPIRkW ; PERI輻射功率； 電子的能量 GeV運動曲率半徑 m； 電子流強(qiáng)度 A超大功率超大功率X光管，電子流為光管，電子流為1A，高壓，高壓50kV，電子束功率為電子束功率為50kW時時, 靶上產(chǎn)生靶上產(chǎn)生10W的的X射線射線20GeV電子同步加速器上，

15、電子流為電子同步加速器上，電子流為1A，半徑，半徑192m，產(chǎn)生產(chǎn)生1500kW的的X射線射線輻射能譜寬輻射能譜寬 同步輻射輻射能譜是連續(xù)譜，同步輻射輻射能譜是連續(xù)譜，X X光管輻射能譜光管輻射能譜集中在特征譜附近集中在特征譜附近 方向性好方向性好 X X光管輻射方向空間各向同性光管輻射方向空間各向同性 同步輻射方向集中在切線方向，同步輻射方向集中在切線方向， 1 GeV, =0.5 mrad=0.029E蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的的LaueLaue衍射圖衍射圖晶體晶體 光闌光闌X 射線管射線管探探測測器器X 射線譜儀射線譜儀 石墨體石墨體(散射物質(zhì)散射物質(zhì))j 0散射波長散射波長 6.3 Compton

16、散射散射1. Compton散射散射1923年年 Compton實驗上證明了實驗上證明了X射線的粒子性射線的粒子性在該實驗中光子的能量和動量都得以體現(xiàn)在該實驗中光子的能量和動量都得以體現(xiàn)X射線通過實物物質(zhì)發(fā)生散射的時，在散射光中除了有原波長射線通過實物物質(zhì)發(fā)生散射的時，在散射光中除了有原波長的的X光外，還產(chǎn)生了比原有波長更長的光外，還產(chǎn)生了比原有波長更長的X光，其波長的增量隨光，其波長的增量隨散射角的不同而變化。這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)散射角的不同而變化。這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)(compton (compton effect)effect)。 首次在實驗上證實了首次在實驗上證實了Einstein

17、提出的提出的“光量子具有動量光量子具有動量”的的假設(shè)假設(shè)Compton 獲得獲得19271927年諾貝爾物理學(xué)獎年諾貝爾物理學(xué)獎（A. H.Compton)(1892-1962） 吳有訓(xùn)吳有訓(xùn) (18971977)Compton 散射散射2. 量子解釋量子解釋 經(jīng)典物理無法解釋經(jīng)典物理無法解釋 Compton效應(yīng)效應(yīng) Compton應(yīng)用應(yīng)用Einstein的光量子理論解釋了的光量子理論解釋了Compton效應(yīng)效應(yīng)Compton認(rèn)為認(rèn)為Compton效應(yīng)是光子與自由電子碰撞的結(jié)果效應(yīng)是光子與自由電子碰撞的結(jié)果02222coshvEhvEppp pp22022222201/m cEmccEp cE

18、考慮相對論效應(yīng)考慮相對論效應(yīng)2222cosppp pp01 coshm cCompton 公式公式20, 11 coshvhvhvm c散射光子的能量散射光子的能量01 cos11 coskEEEhvmin1 2hvhv反沖電子的動能反沖電子的動能散射光子的最小能量散射光子的最小能量,max21 2kEhv反沖電子的最小動能反沖電子的最小動能3. Compton 散射的物理意義散射的物理意義 電子的電子的 Compton 波長波長 200hchm cm c含義：入射光子的能量與電子靜止質(zhì)量相等時，含義：入射光子的能量與電子靜止質(zhì)量相等時， 所對應(yīng)光子的波長所對應(yīng)光子的波長 0.002426 n

19、mec20hm c =90時，時，入射光子與散射光子的波長差入射光子與散射光子的波長差 01 coshm c0echm c折合電子折合電子Compton 波長波長202200044eeccrhem cem c經(jīng)典電子半徑經(jīng)典電子半徑22004eerm c折合電子折合電子Compton 波長約為電子經(jīng)典半徑的波長約為電子經(jīng)典半徑的137倍倍 只取決于只取決于，而與，而與無關(guān)無關(guān)01 coshm cmax020.0049 nmhm c020.0049 nmhm c E E與與緊密相關(guān)緊密相關(guān)1 cos11 coshcE 相干散射相干散射0相干散射相干散射入射光子入內(nèi)層發(fā)生電子碰撞入射光子入內(nèi)層發(fā)生

20、電子碰撞Compton 散射實驗中總是伴隨散射實驗中總是伴隨相干散射，相干散射提供了參照譜線相干散射，相干散射提供了參照譜線01 coshm c20, 11 coshvhvhvm c01 cos11 coskEEEhv4. Compton 散射與基本常量散射與基本常量 01 coshm c1 cos11 coskhcE0 c 0,0KhEE 對應(yīng)原理對應(yīng)原理01 coshm c測量基本常數(shù)測量基本常數(shù)1 cos11 cosEhv測量入射光子的能量測量入射光子的能量相干散射相干散射 相干射線也被稱作相干射線也被稱作Rayleigh散射散射 1904年年Nobel 物理學(xué)獎獲得者物理學(xué)獎獲得者 0

21、4I適用范圍適用范圍 天空為什么是藍(lán)顏色？天空為什么是藍(lán)顏色？ 20.3r入射光子入內(nèi)層發(fā)生電子碰撞入射光子入內(nèi)層發(fā)生電子碰撞Compton 散射實驗中總是伴隨散射實驗中總是伴隨相干散射，相干散射提供了參照譜線相干散射，相干散射提供了參照譜線5. Compton 輪廓輪廓 Compton 輪廓隨輪廓隨散射元素原子序數(shù)散射元素原子序數(shù)Z的變化的變化 反映不同元素中反映不同元素中電子的運動狀態(tài)不同電子的運動狀態(tài)不同6. 逆逆Compton 效應(yīng)效應(yīng) 逆逆Compton 效應(yīng)：高能電子把一部分能量轉(zhuǎn)移給光子，光子效應(yīng)：高能電子把一部分能量轉(zhuǎn)移給光子，光子 獲得能量，頻率變大，波長變小的現(xiàn)象。獲得能量

22、，頻率變大，波長變小的現(xiàn)象。 Compton 輪廓法測量電子動量分布優(yōu)點：輪廓法測量電子動量分布優(yōu)點：反映外層的電子運動狀態(tài)；反映外層的電子運動狀態(tài)；簡化樣品的制備；簡化樣品的制備；可以了解分子、和固體中電子的一些性質(zhì)可以了解分子、和固體中電子的一些性質(zhì)逆逆Compton 散射散射6.3 X射線的吸收射線的吸收1. 兩類相互作用兩類相互作用 多次小相互作用多次小相互作用重帶電粒子通過物質(zhì)時的相互作用重帶電粒子通過物質(zhì)時的相互作用單能的、準(zhǔn)直的入射重帶電粒子束單能的、準(zhǔn)直的入射重帶電粒子束特點：特點：i) 能譜彌散能譜彌散ii) 角度擴(kuò)展角度擴(kuò)展實際射程實際射程 R平均射程平均射程 R0外推射程

23、外推射程 Rext切線切線入射粒子要么完全穿過物質(zhì)、入射粒子要么完全穿過物質(zhì)、要么被吸收要么被吸收0 , Idx入射粒子束強(qiáng)度通過全或無相互作用全或無相互作用 dII x dx出射粒子保持單能、準(zhǔn)直特性出射粒子保持單能、準(zhǔn)直特性Lambert-Beer 定律定律 吸收系數(shù)0exII1 x吸收長度透射粒子數(shù)為入射粒子數(shù)的透射粒子數(shù)為入射粒子數(shù)的1/e(37%)時所對應(yīng)的吸收厚度時所對應(yīng)的吸收厚度 =xx-1 cm, cm x單位為的單位為，被稱為線性吸收系數(shù) 吸收體的密度-2 mg cmx 質(zhì)量厚度 1mg2 質(zhì)量吸收系數(shù) cm0expIIx2. 光子與物質(zhì)相互作用光子與物質(zhì)相互作用 光電效應(yīng)光電效應(yīng)Compton 效應(yīng)效應(yīng)電子偶效應(yīng)電子偶效應(yīng)光子與束縛電子光子與束縛電子光子與自由電子光子與自由電子光子與原子核附近的電場光子與原子核附近的電場0exIIp eCe p吸收長度吸收長度x0（平均自由程）（平均自由程）01x22ehvm c3. X射線的吸收射線的吸收 0exIIp eCe p2maxmin2ehchvm cp eCcohX p eCe p不同能量 射線、作用不同KLMNKhvEETKL