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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,8,章：,X,射线,X,射线又名伦琴射线，是伦琴,(W. C.,R,ntgen,),在,1895,年发现的，他把新发现的射线命名为,X,射线。,X,射线是一种波长较短的电磁波，其波长范围一般在,0.001nm,到,1nm,或更长一点。,X,射线性质,：,X,射线是一种电磁波,，,波长很,短，,穿透力很强,。,X,射线管的结构,：,K,A,X,射线,X,射线管,-,+,G,X,射线管的阴,极和阳极之间加有高电压，一般是几万伏到十几万伏，甚至更高。,8.1 X,射线的产生及其波长和强度的测量,X,射线一般是在,X,射线管中产生的。,1913,年英国的布拉格父子，提出了一种精确研究,X,射线的方法，并作出了精确的定量计算。,二人因在,X,射线研究晶体结构方面作出,的,巨大贡献，,同,获,1915,年,诺贝尔物理学奖。,William Bragg and Lawrence Bragg,8.2 X,射线的发射谱及产生机制,x,射线谱是由两部分构成的，一是波长连续变化的部分,（图,a,）,，称为,连续谱,，它的最小波长只与外加电压有关。,另一部分是具有分立波长的谱线，这部分线状谱线要么不出现，一旦出现，它们的峰所对应的波长位置完全决定于靶材料本身，故这部分谱线称之为,特征谱，又称标识谱,。标识谱重叠在连续谱之上，如同山丘上的宝塔（图,b,）。,X,射线产生,的,机制,X,射线连续谱是电子在靶上被减速而产生的：高速电子射到靶上，受靶材料原子的作用而速度骤减，电子的动能转化成辐射能，放射出射线，由此产生的辐射称之为韧致辐射，又称为刹车辐射。,由于电子到达靶子时速度是连续变化的，因此辐射的,X,射线具有连续谱的性质。,1.,连续谱,X,射线连续谱最短波长,0,与加速电压有如下关系,:,利用,X,射线连续谱最短波长与加速电压的关系可以测定,普朗克常数,1920,年与合作者一起利用射线短波限与加速电压的关系测定普朗克常数，获得当时该方法最精确的实验数据，被国际物理界沿用,16,年之久。,叶企孙，物理学家、教育家，我国近代物理学奠基人之一。,1918,年,6,月清华学校毕业赴美，,1923,年获哈佛大学博士学位。,1925,年后历任清华大学教授、物理系主任、理学院院长，西南联合大学教授、理学院院长，清华大学校务委员会主任委员。,1952,年院系调整时调入北京大学。,2.,标识谱,标识谱是线状谱，由具有特定波长的谱线构成。谱线的波长决定于靶材料。每一种元素有一套一定波长的射线谱，成为这元素的标识，所以称为标识谱。,各元素的标识谱有相似的结构，清楚地分为几个线系。波长最短的一组线称为,K,线系，比,K,线系波长更长一些，谱线也较多的一组谱线称为,L,线系。波长更长的还有,M,线系和,N,线系。,莫塞莱,公式,K,线的波数,L,1,线的波数,标识谱有下述特性：,(1),各种元素的标识谱有相似的结构，不同于可见光的光谱彼此相差可以很大。,(2),按原子序数的次序比较各元素的标识谱，谱线的波长依次变动，但看不出有周期性的变化。,(3),K,线系甚至,L,线系的结构与化学成分无关。,(4),X,射线管上需要加几万伏特的电压才能激发出某些线系。,X,射线的光子能量比可见光的光子能量大得多。,K,线系是最内层,(n,1),以外各层的电子跃迁到最内层的结果。,L,线系是第二层,(n,2),以外各层的电子跃迁到第二层的结果。,M,层是第三层,(n,3),以外各层的电子跃迁到第三层的结果。,标识谱反映了原于内层结构的情况。谱线的波长代表能级的间隔。谱线的精细结构显示能级的精细结构。所以,X,射线标识谱对研究原子结构问题有重要意义。,8.3,与,X,射线有关的原子能级,选择定则,L,=1,J,=0,1,式中,k,=,J,+1/2,，,J,是总角动量。,X,射线各能级的光谱项：,俄歇电子发射,在原子壳层中产生空穴后，产生,X,射线仅是释放能量的一种途径。另一种途径称之为俄歇电子发射，它是由法国物理学家俄歇,(P. Auger),于,1923,年发现的。,假如在,K,层中有了一个空穴,例如以光电相互作用产生这一空穴，见右图,(a),和,(b),，当,L,层的一个电子跃迁到,K,层时，多余的能量可以释放,X,射线,见右图,(c),，也可以不释放,X,射线，而把能量传递给另一层,(,例如,M,层,),中的一个电子，这个电子就可以脱离原子,见图,(d),，并被称为俄歇电子。,8.4 X,射线的吸收,X,射线通过物质后强度会发生衰减，强度为,I,的射线经过厚度为,dx,的薄层后强度变化了,dI,:,称为衰减系数。,X,射线通过物质后的衰减是由两种过程产生的，一种是射线被吸收，另一种是被散射。因此,代表两种过程的联合效果，可列为真实的吸收,和散射系数,之和,0,dx,x,I,0,由上式可得：,/,代表射线经过单位面积具有单位质量的那么一层物质后减弱的百分数,被称为质量衰减系数，,/,被称为质量吸收系数。,吸收是原子过程，把上面的吸收系数与一个原子联系起来，更有理论意义。原子衰减常数、原子吸收常数和原子散射系数,其中，,A,为原子量，,N,A,为,Avogadro,常数。,由,实验可证明,所以,由右图可以看到：,1),吸收系数一般随波长的减小而降低，即波长较短的射线贯穿本领高；,2),波长减到某一值时，吸收系数突然增加，这些吸收突然增加处称为,吸收限,(,或吸收边,),。,K,吸收限表示,X,射线光子的能量大到足以使一个,1s,电子电离,，,L,I,吸收限表示,X,射线光子的能量大到足以使一个,2s,电子电离,，,L,II,和,L,III,吸收限表示,X,射线光子的能量大到足以使一个,2p,电子电离。,2,）实验规律,8.5,康普顿散射,1,）实验装置, 波长改变量 随散射角而异，, 对同一散射角，原子量较小的物质散射强度大， 但波长改变量 相同。,康普顿散射,散射规律：,康普顿,波长：,吴有训，字正之，,1897,年,4,月,26,日出生于江西省高安县。物理学家、教育家，我国近代物理学奠基人之一。以系统、精湛的实验为康普顿效应的确立做出了重要贡献。是我国科学事业的杰出领导人和组织者，对我国科学事业特别是新学科的建立和发展起了积极的推动作用。,康普顿,(Arthur Compton, 18921962),，,美国著名物理学家，因对康普顿效应的研究而被授予,1927,年诺贝尔物理奖。,用爱因斯坦量子理论解释康普顿散射,光子与电子弹性碰撞,光子动量,能量守恒,：,(1),动量守恒：,(2),能量守恒,：,(1),动量守恒：,(2),由,(2),式有：,或,(3),由,(1),式有,即,(4),即,式中,c,=,h,/,m,0,c,= 0.0024 nm,，,被称为康普顿波长,。,(3),(4),(4),减,(3),得,利用相对论质量和速度的关系，可把上式可写为,爱因斯坦光量子理论成功解释了康普顿效应,康普顿效应：,光子与外层自由电子或受束缚电子发生“,完全弹性碰撞,”。,康普顿效应,0.005nm,光电效应实验中光的波长,（,）,100nm,左右，远大于,，,康普顿效应不明显。,康普顿效应实验中,X,射线波长,0.01,0.1nm,与,相差不大，现象明显。,例,1,：波长为,0.04 nm,的,X,射线经物质散射后产生康普顿效应。若,散射角等于,90,0,，试求：（,1,）散射光波长；（,2,）反冲电,子获得的能量；（,3,）反冲电子动量的大小和方向。,解：（,1,）康普顿散射公式：,散射光波长：,P,e,（,2,）反冲电子动能等于入射,X,射线与散射光波能量之差,(3),动量守恒：,P,e,例,2,：证明在康普顿散射实验中，波长为,0,的一个光子与质量,为,m,0,的静止电子碰撞后，电子的反冲角与光子散射角,之间的关系为：,证：散射前后体系动量守恒，有,由,以上两式可知：,把,康普顿散射公式：,代入上式得,最后利用半角公式可得：,8.6 X,射线在晶体中的衍射,设,u,0,和,u,是入射和出射方向的单位矢量，则上三式可写成,由图,可见,用,1,、 ,2,、 ,3,代表,s,和,a,、,b,、,c,的夹角，则上三式又可写成：,提出,m,1,、,m,2,和,m,3,的最大公约数,n,，,m,1,=,nh,、,m,2,=,nk,、,m,3,=,nl,式中,d,是与射线成等角,的一组平面之间的距离。,如果,a,、,b,和,c,三个方向垂直，那么,对于正立方晶体，,a=b=c,，,晶面间距,劳厄,相：连续谱,X,射线照射到单晶上得到的衍射照片。,特点：图案是分散的斑点。,晶体粉末法（德拜相）：单色,X,光照射到晶体粉末上得到的衍射图片。,特点：衍射图案是同心圆环。,作业：,第,248,页习题,1,、习题,2,
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