原子物理学--课件

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,PPT课件,*,VII. X,射线知识,X,射线的发现及其波性,X,射线的产生机制,特征射线的应用,内壳特征射线与原子中电子状态的关系,常用三种光源原理及应用,康普顿散射,X,射线的吸收,返回,1,PPT课件,X,射线的发现及其波性,X,射线的发现,X,射线的波性,X,射线的偏振,X,射线的衍射,返回,2,PPT课件,3,PPT课件,1895,年德国物理学家伦琴在做,气体放电实验,时意外地发现了一种穿透力极强且不被磁场所偏转的神奇射线，伦琴把它称为,X,射线。,0.001nm,1nm,。,伦琴因发现,X,射线荣获,1901,年的首次颁发的诺贝尔物理学奖。,伦琴（,Wilhelm,Konrad,Rontgen,，,1845,1923,）德国实验物理学家,.,X,射线的发现,硬,X,射线：波长小于,0.1nm,；软,X,射线：波长大于,0.1nm,。,4,PPT课件,5,PPT课件,6,PPT课件,X,射线的发现,与真理失之交臂的人,1879,年,克鲁克,1890,年,古德斯比德和詹宁斯,7,PPT课件,X,射线的发现,返回,8,PPT课件,X,射线管,返回,9,PPT课件,X,射线的波性,1906,年,英国物理学家巴拉克,(,C.G.Barkla,),发现,X,射线的偏振特性,1912,年,德国物理学家冯,.,劳厄,(,M.T.F.von Laue,),提出,X,射线的晶体衍射的设想,1913,年,弗里德里克,(,W.Fridrich,),和尼平,(,P.Knipping,),验证,X,射线存在晶体衍射效应,从而证明,X,射线的波动性,返回,10,PPT课件,X,射线的偏振,返回,11,PPT课件,X,射线的衍射,干涉和衍射的关系,干涉：两列或两列以上具有相同频率、固定相位差的同类波在空间共存时，会形成振幅相互加强或相互减弱的现象，称为干涉,衍射：波在传播中遇到有很大障碍物或遇到大障碍物中的孔隙时，会绕过障碍物的边缘或孔隙的边缘，呈现路径弯曲，在障碍物或孔隙边缘的背后展衍，这种现象称为波的衍射,衍射的产生条件,波长与障碍物或孔隙尺寸同量级或更大,布喇格公式,2 d sin = n n=1,2,3,布喇格公式的推导,返回,12,PPT课件,布喇格公式的推导,13,PPT课件,布喇格公式的推导,14,PPT课件,布喇格公式的推导,返回,15,PPT课件,X,射线的产生机制,X,射线的发射谱,连续谱轫致辐射,特征谱电子内壳层跃迁,16,PPT课件,韧致辐射（刹车辐射）,带电粒子（例如电子）与原子核碰撞时，发生骤然减速，粒子,在非弹性碰撞中失去能量，并作为,X,射线光子发射。,17,PPT课件,韧致辐射强度反比于入射粒子质量的平方，正比于靶核电荷的,平方。,根据这个特点，入射粒子一般用电子。,固体靶用的最多的是钨，,原子序数大、易于加工、耐高温、廉价,轫致辐射光谱连续，存在一个最短波长,0,和一个极大值点,m,若入射粒子能量为,E,0,，当它将能量,E,转变成辐射能时，,最短波长：,18,PPT课件,标识辐射（特征辐射）,电子内壳层的跃迁,当能量足够高的电子撞击在靶上时，可以使原子中的电子激发或电离，例如激发或电离的电子来自,K,壳层，于是便在,K,壳层留下空穴，较高能级的另一个电子将跃迁到这个空位，这个过程叫做“退激”，退激的过程中将释放能量,E,。主要有两种方式：,（,1,）电磁辐射,如果能量足够高，属于,X,射线波段。,19,PPT课件,K,L,M,N,X-Ray,X-Ray,20,PPT课件,X,射线的产生机制,特征辐射的标记方法,21,PPT课件,X,射线的产生机制,22,PPT课件,（,2,）俄歇过程,电子在退激的过程中，是以无辐射的方式进行,将退激产生的能量传给另外一个能量较大（较外层）的电子，使其变为自由电子，俄歇效应类似于一个“内光效应”。,23,PPT课件,K,L,M,N,e,-,24,PPT课件,俄歇电子在,1925,年由法国物理学家俄歇,(P,P.Auger,),首先发现的。俄歇电子的能量决定于原于内层能级的结构，因此对俄歇电子的能量和强度的研究能使我们得到关于原于的结合能、状态量子数信息。,对于,Z,小的原子，发生俄歇效应的几率比发射,X,射线的几率大。,对于,Z35,的原子，发射,X,射线的几率超过俄歇效应。,俄歇效应往往与发射,X,射线伴随发生。,25,PPT课件,光子诱发原子退激方式,俄歇电子,荧光产额,诱发原子核激发,26,PPT课件,特征射线的应用,电子,X,荧光分析,质子,X,荧光分析,粒子,X,荧光分析,诱发,X,荧光分析,27,PPT课件,粒子诱发,X,射线荧光分析,Particle Induced X-ray Emission,（,PIXE,）,Lanzhou,University,28,PPT课件,简介,1.,粒子诱发,x,射线荧光分析（,PIXE,）是粒子束分析的一个重要分支。,2.,其开创者是,Sven A. E. Johansson,等人,1,，于,1970,年首次开展这方面的工作，并为人们所重视，且日益广泛的被大家采用。,1 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,，,84,（,1970,）,P141,29,PPT课件,简介,3. PIXE,分析具有灵敏、快速、取样少和无损,分析等特点。,4.,该方法对大多数元素（,Z12,）是很灵敏的,其相对灵敏度为,PPm,（即百万分之一）量级，,可检测的元素含量的下限为,10,-16,g,。,30,PPT课件,PIXE,分析原理,:,粒子束与原子相互作用的物理图像。,K,L,M,X-ray,(Auger e,-,),粒子束,Electron,靶原子,31,PPT课件,PIXE,分析原理,:,M,L,K,1,S1/2,2,P3/2,2P1/2,2S1/2,3,d5/2,3d3/2,2P3/2,2P1/2,2S1/2,L,线系,K,线系,特征,X,射线能级图解,跃迁定则,:,l =1,j = 0,1,32,PPT课件,PIXE,分析实验设备,:,束流准直器,靶,靶室,入射束流,吸收片,准直光栏,Si(Li,),探测器,束流积分仪,主放,高压,多道分,析器,液氮,容器,加速器,33,PPT课件,PIXE,定量分析方法,1.,薄靶,绝对测量,特征,X,射线的计数,阿佛加德罗常数,入射粒子个数,探测器对特征,X,射线的探测效率,原子序数,待测元素的重量,X,射线产生截面,探测器所张的立体角,34,PPT课件,相对测量,PIXE,定量分析方法,相对测量方法是在相同的条件下，分别测量标准和样品中待测元素的表征,X,射线的强度，这样就可以避免,、,等因子中的系统误差和,x,的不确定性,。,待测元素的峰计数,标准元素的峰计数,待测元素的重量,标准元素的重量,35,PPT课件,PIXE,定量分析方法,单标准测量法,以单个标准来标定其他多种元素，在应用中是比较方便的。,引入相对灵敏度因子：,推导出：,36,PPT课件,PIXE,定量分析方法,2.,厚靶,1,2,3.i,x,粒子束,图例：厚靶样品示意图,37,PPT课件,PIXE,定量分析方法,待测元素特征,X,射线峰的计数,N,x,为：,为待测元素的相对含量,为待测样品的密度,为样品对,X,射线的质量吸收系数,为样品对,X,射线吸收系数,38,PPT课件,PIXE,定量分析方法,3.,干扰问题,特征,X,射线伴线的干扰,入射粒子的韧致辐射的干扰,射线的康普顿散射的干扰,准分子跃迁辐射的干扰,二次电子韧致辐射的干扰,39,PPT课件,PIXE,定量分析方法,3.,加过滤片,防止由靶体产生的,X,射线使探测器饱和,阻止出射电子和被散射粒子打到,Si(Li,),窗上,消除硅基体等,X,射线本底，提高探测微量元素的灵敏度,40,PPT课件,PIXE,分析的特点及应用,1.,特点,元素的鉴定一般在,z12;,能够分析含量少浓度低的元素；,一次测量可探知多种元素；,灵敏度随原子序数平滑变化；,非破坏性快速分析，且可以定量和绝对定标；,可采用微束。,41,PPT课件,PIXE,分析的特点及应用,2.,应用,环境污染的监测；,生物和医学样品的分析；,考古研究；,超重元素的探测；,空气监监,水质监测,土壤监测,组织切片,头发样品,血液样品等,质子微束及质子显微镜。,42,PPT课件,荧光分析的推广,利用,X,射线和,射线诱发靶元素的特征,X,射线分,析,(XIX),利用电子束来诱发特征,X,射线分析,(EIX),在分析中采用的射线能量一定要大于待研究元素的特征,X,射线的能量，强度一般为毫居量级，只有这样才能达到很好的灵敏度。该研究方法已广泛应用于工矿、医院等单位。如工矿中得料位计、核子称等。,在分析中采用的电子束能量在,30-50keV,量级，由于电子束存在较强的韧致辐射的本底干扰，使得特征,X,射线叠加在一个平滑的本底之上，因而,EIX,的灵敏度受到极大的限制。,43,PPT课件,PIXE,定量分析获取的谱图实例,图上的横坐标时能量（,keV,）；纵坐标为计数（个）。,44,PPT课件,Si(Li,),探测器介绍,HV -,LV -,Output -,Test,Temperature,Protect,前置放大,Si(Li,),晶体,金属,Be,窗,(m,量级,),45,PPT课件,制靶,：,制靶方法：灰化法；硝化法；蒸发干燥法；,化学提取法等。,灰化法：主要针对有机样品，如头发、食品、生物切片等，,主要测量该样品种的比钙重的元素。,洗净样品、干燥、称重，在,600,度灰化,2-4,小时， 或低温灰化,24,小时，灰化后用硝酸溶解，滴在靶衬底,Mylar,膜上。,硝化法：主要针对灰化法中容易失掉的元素，如,S,、,P,、,Cl,等，,洗净样品、干燥、称重，用硝酸硝化,24,小时，溶解后滴在衬底,Mylar,膜上。,46,PPT课件,制靶,：,蒸发干燥法：主要针对液体样品，如脑、脊髓液，血清，,环境水等。,实际上就是浓缩，浓缩后用硝酸溶解，滴在靶衬底,Mylar,膜。,化学提取法：主要针对有些特殊样品，如,Au,、,Pt,等，,用硝酸,Fe,、,Cu,、,Zn,等，在用王水溶解它们，滴在靶,衬底,Mylar,膜上。,返回,PIXE,分析实验设备,47,PPT课件,常用三种光源原理及应用,X,光管,同步辐射光源,激光,48,PPT课件,X,光管,目前超大功率,X,光管的电子流强为,1000mA,，高压,50kV,，电,子束功率,50kW,，,X,射线功率为,10W,。,49,PPT课件,X-CT,X,射线计算机断层成像（,X,ray computed tomography,，简称,X,CT,）,1.,基本原理,CT的基本原理是采用准后的X射线束对人体的某一层面从不同的角度进行照射，在射线穿过的另一端利用探测器接收到多组原始数,经过计算机重建后得到用于显示的二维数据矩阵，通过显示设备显示图像,。,50,PPT课件,51,PPT课件,同步辐射,同步辐射,带电粒子在作加速运动时会辐射光子，称此为同步辐射,同步辐射的发现,1947,年,4,月，美国纽约通用电气公司的研究人员在调试,70MeV,电子同步回旋加速器时发现,1947,年，朱洪元在论文,论高速带电粒子在磁场中的辐射,中首先论及此现象,同步辐射的特点,功率大、能谱宽、方向性好,52,PPT课件,同步辐射光源,53,PPT课件,54,PPT课件,55,PPT课件,56,PPT课件,Spring-8,57,PPT课件,1,、同步辐射强度与带电粒子质量四次方成反比，所以一般用电子。,2,、功率大。,3,、能谱宽,4,、方向性好,5,、偏振性好,6,、时间结构好,58,PPT课件,普通光源,-,自发辐射,激光光源,-,受激辐射,激光又名镭射,(Laser),， 它的全名是,“辐射的受激发射光放大”。,(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation),1964,年，钱学森院士提议取名为“激光”,激光,59,PPT课件,一,.,特点：,方向性极好,（发散角,10,-4,弧度）,脉冲瞬时功率大,（可达,10,22,瓦）,空间相干性好，有的激光波面上,各个点都是相干光源。,时间相干性好（,10,- 8,埃），,相干长度可达几十公里。,相干性极好,亮度极高,60,PPT课件,一,.,自发辐射,(spontaneous radiation),设,N,1,、,N,2,单位体积中处于,E,1,、,E,2,能级的原子数。,E,2,E,1,N,2,N,1,h,原子自发地从状态,E,2,跃迁到,E,1,，发出光子,61,PPT课件,普通光源中原子发光都属于自发辐射，,所发出光的频率、振动方向、传播方向及相位各不相同，所以彼此不相干，这样的光源提供的光不能观测到干涉、衍射图样。而且在任一方向上的光强都不大。,例如发光功率为,1KW,的普通光源，在距光源,1,米处每,的光功率只有,如果能使各个方向的光集中在一个方向，而且光束半径,只有一个,光功率就可提高,13,个量级。,62,PPT课件,二受激辐射,(stimulated radiation),E,2,E,1,N,2,N,1,全同光子,h,设,（,、,）,温度为,时,频率为,= (,E,2,-,E,1,) /,h,附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。,单位体积中单位时间内，从,E,E,受激辐射的原子数：,B,21,受激辐射系数,63,PPT课件,W,21 =,B,21,（,、,T,）,W,21,单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。,受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同，两种光子无法区分。,-,有光的放大作用。,64,PPT课件,三,.,吸收,(absorption),E,2,E,1,N,2,N,1,h,上述外来光也有可能被吸收，使原子从,E,1,E,2,。,单位体积中单位时间内因吸收外来光而从,E,1,E,2,的原子数：,W,12,单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率。,65,PPT课件,A,21,、,B,21,、,B,12,称为爱因斯坦系数。,爱因斯坦在,1917,年从理论上得出,爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。,B,21,=,B,12,66,PPT课件,六十年代初对发明激光有贡献的三位科学家。,1964,年获诺贝尔物理奖。,巴索夫,普罗恰洛夫,汤斯,67,PPT课件,一般情况下，当光子穿过发光系统时会发生以下过程：,（,1,）光被发光系统吸收而使入射方向光强减弱；,（,2,）入射光子诱发原子退激发，实现受激辐射。,要产生激光，需要,因为,B,12,B,21,所以,N,2 ,N,1,（ 粒子数反转）,亚稳态的存在使粒子数反转成为可能。,68,PPT课件,69,PPT课件,He-Ne,激光管的工作原理：,亚稳态,碰撞转移,亚稳态,70,PPT课件,激光谐振腔,71,PPT课件,三、激光的应用,激光测距、农业、加工、医疗、通信、能源、武器激光舞台与激光唱片、激光在物理基础研究方面的应用,72,PPT课件,康普顿散射,1923,年，美国物理学家康普顿研究,X,射线散射实验中发现该射线的粒子性,73,PPT课件,康普顿散射,经典考虑,经典观点认为散射后光波的波长不会改变，这与实验结果相矛盾,量子解释,74,PPT课件,康普顿散射,物理意义,电子的康普顿波长,只决定于,，而与,无关,E,与,紧密相关,相干散射,康普顿散射与基本常数,康普顿轮廓,逆康普顿效应,返回,75,PPT课件,X,射线的吸收,射线与物质的相互作用,多次小相互作用,带电粒子与物质的作用,全或无相互作用,光子与物质的相互作用,76,PPT课件,多次小相互作用,77,PPT课件,全或无相互作用,78,PPT课件,X,射线的吸收,光子与物质的相互作用,光电效应,光子与束缚电子作用,康普顿散射,光子与电子散射,电子偶效应,光子在原子核场附近转化为正负电子的过程,自由电子没有电子偶效应,79,PPT课件,X,射线的吸收,物质对,X,射线吸收系数,一般情形：,光电,康普顿,电子偶,实际情形：,光电,康普顿,相干,混合吸收体对,X,射线吸收系数,80,PPT课件,X,射线的吸收,吸收限,意义：,以,K,吸收限为例：光子足以使一个,1S,电子，从而引起原子对其的共振吸收，是吸收系数突然增加,作用：,制作,X,射线过滤片,医学造影技术中的应用,扩展,X,射线吸收精细结构,返回,81,PPT课件,制作,X,射线过滤片,返回,82,PPT课件,医学造影技术中的应用,返回,83,PPT课件,扩展,X,射线吸收精细结构,返回,84,PPT课件,