近代物理概论_2

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,实验技术基础,近代物理概论,之,刘世民,燕山大学,材料科学与工程学院,OFFICE:B311 13903354136,近代物理概论,近代物理概论,之,实验技术基础,第一节,x,射线的发现,第二节,x,射线的产生机制,第三节,Compton,散射,第四节,x,射线的吸收,第一节：,X,射线的发现,在前面的学习中，我们发现原子的能级和光谱都由原子的外层电子决定的，那么内层的电子是否能发生跃迁而产生光谱呢？这是我们下面要讨论的问题。,1807,年，英国物理学家道尔顿依据实验提出：,“,气体，液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成。,”,他还认为，,“,同种元素的原子，其大小、质量及各种性质都是相同的。,”,从而把哲学意义上的原子论推广到科学的原子论。,X,射线的,发现,X,射线的,产生,上一页,下一页,首页,那么,线度大约在 的原子是否真的不可再分割了？,十九世纪末，连续三年的三大发现，首开了人们向微观世界进军的先河。,它们是：,1895,年德国的,Rontgen,（伦琴）发现,X,射,线；,1896,年，法国的,Becguerel,（贝克勒尔）,发现了放射性；,1897,年，英国的,Thomson,（汤姆逊）发现了,电子。,第一节：,X,射线的发现,X,射线的,发现,X,射线的,产生,上一页,下一页,首页,在,1895,年以前，由阴极射线管产生的,X,射线在实验里已经存在了,30,多年，在射线发现前，不断有人抱怨，放在阴极射线管附近的照相底片模糊或感光。,如,1879,年的克鲁克斯，,1890,年的古德斯比德等人，,但发现,X,射线的却是伦琴。,1869,年在苏黎世大学获博士学位。,1845,年出生于德国的一个商人家庭，,X,射线的发现,伦琴,第一节：,X,射线的发现,X,射线的,发现,X,射线的,产生,上一页,下一页,首页,1895,年,11,月,8,日傍晚，伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，,他用黑纸板将管子包起来，,却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰酸钡 结晶物质的屏幕发出了荧光,伦琴马上意识到,这可能是一种前所未有的新射线，,经检查发现,射线来自阴极射线管管壁。,第一节：,X,射线的发现,X,射线的,发现,X,射线的,产生,上一页,下一页,首页,令人惊奇的是,当用木头等不透明物质挡住这种射线时，荧光屏仍然发光；,而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光，不被电磁场偏转。,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,-X,射线。,1895,年,12,月,28,日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于,X,射线的论文，,论新的射线,，并公布了他夫人的,X,射线手骨照片。,第一节：,X,射线的发现,X,射线的,发现,X,射线的,产生,上一页,下一页,首页,伦琴的发现引起了极大的轰动，以致于在全世界范围内掀起了,X,射线研究热，,1896,年关于,X,射线的研究论文高达,1000,多篇,.,对,X,射线的公布，促使法国物理学家贝克勒尔也投入到这一研究领域之中，为了弄清,X,射线产生的机制。,他想，如果把荧光物质放在强光下照时，是否在发荧光的同时，也能放出,X,射线呢？,于是他把一块荧光物质（铀的化合物,-,钾铀酰硫酸盐晶体）放在用黑纸包住的照相底片上，然后放在太阳下晒，结果在底片上果然发现了与荧光物质形状相同的,“,像,”,。,第一节：,X,射线的发现,X,射线的,发现,X,射线的,产生,上一页,下一页,首页,第一节：,X,射线的发现,一次偶然的机会使他发现，未经太阳曝晒的底片冲出来后，出现了很深的感光黑影，这使他非常吃惊。是什么使底片感光呢？跟荧光物质是否有关呢？,他进一步用不发荧光的铀化合物进行实验，同样使底片感光；可见铀化合物能发出一种肉眼看不见的射线，与荧光无关。,1896,年,3,月,2,日，他向法国科学院报告了这一惊人的发现，从此打开了一个新的研究领域。,放射线的发现看似偶然，但正如杨振宁先生在评价这一故事时所说的那样，“科学家的灵感对科学家的发现非常重要；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。”,X,射线的,发现,X,射线的,产生,上一页,下一页,首页,如图，在真空管 两阴极和阳极之间加高压，阳极选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到,X,射线，其波长因高太的不同而异。,当,称,硬,X,射线；,称,软,X,射线。,当,X,射线的,发现,X,射线的,产生,第一节：,X,射线的发现,上一页,下一页,首页,X,射线的性质,1,）,X,射线能使照相底片感光；,2,）,X,射线有很大的贯穿本领；,3,）,X,射线能使某些物质的原子、分子电离；,4,）,X,射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；,5,）,X,射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。,第一节：,X,射线的发现,X,射线的,发现,X,射线的,产生,上一页,下一页,首页,第二节：,X,射线的产生机制,另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，所以称为,标识谱,，又叫,特征谱,-,它迭加在连续谱上。,下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。,实验表明，,X,射线由两部分构成，一部分波长连续变化，称为,连续谱,；,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,连续谱,轫致辐射,1,、连续谱的特征,在上述产生,X,射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波长连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。,1,）连续谱与管压的关系（,靶不变,）,前图表示以钨作阳极材料加不同电太时，以,为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长,强度分布曲线。,由图可见，当阳极材料不变时，和 随管压,V,的升高都向短波方向移动。,第二节：,X,射线的产生机制,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,2,）连续谱与阳极材料的关系（,电压不变,）,前图表示管压为,35KV,时，用钼和钨作靶材料时的,I,曲线。由图可见 与靶无关。是由,管压,V,决定的。,连续谱产生的微观机制,通过上面对连续谱特征的分析，我们很容易想到，连续谱不应该是原子光谱，而应该是电子在靶上减速而产生的。可以想象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度，其速率从 骤减为,0,，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生,X,射线连续谱的原因，用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。,第二节：,X,射线的产生机制,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,设电子入射速度 ，在靶上减速而损失的能量为 ；减速过程中的能量差为 ，,则,根据上面的分析，将以光子的形式向外辐射；,由于 是连续变化的，而 是一定的，,所以 连续变化,.,即式中，,v,是连续的，作为极限情况，,则,，,第二节：,X,射线的产生机制,连续谱,标示谱,从而得到,=,ev,(1),上一页,下一页,首页,上式表明，电子在电压,V,下加速而获得能量,并全部转化为辐射时,由此得：,（,1,）式最早是在实验工作中，从实验数据的总结得到的。需要指出的是，解释光电效应的,Einstein,方程是：,当金属的逸出功能很小时，近似的有：,这与（,1,）式在形式上是完全相同的。,因此，,X,射线连续谱可称为光电效应的,逆效应,。,第二节：,X,射线的产生机制,连续谱,标示谱,(2),上一页,下一页,首页,1,、,标识辐射,线状谱,它是迭加在连续谱上的分立谱线,线状谱的特征,不同元素线状谱的波长是不同的，从而成为我们识别某种元素的标准，故得名为标识谱，但是他们的线系结构是相似的，都分为,K,L,M,等线系；且谱线具有精细结构，,K,系分为,；,L,系分为,等；,改变靶物质时，随,Z,的增大，同一线系的线状谱波长向短波方向移动，但没有周期性变化；,连续谱,标示谱,第二节：,X,射线的产生机制,上一页,下一页,首页,某元素的标识谱与的化合状态无关；,对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外界电压有一个临界值。,2,.,线状谱产生的机制,通过对上述特点的分析、归纳、总结、我们可得到如下几点结论：,1,）,线状谱产生于原子内层电子的跃迁。,2,）,产生线状谱的条件是：,a,.,在原子的内层能级上有电子空位；,b,.,其他壳层上电子向空位跃迁。,第二节：,X,射线的产生机制,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,事实上，当外界提供足够大的能量时，使原子内层电子电离，从而使原子内层出现空位，外层电子向内层补充，放出的能量便形成了,X,射线的标识谱。,3,.,定律,-,线状谱的定量计算,1913,年，英国物理学家,Moseley,通过对不同元素（不同,Z,）的,X,射线标识谱加以分析（共分析了从钴到金的,38,种元素）,发现一个规律：,对同一线系的某条谱线来说，不同元素的,X,射线频率的平方根与原子序数,Z,成线性关系，变即,，比喻对,线，,Moseley,得到一个经验公式,（,1,）,第二节：,X,射线的产生机制,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,第二节：,X,射线的产生机制,事实上，这个公式可以从玻尔理论得到，根据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中,n,能级的状态相似，所以,n,能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：,式中,反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子感受到的有效电荷是,Z-,，这样当,n=2,上的电子向,n=1,跃迁产生,线时，我们有,实验表明,，将其余常数代入得,（,2,）,（,3,）,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,4,.,线状谱的标记方法,前面提到，,X,射线标识谱分为,K,L,M,等线系，每一系的谱线也分,:,等。但是，能级并不只与主量子数,n,有关。还与,l,j,有关，所以谱线被标记为,等。,第二节：,X,射线的产生机制,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,5,、标识谱产生的其它效应,1,）,俄歇,(Auger),电子,当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生,X,射线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称,Auger L,电子。,比如，,L,电子向,K,层跃迁所产生能量将,M,电子,电离，则相应的俄歇电子动能为：,第二节：,X,射线的产生机制,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,其中,分别是,K,、,L,、,M,壳层中电子的结合能，而这些能量是由元素本性决定的，所以,也是由元素本性决定的，它可以作为元素的标识。,因此,Auger,电子测量可作为分析元素的手段之一；,、,、,第二节：,X,射线的产生机制,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,2,）,核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，使原子核跃迁到激发态。,以上两个效应，分别是法国物理学家,Auger,和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。,电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产生的辐射。称同步辐射，这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。,同步辐射,第二节：,X,射线的产生机制,第六章,:,X,射线,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,第三节：,Compton,散射,前面我们讨论了,X,射线波的一面，事实上，,X,射线还有粒子性的一面，下面,1,.,我们将要讨论的是,X,射线的粒子性。,按照经典理论，光在介质表面反射后,其频率是不会改变的。,然而,Compton,在,X,射线与物质散射的实验里却发现，被散射的,X,射线中，除了与入射,X,射线具有相同波长成分外，还有波长增加的部分出现，且这部分,X,射线的波长因散射角的不同而异。,这被称作,Compton,效应。,它是经典理论所无法解释的。而量子理论可给予圆满的解释。,光子的描,述,量子的解,释,有关的讨,论,上一页,下一页,首页,光子的能量的动量：,按照,Einstein,的光子理论，光子的能量为,按相对论的能量关系,对于光子,所以光子动量,第三节：,Compton,散射,光子的描,述,量子的解,释,有关的讨,论,上