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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,*,Atomic Physics,原子物理学,第六章：x射线,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,Atomic Physics 原子物理学第六章：x射线第一,1,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,第六章,:,X射线,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,2,1895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,第六章,:,X射线,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,3,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（伦琴射线)。,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,第六章,:,X射线,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,4,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,第六章,:,X射线,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,5,一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。”,第一节：,X射线的发现,第六章,:,X射线,X射线的,发现,X射线的,产生,上一页,下一页,首页,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,6,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，其波长因电压的不同而异。,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,第六章,:,X射线,上一页,下一页,首页,如图，在真空管 两阴极和阳极之间加,7,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,第六章,:,X射线,X射线的,发现,X射线的,产生,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,8,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,标识谱,第六章,:,X射线,上一页,下一页,首页,返回,返回,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，,9,连续谱,轫致辐射（,指高速电子骤然减速产生的辐射,）,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压时，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,第六章,:,X射线,连续谱,标识谱,上一页,下一页,首页,连续谱轫致辐射（指高速电子骤然减速产生的辐射）1、连续谱的,10,2,）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可知：,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,。,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,第六章,:,X射线,连续谱,标识谱,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35,11,即式 中，,是连续的，作为极限情况，,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.,则,从而得到,，,第二节：,X射线的产生机制,第六章,:,X射线,连续谱,标识谱,=,eV,(1),上一页,下一页,首页,即式 中，是连续的，作为极限情况，设电子入,12,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：,需要指出的是，解释光电效应的Einstein方程是：,当金属的逸出功很小时，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,第六章,:,X射线,连续谱,标识谱,(2),上一页,下一页,首页,上式表明，电子在电压V下加速而获得能量由此得：需要指出,13,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,线状谱,标识辐射,它是迭加在连续谱上的分立谱线,线状谱的特征,；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,标识谱,第二节：,X射线的产生机制,第六章,:,X射线,上一页,下一页,首页,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,14,某元素的标识谱与它的化合状态无关；,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,第六章,:,X射线,连续谱,标识谱,上一页,下一页,首页,某元素的标识谱与它的化合状态无关；对一定的阳极靶材料，产生标,15,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,，即,，比如对,线，Moseley得到一个经验公式,（1）,第二节：,X射线的产生机制,第六章,:,X射线,连续谱,标识谱,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,16,4,.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,第六章,:,X射线,连续谱,标识谱,上一页,下一页,首页,4.线状谱的标记方法等。第二节：X射线的产生机制第六章连续谱,17,5,、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 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,第六章,:,X射线,连续谱,标识谱,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,18,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（被照射原子本身性质）决定的,，所以,也是由,元素本性决定的,，,与X射线能量无关,。,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,第六章,:,X射线,连续谱,标识谱,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,19,2）,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。,第二节：,X射线的产生机制,第六章,:,X射线,连续谱,标识谱,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,20,第三节：康普顿（Compton）散射,前面我们讨论了X射线,波动性,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,康普顿（,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,第六章,:,X射线,上一页,下一页,首页,第三节：康普顿（Compton）散射 前面我们讨论了X,21,光子的能量和动量：,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,第六章,:,X射线,光子的描,述,量子的解,释,有关的讨,论,上一页,下一页,首页,光子的能量和动量：按照Einstein的光子理论，光子的能,2
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