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