原子物理学X射线43页PPT
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原子物理学教学课件6
伦琴夫人的手骨X光照片
5.
电磁波谱:
光学光谱:原子受激发,价电子跃迁获得的谱。
原子光谱
( 红外线---可见光---紫外线:λ=10-3~10-9米） X射线光谱：原子内壳层电子跃迁所获 得的谱（λ=10-9 ~ 10-11米）。
电 磁 波 谱
真空管 X射线
电子
阴极
图5.6 （一）X射线的产生
( 二. ) 标识谱（1906年首次发现） 1. 产生条件: 当电子的能量超过某一阈值(如加速电压 高于几十千伏,使内壳层电子电离)时,除有连续谱外,还 在连续谱的背景上迭加一些线状谱。参见p.225图8.7中的虚 线。 2. 特 征: 线状谱的位置和结构与阳极材料相关, 不同元素的阳极材料发射的线状光谱 虽有相似结构,但波长不同,按原子序数顺 序排列时,波长依次变化,不显示周期性变 化。 每种元素都有一 特定波长的线状光谱,这 种特定的X射线谱成为该元素的标识。
74
§ 6.3
X射线“镜像”能级图
一、内层电子的电离能级——伦琴能级
（以镉Cd为例，Z=48）:
基态1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2 原子态为1S0; O层(n=5)电离一个电子，形成OⅠ能级，原子态为2S1/2 N层(n=4)电离一个d电子,形成NⅤ或NⅣ能级,原子态为2D5/2, 3/2 (思考： O与N, NⅤ与NⅣ能级哪个高？) 利用“同科电子互补同项”规律计算其他具有空位的壳层的能 态，……,…… 更深壳层的电离能态越来越高。（p.231,图8.10） 伦琴能级宛如玻尔能级(在基态与OⅠ能级之间)的镜像，不过跨 度要大得多，N、M、L、K到基态的距离差不多是OⅠ到基态的 10、100、1000、10000倍 。
第七章 X-射线
原子物理学 zsw2622@vip.163.com
2d sinθ = nλ
则出射线就会加强。其中， 为衍射角， 则出射线就会加强。其中，θ为衍射角，实际上是入射线与晶 面的倾角，或出射线与镜面的倾角。 面的倾角，或出射线与镜面的倾角。 利用晶体衍射原理，可以测量X射线的波长λ 利用晶体衍射原理，可以测量X射线的波长λ和相对强度 原理图如图所示。 ，原理图如图所示。
1. X射线的产生 射线的产生
X射线一般通过高速电子打击物体产生，产生的工具是一 射线一般通过高速电子打击物体产生， 射线一般通过高速电子打击物体产生 个真空管，里面有两个电极，如图所示。其中， 为阴极 为阴极， 个真空管，里面有两个电极，如图所示。其中，K为阴极，A 为阳极，管内压强为10 为阳极，管内压强为 -6mmHg~10-8mmHg。高压电子打在 。 2 阳极（靶子） 即可发出X射线 射线。 阳极（靶子）上，即可发出 射线。由于电子打在靶子上时会
原子物理学 zsw2622@vip.16百度文库.com
使其温度迅速升高，因此靶子一般用高熔点的金属制成， 使其温度迅速升高，因此靶子一般用高熔点的金属制成，如 钨等。高压电源一般为几万伏~十几万伏 十几万伏， 钨等。高压电源一般为几万伏 十几万伏，调节此电压可以 改变得到的X射线的波长 射线的波长。 改变得到的 射线的波长。
7
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2d sinθ = nλ
则出射线就会加强。其中， 为衍射角， 则出射线就会加强。其中，θ为衍射角，实际上是入射线与晶 面的倾角，或出射线与镜面的倾角。 面的倾角，或出射线与镜面的倾角。 利用晶体衍射原理，可以测量X射线的波长λ 利用晶体衍射原理，可以测量X射线的波长λ和相对强度 原理图如图所示。 ，原理图如图所示。
1. X射线的产生 射线的产生
X射线一般通过高速电子打击物体产生，产生的工具是一 射线一般通过高速电子打击物体产生， 射线一般通过高速电子打击物体产生 个真空管，里面有两个电极，如图所示。其中， 为阴极 为阴极， 个真空管，里面有两个电极，如图所示。其中，K为阴极，A 为阳极，管内压强为10 为阳极，管内压强为 -6mmHg~10-8mmHg。高压电子打在 。 2 阳极（靶子） 即可发出X射线 射线。 阳极（靶子）上，即可发出 射线。由于电子打在靶子上时会
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使其温度迅速升高，因此靶子一般用高熔点的金属制成， 使其温度迅速升高，因此靶子一般用高熔点的金属制成，如 钨等。高压电源一般为几万伏~十几万伏 十几万伏， 钨等。高压电源一般为几万伏 十几万伏，调节此电压可以 改变得到的X射线的波长 射线的波长。 改变得到的 射线的波长。
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原子物理学课件 (10)
4s 4p5 4d9
O 吸收限 原子能级
2S
1/2 2P 1/2 2P 3/2 2D 3/2 2D 5/2 2S 1/2
5s2
8.99(ev)
O1
5s
无电离能量＝0
5s2
1S
0
3、 X射线的吸收-局部和整体
d
E= h Bill 定律
I=I0EXP(-d )
探测器
I0 样品 局部： L吸收系 特点：分离吸收谱 （共振吸收） Lg I
Cd 原子的电离能级(X射线能级) -－ I、能级结构
电离前 电离能 主壳层符号
（Kev）
电离后 原子态 1s
2S 1/2
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10
4s2 4p6 4d10
268
K
4.02 3.73 3.54 0.775 0.665 0.621 0.415 0.408
0.112 0.078 0.071 0.014 0.013
2S 1/2
2s2 2p6
L1 L2 L3 M1 M2 M3 M4 M5
N1 N2 N3 N4 N5
2 1
M 吸收限
2s 2p5
M线系
2S 1/2 2P 1/2 2P 3/2 2S 1/2 2P 1/2 2P 3/2 2D 3/2 2D 5/2
3s2 3p6
X射线衍射分析PPT课件
Ii/Is=K•Xi/Xs
2K02是1/3/7常数，与物相I和标C准HEN物LI 质S有关
34
二.K值的测定
将i物相的纯物质与标准物S按不同的比例 Xi/Xs配制成一系列样品，分别测定Ii/Is 值，画出Ii/Is对Xi/Xs曲线，称作校正曲 线。 该曲线应是一条直线，直线的斜率即为K 值。
2021/3/7
CHENLI
29
五.几点说明
1.由于实际实验条件与卡片上注明的实验条件不
会完全一致，而且测定的衍射数据和卡片记载的
数据都会有一定的误差，使得实验得到的d值与
卡片上的d值不完全相等，允许有一定的误差。
2.因为影响衍射强度的因素比较复杂，所以在分
析时以d值为主，I值作为参考。
3.当混合物中某相的含量很少或某相衍射能力很
X射线衍射分析
X-ray diffraction
2021/3/7
CHENLI
1
X射线衍射的发展历史
1895年，德国物理学家伦琴(W.C.Rontgen)发现了X射线。
1912年，劳厄(M.von Laue)首先发现X射线可以被晶体 衍射。
1912年，英国物理学家布拉格(W.L.Bragg)提出了布拉格 方程，并于1913年与他的父亲一起，首次用X射线衍射 法测定出氯化钠的晶体结构，开创了晶体结构的X射线 衍射测定法。
X射线衍射PPT课件
• [uvw]=ua+ub+wc
•
ghkl ha kb lc
（• u这a两个v矢b量互w相c垂) 直(，ha则其数k量b积 必l为c零 )，故0
• 将上式展开h，u并参kv考式lw（2-30）及式（2-4）得
•
第8页/共72页
晶带轴指数
• 当某晶带中二晶面的指数已知时，则对应倒易矢量的矢 积必行晶带轴矢量，可通过联立方程来求解晶带轴的指
倒易点阵的建立： 若已知晶体第点6页阵/共参72数页 ，即由式（）可求得其相应
晶面与倒易结点的关系
第7页/共72页
晶带轴
• 在晶体中如果若干个晶面同时平行于某一轴向时，则这 些晶面属于同一晶带，而这个轴向就称为晶带轴。
• 若晶带轴的方向指数为[uvw]，晶带中某晶面的指数为 (hkl)，则(hkl)的倒易矢量g必定垂直于[uvw]。则
布拉格方程应用
• 布拉格方程是X射线衍射分布中最重要的基础公 式，它形式简单，能够说明衍射的基本关系， 所以应用非常广泛。从实验角度可归结为两方 面的应用：
• 一方面是用已知波长的X射线去照射晶体，通过 衍射角的测量求得晶体中各晶面的面间距d，这 就是结构分析------ X射线衍射学；
• 另一方面是用一种已知面间距的晶体来反射从 试样发射出来的X射线，通过衍射角的测量求得 X射线的波长，这就是X射线光谱学。该法除可 进行光谱结构的研究外，从X射线的波长还可确 定试样的组成元素。电子探针就是按这原理设
第7章 X射线
理论解释 X射线的光子同电子碰撞 的结果
h m0c2 h mc2
p p mv
h 1 cos m0c
康普顿散射公式--康普顿散射中射线波长的改变与原 波长无关, 只与散射角有关
吴有训 (1897-1977)，江西高安人，我国最早的具有国 际声誉的物理学家，任过清华大学教授、西南联大教授。 1920年毕业于南京高等师范，1921年赴美国芝加哥大学 随康普顿教授从事物理学研究，1926年获博士学位。正 是在这段时间里，他参与了康普顿教授领导下的X射线散 射研究工作，取得了一系列成果，使他在国际物理学界一 举成名。康普顿1923年到达芝加哥大学时，吴有训已在 芝加哥大学两年了。在康普顿的小组里，吴有训通过实验 和理论分析，验证了某些X射线经散射后波长的变化。 1924年他与康普顿合作发表了《经过轻元素散射的铝 (Ka)射线的波长》， 因此，物理学界把某些X射线经散射 后波长变长的现象称为康普顿-吴有训效应。康-吴效应在 现代物理学发展迸程中有重要地位。 吴有训回国后，1928年任清华大学物理系主任、理学院院长。他连续发表有 关X射线散射的论文50多篇。他很注意实验课教学，培养了一批中国物理学的 精英。 1948年任上海交大教授。 上海交大的学生受他的教育培养，后来涌现出 了一些赫赫有名的人物。 1950年，任中国科学院副院长。 1977年12月7日在京逝世，终年80岁。
原子物理学 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
PPT课件
返回
1
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
PPT课件
轫致辐射光谱连续，存在一个最短波长λ0和一个极大值点λm 若入射粒子能量为E0，当它将能量E转变成辐射能时，
E h hc / hc / E
最短波长：
1.24 0 hc / E0 nm E (keV )
PPT课件 18
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 ΔE。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。
PPT课件
19
N M
L
K
X-Ray X-Ray
PPT课件
20
X射线的产生机制
• 特征辐射的标记方法
PPT课件
21
X射线的产生机制
PPT课件
22
（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”。
• • • • • • • 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
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1
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
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轫致辐射光谱连续，存在一个最短波长λ0和一个极大值点λm 若入射粒子能量为E0，当它将能量E转变成辐射能时，
E h hc / hc / E
最短波长：
1.24 0 hc / E0 nm E (keV )
PPT课件 18
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 ΔE。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。
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19
N M
L
K
X-Ray X-Ray
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20
X射线的产生机制
• 特征辐射的标记方法
PPT课件
21
X射线的产生机制
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22
（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”。
原子物理学X射线ppt课件
X射线的 产生
第
六
1896年，法国的 Becguerel发现了放射性；
章
:
X
1897年，英国的 Thomson发现了电子；
射
线
3
首页
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下一页
第一节：X射线的发现 X射线的发现 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，
第
但发现 X 射线的却是伦琴。
:
X 射
由图可见，当阳极材料不变时， 方向移动。
和
线
随管压V的m 升i n 高都向I 短m a x波
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标示谱
12
第二节：X射线的产生机制
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～λ曲线。由
图可见 与靶无关。是由管压V决定的。
m in
连续谱产生的微观机制
六
章
伦琴
:
X
1845年出生于德国的一个商人家庭，
射
线
1869年在苏黎世大学获博士学位。
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X射线的 发现 X射线的 产生
4
第一节：X射线的发现
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，
《原子物理学》PPT课件
• 一个粒子打在薄箔
上被散射到 ~ -d
的几率
dp(
)
16
a2d
4
Asin
nAt
2
30
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (5)
• N个粒子打在薄箔上测量到 ~ -d 的粒子数
dN
N a2d 16 A sin 4
nAt
ntN
1
4 0
Z1Z2e2 4E
2
d
sin4
2
2
• 微分截面(卢瑟福公式)
dv Z1Z2e2 r 0d;
4 0 L
dv v f vi v f vi eu
E
1m 2
vi
2
1m 2
vf
2
vi
vf
v;
vf
vi
2v sin 2 24
1-3-1 库仑散射公式的推导(6)
r 0d
0
(i
cos
j
sin )d
2cos
2
i
sin
2
j cos
2
2
28
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (3)
• 空心圆锥体的立体角 ~ d
ds 2 r sin rd ;
d
ds r2
2
sin d
2 b | db
A
|
上被散射到 ~ -d
的几率
dp(
)
16
a2d
4
Asin
nAt
2
30
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (5)
• N个粒子打在薄箔上测量到 ~ -d 的粒子数
dN
N a2d 16 A sin 4
nAt
ntN
1
4 0
Z1Z2e2 4E
2
d
sin4
2
2
• 微分截面(卢瑟福公式)
dv Z1Z2e2 r 0d;
4 0 L
dv v f vi v f vi eu
E
1m 2
vi
2
1m 2
vf
2
vi
vf
v;
vf
vi
2v sin 2 24
1-3-1 库仑散射公式的推导(6)
r 0d
0
(i
cos
j
sin )d
2cos
2
i
sin
2
j cos
2
2
28
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (3)
• 空心圆锥体的立体角 ~ d
ds 2 r sin rd ;
d
ds r2
2
sin d
2 b | db
A
|
原子物理学第6章X射线剖析
K
X射线摄谱仪示意图
第六章 X射线
Manufacture: Zhu Qiao Zhong
16
多晶粉末法(德拜,晶体粉末…)
德拜(荷兰)利用晶体粉末(压成圆柱形)对X射线的衍射作实验. 粉末中有大量排列杂乱的微小晶体, 总有一些晶体的晶面满足布 喇格公式而产生衍射极大. 德拜相上每一条圆弧形谱线对应于某一晶面的衍射极大, 可确 定晶体的晶格常数,从而确定晶体的空间结构.所以这种X射线晶 体粉末衍射摄谱仪学用于X射线晶体结构分析中.
劳厄的想法：X射线的波长数量级为Å,要分辩X射线的光栅也 要在Å的数量级才行.晶体有规范的原子排列,且原子间距也在Å 的数量级.是天然的三维光栅. 但普朗克对劳厄的想法不予支持.后来劳厄去找正在攻读博士 的索末菲,经两次实验后终于成功进行了X射线的衍射实验.
Lane,德,(1879-1960 )
第六章 X射线
如图示,相邻晶面间两条衍射波之间的光程差为：
BD DC 2d sin
b
a
B A C d
a′
1 2
b′
相干叠加极大值条件(布喇格 晶体衍射公式)：
3
D
h
2d sin k , k 1,2,3
据此可测量X射线的波长λ.也可测 未知晶体的晶格常数d.
Manufacture: Zhu Qiao Zhong
原子物理学全套精品课件
（3）后期（19世纪末—20世纪初）
是原子物理学阔步前进的时期 经典物理学大约经过300多年的发展到19世纪末已建立 了较完整的理论体系，这就是： ①以牛顿三定律和万有引力为基础的经典力学 ②以麦克斯韦方程组和洛伦兹公式所表达的电磁场理论 ③对于热现象有以热力学三大定律为基础的宏观理论，又有用 统计物理学所描述的微观理论。
主张物质可以无限分割的以战国时期的公孙龙 为代表，他说过与句名言：
一尺之锤，日取其半，万世不竭。
2. 近代原子说 建立在科学基础之上的原子说是二三百年内的事情，这 段时间可以划分为几个时期： （1）前期（17世纪-18世纪） 这一时期主要代表性的发现及理论： 罗蒙洛索夫提出“原子动力论”，这里的原子实际上是分子，所以 应是“分子动力论”。它揭示气体能充满空间是分子运动的结果， 例如：在一个真空容器中，打进一点有色气体，气体立刻充满整 个容器，这是分子运动的结果。它说明物质是不连续的。物理学 是探讨物质结构和运动基本规律的前沿学科。
1811年，意大利阿伏伽德罗（A.Avogadro）提出阿伏伽德罗假说， 同体积在同温同压下含有同数分子； 1826年，英国布朗（R.Brown）观察到夜体中的悬浮颗粒无规则 的起伏运动，即布朗运动； 1833年，英国的法拉第（M.Faraday）提出电解定律，并把化学 亲和力归结为电力；结识了点的基本单元的存在。 1869年，俄国门捷列夫提出元素周期律 这些使人们开始确切的认识到物质由分子或原子构成—— 原子分子运动论形成。
原子物理学 .ppt
8
1.电子的发现
1833 年
1874 年1879 年 1881 年1897 年
1899 1年909 年
法拉弟电解定律：析出物质量正比于电解液电量 1mol一价离子所带电量为常数（法拉第常数）F
斯通尼（英）提出电荷的最小单位 e F NA
克鲁克斯(英)以实验说明阴极射线是带电粒子， 为电子的发现奠定基础 斯通尼命名电量子为电子
5
第一章 原子的位形：卢瑟福模型
§1-1背景知识
古代原子学说
原子（Atom） 组成物质的最小单元，永恒不变 “原子”概念源于希腊文,其意为“不可分割的”
机械原子学说（17世纪）
有质量的球形微粒 通过吸引力机械地结合成宏观物体 原子的运动是机械位移，遵守力学定律 困难：不能解释光、电、热等物理现象和燃烧等化学过程
• 1897年考夫曼（德）也做过与汤姆逊类似的实 验且结果更精确，但他不承认阴极射线是粒子的 假设，直到1901年才将实验结果公布。
11
2.电子的电荷和质量
• 精确测定电子电荷的是密立根 油滴实验（1910年)测得出电 子电荷的值为：
• 再由e/m求得电子质量为：
me 9.111031 kg
• 据此发现电荷呈量子化分布。 • 电荷为何呈量子化分布的机制
至今仍未解决）
获1923年度 诺贝尔物理学奖
R. Millikan（美） (1868-1953)
1.电子的发现
1833 年
1874 年1879 年 1881 年1897 年
1899 1年909 年
法拉弟电解定律：析出物质量正比于电解液电量 1mol一价离子所带电量为常数（法拉第常数）F
斯通尼（英）提出电荷的最小单位 e F NA
克鲁克斯(英)以实验说明阴极射线是带电粒子， 为电子的发现奠定基础 斯通尼命名电量子为电子
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第一章 原子的位形：卢瑟福模型
§1-1背景知识
古代原子学说
原子（Atom） 组成物质的最小单元，永恒不变 “原子”概念源于希腊文,其意为“不可分割的”
机械原子学说（17世纪）
有质量的球形微粒 通过吸引力机械地结合成宏观物体 原子的运动是机械位移，遵守力学定律 困难：不能解释光、电、热等物理现象和燃烧等化学过程
• 1897年考夫曼（德）也做过与汤姆逊类似的实 验且结果更精确，但他不承认阴极射线是粒子的 假设，直到1901年才将实验结果公布。
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2.电子的电荷和质量
• 精确测定电子电荷的是密立根 油滴实验（1910年)测得出电 子电荷的值为：
• 再由e/m求得电子质量为：
me 9.111031 kg
• 据此发现电荷呈量子化分布。 • 电荷为何呈量子化分布的机制
至今仍未解决）
获1923年度 诺贝尔物理学奖
R. Millikan（美） (1868-1953)
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