第2章 电磁辐射与材料的相互作用
电磁辐射的特性,与物质的相互作用有哪些?
电磁辐射的特性,与物质的相互作用有哪些?
答:特征:波动性,微粒性。
作用:①吸收:物质分子吸收光子能量
②发射:物质分子收到辐射能,光能,电能热能等跃迁到激发态,再有激发态返回基态并以辐射能释放能量。
③散射:物质分子与光子发生弹性碰撞,方向改变,能量不变;
④拉曼散射:物质分子与光子发生非弹性碰撞,方向改变,能量交换;
⑤折射,反射:光辐射从一种介质1进入另一种介质2,一部分以一定角度回到介1,成为反射;另一部分以一定的角度折射进去介质2 。
第二章-光谱分析法概论
E单位:电子伏(eV)或焦耳(J) h -普朗克常数,h=6.626×10-34 J·s-1; C为光速。
例:波长为200nm的电磁波,其能量是多少电子伏特(eV)? 解:
电磁波谱
13
二、电磁辐射与物质相互作用
电磁辐射与物质的相互作用是复杂的物理现象。 涉及能量变化:吸收、发射; 不涉及能量变化:反射、散射、折射、衍射。
第二章 光谱分析法概论
1
本章主要内容:
一、电磁辐射及其与物质的相互作用 二、光学分析法的分类 三、光谱分析仪器
概述
光学分析法是基于电磁辐射与物质相互作用后,电磁辐 射发生某些变化或被作用物质的某些性质发生改变而产 生各种信号,利用这些信号对物质的性质、组成及结构 进行分析的一种方法。
光学分析法的原理主要包含三个过程: (1)能源提供能量; (2)能量与被测物质相互作用; (3)产生被检测的信号。
3
第一节 电磁辐射及其与物质的相互作用
4
电磁辐射的性质:波粒二象性
1.波动性
电磁辐射的传播以及反射、折射、散射、衍射及 干涉等现象表现出电磁辐射具有波的性质。
图2-1 电磁波的传播
6
波动性参数描述
(1)周期 T 相邻两个波峰或波谷通过某一固定点所需要的时间间隔称为周期。单 位:s(秒)。
(2)频率ν 单位时间内电磁波振动的次数称为频率。单位:Hz或周/秒。 ν =1/T
范围的谱带。
2.组成:
单色器
入射狭缝 色散元件 准直镜
棱镜 光栅
分光系统
出射狭缝
滤光器
47
(1)狭缝 狭缝为光的进出口, 狭缝宽窄直接影响分 光质量。狭缝过宽, 单色光不纯,将使吸 光度变大;过窄,则 通光量变小,灵敏度 降低。因此狭缝宽度 要适当。
放射性地球物理第二章 射线和物质相互作用
第一节 带电粒子与物质相互作用
三、β射线与物质的相互作用 3、 韧致辐射
高速运动的β粒子或其它带电粒子通过物质时,在核库 仑场作用下,改变运动速度,伴随放出电磁辐射。
原子核 轫致辐射放出的电磁辐射是连续能量的X射线。 使用辐射损耗率描述在单位距离上轫致辐射的能量损耗。
辐射损耗率定义为:
d d X E 辐 = 射 N 1E m 3 Z 0 2 C 1 7 Z 2 e4 4ln m 2 0C E 23 4
电子打在荧光屏上 产生X射线
电视机显像管
特征: x 射线能量连续 0 – EMax(电子能量) 电视机 高压15 kV 电子束能量15 keV x 射线能量 0 -15 keV
产生机制
第一节 带电粒子与物质相互作用
三、β射线与物质的相互作用
4、 线阻止本领 S
在核反应可以忽略的(不是太高)能量范围,带电粒子 主要的能量损失方式是碰撞电离损失核轫致辐射损失。
d dX E 电= 离2m e04vZ 2Nln (1 2 Im 2(0 1v 2 )2E 8 1 2)(1 ln1 2 (1 2)2212)
m0,e-电子的静止质量与电荷; z,v-α粒子的电荷数与速度; β= v /c,c-光速;
Z-介质的原子序数; N-介质单位体积(1cm3)内的原子数目; I-吸收介质原子的平均电离电位; E-入射电子动能;
d d X E 电= 离 4 e m 4 0 Z v2 z2N ln I(2 1 m 0 v2 2)2 Wn
m0,e-电子的静止质量与电荷; z,v-α粒子的电荷数与速度; β= v /c,c-光速;
Z-介质的原子序数; N-介质单位体积(1cm3)内的原子数目; I-吸收介质原子的平均电离电位; W-平均电离能; n-电离比度;
辐射与物质的相互作用
辐射在自然界中无处不在,例如 太阳光、地球的天然放射性物质
等。
辐射的分类
电离辐射
具有足够的能量使原子或分子的电子 被剥离,形成带电的离子或激发态的 原子或分子。
非电离辐射
能量较低,不足以引起电离,如无线 电波、微波和可见光等。
辐射的性质
01
02
03
穿透性
某些类型的辐射能够穿过 物质,如X射线或伽马射 线。
分子与辐射的相互作用
要点一
分子吸收辐射
分子可以吸收特定波长的辐射能量,导致分子振动或转动 能级发生变化。
要点二
分子荧光和磷光
当分子吸收能量后,可能会以荧光或磷光的形式释放能量 。
固体与辐射的相互作用
热传导
固体吸收辐射能量后,通过晶格振动将能量 传递给相邻原子或分子。
光催化
某些固体材料在光的作用下可以催化化学反 应的进行,如光解水或光合作用等。
电子对生成
总结词
电子对生成是指高能光子与物质相互作用时,光子的能量被物质吸收,导致物 质中的电子和正电子对产生的现象。
详细描述
当高能光子与物质相互作用时,光子的能量可以被物质吸收。在电子对生成中, 光子的能量足够高时,会导致物质中的电子和正电子对产生。这一过程可以用 来解释高能光子在物质中的吸收和转化等现象。
包括防辐射服、手套、鞋等,用于减少辐射对 人体的伤害。
监测仪器
使用辐射监测仪器,定期检测工作环境和个人 的辐射剂量,以便及时采取防护措施。
培训和教育
加强辐射防护的培训和教育,提高公众对辐射危害的认识和自我保护意识。
THANKS
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要意义。
放射性示踪技术
总结词
利用放射性示踪技术可以追踪物质的运动和分布,广泛 应用于环境监测、化学反应研究等领域。
电磁辐射及其对物质的相互作用
电磁辐射及其对物质的相互作用电磁辐射,作为一种广泛存在于自然界中的物理现象,对物质的相互作用具有重要意义。
它的研究领域广泛,涉及到物理学、生物学、医学等多个学科。
本文将从不同角度探讨电磁辐射对物质的相互作用,包括其对生物组织、环境和物质结构的影响。
首先,电磁辐射对生物组织的影响是人们十分关注的一个方面。
近年来,随着无线通信技术的快速发展,人们在日常生活中接触到的电磁辐射不断增加。
因此,对电磁辐射产生的潜在危害进行研究成为一项重要任务。
研究表明,长期接触大功率电磁波辐射可能对人体健康产生一定的影响,如导致电离辐射所致的细胞DNA损伤、免疫功能下降等。
此外,电磁辐射还可能对生物体的生理活动产生干扰,例如改变人体内生物电流的传导。
因此,充分了解电磁辐射对生物组织的影响,对于保护人体健康具有重要意义。
其次,电磁辐射也对环境产生一定的影响。
空间中的电磁辐射来自于太阳和星际射电信号等多个源头。
这些电磁辐射不仅对地球的大气、水环境产生一定的影响,还会对动植物的生长和繁殖产生一定的影响。
例如,太阳辐射中的紫外线能够杀死水中的微生物,起到一定的消毒作用。
同时,电磁辐射还能够影响动物的迁徙、繁殖行为以及作物的生长发育。
因此,电磁辐射对环境的影响需要引起我们的重视和研究。
此外,电磁辐射还对物质的结构和性质产生一定的影响。
在材料科学领域,电磁辐射被广泛应用于材料合成和改性。
例如,电磁辐射可以通过改变材料中的结构和化学键来调控其性质。
在医学领域,电磁辐射在诊断和治疗方面也有重要应用。
例如,X射线被广泛应用于医学影像学,而电磁波的热效应则被用于肿瘤的治疗。
这些应用既体现了电磁辐射与物质相互作用的机制,也促进了材料科学和医学的发展。
总之,电磁辐射作为一种自然现象,对物质的相互作用具有重要意义。
它对生物组织、环境和物质结构产生着广泛而复杂的影响。
为了更好地探究电磁辐射与物质之间的相互作用,在今后的研究中,我们需要更深入地了解电磁辐射的性质和机制,同时也需要加强对电磁辐射对人体健康和环境的影响进行系统研究。
第2章辐射与物质的相互作用
R 412 2.271.2650.0954ln 2.27 1.1(g / cm2 )
T=1.1/1.18=0.932(cm) T=1.1/2.7=0.41(cm)
37
四、比电离
比电离: 单位径迹长度上产生的离子对数,又称电离密度。
离子对/厘米
4
5
电离、激发、 弹性碰撞
++ +
韧致辐射、 弹性碰撞
6
电离和激发(与核外电子的非弹性碰撞)
主
韧致辐射(与原子核的非弹性碰撞)
要
过
弹性散射(与核外电子和原子核都可能)
程 核反应
湮没辐射与契伦科夫辐射
7
描述的量:
总线阻止本领=碰撞阻止本领+辐射阻止本领
dE dE dE dl dl col dl rad
=180o,散射光子能量约为0.25MeV
52
反冲电子: 能量关系: 角度关系:
53
康普顿效应的截面:
Klein-Nishina公式: (每个电子)
d d
Zr02
1
(
1 1
cos
)
2
1
2
cos
2
1
(
1
2
2
cos
(1 cos )[1 (1
)2 cos
)]
单位:cm2/电子
n-透明介质的折射率
31
三、带电粒子在物质中的射程
1.重带电粒子
平均射程:
E0 1
R 0
dE dE
dl
32
粒子射程: 在空气(0℃,760mmHg)中,
R=0.56E
第2章 电磁辐射与材料的相互作用
82258.91
外加强磁场
高分辨率
mJ
3/2 1/2 1/2 -1/2 -1/2 -3/2
2p
2P 3/2 2P 1/2
a b cd e f 1s
2S 1/2
1/2
-1/2
a,b
c,d
e,f
H原子2p→1s跃迁的能级和谱线 光谱项对 光谱支项对 光谱超精细 (单位:㎝-1) 结构 应粗谱线 应细谱线
选
律
原子各光谱支项塞曼能级之间的跃迁除遵从前述之光谱选 律外,还必须满足总磁量子数的变化MJ=0或1的条件 (但MJ=0时,MJ=0的跃迁一般也是禁阻的)。 分辨率高的光谱仪才能区分开
氢原子(2p)1
(1s)1 的跃迁光谱
无外加磁场
低分 高分辨率 辨率
2S→1s不可跃迁,违反选律 氢原子发射光谱的选律:n 任意;l = 1;j =0,1; mj = 0,1。 一条谱线: (无外加磁场影响, 低分辨率) 两条谱线: (无外加磁场影响, 高分辨率) 三条谱线: (有外加磁场影响, 正常Zeeman 效应) 五条谱线: (有外加磁场影响, 反常Zeeman 效应)
拉曼散射线与入射线波长稍有不同,波长短于入射线者称为反斯托克 斯线,反之则称为斯托克斯线。
拉曼散射产生的实质:入射光子与分子作用时分子的振动能级或转动 能级跃迁。
2. 晶体中的电子散射
X射线等谱域的辐射照射晶体,电子是散射基元。 相干散射(经典散射或汤姆逊散射) 晶体中的电子散射 非相干散射(康普顿-吴有训效 应、康普顿散射、量子散射 )
如果散射基元是原子核,散射强度如何? 原子核的质量比电子要大得多(约大1838倍)
电磁辐射与材料吸收的相关性研究
电磁辐射与材料吸收的相关性研究电磁辐射是人们日常生活中经常接触到的一种自然现象。
我们常常使用电器设备,如手机、电视、电脑等,这些设备都会释放电磁辐射。
然而,近年来,对电磁辐射对人体健康的影响越来越受到关注。
不仅如此,电磁辐射与材料吸收之间的相关性也逐渐成为一个研究热点。
首先,让我们来了解什么是电磁辐射。
电磁辐射是一种由电场和磁场交替变化而产生的能量传播现象。
它包括可见光、无线电波、微波等各种波长的电磁波。
这些电磁波与材料相互作用时,会引起一系列物理、化学甚至生物效应。
对于材料而言,它们对电磁波的吸收特性是十分重要的。
材料对电磁波的吸收可分为两个方面:吸收能力和频率选择性。
首先,我们来研究材料的吸收能力。
材料对电磁波的吸收能力取决于材料的物理和化学特性。
对于金属材料而言,因为其自由电子的存在,它们对电磁波的吸收能力较强。
这也是为什么手机信号在金属建筑物内信号弱的原因之一。
而对于非金属材料而言,其吸收能力取决于其分子结构和化学成分。
其次,材料对电磁波的吸收还具有一定的频率选择性。
不同材料对不同频率的电磁波的吸收能力有所不同。
例如,对于晶体材料而言,它们对于特定频率的电磁波具有较高的吸收能力。
这也是为什么晶体在无线电接收器和发射器中被广泛应用的原因之一。
然而,需要指出的是,电磁辐射与材料吸收之间的相关性研究还有许多争议和待解决的问题。
一些研究表明,电磁辐射对人体健康的影响可能与材料的吸收特性有关。
例如,一些材料可能会增加电磁辐射的吸收,从而导致更多的辐射进入人体。
这可能会引发一些健康问题,如头痛、失眠、焦虑等。
另一方面,一些研究也指出,某些材料对电磁辐射具有屏蔽作用。
这意味着这些材料可以减弱电磁辐射对人体的影响。
这启示我们,在使用电磁辐射设备时,选择适当的材料进行屏蔽是非常重要的。
总的来说,电磁辐射与材料吸收之间的相关性是一个复杂的课题,需要进一步的研究和探索。
未来,我们希望能够找到更多的证据,了解电磁辐射与材料吸收之间的机制和相互关系。
电磁辐射与材料的相互作用
阴极电子将自已的能量给予受激发的原子,而使它的能量 增高,原子处于激发状态。 如果K层电子被击出K层,称K激发,L层电子被击出L层, 称L激发,其余各层依此类推。
特征X射线的产生机理
产生K激发的能量为WK=hυK,阴极电子的能量必须满足 eV≥WK=hυK,才能产生K激发。其临界值为eVK=WK ,VK 称之临界激发电压。 处于激发状态的原子有自发回到 稳定状态的倾向,此时外层电子 将填充内层空位,相应伴随着原 子能量的降低。原子从高能态变 成低能态时,多出的能量以X射 线形式辐射出来。 因物质一定,原子结构一定,两 特定能级间的能量差一定,故辐 射出的特征X射波长一定。
.1912年劳埃进行了晶体的X射线衍射实验
X射线最早的应用
在X射线发现后几个月医生就 用它来为病人服务
李鸿章在X光被发现后仅7个月就 体验了此种新技术,成为拍X光片 检查枪伤的第一个中国人。
右图是纪念伦琴发现X射线 100周年发行的纪念封
X射线的性质
• 人的肉眼看不见X射线,但X射线能使气体 电离,使照相底片感光,能穿过不透明的 物体,还能使荧光物质发出荧光。 • X射线呈直线传播,在电场和磁场中不发生 偏转;当穿过物体时仅部分被散射。 • X射线对动物有机体(其中包括对人体)能 产生巨大的生理上的影响,能杀伤生物细 胞。
3.特征X射线谱
特征X射线的产生:
若管电压增至某一临界值(称激发电压)使撞击靶 材的电子具有足够能量时,可使靶原子内层产生 空位,此时较外层电子将向内层跃迁产生辐射即 特征X射线. 特征X射线光子能量(相应的频率及波长)取决于 跃迁前后能级差.
特征X射线的产生机理
特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。 原子壳层按其能量大小分为数层,通常用K、L、M、N等字 母代表它们的名称。 但当管电压达到或超过某一临界值时,则阴极发出的电子 在电场加速下,可以将靶物质原子深层的电子击到能量较 高的外部壳层或击出原子外,使原子电离。
第2章 X射线及其与物质的相互作用
第二章 X射线及其与物质的相互作用X-Rays and Their Interaction with MatterOutline2.1 X射线-波和光子(X-rays—Wave and Photons) 2.2 散射(Scattering) 电子 - 原子 - 分子(晶胞)- 晶体 2.3 吸收(Absorption) 2.4 折射和反射(Refraction and Reflection) 2.5 相干 (Coherence) 2.6 磁的相互作用 (Magnetic Interactions)§ 2.1 X射线-波/光子 (X-rays-Waves / Photons)X射线: 波长λ~1 Å 量级的电磁波,或能量在~10 KeV的光量子.常用术语含义由来: • 软X射线:穿透能力弱-“软” • 硬X射线:穿透能力强-“硬”• 电磁波单色平面波的描述:r r r r r E (r , t ) = E0 cos − ωt + k ⋅ r + φ r r r r r H (r , t ) = H 0 cos − ωt + k ⋅ r + φ(())角频率 ω: 波 矢 k: 横 波:ω = 2πν = 2π / T r 2π r k= n λE ⋅k = H ⋅k = 0为了计算方便,通常用复振幅描述一列波 rr i ( k ⋅r −ωt ) 0r r E (r , t ) = ε E eI = EE*由电场强度矢量的复振幅可以计算光强严格定义的光的强度(简称光强)是指单位面积上的平均光 功率,也即光的平均能流密度*,与X射线衍射实验中所谈的测量 强度的含义有所不同,后者实际指探测器探测的光功率,而不考 虑是否是“单位面积”上的光功率。
r r r *严格的光强由Pointing矢量 S = E × H 计算得到r I = S = E ×H =ε rε 0 n 2 ⋅E = E2 μ r μ0 2cμ 0在同一种煤质里只关心光强的相对分布时,上式中的比例系数 不重要,光的(相对)强度可以写成是振幅的平方:I=E2实际的波:波包 ΔtΔω∼1 Δt≈ħ/ΔE=6.58×10-16 sec ⇒与物质相互作用的时间 在费秒(10-15 s)量级 (相干激光: Δt~1 sec)• 光子E = hωp = hkp = h/λ或E = hv• 能量为ħω、动量为ħk 的一束单色X光的强度 由单位时间内通过单位面积上的光子数决定。
辐射防护第2章- 相互作用
5
2.2 描述辐射场的量和单位
一、核素、同位素及放射性活度 放射性核素,如:60Co、239Pu
核素:
稳定核素,如:12C、16O
同位素:
质子数相同,中子数不同,如: 氢的同• 电离辐射存在的空间称为辐射场; • 辐射场是由辐射源产生的,根据辐射源的种类,辐射场可 以分为γ辐射场,中子辐射场,β辐射场等。(如果存在两 种或两种以上的辐射源,称为混合场,例如:中子-γ混合 场,β-γ混合场等) • 辐射场的特征如何去描述? ICRU(国际辐射单位与测量委员会)定义一些物理 量来描述辐射场,在辐射防护中,常用粒子数、辐射能、 粒子注量、注量率、能注量和能注量率等来描述辐射场的 特征 理解并掌握粒子注量、注量率、能注量和能注量率的 概念、物理意义
单能电子束入射厚靶: F=5.8×10-4 Z E
39
带电粒子与物质相互作用
β射线入射厚靶: F3.33×10-4Z Eβmax 屏蔽计算中,对韧致辐射谱 常取E(平均) 1/3 Eβmax
例如,32P的Eβmax=1. 709 MeV ,当β射线在铅中
被吸收时,用上式算得转变为轫致辐射的份额为入射
A 放射性活度,SI单位:贝克勒尔(Bq)。 1 Bq=1s-1 dN dt 时间内发生的核转变数。
历史上曾使用过的单位:居里(Ci) 1 Ci=3.71010Bq
17
小结:对于点源,距点源γ处的任一点的注量率与距离
的平方成反比例关系,即:点源的注量和能量注量在空间的 分布存在距离反平方关系。 应用上述关系,在电离辐射仪器仪表刻度时,若已知
35
带电粒子与物质相互作用
36
当入射带电粒子与原子核发生非弹性碰撞时,以辐射光子损失其 能量,我们称它为辐射损失。
材料分析测试方法试题及答案
第一章电磁辐射与材料结构一、名词、术语、概念波数,分子振动,伸缩振动,变形振动(或弯曲振动、变角振动),干涉指数,晶带,原子轨道磁矩,电子自旋磁矩,原子核磁矩。
二、填空1、电磁波谱可分为3个部分:①长波部分,包括( )与( ),有时习惯上称此部分为( )。
②中间部分,包括( )、( )和( ),统称为( )。
③短波部分,包括( )和( )(以及宇宙射线),此部分可称( )。
答案:无线电波(射频波),微波,波谱,红外线,可见光,紫外线,光学光谱,X射线,射线,射线谱。
2、原子中电子受激向高能级跃迁或由高能级向低能级跃迁均称为( )跃迁或( )跃迁。
答案:电子,能级。
3、电子由高能级向低能级的跃迁可分为两种方式:跃迁过程中多余的能量即跃迁前后能量差以电磁辐射的方式放出,称之为( )跃迁;若多余的能量转化为热能等形式,则称之为( )跃迁。
答案:辐射,无辐射。
4、分子的运动很复杂,一般可近似认为分子总能量(E)由分子中各( ),( )及( )组成。
答案:电子能量,振动能量,转动能量。
5、分子振动可分为( )振动与( )振动两类。
答案:伸缩,变形(或叫弯曲,变角)。
6、分子的伸缩振动可分为( )和( )。
答案:对称伸缩振动,不对称伸缩振动(或叫反对称伸缩振动)。
7、平面多原子(三原子及以上)分子的弯曲振动一般可分为( )和( )。
答案:面内弯曲振动,面外弯曲振动。
8、干涉指数是对晶面( )与晶面( )的标识,而晶面指数只标识晶面的()。
答案:空间方位,间距,空间方位。
9、晶面间距分别为d110/2,d110/3的晶面,其干涉指数分别为( )和( )。
答案:220,330。
10、倒易矢量r*HKL的基本性质:r*HKL垂直于正点阵中相应的(HKL)晶面,其长度r*HKL等于(HKL)之晶面间距d HKL的( )。
答案:倒数(或1/d HKL)。
11、萤石(CaF2)的(220)面的晶面间距d220=0.193nm,其倒易矢量r*220()于正点阵中的(220)面,长度r*220=()。
第二章 辐射防护基础知识(三)——射线与物质相互作用
种现象称为射程歧离。
– 产生这种现象的原因——
每两次碰撞间粒子穿过的距离以及每次碰撞使带电粒子失去的能 量不完全相同,因而相同能量的粒子的射程不是一个定值。由于 每个粒子都必须经过多次的碰撞,因此,各个粒子的射程间的相 互差别并不很大。重带电子粒子的射程涨落一般都很小。
3. 阻止本领
带电粒子使物质原子电离或激发而损失的能量称 为电离能量损失。 把带电粒子在物质中单位路程上的电离损失称为 电离能量损失率,又称为阻止本领。常用符号
R = 3.2 × 10
4
A
ρ
Raiv
式中,A和ρ分别表示吸收物质原子的质量数和 密度(单位为g/cm3),R的单位为cm。
2.几个重要概念 2.几个重要概念
射程和路径的区别
带电粒子的射程和路程
2.几个重要概念 2.几个重要概念
3)射程歧离
– 一组单能粒子射程的平均值称为平均射程。 – 相同能量的粒子在同一种物质中的射程并不完全相同,这
原电离—— 次级电离——由原电离产生的电子如果具有足够的动
能,它也能使原子电离
1. 作用类型 1)电离(ionization)—— 电离( 电离
δ电子——α粒子与物质原子壳层电子直接碰撞时, 可以产生高能电子的电离,出射的电子 δ电子可以使物质原子再电离或激发
带电粒子通过物质
物质中原子被电离, 物质中原子被电离,在 粒子通过的路径上形成 许多离子对: 许多离子对: 正离子和自由电子
3. 非弹性散射
非弹性碰撞——
– 当快速电子通过物质时,它与物质原子的壳层电子发生
碰撞,而体系功能不守恒,入射电子将自己的一部分能 量给于原子壳层电子,使原子发生电离或激发
– 电子——电子碰撞:实质上是静电相互作用。
第2章 射线与物质相互作用
α粒子刚进入介质中时, 速度快,与介质原子的作 用时间短,比电离小;在 射程末端前, α粒子速度 慢,作用时间长,有极大 值;此后,能量耗尽,比 电离快速衰减到0。
入射粒子越接近射程末端,速度越慢,因而比电离值越大。
α粒子在空气中的比电离约6600离子对/mm,产生此峰值α 的粒子能量约700keV。
这种由入射带电粒子与靶原子核发生弹性碰撞引起入射粒子 的能量损失称之为核碰撞能量损失,我们把原子核对入射粒子的 阻止作用称为核阻止。
核碰撞能量损失只是在入射带电粒子能量很低或低速重离子 入射时,对粒子能量损失的贡献才是重要的。但对电子却是引起 反散射的主要过程。
α粒子质量大,与核碰撞后运动方向变化小。β粒子质量小, 运动状态改变大。而原子核获得的反冲能量,可以使晶体原子 位移,形成缺陷,即造成物质辐射损伤。
四、α粒子与原子核的作用
α粒子与核作用形式:卢瑟福散射、核反应
• 卢瑟福散射—α粒子与核库仑场作用而改变方向;
• 核反应—α粒子进入原子核,使原来的原子核发生根本性 变化,即产生新核并放出1个或几个粒子。记为A(α,b)B。
几个利用α射线完成的著名的核反应:
• 利用210Po放出的α粒子轰击9Be制成的靶,可以产生12C和中 子(查德威克1932 ),导致中子的发现:
这些相互作用是入射带电粒子所带电荷与原子中核外电子、 原子核发生的库仑相互作用。
这些相互作用引起电离或激发、散射和各种形式的辐射损 失,结果使入射带电粒子损失动能和改变运动方向。入射带电 粒子在相互作用过程中逐渐慢化。
当然,入射带电粒子也可穿过原子核的库仑位垒,并与原 子核发生核反应。本节不讨论发生核反应的情况。
• 例:210Po,放射源,E=5.3MeV,计算其在空气中和铝 (A=27 , =2.7g/cm3 )中的射程。
成像理论第二章02
• 当X光子进入生物组织后,与电子相互作用,形 成高速电子和散射线。 • 高速电子在通过组织时,与沿途原子相互作用, 使其电离或激发,所以这些都产生化学变化和 生物损伤。 • 有些高速电子还可以发生辐射性碰撞而产生轫 致辐射,这些轫致辐射与散射线又像原射线一 样继续与物质的原子作用,重复上述过程。 • 通常一个入射X线光子的全部能量都转移给电子, 平均需30次左右的相互作用
• 原子序数、光子能量与三种基本作用的 关系 • 在0.01~10MeV这个常见范围,几乎所 有效应都是由光电效应、康普顿效应、 电子对效应这三个基本过程产生
四、其他作用
• 1、相干散射 • 射线与物质相互作用而发生干涉的散射过程称 为相干散射。 • 否则就是非相干散射,康普顿效应是非相干散 射 • 相干散射:瑞利散射、核的弹性散射、德布罗 克散射 • 当入射光子在低能范围0.5~200keV时,瑞利 散射概率不可忽视,因此相干散射主要是指瑞 利散射
二、康普顿效应
• 1、康普顿效应又称康普顿散射,是射线光子能 量被部分吸收而产生散射线的过程。
• 具有能量为hv的入射光子与原子的轨道电子相 互作用时,光子交给轨道电子一部分能量后, 其频率发生改变并与入射方向成φ角射出(散射 光子),获得足够能量的轨道电子则脱离原子 束缚与光子入射方向成θ的方向射出(反冲电 子),这个作用过程成为康普顿效应
光电效应示意图
爱因斯坦光电方程
放出光电子的原子变为 正离子,原子处于不稳 定的激发态,其电子空 位很快被外层电子跃入 填充,同时放出特征X 线光子。有时特征X线 在离开原子前,又将外 层电子击脱,该电子称 俄歇电子
E hv EB
• 光电效应实质:物质吸收X线使其产生电离过程 • 此过程中产生次级粒子:(1)负离子(光电子、 俄歇电子)(2)正离子(失去电子的原子) (3)特征辐射 • 2、光电效应发生概率——三方面因素限制 • (1)物质原子序数Z的影响——光电效应的概 4 率与Z的四次方成正比: 光电效应概率 Z
仪器分析-第2章 光学分析法导论
·电子能级变化时,必然伴随着振动能级的变化,振 动能级的变化又伴随转动能级的变化,因此,分子光谱 不是线状光谱,而是带状光谱。
λ =1 / σ
c:光速 (2.9979×1010 cm ·s-1);λ:波长(cm); ν:频率(Hz或s-1);σ:波数(cm-1) ; E :能量(ev或J); h:普朗克常数6.6256 ×10-34J ·s或4.136 ×10-15ev.s
二、电磁波谱
电磁辐射按照波长(或频率、波数、能量)大小的顺序排列.
如: 钠原子的光谱项符号 32S1/2;
表示钠原子的电子处于n=3,M =2(S = 1/2),L =0,
J = 1/2 的能级状态(基态能级);
接下一页
电子的多重态
h +
单重态 (自旋配对)
电子跃迁
激发单重态 (自旋 配对)
h +
单重态
电子跃迁 和 自旋翻转
(自旋配对)
三重态 (自旋 平行)
返回
3. △J = 0、±1 但当J=0时,△J =0跃迁是禁戒的。 4. △S = 0 即单重态只跃迁到单重态,三重态只跃迁到三重
态。不同多重态之间的跃迁是禁阻的。
符合以上条件的跃迁,跃迁概率大,谱线较强.不符合 光谱选择定则的跃迁叫禁戒跃迁,禁阻跃迁强度很弱。 若两光谱项之间为禁戒跃迁,处于较高能级的原子具有较长 的寿命,原子的这种状态称为亚稳态。
吸收光谱法
原紫红核 子外外磁 吸可可共 收见见振
光谱分析法
分子光谱法
发射光谱法
原原分分 X 化
子
子
材料分析测试方法试题及答案
材料分析测试方法试题及答案第一章电磁辐射与材料结构一、名词、术语、概念波数,分子振动,伸缩振动,变形振动(或弯曲振动、变角振动),干涉指数,晶带,原子轨道磁矩,电子自旋磁矩,原子核磁矩。
二、填空1、电磁波谱可分为3个部分:①长波部分,包括()与(),有时习惯上称此部分为()。
②中间部分,包括()、()和(),统称为()。
③短波部分,包括()和()(以及宇宙射线),此部分可称()。
答案:无线电波(射频波),微波,波谱,红外线,可见光,紫外线,光学光谱,某射线,射线,射线谱。
2、原子中电子受激向高能级跃迁或由高能级向低能级跃迁均称为()跃迁或()跃迁。
答案:电子,能级。
3、电子由高能级向低能级的跃迁可分为两种方式:跃迁过程中多余的能量即跃迁前后能量差以电磁辐射的方式放出,称之为()跃迁;若多余的能量转化为热能等形式,则称之为()跃迁。
答案:辐射,无辐射。
4、分子的运动很复杂,一般可近似认为分子总能量(E)由分子中各(),()及()组成。
答案:电子能量,振动能量,转动能量。
5、分子振动可分为()振动与()振动两类。
答案:伸缩,变形(或叫弯曲,变角)。
6、分子的伸缩振动可分为()和()。
答案:对称伸缩振动,不对称伸缩振动(或叫反对称伸缩振动)。
7、平面多原子(三原子及以上)分子的弯曲振动一般可分为()和()。
答案:面内弯曲振动,面外弯曲振动。
8、干涉指数是对晶面()与晶面()的标识,而晶面指数只标识晶面的()。
答案:空间方位,间距,空间方位。
9、晶面间距分别为d110/2,d110/3的晶面,其干涉指数分别为()和()。
答案:220,330。
10、倒易矢量r某HKL的基本性质:r某HKL垂直于正点阵中相应的(HKL)晶面,其长度r某HKL等于(HKL)之晶面间距dHKL的()。
答案:倒数(或1/dHKL)。
11、萤石(CaF2)的(220)面的晶面间距d220=0.193nm,其倒易矢量r某220()于正点阵中的(220)面,长度r某220=()。
材料分析测试技术左演声课后答案
第一章 电磁辐射与材料结构一、教材习题1-1 计算下列电磁辐射的有关参数:(1)波数为3030cm -1的芳烃红外吸收峰的波长(μm ); 答:已知波数ν=3030cm -1根据波数ν与波长λ的关系)μm (10000)cm (1λν=-可得: 波长μm 3.3μm 3030100001≈==νλ(2)5m 波长射频辐射的频率(MHz ); 解:波长λ与频率ν的关系为λνc=已知波长λ=5m ,光速c ≈3×108m/s ,1s -1=1Hz则频率MHz 6010605/103168=⨯=⨯=-s msm ν (3)588.995nm 钠线相应的光子能量(eV )。
答:光子的能量计算公式为λνchh E ==已知波长λ=588.995nm=5.88995⨯10-7m ,普朗克常数h =6.626×10-34J ⋅s ,光速c ≈3×108m/s ,1eV=1.602×10-19J 则光子的能量(eV )计算如下:eVeV J ms m s J E 107.210602.110375.3 10375.31088995.5/10310626.61919197834≈⨯⨯=⨯=⨯⨯⨯⋅⨯=-----1-3 某原子的一个光谱项为45F J ,试用能级示意图表示其光谱支项与塞曼能级。
答:对于光谱项45F J ,n =4,L =3,M =5;S =2(M =2S +1=5),则J =5,4,3,2,1,当J=5,M J=0,±1,±2,···±5;……J=1,M J=0,±1。
光谱项为45F J的能级示意图如下图:1-4辨析原子轨道磁矩、电子自旋磁矩与原子核磁矩的概念。
答:原子轨道磁矩是指原子中电子绕核旋转的轨道运动产生的磁矩;电子自旋磁矩是指电子自旋运动产生的磁矩;原子核磁矩是指原子中的原子核自旋运动产生的磁矩。
分子结构分析概论
5.3 分子光谱分类
5.3.1 分子吸收光谱
拉曼光谱和红外光谱一样,都是研究分子的转 动和振动能级结构的,但是两者的原理和起因 并不相同。
拉曼光谱是建立在拉曼散射效应基础上,利用 拉曼位移研究物质结构的方法;红外光谱是直 接观察样品分子对辐射能量的吸收情况。拉曼 光谱是分子对单色光的散射引起---拉曼效应, 因而它是间接观察分子振动能级的跃迁。
5.3 分子光谱分类
5.3.1 分子吸收光谱
拉曼光谱和红外光谱一样,都是研究分子的转 动和振动能级结构的,但是两者的原理和起因 并不相同。
拉曼光谱是建立在拉曼散射效应基础上,利用 拉曼位移研究物质结构的方法;红外光谱是直 接观察样品分子对辐射能量的吸收情况。拉曼 光谱是分子对单色光的散射引起---拉曼效应, 因而它是间接观察分子振动能级的跃迁。
谱
波谱
内层电 外层电子 分子振 分子转 核能级跃
子跃迁 跃迁 动跃迁 动跃迁
迁
紫外、可见吸收光谱 Ultraviolet-Visible absorption spectrum,UV、VIS
材料吸收10~800nm波长的光子引起分子中外层电子能级跃迁 (1~20eV之间)时产生的吸收光谱,也称为电子光谱。
2. 发射光谱 辐射的发射:物质吸收能量后产生电磁辐
射的现象。 实质:物质从高能级向低能量跃迁,损失
的能量以电磁辐射形式释放。 发射光谱:物质发射辐射的强度对或
的分布。
5.1 电磁辐射与材料的相互作用
3. 散射光谱
电磁辐射与物质发生相互作用,部分 偏离原入射方向而分散传播的现象。
1)分子散射
入射线与尺寸大小远小于其波长的分 子或分子聚集体相互作用而产生的散射。
第五章 分子结构分析概论
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非相干散射的产生
反冲电子
相干散射
• 一个电子对一束强度为I0的偏振化的入射线的散 射波的强度Ie为
e4 I e I 0 2 4 2 sin 2 m c R
汤姆逊公式
(2-3)
e——电子电荷; m ——电子质量 c——光速; R——散射线上任意点(观测点)与电子的距离; ——散射线方向与光矢量(电场矢量) E0的夹角。
电离
电磁辐射与物质相互作用产生的主要现象 脱附 离子 原子、分子
这里是广义的发射
光学分析法:基于测量物质所发射或吸收的电磁波的波长 和强度的分析方法。 测量的信号是物质内部能级跃迁所产生的发 光谱法: 射、吸收或散射光谱的波长和强度。 光 学 分 析 法
不是测量光谱,不包含能级跃迁。 它是基于电磁波和物质相互作用时,电磁 波只改变了方向和物理性质,如折射、反 非光谱法: 射、散射、干涉、衍射和偏振等现象。 非 光谱技术包括折射法、干涉法,旋光测定 法,浊度法,X-射线衍射等。
多重线系与光谱精细结构
一个光谱项nMLJ可产生M个能量稍有不同的分裂能级(光 谱支项)。 原子光谱中,如果同一光谱项的各光谱支项参加辐射跃迁, 则将获得一组波长相近的光谱线,称之为多重线系。
例如,Na的32PJ光谱项有两个光谱支项32P1/2与32P3/2;由 32S1/2—32PJ的辐射跃迁获得的多重线系由32S1/2—32P1/2(波 长5895.9Å)和32S1/2—32P3/2(波长5889.9Å)两条谱线组成。
2. 辐射的发射与发射光谱
辐射的发射:物质吸收能量后产生电磁辐射的现象。 辐射发射的实质:辐射跃迁,即当物质的粒子吸收能量 被激发至高能态(E2)后,瞬间返回基态或低能态(E1),多 余的能量以电磁辐射的形式释放出来。
发射的电磁辐射频率取决于辐射前后两个能级的能量(E2 与E1)之差,即
82259 82259.27
82258.91
外加强磁场
高分辨率
mJ
3/2 1/2 1/2 -1/2 -1/2 -3/2
2p
2P 3/2 2P 1/2
a b cd e f 1s
2S 1/2
1/2
-1/2
a,b
c,d
e,f
H原子2p→1s跃迁的能级和谱线 光谱项对 光谱支项对 光谱超精细 (单位:㎝-1) 结构 应粗谱线 应细谱线
形象地表 明了原子 光谱与原 子结构的 关系
例如:
Na 5889.9Å表示为32S1/2—32P3/2 Na 5895.9Å表示为32S1/2—32P1/2 并非任意两个能级之 间的跃迁都可发生, 从而产生谱线
能量 Na原子能级图
光谱选律
按量子力学原理,能级跃迁必须遵守一定的条件才能进行, 此条件称为光谱选律或选择定则;否则跃迁不能发生,称跃 迁是禁阻的。 (1)主量子数变化n=0或任意正整数; (2)总角量子数变化L=1; (3)内量子数变化J=0,1(但J=0,J=0的跃迁是禁阻的); (4)总自旋量子数的变化S=0。 例如: Na 5889.9Å,32S1/2—32P3/2 n=3-3=0, L=1-0=1, J=3/2-1/2=1, S=1/2-1/2=0 Na 5895.9Å,32S1/2—32P1/2 n=3-3=0, L=1-0=1, J=1/2-1/2=0 , S=1/2-1/2=0 31S0—31D2 n=3-3=0, L=2-0=2, J=2-0=2, S=0-0=0,光学禁阻
Ag的X射线光电子能谱
第二节 各类特征谱基础
一、原子光谱 二、分子光谱 三、光电子能谱 四、俄歇电子能谱 五、核磁共振
一、原子光谱
原子发射光谱 原子吸收光谱 原子荧光光谱 X射线荧光光谱 基于自由(气态)原子外层电子跃迁 通常所称的原子光谱 基于原子内层电子跃迁
莫(穆)斯堡尔谱
基于射线与原子核相互作用
吸收条件:被选择性吸收的辐射光子能量应为跃迁后与 跃迁前两个能级间的能量差,即
E2与E1——高能级与低能级能量。
辐射(能量)被吸收的程度(一般用吸光度)与或的关系 (曲线),即辐射被吸收程度对或的分布称为吸收光谱。
吸收峰(带)
吸收峰(带)
吸 光 度 A
透 过 率 T
或
或
吸收光谱示意图 不同物质具有各自的特征吸收光谱。
第二章 电磁辐射与材料的相互作用
第二章 电磁辐射与材料的相互作用
第一节 第二节 第三节 概述 各类特征谱基础 X射线的产生及其与物质的相互作用
第一节 概述
不同谱域的电磁辐射与物质 相互作用产生的现象有很大 的差别。
吸收
折射
反射
散射
电磁辐射
干涉 衍射
(-X-U-V-I-M-R)
发射
偏振
荧光(二次电磁辐射) 电子
原子荧光光谱
受具有特定波长(a)的电磁辐射(单色光)激发,气态原子外层电子从基态或低能 态跃迁至高能态,在很短时间内(约为10-8s)又跃回基态并发射辐射,即为原子 荧光。(光致发光现象)
但对于Fe、Co、Ni等部分谱线复杂元素,由于谱
线间的相互干扰作用使主共振线灵敏性降低。
原子线与离子线
离子也可产生吸收与发射光谱。 一般称原子产生的光谱线为原子线,称离子产生 的光谱线为离子线。 光谱分析中,常在元素符号后加罗马字母I、II、 III等分别标记中性原子、一次离子、二次离子 等光谱线。
光谱按强度对波长的分布(曲线)特点(或按胶片记录的光 谱表现形态)可分为线光谱、带光谱和连续光谱3类。
线光谱(钠蒸气吸收光谱)
线光谱(氢原子发射光谱)
带光谱(苯蒸气吸收光谱)
带光谱(氰分子发射光谱)
线光谱与带光谱示例
吸收光谱分类
又叫电子自旋共振谱
发射光谱分类
二、辐射的散射
辐射的散射:电磁辐射与物质发生相互作用,部分偏离原 入射方向而分散传播的现象。 物质中与入射的辐射相互作用而致其散射的基本单元可称 散射基元。 散射基元是实物粒子,可能是分子、原子中的电子等,取 决于物质结构及入射线波长大小等因素。
弹性散射或相干散射
辐射的散射 非弹性散射或非相干散射
1. 分子散射
瑞利散射 分子散射 拉曼散射
Raman
Rayleigh
反斯托克斯线 斯托克斯线
Stokes
瑞利散射(弹性散射):入射线光子与分子发生弹性碰撞作用,仅光 子运动方向改变而没有能量变化的散射。
瑞利散射线与入射线同波长。
拉曼散射(非弹性散射):入射线(单色光)光子与分子发生非弹性 碰撞作用,在光子运动方向改变的同时有能量增加或损失的散射。
物质粒子发射辐射的强度对或的分布称为发射光谱。 光致发光者,则称为荧光或磷光光谱。
发 射 强 度 用胶片或感光玻璃记录 或 发射曲线
发射光谱示意图 不同物质粒子具有各自的特征发射光谱。
3.光谱的分类
按光谱(拉曼散射谱)。
吸收光谱与发射光谱按发生作用的物质微粒不同可分为原 子光谱和分子光谱等。
光谱分析中,将这种光谱项多重分裂造成的波长差异细小 的多重线系称为原子光谱的精细结构。 原子光谱分析主要是利用精细结构谱线,且多采用共振线。
塞曼效应
当有外磁场存在时,光谱支项将进一步分裂为能量差异更 小的若干能级,可称之为塞曼能级。 同一光谱支项各塞曼能级参加辐射跃迁,则光谱线将进一 步分裂为波长差更小(约为10-3~10-2nm)的若干谱线, 此现象称为塞曼效应。
拉曼散射线与入射线波长稍有不同,波长短于入射线者称为反斯托克 斯线,反之则称为斯托克斯线。
拉曼散射产生的实质:入射光子与分子作用时分子的振动能级或转动 能级跃迁。
2. 晶体中的电子散射
X射线等谱域的辐射照射晶体,电子是散射基元。 相干散射(经典散射或汤姆逊散射) 晶体中的电子散射 非相干散射(康普顿-吴有训效 应、康普顿散射、量子散射 )
下面主要介绍:
一、辐射的吸收与发射 二、辐射的散射
一、辐射的吸收与发射
1. 辐射的吸收与吸收光谱 2. 辐射的发射与发射光谱 3. 光谱的分类
1. 辐射的吸收与吸收光谱
辐射的吸收:辐射通过物质时,其中某些频率的辐射被 组成物质的粒子(原子、离子或分子等)选择性地吸收, 从而使辐射强度减弱的现象。 辐射吸收的实质:辐射使物质粒子发生由低能级(一般为 基态)向高能级(激发态)的能级跃迁。
X射线吸收谱 气态原子吸收X射线能量,使内层电子脱离
原子,从而产生电离。
1.光谱谱线在能级图中的表示及光谱选律
各光谱项对应角量子数L的不同取值可分为若干列(纵行),对应L=0, 1,1,2,3(即S、P、P、D、F),分为5列。 水平横线——能级(光谱项) 能级 间距 离随 主量 子数 n值 增加 由下 至上 逐渐 减小 常设基态能量为零 两个光谱项表示一 条谱线,在能级图 中即表示为两个能 级间的连线
选
律
原子各光谱支项塞曼能级之间的跃迁除遵从前述之光谱选 律外,还必须满足总磁量子数的变化MJ=0或1的条件 (但MJ=0时,MJ=0的跃迁一般也是禁阻的)。 分辨率高的光谱仪才能区分开
氢原子(2p)1
(1s)1 的跃迁光谱
无外加磁场
低分 高分辨率 辨率
2S→1s不可跃迁,违反选律 氢原子发射光谱的选律:n 任意;l = 1;j =0,1; mj = 0,1。 一条谱线: (无外加磁场影响, 低分辨率) 两条谱线: (无外加磁场影响, 高分辨率) 三条谱线: (有外加磁场影响, 正常Zeeman 效应) 五条谱线: (有外加磁场影响, 反常Zeeman 效应)