原子物理学第六章

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1895年，年底Röntgen 《论新的射线》，及照片。 1896年，维也纳医院在外科手术过程中采用该射线
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2. X射线管
阴极，阳极（钨、钼、铂等重金属） 两极之间加上高压（103V~105V）
1895年Röntgen产生的 软X射线
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3. X射线的波性 经典电动力学指出带电粒子做变速运动要辐射电磁波， X射线为一种电磁波。
无线电波 3104 m ~ 0.1cm 紫外光 400nm~1nm
红外线 6105 nm ~ 760nm x射线 1nm~0.001nm
可见光 760nm ~ 400nm 射线 0.001nm
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6.1 X射线的发现及其波性
X射线的波长范围： 0.001nm~1nm
软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透 性弱，可用于分析非金属的分析。 0.1nm~1nm
画出特征谱线频率的平方 根—-原子序数Z Moseley的发现标志X射线 光谱学诞生
经验公式
K
vK 0.2481016 Z b2 Hz
b1
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特征辐射-------电子内壳层的跃迁
1913年Bohr理论发表，Moseley的经验公式可由Bohr 理论导出。
K 2 1
vK
RcZ
2
连续谱：波长连续变化 最小波长只与外加电压有关
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连续谱产生的原因 带电粒子做变速运动， 带电粒子速度在靶核库伦场中连续变化
轫致辐射：带电粒子与原子或原子核相碰撞，发生骤然减 速时，由此伴随产生的辐射Hale Waihona Puke Baidu也叫刹车辐射。
辐射强度I
m-1 入射带电粒子
辐射强度I
Q2 靶核电荷
X射线管内的阳极靶多用钨靶 74W184
1 12
1 22
0.246
1016
Z
2
Hz
Moseley: vK 0.2481016 Z 12 Hz
EK
Rc
Z
12
1 12
1 22
3 13.6 4
Z
12
eV
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K 射线产生示意图
电离一个n=1的电子所需能量 EK
N
M L
K
hvin EK T
hvK EK EL
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实验发现 连续谱形状与靶子材料无关
存在一个最短波长min
min与靶核电荷Z 无关
min f V
Duane 和 Hunt 分析实验结果 给出经验公式
min
1.24
U kV
nm
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min的物理意义
Emax
hc
min
min
hc Emax
hc eU
hc / e U
hc 1.24 nm• keV
硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿 透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金 属物相分析。
0.001nm~0.1nm
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伦
1 X射线的发现
琴
1895年11月8日
阴极射线管产生未知射线，有极强的穿透 性，可以使荧光屏产生荧光，使胶片感光。 因此称之为X光。
1901年诺贝尔物 理学奖 ——X射线的发现
3. 特征辐射-------电子内壳层的跃迁
特征谱线完全由靶材料决定
特征X射线用来作为元素的标识
特征谱线由Barkla 在1906年首 先发现
每个元素发出若干系列特征谱线， 按贯穿能力分为
K K , K L L , L , L
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1913年Moseley测定Al-Au 38种元素X射线的特征谱线
观测不到折射、衍射、反射等波的特性，
1906年Barkla实验显示了 X射线的偏振
1912年，Laue提出X射线衍射设想， Friedrich和 Knipping实验证实Laue 设想
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4. X射线的偏振
机械横波与纵波的区别
机 械 波 穿 过 狭 缝
光波是横波
光的偏振 .
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5. X射线的衍射
d
Laue建议用晶体作光栅
NaCl 密度 2.163 g • cm-3
摩尔质量 58.5g • mol-1
分子体积 d3
V
2 V
58.5
NA
•d3
d
3
58.5
NA
d 0.282 nm
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s AC CD 2d sin 2d sin n, n 1, 2,3
min
hc U
1.24 U
nm
*
min量子极限
（*）式给出实验上精确测量Planck常数的一个方法
1915年Duane和Hunt 测量Planck 常数，与光电效应试验得出 的一致
X射线的产生可视为逆光电效应
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特征谱：具有分离波长 （标识谱）
谱峰所对应的波长完全 由靶材料决定
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第六章 X射线
电磁波谱
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10
频率Hz
长波无线电波
红外线 紫外线
760nm 可见光 400nm
射线
短波无线电波
X射线
波长 m 108
104
100 104 108 1012 1016
Moseley实验提供了精确测量Z的方法
Moseley实验：更正27Co与28Ni在周期 表上的位置，指出了43、61、75号 元素的位置
v
Rc Z
12
1 m2
1 n2
元素标识谱作为元素的指纹
产生特征谱线的先决条件：m层电离一个电子，也就 是产生一个相应的空穴
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X射线分析的种类： I) e-X，用电子束产生空穴，称之电子X荧光分析 II) p-X，用质子束产生空穴，称之质子X荧光分析 III) I-X，用离子束产生空穴，称之离子X荧光分析 VI) X-X，用电子束产生空穴，称之X荧光分析
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Debye和Scherrer提出多晶粉末法
2d sin n, n 1, 2,3
Rd
d
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6.2 X射线产生的机制
1. X射线的发射谱
分光计
X射线发 生器
记录 仪
测量X射线发射谱的装置示意图
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2. 连续谱-------轫致辐射 X射线的发射谱
Bragg公式
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每个亮点为劳厄斑点, 对应于一组晶面. 斑点的位 置反映了对应晶面的方 向.—由这样一张照片就可 以推断晶体的结构(连续谱 的X射线)
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蛋白质 的Laue衍射图
Bragg公式可以正 确解释Laue的实 验结果。
Bragg发明晶体反 射式X射线谱仪， 并用于晶体结构 分析。 实验证实NaCl晶 体中只有Na+和Cl-