原子物理学第八章X射线

第八章
X射线
X射线是德国物理学家伦琴发现的。1845年出生于德国的 一个商人家庭，1869年在苏黎世大学获博士学位。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。 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。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。1901年，他成为诺贝尔物理学奖第一人。
短波限 0 与加在射线管上的电压V的关系： hc Ve
0
短波限的物理意义：快速电子的动能全部转成电磁辐射能。
hc 1.24 0 nm eV V (kV)
二、X射线的标识（特征）谱
1.标识谱 当电子的能量(加速电压) 超过某一临界值时,在连续谱的背景 上迭加一些线状谱。
Rh(铑）K系标识谱精细结构
德拜-谢乐多晶粉末法照像
8.2 X射线的发射谱
单一元素制成的靶，受到能量足够高的电子轰击，所产生的 X射线发射谱图示：
两部分构成： 连续谱：波长连续变化的 部分； 标识谱（特征谱）：叠加 在连续谱上的线状谱。
一、X射线的连续谱
1.连续谱产生机制—轫致辐射 当高速电子击中靶，与靶原子相互作用（碰撞）而速度骤减。 电子的速度（动能）减小是连续的，与之伴随的电磁辐射因 而是连续的。常称为轫致辐射。 •轫致辐射的强度正比于靶核电荷平方。 通常用钨作靶（阳极）。 •医学和工业上使用的X射线主要 是连续谱部分。 2.连续谱的短波限 连续谱上存在一短波限（最短波长）。 与加在射线管上的电压有关，而与靶 材无关。
的原子组成。‛他还认为，‚同种元素的原子，其大小、质量
及各种性质都是相同的。‛从而把哲学意义上的原子论推广到 科学的原子论。那么,线度大约在 1010 m 的原子是否真的不可再 分割了？十九世纪末，连续三年的三大发现，首开了人们向微 观世界进军的先河。它们是： （1）1895年德国的 Rontgen（伦琴）发现X射线； （2）1896年，法国的 Becguerel（贝克勒尔）发现了放射 性； （3）1897年，英国的 Thomson（汤姆逊）发现了电子。
第八章：X射线
§1 X射线的发现 §2 X射线的产生机制
§3 Compton散射
§4 X射线的吸收
在前面的学习中，我们发现原子的能级和光谱都由原子的外
层电子决定的，那么内层的电子是否能发生跃迁而产生光谱呢？
这正是下面我们要讨论的问题。1807年，英国物理学家道尔顿 依据实验提出：‚气体，液体和固体都是由该物质的不可分割
如此严酷的前景对于现在的外星生命寻找者来说却是希望所在。未来地球的景象暗 示着，在其他恒星周围的行星上，或许具有比之前预计的更为多样的环境，许多之前认 为不可能出现生命的地方，也许还有一线生机。 通过现有的地球和太阳的知识，英国的研究者计算出了当太阳膨胀成巨大的红色星 体之后，地球生命形态的变化时间表。之前的研究中，地球是作为整体进行模拟的，但 圣安德鲁斯大学的杰克· 奥玛利-詹姆斯及其同事认为，应该把生命在某些极端条件下生存 的可能性考虑进去。 与太阳类似，不同体积的恒星其‚老化‛的速率是不一样的，对简单或复杂的生命 体影响也有差异，研究团队对生命在大小不同体积的恒星影响下的寿命进行了研究。奥 玛利-詹姆斯说：‚可居住性并不是某个行星的固有属性，它本身也是有生命周期的。‛
b 1
1913年，玻尔理论发表。莫塞莱 假定 K 线由电子从n=2能级向 n=1能级跃迁所产生，则谱线频 率由氢原子能级公式得：
3 Z 2 e2 hvK 4 4 0 2a0
vK 0.246 1016 Z 2 Hz
指明Kα线系的产生：入射的电子把原子中最内层n=1上的 电子击出，n=2壳层上的一个电子落入n=1壳层上的空位而 产生。 ( Z 1) 是由于n=2壳层电子感受到的有效核电荷。
线公式
~ R( K
Ar K Co Ni
1 1 2 )(Z 1) 12 2 2

Z
18 121.6 19 1 27 28
4.194A
3.74A
1.79A 1.66A
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‛。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
早期元素周期表是按原子量大小顺序排列的。如K(A=39.1)在 Ar(A=39.9)前 ； Ni(A=58.7) 在。 Co(A=58.9)前。由莫塞莱图给出 K α－ X 射 。 。 。 线波长是Ar:4.19 A ；K:3.74 A ； Co:1.79 A ； Ni:1.66 A 。
由莫塞莱
K
8.1 X射线的产生与波性
一.X射线的产生
二.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的荧光； 5）X射线本质上是一种（波长极短0.01-1nm 的）电磁波，具有反射、折射、衍 射、偏振等波动性质。
暗能量会以什么样的状态 存在？中外科学家合作从最新 的天文观测数据中研究发现了 暗能量动力学的一些迹象。虽 然这一新迹象的发现‚仍然需 要进一步的实验验证‛，但其 一旦得到进一步验证，将有望 突破爱因斯坦宇宙学常数理论。
科学家发现宇宙最冷之地：零下272摄氏度
智利天文学家表示，宇宙中最冷的地方是‚回力棒星云‛，那里的温 度仅比绝对零度高1度。在绝对零度条件下，所有的原子都会冻结。‚回力 棒星云‛位于半人马星座，距离地球约5000光年。他们说，‚回力棒星云‛ 的温度只有1开氏度(约零下272摄氏度)，是‚宇宙中已知的最冷天体‛。 ‚回力棒星云‛是一个相对年轻的行星状星云，它正迅速膨胀，并在这个 过程中耗尽能量，产生冷却效果，从而使自身温度保持在比周围温度还低 的水平。捕捉到‚回力棒星云‛芳容的‚阿尔马‛设在阿塔卡马沙漠中海 拔5000米的高原上，那里几乎没有任何湿气或植被，能对天空一览无余。 评点：这个‚回力棒星云‛简直就是宇宙的冰箱，有什么需要保鲜的 东东都可以先放到那。它只比绝对零度高1度，是深冷速冻的好地方。绝对 零度是指原子绝对静止的温度，为零下273.15摄氏度。物体的温度实际上 就是原子在物体内部的运动。当我们感到一个物体比较热的时候，就意味 着它的原子在快速运动；当我们感到一个物体比较冷的时候，则意味着其 内部的原子运动速度较慢。然而，绝对零度永远无法达到，只可无限逼近。 因为任何空间必然存有能量和热量，也不断进行能量和热量的相互转换。
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
所说的那样百度文库‚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。‛
其实，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，但他们都是‚当真理碰到鼻尖上还让其 溜走了‛的人。 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.之 后十几年，主要工作有： 1906年，巴克拉通过偏振现象证实X射线是电磁波；1917年因 特征X射线获诺奖； 1912年，劳厄证实X射线干涉、衍射波动性，1914年诺贝尔奖； 1912-1913年间，布喇格父子用晶体衍射测出X射线波长，1915 年诺奖。 1922-23年间，康普顿证实X射线的粒子性，1927年诺奖。 1979年，科马克、洪斯菲尔德因X射线层析图像技术获诺贝 尔生理医学奖。
在末日前的10亿年里，地球上的唯一生命 将是单细胞的微生物，漂留在高温、高盐的 独立水体里
28亿年后，地球生命将迎来末日。届时太 阳将膨胀成一个巨大的红色星球，其热量将 使地球成为灼热的死亡星球。在末日前的 10亿年里，地球上的唯一生命将是单细胞 的微生物，漂留在高温、高盐的独立水体里。 模拟显示地球末日来临前仅微生物可幸存
类似， K 线系的产生：n=3壳层上的一个电子落入n=1壳 层上的空位而产生。
K 线系的产生：n=4壳层上的一个电子落入n=1壳
层上的空位而产生。
R ( Z b) 2 ( X射线标识谱的线系公式，一般为： v
光谱项：
T ( n)
R 2 ( Z b ) n2
1 1 2) 2 n1 n2
晶体可形成许多不同取向的晶面。X射线经不同晶面反射 时，凡光程满足布喇格公式,在 方向衍射的X光将得到加 强，出现了劳厄光斑。
劳厄单晶照像
每个亮点为劳厄斑点,对应于一 组晶面 . 斑点的位臵反映了对 应晶面的方向 . 由这样一张照 片就可以推断晶体的结构.
每一同心圆对应一组晶面,不同的圆环 代表不同的晶面阵,环的强弱反映了晶 面上原子的密度大小。
☆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；
3.莫塞莱定律--标识谱的定量化
1912-13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Kα线系，拟合公式为：
0.248 1016 (Z b)2 Hz
2.标识谱的特点
☆对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外加电压有一个临界值。
☆标识谱线的位臵与外加电压无关，而只与靶材元素有关，因 而这些线状谱可作为元素的标识。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 K , K , K , ；L系分为 L , L , L , 等；
Z：原子序数。
b 7.4 b : 对K系， b 1 对L系，
4.标识谱的产生机制
当高速电子使重元素原子的内层电子电离，形成空位，在外 壳层上的电子跃迁到这空位时，就形成了X射线的标识谱。当 外层电子向K层空位跃迁就形成K线系。
☆ X射线标识谱反映了原子内层结构的信息； 光学光谱则反映的是原子外层价电子的结构信息。 ☆ 产生KX射线的阈能大于KX射线本身的能量。 ☆ 莫塞莱定律提供了从实验测定原子序数Z 的一种有效方 法。历史上正是他首次纠正了27Co，28Ni在周期表的次 序。
<0.1nm：硬X射线，>0.1nm：软X射线。
1.X射线是 电磁波 （横波）
2.X射线的 衍射（波 长测量）
波动性－ X射线在晶体的衍射
利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长， 晶体作为立体光栅，一束X射线射入晶体，发生 衍射时，从任何一晶面上，那些出射方向对平 面的倾角与入射线的倾角相等的X射线，满足布 拉格公式 n=2dsin n=1、2、….. 出射线就会加强。