《原子物理学》(褚圣麟)第八章 X射线

第8章 x射线
五、 关于x射线的原子能级和能级跃迁图
能级结构与碱金属能 级结构类同，X射线是 内层电子的跃迁。
少一个电子的原子态（即电 离态）与只有一个电子（碱 金属）的原子态相同。
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当某壳层的一个电子被电离后，原子处于电离态。 K层的电离态
的能级与中性原子未电离的基态能相比为最高。L层的电离态能级
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原理：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。
已知晶格常数d，测出 值及其对应的n值，代 入布拉格公式，求出。
在X射线的波长：
hc
K
L
当L层电子向K层(空穴)跃迁时，使M层电子电离，发射的俄 歇电子的动能为
EKA K L M
一般轻元素发射俄歇电子几率较大，重元素发射X射线 的几率较大。
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第8章 x射线
M M M M系线
L L L L系线
K K K K系线 X射线各线系的产生
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27Co，28Ni在周期表的次序。
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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。 Kα－X射线波。 长是Ar:4.19 A ； K:3.74A ； Co:1.79A ； Ni:1.66A 。
的上能级向同一下能级跃迁的谱线。
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§ 8.3 康普顿效应
一、康普顿效应 二、康普顿散射公式
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一、康普顿效应
1923年，康普顿在研究X射线经物质的散射实验中发现， 散射的X光除有原入射波长成分外，还有波长较长的部分， 其波长差随散射角θ而变。
' sin2
2
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次之，形成电离态能级如图所示。
n l j K吸收限
电离能(ev)
K 1 0 1/2
26.712
为了描述内层电 2 0 1/2
子迁向，“需将下上”L图的倒跃
2 2
1 1
1/2 3/2
转。
3 0 1/2
3 1 1/2 M 3 1 3/2
L吸收限
4.019
电离能是使某壳层3一.7个27
电子被电离所需的能3.5量33； 也M是吸该收壳限层电子的0结.7合81 吸能收。)若该用能光量子又电称离吸(00收共..66限振6362。
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当内层(如K层)电子被电离出现空穴后，上层电子向下 跃迁时，除以辐射X射线形式外，还可以将跃迁释放的能 量电离更高层的电子－发射俄歇电子，或者将跃迁释放的
能量传给原子核，使原子核处于激发态。若用ΦKΦLΦM分
别表示K、L、M层电子的结合能(对应电离能；吸收限)。
当L层电子向K层(空穴)跃迁时，辐射X射线才形式释放能量，
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1. 产生条件: 当电子的能量(加速电压) 超过某一临界 值时,除有连续谱外,还在连续谱的背景 上迭加一些线状谱。
2. 特
征: 线状谱的位置和结构与阳极材料有关, 即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 特定的波长的线状光谱,即 特征X射线谱成为这种元素的标志。
（2）了解X射线的吸收的规律，掌握康普顿散射，理解光 子与物质的相互作用，了解—同步辐射装置的原理与应 用。
（3）了解X射线在晶体中的衍射的规律。
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3．重点 • X射线连续谱与标识谱及产生机制 • 莫色勒定律 • 康普顿散射
4．难点 • X射线的连续谱与标识谱产
生机制 • 莫色勒定律 • 康普顿散射
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三、 X射线的特征（标识）谱
X射线特征谱是巴拉克于1906年发现的。他观察到连续 谱上出现一系列分立谱线，并用K、L、M…字母标识，因 特征谱的发现使他获1917年的诺贝尔物理奖。1913年莫塞 莱测量了从Al到Au共38种元素的X射线，发现各元素发射X 射线波数的平方根与原子序数成线性关系。
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该照片在医学上具有划时代意义。1895年12月28日，伦 琴宣读了《论新的射线》；1901年获第一个诺贝尔物理奖。
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２．性质：穿透性很强；
使荧光屏发出荧光；
使照相底片爆光；
使气体电离； 对动植物组织有刺激作用。
３．本质： X射线具有光所具有的一切性质：反射，折 射， 偏振等，所以X射线从本质上来说是一种电磁波但其波长 比通常的光波要短的多。
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产生机制:
从阴极发出的高速电子打到阳极上,由于电子能量很 高,它能深入到原子的内层,将内壳层电子之一击出原子之 外,使原子电离,并在内壳层出现一个空穴,当邻近内壳层的 电子跃迁到这个空穴时,就发射出波长很短的 X 射线，由 于内壳层能级分立，所以产生X 射线的线状谱，原子序 数较大的元素，内壳层能级间隔就越大，发出的X 射线 的光子能量高，波长就短，所以波长依次变化，不具有 周期性。
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§ 8.1 X射线的发现及其波性
一、电磁波谱 二、X射线的发现 三、X射线的衍射 四、X射线的偏振
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一、电磁波谱:
原子光谱
光学光谱:原子受激发,价电子跃迁所获得的谱。 ( 从红外线---可见光---紫外线： 10-3~10-9米）
X射线光谱：原子内壳层电子跃迁所获得的谱。
X射线的波长范围在0.001nm到1nm或更长一点。
当
0.1nm
1A
称硬X射线；
0.1nm
1
A
称软X射线。
４· X射线的产生 : X射线由X射线管产生。
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真空管
X射线
阴极 电子
图 X 射线管示意图
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三、 X射线的衍射
直到1912年，劳厄指出X射线是波长很短的电磁波。他 借助晶体－天然光栅观察X射线的衍射。证明了X光的波动 性。劳厄因研究晶体的X射线获1941年诺贝尔物理奖。
由莫塞莱 K线公式
给出
~K
R(112
-
1 22
)(Z
-1)2
18 Ar 4.194A
Z
121.6
1
19 27
K Co
3.74A
1.79A
28 Ni 1.66A
第8章90x射线 80 70 60 50
g
1 2
40
X射线K线系
30
莫塞莱图
20
10
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90
当 = 1 , eV = hc/ 极小 =0 , eV= h = 0
0< < 1
eV = hc/
连续变化 是连续变化
连续谱的能量来自电子动能,因而极小 与阳极材料无关。
m in
hc eV
1.24 V (kV)
nm
它是加速电子全部动能转换成辐射能所对应的波长。
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离子
电子
光子
图 轫致辐射
四、莫塞莱定律
莫塞莱研 究了一系 列元素的 K线系,发 现各元素 的K线系 的光谱项 的平方根 与原子序 数成正比
几种元素的K线系谱，按原子序数的次序上下排列
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莫塞莱对K线的波数总结出以下的公式：
~k
1 R(12
-
1 n2
)(Z-
k
)
2
k 1, n 2、3、4
莫塞莱公式(上式)与类氢光谱公式相一致，
Kα线的波数则表示为：~K
1 R(12
-
1 22
)(Z
-1)2
这表明：Kα－X射线是内层电子从n＝2到n=1跃迁产生的。 因子（Z-1）理解为当n=1(K)壳层中一个电子被电离后， n=2(L)壳层电子感受到（Z-1）核电荷库仑作用。它也指出要 发射Kα－X射线，必须从n=1壳层事先电离出一个电子成电 离状态，其电离能或阈能是从n=1移去一个电子所需的能量。 而Kα－X射线的能量是电子从n＝1到n＝2层的能量差值。
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晶体可形成许多不同取向的晶面。 X射线经晶面距 为d的晶面反射时，凡光程满足
2d sin n
n 1,2,3
在 方向衍射的X光将得到加强。该式称布喇格公式。用布
喇格公式可以计算晶面距。反之，若已知d，还可以确定X 射线的波长。
❖测定强度：由谱线的深浅程度可以测出相对强度。
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§8.2 X射线的发射谱
一、 X射线发射光谱的测量 二、X射线连续光谱 三、X射线的特征谱 (标识谱) 四、莫塞莱定律 五、关于x射线的原子能级和能级跃迁图
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一、 X射线发射光谱的测量
• X射线发射光谱
• X射线谱由两部分组成：波长连续变化的连续谱和 由分立谱组成的特征谱或称标识谱。
2d sin n
P
n 1,2,3 A1
C
O
A
X射线摄谱仪示意图
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X射线在晶体中的衍射结果
1）.劳厄相片法 劳厄等人，1912年使用连续波长的X射线对单晶做了衍射 实验。
劳厄斑点对应晶面， 位置反应晶面的方
向。
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2）.多晶粉末法
德拜等人，1916年发明了多晶粉末法一。个同心圆环对应 一组晶面，环的强 弱反映晶面上原子 的密度。
•
X射线连续光谱
两类