第八章原子物理學(xué)X射線(xiàn)教案

1、原子物理學(xué)課程章節(jié)教案章節(jié)第七章 原子的殼層結(jié)構(gòu)學(xué)時(shí)4學(xué)時(shí)班級(jí)13物理本科班時(shí)間第16周教學(xué)目標(biāo)與要求1、理解元素的周期性變化來(lái)源于原子中電子的周期性殼層排列；2、了解原子的基態(tài)電子組態(tài)，掌握計(jì)算原子的基態(tài)的方法。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：1、玻爾對(duì)元素周期表的解釋、電子填充殼層的原則、莫色勒定律。難點(diǎn)：1、原子基態(tài)電子填充殼層的順序、莫色勒定律。課堂教學(xué)方法講授法為主，小組討論法為輔作業(yè)與思考題無(wú)注：1根據(jù)課程教學(xué)進(jìn)度計(jì)劃表填寫(xiě)章節(jié)教案首頁(yè)；2教案或講義正文附后，手書(shū)打印均可。第八章 X射線(xiàn)1895年由倫琴（德）發(fā)現(xiàn),后來(lái)被證實(shí)是核外電子產(chǎn)生的短波電磁輻射.X射線(xiàn)的波長(zhǎng)約為或表示為,比短的貫穿能力

2、強(qiáng),稱(chēng)硬X射線(xiàn)；比長(zhǎng)的稱(chēng)軟X射線(xiàn).§6-1X射線(xiàn)的產(chǎn)生極其波長(zhǎng)和強(qiáng)度的測(cè)量1. X射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)1895.11.8倫琴在暗室中做陰極射線(xiàn)管氣體放電實(shí)驗(yàn)時(shí),為避免紫外線(xiàn)與可見(jiàn)光的影響,特用黑紙將射線(xiàn)管包住,但偶然發(fā)現(xiàn)與之相距一段距離的熒光屏上會(huì)發(fā)微光.倫琴認(rèn)定這是一種來(lái)自射線(xiàn)管但不是陰極射線(xiàn)的神秘射線(xiàn).倫琴對(duì)此現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)這一神秘射線(xiàn)的穿透性及以直進(jìn)性,不被磁場(chǎng)偏斜等性質(zhì),因?qū)ζ浔举|(zhì)的不確定性,故稱(chēng)其為X射線(xiàn).X射線(xiàn)特征譜的波長(zhǎng)代表原子能級(jí)的間隔,譜線(xiàn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)顯示能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu),所以通過(guò)對(duì)X射線(xiàn)的研究,可以進(jìn)一步探索原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu).2. X射線(xiàn)產(chǎn)生的機(jī)制1）X射線(xiàn)管:X射線(xiàn)管結(jié)構(gòu)多樣,

3、其原理如右圖示.陽(yáng)極（靶）所用金屬由X射線(xiàn)的用途決定（熔點(diǎn)較高的金屬）.兩極間高壓一般為幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)伏,調(diào)節(jié)此加速電壓可改變管內(nèi)電子流的能量.從陰極發(fā)出的電子流在電場(chǎng)作用下被加速,撞擊到陽(yáng)極上,就從陽(yáng)極發(fā)出X射線(xiàn).3.X射線(xiàn)的衍射（提供X射線(xiàn)波長(zhǎng)測(cè)量方法）晶體中相鄰原子距離數(shù)量級(jí)為,所以晶體是X射線(xiàn)發(fā)生衍射的天然光柵.據(jù)勞厄的設(shè)想,X射線(xiàn)若為電磁波,當(dāng)它投射到晶體上時(shí),晶體點(diǎn)陣中的每個(gè)粒子（或原子）受X射線(xiàn)的作用將成為子波源,而發(fā)出同頻率的子波,這些子波因相干疊加而產(chǎn)生衍射.在這一設(shè)想的指引下,弗里特里克和奈平成功地進(jìn)行了晶體的透射式X射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn),證實(shí)了X射線(xiàn)是電磁波,其波長(zhǎng)與晶格常數(shù)有同一

4、數(shù)量級(jí),為.其衍射圖樣稱(chēng)勞厄斑.此后,布喇格父子（英,即W.H.布喇格和W.L.布喇格）進(jìn)一步研究并對(duì)勞厄斑做出簡(jiǎn)明解釋.他們認(rèn)為,晶格點(diǎn)陣中的粒子可組成許多平行平面（晶面）,衍射包括同一晶面內(nèi)各原子發(fā)出的子波之間的相干疊加,也包括各晶面之間的子波的相干疊加.1) 同一晶面內(nèi)的子波疊加如圖中（a）所示,設(shè)晶面上兩原子間距為d,兩條衍射線(xiàn)的光程差為:.它們相干疊加的極大值條件是:可證明,一個(gè)晶面的高級(jí)次的極大,正好相當(dāng)于另一晶面的零級(jí)極大,因而,為簡(jiǎn)化問(wèn)題,對(duì)每一晶面只取零級(jí)極大,得2）相鄰晶面間的子波的疊加如圖中（b）所示,設(shè)晶面間距為d,兩條衍射之間的光程差為:.它們相干疊加的極大值條件為:

5、綜合起來(lái),即得到布喇格晶體衍射公式:在晶面方向滿(mǎn)足上式條件時(shí)衍射極大,此時(shí)的衍射可看成是由相同的掠射角的入射衍射線(xiàn)產(chǎn)生的.利用布喇格衍射公式可測(cè)量X射線(xiàn)的波長(zhǎng).反過(guò)來(lái),若X射線(xiàn)的波長(zhǎng)已知,也可測(cè)出未知晶體的晶格常數(shù),從而可進(jìn)一步求得阿伏伽德羅常數(shù).3）對(duì)勞厄斑的解釋在勞厄的建議下,1912年有人利用X光管產(chǎn)生的X射線(xiàn)對(duì)單晶做了衍射實(shí)驗(yàn),得到衍射圖樣即“勞厄斑”（首次顯示了晶體結(jié)構(gòu)的美麗圖案）.布喇格公式對(duì)勞厄斑的成因作了正確的解釋.晶體有很多晶面,不同晶面間距不同.一定波長(zhǎng)的平行入射線(xiàn),對(duì)于不同晶面有不同的掠射角,滿(mǎn)足布喇格晶體衍射公式的方向產(chǎn)生衍射極大同.若入射線(xiàn)中有幾種波長(zhǎng)的射線(xiàn),則產(chǎn)生的

6、衍射極大就有幾個(gè),所有這些衍射極大,在屏上給出各自的亮點(diǎn),就形成了勞厄斑.4.旋轉(zhuǎn)式X射線(xiàn)的攝譜儀簡(jiǎn)介如圖示,從射線(xiàn)管R中產(chǎn)生的X射線(xiàn)經(jīng)由鋁制成的狹縫后成為X射線(xiàn)束,射到單晶體K上,K可繞豎直軸旋轉(zhuǎn),以豎直旋轉(zhuǎn)軸為中心的圓弧上置照相底片.如果X射線(xiàn)的波長(zhǎng)為,則當(dāng)掠射角正好滿(mǎn)足布喇格公式時(shí),在反射方向上得到該波長(zhǎng)X射線(xiàn)的衍射極大,在底片上形成一條細(xì)黑條紋.因晶體可繞豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng),所以可得到與不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的條紋,即不同波長(zhǎng)的X射線(xiàn)的譜線(xiàn).由晶體晶格常數(shù)與譜線(xiàn)位置（與掠射角對(duì)應(yīng)）,可算出各條譜線(xiàn)的波長(zhǎng).而底片的黑度則對(duì)應(yīng)于該波長(zhǎng)X射線(xiàn)的強(qiáng)度.8.2x射線(xiàn)的發(fā)射譜一、X射線(xiàn)產(chǎn)生的機(jī)制1）X射線(xiàn)管:X射線(xiàn)

7、管結(jié)構(gòu)多樣,其原理如右圖示.陽(yáng)極（靶）所用金屬由X射線(xiàn)的用途決定（熔點(diǎn)較高的金屬）.兩極間高壓一般為幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)伏,調(diào)節(jié)此加速電壓可改變管內(nèi)電子流的能量.從陰極發(fā)出的電子流在電場(chǎng)作用下被加速,撞擊到陽(yáng)極上,就從陽(yáng)極發(fā)出X射線(xiàn).2）X射線(xiàn)的發(fā)射譜:如右圖示,加速電壓不太高時(shí),X射線(xiàn)的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化,為連續(xù)譜.加速電壓達(dá)一定值時(shí),連續(xù)譜上疊加著某些尖峰,這些尖峰構(gòu)成線(xiàn)狀譜.開(kāi)始出現(xiàn)尖峰所對(duì)應(yīng)的加速電壓為臨界電壓.一定材料做的陽(yáng)極具有確定的臨界電壓（如鉬的臨界電壓為20.1kV）,可用來(lái)識(shí)別元素,因此線(xiàn)狀譜又稱(chēng)標(biāo)識(shí)譜.（線(xiàn)狀譜要么不出現(xiàn),一旦出現(xiàn),其峰值所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位置完全決定于靶材本身,故稱(chēng)為

8、標(biāo)識(shí)譜）連續(xù)譜:由軔致輻射導(dǎo)致連續(xù)譜.高速帶電粒子射到陽(yáng)極時(shí),受靶核庫(kù)侖場(chǎng)作用而速度驟減時(shí)產(chǎn)生的輻射,亦稱(chēng)剎車(chē)輻射.帶電粒子到達(dá)靶核時(shí),電子速度連續(xù)變化.連續(xù)譜的特點(diǎn)是有一明顯的極限（短波波長(zhǎng)）:此實(shí)驗(yàn)事實(shí)須利用光的量子說(shuō)才能解釋:一個(gè)電子在電場(chǎng)中得到的動(dòng)能為,當(dāng)它到達(dá)靶核時(shí),動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為輻射能,由此發(fā)出的光波長(zhǎng)最短,為,代入常數(shù)后即得上式.此外,若外加高壓已知,則測(cè)出就可精確地測(cè)出普朗克常數(shù).特征輻射（標(biāo)識(shí)譜）:由電子內(nèi)殼的躍遷導(dǎo)致標(biāo)識(shí)譜,其波長(zhǎng)極短（約0.1nm左右）.各元素的特征譜有相似的結(jié)構(gòu),但其能量值不同.故可作為元素的“指紋”,作為分析元素的工具.3）莫塞萊定律:1913年,莫塞

9、萊（英）發(fā)現(xiàn)各元素的標(biāo)識(shí)譜的頻率與原子序數(shù)呈近似關(guān)系.對(duì)于線(xiàn),莫塞萊經(jīng)驗(yàn)公式為:或用能量表示為:上式的物理意義很明確,表示n=2到n=1的內(nèi)層躍遷,表示躍遷的電子受到個(gè)電荷的作用,b稱(chēng)為屏蔽常數(shù).莫塞萊實(shí)驗(yàn)第一次提供了精確測(cè)量Z的方法.歷史上就是用莫塞萊公式定出了元素的Z,并糾正了和在周期表的上次序.4）產(chǎn)生特征輻射的前提條件:必須先使內(nèi)層電子電離而產(chǎn)生“空穴”.原子處在正常狀態(tài)時(shí),內(nèi)殼層是填滿(mǎn)電子的.由于泡利不相容原理的限制,外層電子向內(nèi)層躍遷的前提是必須先使內(nèi)層電子電離而產(chǎn)生“空穴”.產(chǎn)生空穴的方法原子有多種,如用高能電子束、質(zhì)子束、X射線(xiàn)作為轟擊原子內(nèi)層電子的炮彈.當(dāng)原子內(nèi)層產(chǎn)生空穴后,

10、較外層電子立即自發(fā)地填充空穴,同時(shí)以輻射光子的方式釋放多余的能量,即發(fā)射X射線(xiàn).X射線(xiàn)的標(biāo)記方法（詳見(jiàn)P.263表29.1）產(chǎn)生特征X射線(xiàn)的電子躍遷服從的選擇定則:X射線(xiàn)因電子躍遷的方式不同而分為幾個(gè)線(xiàn)系,因電子躍遷的終態(tài)為層,故X射線(xiàn)分別稱(chēng)為K線(xiàn)系、L線(xiàn)系和M線(xiàn)系.同一線(xiàn)系中又以初態(tài)的不同再用腳碼等標(biāo)注不同的譜線(xiàn).因能量的精細(xì)結(jié)構(gòu),又分為和.5）俄歇電子（法,1925年發(fā)現(xiàn)）:原子內(nèi)殼層產(chǎn)生空穴后,釋放能量的另一種途徑是發(fā)射俄歇電子.設(shè)K殼層有一個(gè)空穴,L層的一個(gè)電子躍遷到K層,有可能將其能量傳遞給K層的另一個(gè)電子而使這一電子可以脫離原子,稱(chēng)為俄歇電子.設(shè)為相應(yīng)層的結(jié)合能,L層躍遷到K層的電

11、子釋放能量,如這部分能量被M層中的一個(gè)電子獲得,則從M層發(fā)出的俄歇電子的動(dòng)能為俄歇電子的動(dòng)能完全取決于元素自身,因此它可作為分析元素的手段.6）電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā)*3.X射線(xiàn)的波動(dòng)性由經(jīng)典動(dòng)力學(xué)知,加速或減速的帶電粒子能輻射電磁波.因此當(dāng)高速電子流在靶上受阻而停止時(shí)必將產(chǎn)生電磁波.倫琴當(dāng)初誤認(rèn)為X射線(xiàn)與光無(wú)關(guān),直到1906年巴拉克（英）才顯示了X射線(xiàn)的偏振,證明了X射線(xiàn)的波動(dòng)性.但很多人并不相信這一結(jié)果.1921年馮.勞厄（德）設(shè)想X射線(xiàn)是波長(zhǎng)很短的電磁波,可在原子規(guī)則排列的晶體上發(fā)生衍射,后來(lái)由弗里特里克和奈平通過(guò)實(shí)驗(yàn)確證了X射線(xiàn)的波動(dòng)性,并測(cè)量了它的波長(zhǎng).X射線(xiàn)的偏振實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明X射

12、線(xiàn)是橫波（此略）.8.4 X射線(xiàn)的吸收§6-4X射線(xiàn)的吸收1.光子與物質(zhì)的相互作用1）多次小相互作用:單能準(zhǔn)直的光子束與物質(zhì)中電子的相互作用,每次作用都引起光子的能量損失和方向偏轉(zhuǎn)（一般為小角散射）.因此,光子束穿過(guò)吸收體后,能量降低并有一個(gè)彌散.光子束能否穿過(guò)吸收體,與吸收體的厚度有關(guān)（其典型實(shí)例是康普頓散射）.2）全或無(wú)相互作用:光子要么不受相互作用,要么經(jīng)受一次相互作用后就從射線(xiàn)中束中消失(其典型實(shí)例是光電效應(yīng)).3）電子偶效應(yīng):當(dāng)光子能量大于電子靜止能量的兩倍（即1.02MeV）時(shí),光子在原子核附近轉(zhuǎn)化為一對(duì)正負(fù)電子.三種效應(yīng)的重要性隨吸收物的不同而不同,也隨光子能量的不同而不同.從右圖可分析光子與吸收體間的相互作用主要是何種效應(yīng)為主.X射線(xiàn)為低能光子束（一般不超過(guò)150）,所以X射線(xiàn)吸收主要是光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)起主要作用.2.X射線(xiàn)的吸收X射線(xiàn)吸收后的強(qiáng)度為:（朗伯-比耳定律）式中為反映材料吸收本領(lǐng)的線(xiàn)性吸收系數(shù)（單位為）；為X射線(xiàn)進(jìn)入吸收體的深度.若用質(zhì)量厚度描述,則質(zhì)量吸收系數(shù)的單位:為.不再依賴(lài)吸收體的物理狀態(tài),因而更能反映吸收體的吸收本領(lǐng),同時(shí)也給測(cè)量帶來(lái)方便.3.吸收限（吸收邊緣）實(shí)驗(yàn)表明,吸收體的吸收系數(shù)隨著X光的能量增加（波長(zhǎng)變短,貫穿能力增強(qiáng)）而降低.但當(dāng)X