原子物理学教学课件6

( 二. ) 标识谱（1906年首次发现） 1. 产生条件: 当电子的能量超过某一阈值(如加速电压 高于几十千伏,使内壳层电子电离)时,除有连续谱外,还 在连续谱的背景上迭加一些线状谱。参见p.225图8.7中的虚 线。 2. 特 征: 线状谱的位置和结构与阳极材料相关, 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 特定波长的线状光谱,这 种特定的X射线谱成为该元素的标识。
A
a
N
A
a CZ
4
3
小,则吸收小,贯穿能力强; Z大则吸收强
3. X射线波长的测定


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,如图28.6
:eU=mev2/2 =hν+靶内能,
hνmax = hc/λmin = eU,
故当加速电压U增高时λmin=λ0减小。 电子速 度骤减
离子
轫致辐射
X光子
轫致辐射示意图 （轫：1.刹车减速; 2.阻碍车轮转动的木头）
由能量守恒: eU = mev2/2 = hc/ + 令 eU =h = hc/
0 0
0
(a)
0 0
(b)
0 0
20
40
(a) Eu(DBM)3Phen－PMMA的广角X－射线衍射图 (b) Eu(DBM)3Phen的X－射线衍射图
粒子性- 康普顿效应(1927诺贝尔奖)
实验结果--除原来谱线外, 出现波长变长的另 一条线. 波长改变的数值与散射角有关, 随角度的增加 而增强; 且随着散射角的增大, 新谱线增强,原谱 线减弱.
L→K
Kβ线: Kβ = cR (Ｚ-σKβ)2 (1/12-1/32M→K ) Kγ线: Kγ = cR (Ｚ-σKγ)2 (1/12-1/42)N→K
90
~ R 80

1 2
70 60 50 40 30 20 10 0
~ / R )1 / 2 ( nm ( Z n )(1 1 / m2 )1 / 2
2
~ R( Z 7.4) 2 ( 1 1 ) L 22 32
~ R ( Z b) 2 ( 1 1 ) m2 n2
m
s
nm
根据元素X射线在图上的位置, 就可定出该元素的原子序数
三、X射线的吸收
I I 0e
a N
A
x

a N
理论解释 X射线的光子同电子碰撞 的结果
h m0 c 2 h ' mc 2
p p mv
h 1 cos m0 c
康普顿散射公式--康普顿散射中射线波长的改变与原 波长无关, 只与散射角有关
§6.2 X射线的产生机制
内层电子的跃迁
hc
0
Ve
hv0 Ve
12398.10 0 埃 V
轫致辐射：高速电子打到靶上， 受靶的作用而突然减速，其一部 分动能转化为辐射能放出射线。 最小波长只依赖于外加电压V，V 越大， min 越小，与靶材料无关。
(二)、X射线的标识谱
1、特点
2 s 1 3,1
s 0
l 0,1
X射线的发射谱
一、X射线谱的线系

二、X射线发射谱的构成
连续光谱 两类 线状谱——标识谱 (特征谱 ) 参见课本p.225,图8.7
X 射 线 管
标 连 续 谱 连 续 谱
当加速电压U 增高时短波限减小.
识 谱
短波限λ0=λmin
λ0与阳极材料无关, 只与加速电压U有关。
(一.) 连续谱 1. 产生条件:
仅当电子的能量不超过某一限度时,才只发射 连续谱 。
2.特
征: 强度随波长变化,在某一波长处,强度有极值 在长波方面强度降落缓慢,在短波方面强度降 落较快,且有明显的极值，成为短波限 λ0 。 λ0与阳极材料无关,只与加速电压U有关。
当加速电压U增高时λmin=λ0减小. 3. 产生机制: 快速电子射到阳极上,受到阳极中原子核的库 仑场作用就会骤然减速;由此伴随产生的辐射 称之为轫致辐射。
3．晶体粉末法(单波长的射线)
每一同心园对应一组晶面,不同的园环代表 不同的晶面阵,环的强弱反映了晶面上原子的 密度大小
n 2d sin , n 1， ， 2，
4．(1) X射线的衍射是研究晶体结构有效方法-晶体 衍射图就可以确定晶体内部的原子（或分子）间的距 离和排列-1915年布拉格父子因此获诺贝尔物理奖 (2)X射线分析可用来研究高分子的结构
X射线由高速电子打在物 体上产生。
X射线由两部分构成，一是波长连续变化的连续 谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分是具 有分立波长的线状谱，波长取决于靶材料，称为标识 谱、特征谱。
连续谱，钨靶，不同的电压 标识谱：钨靶和钼靶，相同的电压。
二.X射线的产生机制
(一)、X射线连续谱 波长连续变化的连续谱，它的最 小波长只与外加电压有关
X射线由内层电子的跃 迁所产生。
2. 同X射线有关的原子能级。 3. 产生X射线标识谱的跃迁 的选择定则
L 1
J 0， 1
K线系：K：LK； K：MK； K：NK； L线系：L：ML； L：NL； L：OL；
3. 莫塞莱定律及原子序数的测定
~
K
1 1 R ( Z 1) ( 2 2 ) 1 2
图8．9 X射线K线系 的莫塞莱图
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Z
~ 32 R
K
L
28 24 20 16 12 8 4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
L 线: L /(Rc) = (Ｚ-7.4)2 (1/22-1/32)
M
L、M线系 与K线系的莫 塞莱图比较
伦琴夫人的手骨X光照片
5.
电磁波谱:
光学光谱:原子受激发,价电子跃迁获得的谱。
原子光谱
( 红外线---可见光---紫外线:λ=10-3~10-9米） X射线光谱：原子内壳层电子跃迁所获 得的谱（λ=10-9 ~ 10-11米）。
电 磁 波 谱
真空管 X射线
电子
阴极
图5.6 （一）X射线的产生
内层电子受原子核的束缚较为紧密，可 以利用高能的电子束、质子束、离子束 和 X 射线来激发内层电子，使之跃迁到 外层未被占据的能态甚至电离，从而在 内壳层中留下“空位”。 较高壳层的电子再向这个“空位”跃迁， 就可以产生X射线。 E=1~100keV, λ=0.01~1.0nm.

二、 X射线的产生机制 (一)X射线的产生
M M … M 线系
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Z成线性关系。
Tn / R ( Z
n
) / n
~ T T R( Z )2 ( 1 / n2 1 / m2 ) (1/12-1/22)
74
§ 6.3


X射线“镜像”能级图
一、内层电子的电离能级——伦琴能级
（以镉Cd为例，Z=48）:

基态1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2 原子态为1S0; O层(n=5)电离一个电子，形成OⅠ能级，原子态为2S1/2 N层(n=4)电离一个d电子,形成NⅤ或NⅣ能级,原子态为2D5/2, 3/2 (思考： O与N, NⅤ与NⅣ能级哪个高？) 利用“同科电子互补同项”规律计算其他具有空位的壳层的能 态，……,…… 更深壳层的电离能态越来越高。（p.231,图8.10） 伦琴能级宛如玻尔能级(在基态与OⅠ能级之间)的镜像，不过跨 度要大得多，N、M、L、K到基态的距离差不多是OⅠ到基态的 10、100、1000、10000倍 。
消耗在靶上的热能
因电子入靶深度而不同
0 < < 1（为转化为光子能量的比例系数) 当 = 1 , eU = hc/ min
1915年第一次用此式测定 普朗克恒量，与光电效应
测得的完全一致。 =0 , eU = h = 0 连续变化 是连续变化
连续谱的能量来自电子动能,因而短波限 min与阳 极材料无关。 作业：p.248,第1题
作业：p.249,第5题 将短波限与K电子的电离能比较
P(n=6) O(n=5) N(n=4) M(n=3) LI : 2 2S1/2 (2s) LII :2 2P1/2 (2p5) L(n=2) L L … L线系 选择定则：∆L=±1, ∆J=0, ±1 X射线各线系的产生 横线表示具有“空位”的各电离能级 K(n=1): 1 2S (1s) 1/2 K K Kγ…K线系 K1 :LIII→K , K2 :LII→K， 3 :LI→K? Kβ: M→K K 返回 LIII :2 2P3/2 (2p5)
直 进 射 线
砷As
33
硒Se 34 溴Br 35 铷Rb 37 锶Sr 38
铌Nb 41 向右波长增加
图 8.8
铑Rh 45
的次序上下排列
几种元素的K线系谱，按原子序数
3. 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,将内壳层某个电子击出原子之外,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。 原子序数越大的元素,内壳层能级间隔就越 大,发出X 射线光子的能量就越高,波长就越 短.所以波长依Z变大而变短,不具有周期性。