原子物理学X射线.ppt

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1、,原子物理学,第六章：x射线,第一节 x射线的发现,第二节 x射线的产生机制,第三节 Compton散射,第四节 x射线的吸收,第五节 x射线在晶体中的衍射,第一节：X射线的发现,外层电子内层的电子？,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的原子组成。”,“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。,X射线的发现,X射线的产生,上一页,下一页,第六章:X射线,首页,那么,线度大约在 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：,18

2、95年德国的 Rontgen发现X射线；,1896年，法国的 Becguerel发现了放射性；,1897年，英国的 Thomson发现了电子；,第一节：X射线的发现,第六章:X射线,X射线的发现,X射线的产生,上一页,下一页,首页,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，,但发现 X 射线的却是伦琴。,1869年在苏黎世大学获博士学位。,1845年出生于德国的一个商人家庭，,X射线的发现,伦琴,第一节：X射线的发现,第六章:X射线,X射线的发现,X射线的产生,上一页,下一页,首页,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

3、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。,第一节：X射线的发现,第六章:X射线,X射线的发现,X射线的产生,上一页,下一页,首页,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

4、，并公布了他夫人的X射线手骨照片。,第一节：X射线的发现,第六章:X射线,X射线的发现,X射线的产生,上一页,下一页,首页,第一节：X射线的发现,第六章:X射线,X射线的发现,X射线的产生,上一页,下一页,首页,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，“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。”,第一节：X射线的发现,第六章:X射线,X射线的发现,X射线的产生,上一页,下一页,首页,如图，在真空管 两阴极和阳极之间加高压，阳极选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到X射线，其波长因高太的不同而异。,当,称硬X射线；,称软X射线。

5、,当,X射线的发现,X射线的产生,第一节：X射线的发现,第六章:X射线,上一页,下一页,首页,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光的荧光；,5）X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。,第一节：X射线的发现,第六章:X射线,X射线的发现,X射线的产生,上一页,下一页,首页,第二节：X射线的产生机制,另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，所以称为标识谱，又叫特征谱-它迭加在连续谱上。,实验表明，X射线由两部分构成，一部分波长连续

6、变化，称为连续谱；,连续谱,标示谱,第六章:X射线,上一页,下一页,首页,连续谱轫致辐射,1、连续谱的特征,在上述产生X射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波长连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。,1）连续谱与管压的关系（靶不变）,前图表示以钨作阳极材料加不同电压时，以为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长强度分布曲线。,由图可见，当阳极材料不变时，和 随管压V的升高都向短波方向移动。,第二节：X射线的产生机制,第六章:X射线,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,2）连续谱与阳极材料的关系（电压不变）,前图表示管压为35KV时，用钼和钨作靶材料时的I曲线。由图可见 与靶无

7、关。是由管压V决定的。,连续谱产生的微观机制,（1）连续谱不应该是原子光谱，而应该是 电子在靶上减速而产生的。,第二节：X射线的产生机制,第六章:X射线,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,设电子入射速度，在靶上减速而损失的能量为；减速过程中的能量差为，,则,根据上面的分析，将以光子的形式向外辐射；,由于 是连续变化的，而 是一定的，,所以 连续变化.,即式中，v是连续的，作为极限情况，,则,从而得到,，,第二节：X射线的产生机制,第六章:X射线,连续谱,标示谱,=,ev,(1),上一页,下一页,首页,上式表明，电子在电压V下加速而获得能量并全部转化为辐射时,由此得：,（1）式最早是在实验工

8、作中，从实验数据的总结得到的。需要指出的是，解释光电效应的Einstein方程是：,当金属的逸出功能很小时，近似的有：,这与（1）式在形式上是完全相同的。,因此，X射线连续谱可称为光电效应的逆效应。,第二节：X射线的产生机制,第六章:X射线,连续谱,标示谱,(2),上一页,下一页,首页,标识辐射线状谱,它是迭加在连续谱上的分立谱线,线状谱的特征,不同元素线状谱的波长是不同的，从而成为我们识别某种元素的标准，故得名为标识谱，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,；L系分为,等；,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

9、性变化；,连续谱,标示谱,第二节：X射线的产生机制,第六章:X射线,上一页,下一页,首页,某元素的标识谱与的化合状态无关；,对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外界电压有一个临界值。,2.线状谱产生的机制,通过对上述特点的分析、归纳、总结、我们可得到如下几点结论：,1）线状谱产生于原子内层电子的跃迁。,2）产生线状谱的条件是：,a.在原子的内层能级上有电子空位；,b.其他壳层上电子向空位跃迁。,第二节：X射线的产生机制,第六章:X射线,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,事实上，当外界提供足够大的能量时，使原子内层电子电离，从而使原子内层出现空位，外层电子向内层补充，放出的能量便形成了X射线的标

10、识谱。,3.定律-线状谱的定量计算,1913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：,对同一线系的某条谱线来说，不同元素的X射线频率的平方根与原子序数Z成线性关系，变即,，比喻对,线，Moseley得到一个经验公式,（1）,第二节：X射线的产生机制,第六章:X射线,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,事实上，这个公式可以从玻尔理论得到，根据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中n能级的状态相似，所以n能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：,式中反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子

11、感受到的有效电荷是Z-，这样当n=2上的电子向n=1跃迁产生,线时，我们有,实验表明,，将其余常数代入得,（2）,（3）,第二节：X射线的产生机制,第六章:X射线,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,4.线状谱的标记方法前面提到，X射线标识谱分为K,L,M,等线系，每一系的谱线也分:,等。但是，能级并不只与主量子数n有关。还与l,j有关，所以谱线被标记为,等。,第二节：X射线的产生机制,第六章:X射线,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,5、标识谱产生的其它效应,1）俄歇(Auger)电子,当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生X射线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称A

12、uger L电子。,比如，L电子向K层跃迁所产生能量将M电子,电离，则相应的俄歇电子动能为：,第二节：X射线的产生机制,第六章:X射线,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,其中,分别是K、L、M壳层中电子的结合能，而这些能量是由元素本性决定的，所以,也是由元素本性决定的，它可以作为元素的标识。,因此Auger电子测量可作为分析元素的手段之一；,、,、,第二节：X射线的产生机制,第六章:X射线,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,2）核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，使原子核跃迁到激发态。,以上两个效应，分别是法国物理学家Auger和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证

13、实。,电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产生的辐射。称同步辐射，这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。,同步辐射,第二节：X射线的产生机制,第六章:X射线,连续谱,标示谱,上一页,下一页,首页,第三节：Compton散射,前面我们讨论了X射线波的一面，事实上，X射线还有粒子性的一面，下面,1.我们将要讨论的是X射线的粒子性。,按照经典理论，光在介质表面反射后,其频率是不会改变的。,然而Compton在X射线与物质散射的实验里却发现，被散射的X射线中，除了与入射X射线具有相同波长成分外，还有波长增加的部分出现，且这部分X射线的波长因散射角的不同而异。,这被称作Compton 效应。

14、,它是经典理论所无法解释的。而量子理论可给予圆满的解释。,光子的描述,量子的解释,有关的讨论,第六章:X射线,上一页,下一页,首页,光子的能量的动量：,按照Einstein的光子理论，光子的能量为,按相对论的能量关系,对于光子,所以光子动量,第三节：Compton散射,第六章:X射线,光子的描述,量子的解释,有关的讨论,上一页,下一页,首页,Compton 认为，X射线在物质表面的散射实际上是光子与电子的碰撞过程。碰撞中能量和动量守恒。,Compton 散射,设入射光子能量为hv，动量，散射光子,能量为 动量；初时电子静止，散射后质量m，动量,则守恒关系为：,其中,写成标量式后，上式化为：,光

15、子的描述,量子的解释,有关的讨论,第三节：Compton散射,第六章:X射线,上一页,下一页,首页,由这组方程可解得,此式可变为,Compton解释是否正确，就要看它的结论是否与实验吻合。下面我们将对此进行讨论。,（1）,（2）,第三节：Compton散射,第六章:X射线,光子的描述,量子的解释,有关的讨论,上一页,下一页,首页,1.在（1）式中，令,得,，称为Compton波长，,的表达式可见,与无关，不论多少，,对实际,；在给定方向测量，一定，,一定；所以越小，,才越大；,的X射线，,而对可见光，很大，,经典理论与实验符合的很好。,Compton解释的讨论,很小，,所以通常情况下，观察不到

16、这种波长的改变，,由,是一定的；,测量来说，有意义的测量是,所以只对波长较短的,才大到足以被观察的程度。,光子的描述,量子的解释,有关的讨论,第三节：Compton散射,第六章:X射线,上一页,下一页,首页,2.散射光的能量与入射光波长密切相关,（2）式可改写为,（3）,由此可见,；除,之外，,随E 的增大程度是受到一定限制的，,，,例如,3.在任一方向，相干散射和非相干散射同时存在,通常定义,的散射为相干散射，,否则为非相干散射。,第三节：Compton散射,第六章:X射线,光子的描述,量子的解释,有关的讨论,上一页,下一页,首页,事实上，大量光子打向原子时，有些光子同内层束缚电子发生作用，

17、却不能使其电离，总的效果是同整个原子发生弹性散射，此时,表达式变为,，由于,，故,这便出现了相干散射。,的微观机制是什么呢？,4.Compton波长的测量，为我们提供了另一种测量Planck常数的方法。,，,第三节：Compton散射,第六章:X射线,光子的描述,量子的解释,有关的讨论,上一页,下一页,首页,第四节：X射线的吸收,X射线通过物质时，我们将X射线称为光子，则根据光子能量（hv）的不同，它们物质的相互作用有以下三种情况：,1、X射线的光子打在吸收物上，打出电子来，而光子本身消失了，此即光电效应。对光子来说，这是真实吸收。“光电效应”的电子可以是自由电子，也可以是束缚电子。光子能量h

18、v不太大是发生这种相互作用；,2、X射线通过物质后，波长和能量发生改变，此称compton效应；当hv增大时，发生compton效应；,X射线与物质的作用,定量计算,吸收限,第六章:X射线,上一页,下一页,首页,以上三种效应不光与光子的能量有关，还与靶的原子序数有关。,光子能hv大于电子静止质量的两倍时（1.02Mev），光子在原子核场附近将转化为一对正、负电子。这被称作电子偶效应；,3、,第四节：X射线的吸收,第六章:X射线,X射线与物质的作用,定量计算,吸收限,上一页,下一页,首页,1.强度表达式,可见强度I(x)随厚度x指数衰减。,设一束X射线，射向吸收体前强度是,，,通过厚度为dx的吸

19、收体后，强度增量为dI，,减少量-dI将正比于,dx和通过dx时的强度I，,若取比例系数为，,则-dI=I（x）dx,两边积分得,(1),X射线与物质的作用,定量计算,吸收限,第四节：X射线的吸收,第六章:X射线,上一页,下一页,首页,（1）线性吸收系数,称其为线性吸收系数。通常定义,时的x为吸收长度，即吸收长度,它表示透射粒子占入射粒子70%时吸收体的厚度。,2.关于吸收系数的讨论,(1)式中，x单位:cm，单位：,；,，,第四节：X射线的吸收,第六章:X射线,X射线与物质的作用,定量计算,吸收限,上一页,下一页,首页,为了使吸收系数的数值不依赖于吸收体的物理状态（汽、液、固），定义质量吸收

20、系数,其中是吸收体密度。,式中,称为质量厚度，单位是,，,称为质量吸收系数，单位为,（2）质量吸收系数,则（1）式化为：,第四节：X射线的吸收,第六章:X射线,X射线与物质的作用,定量计算,吸收限,上一页,下一页,首页,由前面的讨论可知，X射线同物质的作用有三种，有些情况下，三种效应都是存在的。所以定义一个总吸收系数，它是三种效应的迭加，即：,描绘出 随X射线能量的变化曲线是分析吸收体的常用方法。,（3）总吸收系数,第四节：X射线的吸收,第六章:X射线,X射线与物质的作用,定量计算,吸收限,上一页,下一页,首页,在E图中，在某一个能量E处，发声突变，称之为吸收限。,2.吸收限的应用,1.吸收限

21、,产生吸收限的原因是：,当X射线的能量恰能将吸收体某一内层电子电离，从而引起原子的共振吸收。,X射线与物质的作用,定量计算,吸收限,第四节：X射线的吸收,第六章:X射线,上一页,下一页,首页,应用1：运用“通带”过滤片，选通某些光强的X射线.,原理：我们知道，产生KX射线的阈能总要大于该元素本身KX射线的能量。而某物质的KX线的阈能正是该物质E图上K吸收限的能量,。,因此，该物质的KX射线的能量位置，必定在K吸收限的左边，并且靠近吸收限的附近。,第四节：X射线的吸收,第六章:X射线,X射线与物质的作用,定量计算,吸收限,上一页,下一页,首页,根据这个原理，我们用该 元素成一个薄片，放在x射线的

22、光路上，就可以使kx线顺利通过，而其它频率成分被大量吸收，从而起到选通某些频率x射线的作用。,比如黄铜是铜和锌的混合物，当射线打到黄铜上时，会同时出现Cu和Zn的特征 射线，两者相差不大，我们可以用镍做成过滤片，,由于(Cu)的能量比镍的吸收限低，所以可以顺利通过，,而(Zn)的能量比它高，将会被吸收。,第四节：X射线的吸收,第六章:X射线,X射线与物质的作用,定量计算,吸收限,上一页,下一页,首页,应用2.在心血管造影术上的应用,心血管阻塞是严重的心血管病变，治疗的第一步是查出阻塞的地点。常用的方法是心血管造影。,在血管中注入造影剂碘（）；I对X射线吸收要比肌肉、骨骼对X射线吸收强得多。,因

23、此，在X光照射下，哪里血管有阻塞，I无法达到，哪里就能被显示出来。,它的原理是：,第四节：X射线的吸收,第六章:X射线,X射线与物质的作用,定量计算,吸收限,上一页,下一页,首页,但这种方法要求有较大浓度才能造影，所以早期是将很细的导管插入人体股动脉，在导管中注入碘再造影，病人痛苦而且有一定危险。,新的造影术利用碘的K吸收限，在碘的浓度不是很大时，用两种能量 的X射线分别造影；分别在K吸收限的上下端，相差很小，则 吸收系数很小，吸收系数很大，对两次造影的进行数值处理并相减，以消除肌肉和骨骼的影响,。,第四节：X射线的吸收,第六章:X射线,X射线与物质的作用,定量计算,吸收限,上一页,下一页,首页,两次造影时，肌肉、骨骼对的贡献是几乎相同的。剩下的仅是碘对射线吸收的贡献。如果某一个部位两次造影值相减后几乎为零，说明没有碘的贡献，这就很容易查出血管阻塞处。,采用这种方法，碘通过静脉注入血管，在全身扩散后，尽管浓度不大，也能达到很好的造影效果。,第四节：X射线的吸收,第六章:X射线,X射线与物质的作用,定量计算,吸收限,上一页,下一页,首页,本章结束,谢谢观赏!,第六章:X射线,