近代物理概论 .pptx
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1、近代物理概论近代物理概论近代物理概论近代物理概论 之之之之 实验技术基实验技术基础础第一节第一节 x x射线的发现射线的发现第二节第二节 x x射线的产生机制射线的产生机制第三节第三节 ComptonCompton散射散射第四节第四节 x x射线的吸收射线的吸收第1页/共43页第一节:X射线的发现 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?这是我们下面要讨论的问题。18071807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。”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
2、。”从而把哲学意义上的原子论推广到科学的原子论。X X射线的发现X X射线的产生上一页下一页首页第2页/共43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:1895年德国的 Rontgen(伦琴)发现X射线;1896年,法国的 Becguerel(贝克勒尔)发现了放射性;18971897年,英国的 ThomsonThomson(汤姆逊)发现了电子。第一节:X射线的发现X X射线的发现X X射线的产生上一页下一页首页第3页/共43页在18951895年以前,由阴极射线管产生的X X射线在实验里已经存在了3030多年,在射线
3、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18791879年的克鲁克斯,18901890年的古德斯比德等人,但发现 X X 射线的却是伦琴。18691869年在苏黎世大学获博士学位。18451845年出生于德国的一个商人家庭,X X射线的发现伦琴第一节:X射线的发现X X射线的发现X X射线的产生上一页下一页首页第4页/共43页18951895年1111月8 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
4、查发现,射线来自阴极射线管管壁。第一节:X射线的发现X X射线的发现X X射线的产生上一页下一页首页第5页/共43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-X射线。18951895年1212月2828日,伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于X X射线的论文,论新的射线,并公布了他夫人的X X射线手骨照片。第一节:X射线的发现X X射线的发现X X射线的产生上一页下一页首页第6页/共43页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
5、了X X射线研究热,18961896年关于X X射线的研究论文高达10001000多篇.对X 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 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 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”。第一节:X射线的发现X X射线的发现X X射线的产生上一页下一页首页第7页/共43页第一节:第一节:X X射线的发现射线的发现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
6、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;可见铀化合物能发出一种肉眼看不见的射线,与荧光无关。18961896年3 3月2 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,“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。”X X射线的发现X X射线的产生上一页下一页首页第8页/共43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 X射线,其波长因高太
7、的不同而异。当称硬X X射线;称软X X射线。当X X射线的发现X X射线的产生第一节:X射线的发现上一页下一页首页第9页/共43页X X射线的性质1 1)X X射线能使照相底片感光;2 2)X X射线有很大的贯穿本领;3 3)X X射线能使某些物质的原子、分子电离;4 4)X X射线是不可见光,它能使某些物质发出可见光的荧光;5 5)X 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X X射线的发现X X射线的产生上一页下一页首页第10页/共43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
8、-它迭加在连续谱上。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。实验表明,X射线由两部分构成,一部分波长连续变化,称为连续谱;连续谱标示谱上一页下一页首页第11页/共43页连续谱轫致辐射1 1、连续谱的特征在上述产生X 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 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太时,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 V的升高都向短波方向移动。第二节:X射线的产生机制连续谱标示谱上一页下一页首页第12页/共43页2 2)连续谱
9、与阳极材料的关系(电压不变)前图表示管压为35KV35KV时,用钼和钨作靶材料时的I I曲线。由图可见 与靶无关。是由管压V V决定的。连续谱产生的微观机制通过上面对连续谱特征的分析,我们很容易想到,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。可以想象到,被高压加速后的电子进入靶内,可以到达不同的深度,其速率从 骤减为0 0,有很大的加速度,而伴随着带电粒子的加速运动,必然有电磁辐射产生,这便是产生X X射线连续谱的原因,用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。第二节:X射线的产生机制连续谱标示谱上一页下一页首页第13页/共43页设电子入射速度 ,在靶上减速而损失的能量为 ;
10、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 v是连续的,作为极限情况,则,第二节:X射线的产生机制连续谱标示谱从而得到=ev(1)上一页下一页首页第14页/共43页上式表明,电子在电压V V下加速而获得能量并全部转化为辐射时 由此得:(1 1)式最早是在实验工作中,从实验数据的总结得到的。需要指出的是,解释光电效应的EinsteinEinstein方程是:当金属的逸出功能很小时,近似的有:这与(1 1)式在形式上是完全相同的。因此,X X射线连续谱可称为光电效应的逆效应。第二节:X射线的产生机制连续谱标示谱(2
11、)上一页下一页首页第15页/共43页1、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,K,L,M,等线系;且谱线具有精细结构,K K系分为;L L系分为等;改变靶物质时,随Z 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;连续谱标示谱第二节:X射线的产生机制上一页下一页首页第16页/共43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 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
12、下几点结论:1 1)线状谱产生于原子内层电子的跃迁。2 2)产生线状谱的条件是:a a.在原子的内层能级上有电子空位;b b.其他壳层上电子向空位跃迁。第二节:X射线的产生机制连续谱标示谱上一页下一页首页第17页/共43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 X射线的标识谱。3 3.定律-线状谱的定量计算 1913 1913年,英国物理学家MoseleyMoseley通过对不同元素(不同Z Z)的X X射线标识谱加以分析(共分析了从钴到金的3838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
13、X射线频率的平方根与原子序数Z Z成线性关系,变即,比喻对线,MoseleyMoseley得到一个经验公式 (1)第二节:X射线的产生机制连续谱标示谱上一页下一页首页第18页/共43页第二节:第二节:第二节:第二节:X X射线的产生机制射线的产生机制射线的产生机制射线的产生机制 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 n能级的状态相似,所以n 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,即跃迁电子感受到的有效电荷是Z-Z-,这样当n=2n=2上的电子向n=1n=1跃迁产生线时,我们有 实验表明,将
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