X射线与原子核物理概论
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X射线的产生机制
- 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;
- 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
连续谱的特征----韧致辐射(刹车辐射)
- 连续谱与管压的关系
- 阳极材料不变时,波长的最小值和相对长度的最大值随管压的升高都向短波方向移动。
- 连续谱与阳极材料的关系
- 最小波长与靶无关,由管压决定的
- 微观机制
- 高压加速后的电子进入靶内,可以到达不同的深度,其速率骤减为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
- 韧致辐射的最小波长
- 一开始是经验公式,后来就...
线状谱
- 不同元素线状谱的波长不同的,但线系结构是相似的
- 改变靶物质时,随Z(电荷数)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
- 某元素的标识谱与化合状态无关
- 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
- 产生机制
- 线状谱产生于原子内层电子的跃迁
- 其他壳层上电子向空位跃迁
定律--线状谱的定量计算
- 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
- 射线能量的近似表达式:
标识谱产生的其它效应
- 俄歇电子
- 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,这样产生的电子称俄歇电子
- 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
- 同步辐射
- 电子在同步回旋加速器中,作圆周运动时产生的辐射
布拉格衍射
Compton散射
- 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
Compton解释的讨论
波长的变化
散射光的能量
散射光子的能量表达式
反冲电子的动能
非相干散射
- 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
- 微观机理
- 大量光子打向原子时,有些光子同内层束缚电子发生作用,却不能使其电离,总的效果是同整个原子发生弹性散射
X射线的吸收谱
光与物质作用的方式
根据光子能量的不同
- 光电效应
- compton效应
- 电子偶效应
- 光子能量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
朗伯-比耳定律
- 物质的吸收系数
- 由光电效应和康普顿散射贡献
- 质量吸收系数 ,吸收体密度
- 吸收系数对入射X光子波长(能量)的曲线,称X射线的吸收谱
- 吸收系数随X光子能量增加而下降。即短波长X射线的贯穿本领(穿透性)强
- 存在吸收限
吸收限与原子能级
- 吸收限的产生
- 入射X光子能量大到足以使吸收物的原子吸收它时,使内层(K、L、M……)一个电子电离
- 吸收限的出现,再一次证明了原子内部电子的壳层结构
原子核物理概论
原子核
- 由质子和中子组成。
- 质子带正电荷,中子不带电。
- 质子和中子统称为核子。核子的自旋为1/2。
- 原子核的形状一般为近似椭球,其长短半轴之比一般不大于5/4,可近似看作球形。核电四极矩是核偏离球形的量度
核自旋和核磁矩
- 核自旋
- 质子和中子都是费米子,具有自旋角动量量子数1/2。
- 核的角动量是中子的自旋、质子的轨道和自旋之和。
- 原子核自旋角动量
- 核自旋角动量量子数。为整数或半整数
- 偶---偶核(中子和质子数都为偶数)自旋为零
- 奇---偶核自旋为半整数
- 奇---奇核自旋为整数
- 核磁矩
- g由实验确定,有正有负。
原子核的结合能
核力
- 短程力
- 饱和性
- 比结合能近似为常数,这意味着,每一个核子只与它临近的少数几个核子有相互作用
- 核力与电荷无关
- 斥心力
- 自旋相关性
- 核力的大小与两粒子自旋的相 对取向有关,自旋平行时,核力较强,反之核力较弱
- 原子间的作用力是一种交换力,电子是它们的交换媒介
- 核子间的力是交换力,核子间以π介子作为交换媒介
衰变及其统计规律
放射性活度
- 放射物在单位时间内发生衰变的原子核数目
- N表示当时存在的原子核数目
- 单位
- 1贝克勒尔(Bq)=1次核衰变/秒
- 1居里(Ci)=3.7*10^10Bq
衰变常数
半衰期
核反应
衰变能与核能级
- 衰变能
- 衰变中放出的总能量
子核激发能:;出射阿尔法粒子;子核反冲动能
衰变能:
当子核到基态时,衰变能才等于总衰变能
衰变谱
- alpha 衰变谱是分立的
- beta 衰变 连续谱的出现与 能量守恒和核能级量子化相矛盾
- beta 衰变
- 核的自旋角动量由质量数决定. beta 衰变中 质量数 不变,但释放出的电子具有角动量,因此beta 衰变的角动量不守恒
- beta- 衰变
- beta+ 衰变
- 轨道电子俘获
- 母核俘获核外轨道上的一个电子,使母核中的一个质子转为中子,过渡到子核的同时放出一个中微子
表示核外i轨道上的电子;表示轨道上电子的结合能
- 中微子吸收
- 双 beta- 衰变:一次放出两个光电子
- beta 延迟中子发射
- 母核发生 beta 衰变后,得到不稳定的子核;子核又放出中子,变成它的同位素,有时缓发一个中子,有时释放两个中子
- beta 延迟质子发散的 alpha 粒子的发散
- 母核发生衰变后,得到不稳定的子核,以不同的几率放出质子和 alpha 粒子,而变成其他的核素。
- gamma 衰变
- 原子核的退激,必然伴随有 gamma 射线的放出, 射线的能量就等于相应的核能级之间的能量差
- X 射线与 gamma 射线的差别在于能量和产生的方式不同而已
- X射线产生于原子内层电子的跃迁;gamma 射线产生于激发态原子核的退激或正、负电子对的湮灭
- Mossbauer 效应
- 在 gamma 衰变中,处于激发态的核由高能态向低能态跃迁时,子核与 gamma 光子的总动量和总能量是守恒的,亦即子核具有一定的反冲动量和反冲能
- 如果将放射性核素固定在晶体中,遭反冲的就不是单个原子核,而是整块晶体
射线同事物的相互作用
- \alpha 粒子通过实物时,与实物中的电子,原子,分子碰撞而损失能量
- 电子(\beta)通过实物时,可以发生弹性碰撞,非弹性碰撞和韧致辐射
- 弹性碰撞:实物电荷的库伦场作用使电子路径偏离原方向
- 非弹性碰撞:电子通过实物使实物原子发生激发或电离
- 韧致辐射:电子经过原子核附近,受到原子核库伦场作用而产生加速度,给出电磁辐射(电子能量较高)
- 辐射损失随透射原子序数和电子能量增加而增加
- \gamma(光子) 射线通过实物时,主要通过吸收和散射过程发生衰减。光子在吸收物种被吸收主要通过
- 光电效应 随射线能量的增加而减弱
- 康普顿效应 随射线能量的增加而减弱
- 电子偶素的产生 随射线能量的增加而增加
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