X射线的发射谱解析

原子物理学教案20

X射线的发射谱

实验测得的X射线的发射谱----X射线的波长与强度的关系如图所示。从图中可以看出，X射线谱是由两部分构成的，一是波长连续变化的部分，称为连续谱，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谱线，这部分线状谱线要么不出现，一旦出现，它们的峰所对应的波长位置完全决定于靶材料本身，故这部分谱线称之为特征谱，又称标识谱。

一、连续谱----轫致辐射

经典电动力学告诉我们，带电粒子变速运动时伴随着辐射；当带电粒子与原子相碰撞，发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射称之为轫致辐射，又称为刹车辐射．

由于在带电粒子到达靶子时，在靶核的库仑场的作用下带电粒子的速度是连续变化的，因此辐射的X射线就具有连续谱的性质。

实验测到的连续谱存在一个最小波长?min，其数值只依赖于外加电压V，而与原子序数Z无关，如图所示。实验发现，连续谱的最小波长?min与外加电

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压V的关系为：

1.24?min?nmV(kV)

式中V是外加电压，以kV为单位．由此得到的波长?min的单位是nm。

要解释上式的物理含义，必须要利用光的量子说。如果一个电子在电场中得到的动能Ek?1eV，当它到达靶子时，它全部能量就转成辐射能，那末，由此发射的光子可能有的最大能量显然是

Ek?1eV?h?min?hc/?min 代入常数值后，便得到

?min?hc/1eV?1.24nm/V(eV)

?min称之为量子极限，它的存在是量子论正确性的又一证明。

上式可用来做为精确测定普朗克常数h的一个方法。第一次用这样的方法测量h的是杜安和亨特(1915年)，测到的h值与光电效应测到的h值完全一致，从而进一步说明了普朗克常量的普适性；它在完全不同的光的频率范围内具有完全相同的数值。。

二、标识谱----电子内壳层的跃迁

各元素的特征X射线谱有相似的结构，但各元素的特征X射线的能量值各不相同。正如指纹被作为人的特征一样，特征X射线电被用来作为元素的标识。

特征X射线谱是由巴克拉在1906年首先发现的。他观察到，从任何给定元素中发出的特征谱包含有若干个系列，可以标以K、L、…等字母。后来又发现，在K系列中又含有K?、K?，L系列中含有L?、L?、L?，…。

1913年，莫塞莱在测量了从铝到金总共38种元素的光谱之后发现，如果把各元素的X射线的频率的平方根对原子序数Z作标绘，就会得到线性关系，如图所示。

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莫塞莱在研究了一系列元素的K?线，发现各元素的K?具有某种规律性，莫塞莱得到了如下的经验公式

~?R(Z?1)2[1?1] ?1222~?R(Z?7.4)2[1?1] 对L线系，莫塞莱定律也成立：?2232

莫塞莱的实验第一次提供了精确测量Z的方法。历史上就是用莫塞莱的公式定出了元素的Z，并纠正了27Co与28Ni在周期表上的次序，指出了Z=43，61，75这三个元素在周期表中的位置。

实验还发现，不同元素的标识谱不显示周期性变化，而且它与元素的化合状态基本无关，这都说明标识谱是原子中内层电子的跃迁产生的。元素的周期性是外层电子组态周期性变化的反映，元素的化学性质主要取决于外层电子的状态，元素的化学组合也只与外层电子有关。

关于各线系的谱线怎样由内层电子发射的问题早已研究清楚。K线系是最内层(n=1)以外各层的电子跃迁到最内层的结果。L线系是第二层(n=2)以外各层的电子跃迁到第二层的结果。M线系是第三层(n=3)以外各层电子跃迁到第三层

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的结果。K系中的K?线，波长最长、强度最大，是第二层(n=2)的电子跃迁到最内层(n=1)时所发射的，K?线是第三层(n=3)电子跃迁到最内层所发射的。波长最短而且比较弱的K?线是n=4那一层的电子跃迁到最内层的结果。

既然元素的标识谱只与元素的原子序数Z有关，它就可以作为元素的“指纹”，依此可作为分析元素的工具。不过，要想产生标识X射线，必须先产生空穴，这是由泡利原理所决定的产生标识辐射的先决条件。例如，当一个原子的K层中有两个电子时，则永远也不可能在其中产生KX射线；只有当K中的一个电子被拿掉，即K层中出现一个空穴时，才可能获得KX射线。空穴的存在是产生标识辐射的先决条件。

产生空穴的方法可有各种各样(如用高能电子束、质子束、X射线等都可作为轰击原子中内层电子的炮弹)，而一旦空穴产生，接下去发生什么现象则与外界毫无关系，完全取决于元素本身的原子序数Z。

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