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在检验莫塞莱定律实验中 - 复旦大学物理教学实验中心Fudan Physics
在验证莫塞莱定律的实验中吸收边如何选取?
作者: 秦闻
摘要
在检验莫塞莱定律实验中,关于的选取问题,根据《原子物理学(第三版)指的是元素的X射线特征谱。为了检验莫塞莱定律,其中由于各个元素的特征谱不能够直接测量,我们的实验中选取的是透射率突变处斜线的中间确定吸收边的位置,并以吸收边作为公式中的。跃迁电子的轨道离核越远,其能量越接近逐出电子的能量,所产生的特征谱越接近吸收限。估算钼靶产生X光K系列特征谱所需要的最小电子加速电压,用晶体衍射实验来验证。
引言
波长在m到m范围的电磁波称为X光。当高速运动的电子和原子相碰撞时,一般都能发射X光。如果高速电子和原子中的内层电子相互作用,使其跃迁到外层(称为激发)甚至脱离原子的束缚(称为电离),从而在原子的内层形成空位。这时,外层电子就会向内层电子跃迁,以填补空位,并发出波长较短的光子,通常为X光。Moseleyslaw反映各元素X射线标识谱规律的实验定律(X光的特征谱)可以用吸收边来代替吗?实验中吸收边应如何选取?
关键词
特征谱 吸收边的选取 最小电子加速电压
正文
1.原理依据及问题提出:
“在钼靶上打出的X射线谱分为两部分,一是连续谱,在图中呈现一个山丘模样,这是韧致辐射产生的X射线谱;一是叠在连续谱上的两个尖峰,就是特征辐射产生的X射线谱,两峰所对应的波长位置与外加电压无关。各元素的特征X射线谱有相似的结构,各元素的特征X射线能量值(或波长值)各不相同,被用来作为元素的标识,所以又可以称为元素的标识谱。元素的标识谱是原子中内层电子的跃迁产生的。” [1]
图一 钼靶上打出的X射线发射谱
横坐标为X射线经NaCl晶体的入射角
纵坐标为收集极记录X射线强度
如果把各元素的特征X射线的频率的平方根对原子序数作标绘,就会得到线性关系。这就是莫塞莱当年得出的规律,称为莫塞莱定律。
产生K系X射线的阈能大于K系X射线本身的能量 [2]
图二为钼吸收片的透射率与X射线能量的关系。Kα和Kβ是钼的标识K系X射线的能量.
以钼为例,它的两个特征谱和吸收边的关系右图二所示。右图横坐标为X射线能量值,纵坐标为钼吸收片的透射率,吸收边对应的能量略大于特征谱对应的能量。(图来自《原子物理学第三版),即,用相应的波长来描述则有:。当波长小于而越接近于时,越容易激发电离,因而吸收系数越大;但一旦波长大于,吸收系数就会突然下降。因此,吸收系数在两侧有一个突变,它对应的能量是壳层移去一个电子所需的能量。[3]吸收限的波长等价于产生内层轨道空位所吸收的能量,等价于从该能级上移走一个电子并使其脱离原子的能量。[4]
而K系X射线Kα的能量是电子从n=1到n=2层的能量差值,对应的是元素的Kα特征谱,如图三所示。根据《X射线光谱分析的原理和应用》一书,特征线的波长相当于高层电子填充该能级空位时所释放的能量,谱线的波长必然大于吸收边的波长,谱线的能量必然小于吸收限的能量。跃迁电子的轨道离核越远,其能量越接近逐出电子的能量,所产生的特征谱越接近吸收限。
图三为n=2和n=3层电子向n=1层
跃迁放出k系X射线的示意图
我们用软件中draw k-edge的方法目的是得到k-壳层吸收边的位置,接近元素的标识谱,那么这样做有误差吗?怎样draw k-edge才能得到最接近标识谱的波长值?
2.思考与实验:
下面四种元素为例,探讨吸收边应如何选取?图四衍射谱中横坐标为X光的波长,纵坐标为接收器对X光的计数。图五透射谱中横坐标为X光的波长,纵坐标为透射率。选取吸收边时,分别选取透射谱突变斜线的右边、中间,和NⅡ/NⅢ跃迁到K层特征谱以及吸收边理论值的差别比较如下表一所示:
图四 四种元素的衍射谱 图五 四种元素的透射谱
元素 NⅡ/NⅢ跃迁到K层特征谱/pm K系吸收边理论值/pm 取选中间时得到吸收边/pm 误差/% 选取右边得到的吸收边/pm 误差/%
In(49) 44.5 44.4 43.8 -1.35 45.2 1.80 Ag(47) 48.7 48.6 48.2 -0.82 50.1 1.03 Mo(42) 62.1 62.0 61.3 -1.13 62.9 1.45 Zr(40 69.0 68.9 68.2 -1.02 69.7 1.16 [6]
[7]
图六 莫塞莱定律图解,用于选择X射线特征线
3.结论:
莫塞莱定律的图解见图六,横坐标为原子序数,纵坐标为波长的平方根的倒数。四条线分别表示各个元素Kα1,Kβ1,Lα1,Lβ1特征谱与原子序数的关系。
可以看出用吸收边的数值做吸收片外层的特征谱,数值是非常接近的。而且选取中间比
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