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Sandbox Physics
X 射线:发现、特征辐射与精密谱

装置 · 观测 · 推断

Barkla:换了靶材,射线为什么跟着变

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吸收测量怎样把元素自己的特征辐射,和散射出来的原射线分开?

  1. 初级 X 射线束
  2. 单一元素的辐射体
  3. 吸收滤片与电离探测器
  4. 比较穿透本领和激发条件
这几步是 Barkla 当年的吸收比较,不是能按能量分辨光子的现代探测器。

一部分次级辐射属于元素本身

初级 X 射线照到物质上,物质会发出次级 X 射线。Barkla 发现,其中一部分像入射射线的散射,另一部分的穿透本领却由被照元素决定。换一种辐射体再比较吸收,“次级射线都只是初级射线拐了个弯”的说法就解释不了全部结果。

要把两部分分开,必须控制激发条件,比较衰减。光看探测器信号变强还不够:透射、散射和新发出的辐射可能一起贡献信号。

来源:[1]

K 和 L 最初是靠实验分出来的

K、L 两个标签区分两族特征辐射,它们的穿透本领不同,激发要求也不同。早期辨认这两族,并不需要能逐条分开波长的晶体谱仪。壳层解释是后来才有的,用来说明实验早已分开的这些族。

1917 年的奖授予元素特征辐射。Moseley 的原子序数研究和 Manne Siegbahn 后来的精密谱学,回答的是测量中的其他问题,不该和它合写成一次发现。

来源:[1][2]

没有完整光谱,也能靠吸收区分

窄束中只有一个谱成分、滤片又均匀时,透射比取对数就能估出衰减系数;前提是滤片厚度已知、散射辐射不进入探测器,探测器响应也保持不变。几种成分混在一起,透射是几个指数项之和,拟合出的单个系数未必属于其中任何一条谱线。

这个现代公式只用来说明滤片比较的逻辑,并没有给 Barkla 的测量配上现代光子能量。讲稿里关于辐射和原子的说法,也要放回当时的实验背景去读。

μ=−1tln⁡ ⁣(I(t)I(0))\mu=-\frac{1}{t}\ln\!\left(\frac{I(t)}{I(0)}\right)

来源:[1][3]

现代仪器测的是别的量

EDS 按光子在探测器里沉积的能量给脉冲分档,WDS 用色散晶体挑选波长。两者都能研究特征 X 射线,但响应函数和谱线重叠都和滤片比较不同。XPS 测的则是射出的电子,需要另定一个动能参考。

查过激发条件、谱线重叠和背景之后,谱线可以支持元素判断。未经修正的峰面积仍然不是浓度,也不能唯一确定化学态。

来源:[1][2][4][5]

读讲稿时看什么

先读 Barkla 讲稿前的颁奖说明,重点是第 389–391 页的吸收比较和 K/L 分类。辐射体、入射射线硬度或吸收体改变时,各问一次:证据怎样变化?后面的演讲含有暂定的 J 系列等主张,本文不采用。再读 Manne Siegbahn 的能级图,看分开的线位怎样检验原子能量差。

来源:[1][2]

来源与阅读说明

吸收论证依据 Barkla 的诺贝尔讲稿及前附的颁奖说明。与现代探测器对比,是为了说明今天的仪器测的是另一种量。文中没有拟合任何历史衰减数据。

  1. C. G. Barkla, Characteristic Röntgen radiation (1920 lecture; 1917 prize), with the award presentation

    吸收和 K/L 分类读的是讲稿前面附的颁奖说明,第 389–391 页;讲稿本身读了第 392–399 页。讲稿里暂定的 J 系列和反量子的解释,本文不采用。 阅读托管原稿

  2. M. Siegbahn, The X-ray spectra and the structure of the atoms (1925 lecture; 1924 prize)

    读了能级图和谱线系的部分,重点是第 81–88 页。旧的轨道记号只当历史看,不当作现代原子理论。 阅读托管原稿

  3. NIST, X-Ray Mass Attenuation Coefficients, section 2, equations 1–2

    核读窄单能束衰减式,以及几何厚度、质量厚度和线性/质量衰减系数的区别。用于现代解释公式,不当作 Röntgen 或 Barkla 的历史拟合。

  4. JEOL, Energy dispersive X-ray spectroscopy: EDS and WDS detection and standards

    核读厂商对半导体探测与晶体分光的比较,以及定量分析使用标样的说明;不把示例性能数值当成通用极限。

  5. JEOL, Wavelength-dispersive X-ray spectrometer: crystal, detector and Rowland circle

    核读分析晶体与探测器随 Bragg 角联动的说明,只用于现代仪器比较,不作为历史仪器性能的证据。

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