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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

Manne Siegbahn:精密线位怎样改变能级图

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把 X 射线谱线分得更开、量得更准,能多知道哪些原子结构?

  1. 受激靶材
  2. 色散晶体与测角仪
  3. 分辨出的光子谱线
  4. 比较能量差
这里追踪光子发射谱;Kai Siegbahn 后来的光电子测量记录的是另一种出射粒子。

一族辐射,分成许多条线

Manne Siegbahn 改进 X 射线源、真空技术和谱仪,把特征系列的线位测得更准。对应 1924 年奖的讲稿于 1925 年发表,按能级图组织这些谱线。进步不只是照片更清楚:新分开的线,限制了原子内部可能有哪些能级。

讲稿用组合规则比较 X 射线与光学系列。不同跃迁的能量必须拼进同一套能级差;这比给每个峰单独贴一个能量标签,要求更严格。

来源:[2]

角度准,要靠整台装置稳定

色散晶体用选定反射把波长映成角度。狭缝、晶体质量、测角标定、温度与光源稳定性都会影响线形。角标多写几位数字,补不了未分开的双线,也补不了晶面间距漂移。

一级反射中,光子能量与晶面间距、Bragg 角正弦的乘积成反比。角度从晶面量起,间距则是分析晶体的标定量。这里的晶体属于测量仪器,不一定是待测样品。

Eγ=hcλ=hc2dsin⁡θB(n=1)E_\gamma=\frac{hc}{\lambda}=\frac{hc}{2d\sin\theta_{\mathrm B}}\quad(n=1)

来源:[2][1]

能级图要经得起多条线共同检验

两次跃迁若终止在同一状态,光子能量相减,就限制了两个初态的能量差。一个系列中反复出现的组合关系,还能检出错误指认。精细分裂说明,仅有一个壳层标签,并不能指定全部原子状态。

讲稿采用当时的轨道语言与记号,不宜把能级图读成电子绕核运行的真实路径。现代壳层、角动量和多电子理论,以另一套框架解释这些光谱。

来源:[2]

线位与含量是两个问题

线位检验能量差,强度还受激发概率、分支比、吸收及探测器响应影响。因此,一张谱线表可以约束结构,却没有自动成为浓度标样。

同样要把 Manne 的光子谱与 Kai 的电子谱分开。发射谱测得的是光子能量,XPS 测得的是相对分析器参考的电子动能;两套公式不能换个标题就互用。

来源:[2]

把能级图当作相连的约束读

先看讲稿里的光学与 X 射线能级图,再沿谱线追踪哪些跃迁共享状态。装置精度、能级指认及现代解释,分成三个判断。所链微区分析模型讨论探测器辨谱;已有的电子谱文章则沿另一条路径解释 XPS。

来源:[2]

来源与阅读说明

能级论证依据托管的 1925 年讲稿;公式使用现代光子能量记号,并明确反射级次。

  1. W. L. Bragg, The diffraction of X-rays by crystals (1922 lecture; 1915 prize)

    核读角扫描、谱仪与盐晶体结构讨论;演讲日期为 1922 年 9 月 6 日。 阅读托管原稿

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

    核读能级图与谱线系列部分,重点第 81–88 页;旧轨道记号不作为现代原子理论。 阅读托管原稿

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