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1、1,第六章 X射线,2,原子物理学第六章 X射线,基本内容,6.1 X射线的波性 6.2 X射线产生的机制 6.3 X射线的吸收 6.4 康普顿效应,目的与要求,(1)了解X射线的产生机制及波长的计算. (2)了解X射线吸收的特点. (3)分析康普顿散射效应.,电磁波谱,3,原子物理学第六章 X射线,X光发现的背景,4,原子物理学第六章 X射线,第六章 X射线,W.K.伦琴，德（1845-1923） 第一张诺贝尔物理学奖奖状,1879年,在物理学大师亥姆霍兹和基尔霍夫等人的推荐下,伦琴担任吉森大学物理学教授和物理研究所所长.于1894年任该校校长.在其就职演说中指出：,“实验是最有力可靠的手段
2、,能使我们揭开自然界的奥秘;实验也是判断假说应当保留还是应当放弃的最后鉴定.”,获1901年首届 诺贝尔物理学奖,0.01 1 10(),硬X射线 软X射线,X射线波长范围及其大致分类,硬X射线:波长较短,能量较高,穿透力较强,适用于金属的无损探伤及相关分析. 软X射线,伦琴无条件地把X射线的发现奉献给人类,没有申请专利.,5,X射线下,原子物理学第六章 X射线,6,6-1 X射线及其波性,一、X射线的发现,原子物理学第六章 X射线,1895.11.8，伦琴在暗室中做阴极射线管气体放电实验时,为避免紫外线与可见光的影响,特用黑纸将射线管包住,但偶然发现与之相距一段距离的荧光屏上会发微光.伦琴认
3、定这是一种来自射线管但不是阴极射线的神秘射线.,穿透性及直进性，在电磁场中不偏转，能使某些物质发荧光，使底片感光，使空气电离,因对其本质的不确定性,称其为X射线. 后来证实X射线是核外电子产生的短波电磁辐射.,在伦琴之前有人在操作阴极射线管时发现此特异现象，但未深究。（“当真理碰到鼻尖的时候还是没有得到真理”）,神秘射线的性质：,第一张人手(伦琴夫人的手)X照片,7,原子物理学第六章 X射线,二、X射线的产生机制：,1）X射线管:,X射线可用高速电子流轰击阳极靶A而获得,或由Z10的原子内壳层跃迁而产生.,高速电子流与靶相撞时,电子因受阻失去动能,中约1%转变为X射线，大部分转变为热能。,K,
4、+,A,阳极（靶）A： 电子突然减速 和发射X射线处,靶材由用途决定,8,X射线管的结构,原子物理学第六章 X射线,封闭式X射线管实质上是一个大的真空二极管,X射线管的阴极,9,原子物理学第六章 X射线,玻璃,铍窗口,X射线,X射线,电子流,冷却水,“X射线管剖面示意图” 演示：,10,2）X射线谱（发射谱）,实验表明，X射线谱由两部分构成,原子物理学第六章 X射线,标识谱：一定材料做的阳极具有确定的临界电压（开始出现尖峰时的电压）,可用来识别元素.因此线状谱又称标识谱.,连续谱：加速电压不太高时,X射线的强度随波长连续变化.,线状谱：加速电压达一定值时,连续谱上叠加着的某些尖峰构成.,峰值对
5、应的波长取决于靶材本身）,钼靶的标识谱 叠加在连续谱上,11,原子物理学第六章 X射线,连续谱：由轫致辐射导致连续谱,刹车辐射,高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用而速度骤减(连续变化)时产生的辐射。,连续谱的特点：有一明显极限(短波波长):,量子 解释,一个电子在电场中得到动能eV,当它到达靶核时动能全部转化为辐射能,由此发出的光波长最短,为 代入常数后即得上式（ 称为量子极限）,标识谱(特征辐射),由电子内壳的跃迁导致标识谱,其波长极短(约0.1nm左右).各元素的特征谱有相似的结构,但其能量值不同.故视为元素的“指纹”,可作为分析元素的工具.,据此式，若测出外加 高压则可精确地测出h
6、,12,K态（击走K电子）,L态（击走L电子）,M态（击走M电子）,N态（击走N电子）,击走价电子,中性原子,原子的能量,电子冲击阳级靶,X射线射出,“连续X射线产生过程”演示,原子物理学第六章 X射线,13,K态（击走K电子）,L态（击走L电子）,M态（击走M电子）,N态（击走N电子）,击走价电子,中性原子,原子的能量,K激发,L激发,Ka辐射,K辐射,L辐射,“标识X射线产生过程”演示,原子物理学第六章 X射线,K层电子被击出时,原子系统能量由基态升到K激发态,高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射.L层电子填充空位时,产生K辐射;M层电子填充空位时产生K辐射.,K系激发机理,由能级可知K
7、辐射的光子能量大于K的能量,但K层与L层为相邻能级,L层电子填充几率大,所以K的强度约为K的5倍.,14,3)莫塞莱定律,原子物理学第六章 X射线,(1913),莫塞莱（英）定律反映的是各元素标识谱的频率与Z的近似关系。,第一次提供了精确测量Z的方法,对于K线的莫塞莱经验公式：（两种表示法）,激发电子的屏蔽常数b与电子所在壳层n有关。,物理意义,3/4表示n=2到n=1的内层跃迁, 表示跃迁的电子受到（Z-1）个电荷的作用。,玻尔于1913年发表了三篇文章提出关于原子的量子学说，这直接启发了莫塞莱，他发现他的经验公式可从玻尔理论导出,15,4)产生特征辐射的前提条件：,原子物理学第六章 X射线
8、,外层电子向内层跃迁的前提,必须先使内层电子电离而产生“空穴”,产生空穴的方法,有多种,如用高能电子束、质子束、X射线等轰击原子内层电子,当原子内层产生空穴后，较外层电子立即自发地填充空穴，同时以辐射光子的方式释放多余的能量，即发射X射线。,10 20 30 40 50 60 70 80 90,1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2,Z,X射线线系 的莫塞莱图,以波数的平方根为纵坐标.对于重元素,这些图基本为直线;对于轻元素会有所偏离.,16,原子物理学第六章 X射线,X射线的能级示意图,产生特征X射线的电子跃迁服从的选择定则,原子态,K线系,L线系,X射线因电子跃迁方式不同而
9、分为几个线系。 同一线系中又以初态的不同再用脚码等标注不同的谱线。,因能级的精细结构， K又分为K1和K2。,17,5)俄歇电子（1923，由法国物理学家俄歇发现）,设K层有一个空穴,L层的一个电子跃迁到K层并释放X射线,也可能不释放X射线而将多余能量传递给另一层（例如M层）的一个电子而使这一电子脱离原子（“二次电离效应”）,此电子称为俄歇电子.,原子内壳层产生空穴后释放能量的两种途径,电子跃迁 还可诱发核的激发,or:释放X射线 （重元素的几率较大）,Or:发射俄歇电子（轻元素的几率较大）,设为相应层的结合能,电子由L向K跃迁释放能量 ，如这部分能量被M层中的一个电子获得，则从M层发出的俄歇
10、电子的动能为：,完全取决于元素自身，可作为分析元素的手段,18,3.X射线的波动性,原子物理学第六章 X射线,由经典动力学知，加速或减速的带电粒子能辐射电磁波。因此当高速电子流在靶上受阻而停止时必将产生电磁波。,伦琴当初误认为X射线与光无关，直到1906年巴拉克(英)才显示了X射线的偏振，证明了X射线的波动性。但很多人并不相信这一结果。,1921年冯.劳厄(德)设想X射线是波长很短的电磁波，可在原子规则排列的晶体上发生衍射，后来由弗里特里克和奈平通过实验确证了X射线的波动性，并测量了它的波长。,X射线的偏振实验进一步证明X射线是横波(此略)。,19,4.X射线的衍射(提供X射线波长测量方法),
11、X射线的波长数量级为，要分辩X射线的光栅也要在的数量级才行。晶体有规范的原子排列，且原子间距也在的数量级。是天然的三维光栅。,劳厄想到了这一点，但普朗克对他的想法不予支持。后来去找正在攻读博士的索末菲，经两次实验后终于成功进行了X射线的衍射实验。,X射线衍射实验演示,20,X射线衍射与散射光束线和实验站,原子物理学第六章 X射线,21,劳厄实验(1912),晶片光栅,X射线源,劳厄斑,晶体的三维光栅,Lane.德 (1879-1960 年）,原子物理学第六章 X射线,22,对劳厄斑的解释,1913年布喇格父子建立了布喇格公式.不但能解释劳厄斑点,而且能用于对晶体结构的研究。,原子物理学第六章
12、X射线,Bragg父子（英）,当能量很高的X射线射到晶体各层面的原子时,原子中的电子将发生强迫振荡,从而向周围发射同频率的电磁波,即产生了电磁波的散射, 而每个原子则是散射的子波波源.劳厄斑正是散射的电磁波的叠加.,23,1）同一晶面内子波的叠加,原子受迫振动发出电磁波,如图所示,设晶面上两原子间距为d,两条衍射线的光程差为:,相干叠加的极大值条件是:,可证明,一个晶面的高级次的极大,正好相当于另一晶面的零级极大,因而,为简化问题,对每一晶面只取零级极大,得：,因此在分析问题时，掠射角可不加脚标，直接用表示。,原子物理学第六章 X射线,24,2)相邻晶面间的子波的叠加,不同晶面间距不同.一定波
13、长的入射线,对于不同晶面有不同的掠射角,在满足布喇格晶体衍射公式的方向产生衍射极大.,若入射线中有几种波长的射线,则产生的衍射极大就有几个,所有这些衍射极大,在屏上给出各自的亮点形成了劳厄斑.,相邻晶面间两条衍射波之间的光程差为：,相干叠加极大值条件：,利用布喇格衍射公式可测量X射线的波长.也可测未知晶体的晶格常数.,晶体结构分析,布喇格晶体衍射公式,25,5.旋转式X射线的摄谱仪简介,因晶体可绕竖直轴转动，所以可得到与不同波长对应的条纹，即不同波长的X射线谱线。由晶体晶格常数与谱线位置(与掠射角对应)，可算出各条谱线的波长.而底片的黑度则对应于该波长X射线的强度。,原子物理学第六章 X射线,
14、经由铝(或铅)制成的狭缝后的X射线束,射到单晶体K上（K可绕竖直轴旋转）,以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片.,当掠射角正好满足布喇格公式时, 在反射方向上得到该波长X射线的衍射极大，在底片上形成一条细黑条纹。,X射线摄谱仪示意图,P,R,K,26,6.粉末法（德拜）：晶体粉末对X射线的衍射,在底片上形成的圆弧形谱线称为德拜线，每一条谱线对应于某一晶面的衍射极大，由X射线的波长及谱线位置可确定晶体的晶格常数，从而确定晶体的空间结构。所以这种X射线晶体粉末衍射摄谱仪学用于X射线晶体结构分析中。,原子物理学第六章 X射线,德拜（荷兰）利用晶体粉末（压成圆柱形）对X射线的衍射作实验，其装置与上页图
15、示相似。,粉末中有大量排列杂乱的微小晶体，实验时总有一些晶体的晶面满足布喇格公式而产生衍射极大，这些衍射极大形成一个顶角为20的圆锥面。,德拜相,27,X射线衍射的应用实例,已知X射线的波长测定晶体的晶格常数。,X射线 分析仪,原理：,？,？,28,1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸（DNA) 的双螺旋结构,获1962年诺贝尔生物和医学奖。,原子物理学第六章 X射线,29,7.同步辐射及其特点,同步辐射 （1947年发现）,以近光速作圆周运动的电子在轨道切线方向发出的光辐射。（产生高强度X射线的手段）,1997年美国7GeV同步辐射源的建成运转
16、，被称为当年继多利羊、登陆火星后的十大发明之第三。,同步辐射源是人类历史上继电光源、X光源、激光源之后的第4个革命性光源。,同步辐射源示意图,30,同步辐射的特点,对高能物理来说,同步辐射阻碍粒子加速,是 一种损耗.但同步辐射却是可利用的新型X光源.由以下特性可知其价值所在.,目前超大X光管(50kV)所产生的X射线功率在10W的量级,而普通的1GeV同步加速器的功率在10kw的量级.现阶段最大的20GeV同步加速器 (西德)R192m,总功率可达1500kw.,1）高强度,P(kw):总功率；R(m):电子曲率半径； E(GeV):电子能量；I(A):电流强度； B(kGs):磁感强度。,7
17、.5GeV电子能量,2）宽频谱。能谱连续可调,同步辐射的能谱是连续谱， 所以X射线的波长连续可调。,同步辐射的最短波长取决于电子的能量。,而X射线管发出的X光强度主要集中在靶材所对应的特征辐射附近,较单一.,31,3）小发散。方向性好,同步辐射的角分布与电子速度有关，当电子速度接近光速时，同步辐射几乎全都集中在电子运动的切线方向上。其准直性可与激光媲美。,同步辐射（实线）X光管辐射（虚线）比较,4）偏振性好。为完全的平面偏振波,5）时间结构好。脉冲宽度窄，脉冲间隔较长且可调，有利 于观测与时间有关的现象。,32,芝加哥城外费米实验室的同步加速器主环，直径达2km,原子物理学第六章 X射线,33
18、,中国：1、BSRF：九十年代初开始使用，为第一代光源，与北京正负电子对撞机（BEPC）共用一个环，2.2GeV, 专用同步辐射时间 2-3月/年，,原子物理学第六章 X射线,34,原子物理学第六章 X射线,北京同步辐射装置(BSRF)是利用同步辐射光源进行科学研究的装置，对社会开放的大型公用科学设施，是我国凝聚态物理、材料科学、化学、生命科学、资源环境及微电子等交叉学科开展科学研究的重要基地。下图为目前已建成若干条光束线和实验站的同步辐射装置布局,35,2、NSRL：建在安徽合肥科技大学内，为第二代专用光源。0.8GeV，低能环，以紫外、软X射线为主。可产生12keV以下的硬X射线。,原子物
19、理学第六章 X射线,一期工程投资0.8亿,于1991年完成;二期工程投资1.2亿,于2004年完成.系开放型的国家同步辐射室.,实验室外景鸟瞰,36,6-3 康普顿散射（证明X射线的粒子性）,（1923）,A.H.Compton 美,(1892-1962）,X射线与物质作用时，被散射的X射线中有波长增长（频率减小）的成分出现，并且波长的增长量随着散射角的增大而增大,和散射材料无关。,获1927年度 诺贝尔物理学奖,实验规律,散射线中有两种波长0 、,随散射角 的增大而增大,37,经典物理解释,原子物理学第六章 X射线,散射晶体,受迫振动,单色电磁波,电子受迫振动,同频率散射线,说明：经典理论只
20、能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射。,38,1）入射光子与外层电子弹性碰撞,3.量子解释,原子物理学第六章 X射线,体系的能量、动量守恒,39,必须考虑相对论效应,康普顿 散射公式,经改写后可得,上式表明:散射光子的能量是入射光子能量的函数。,反冲电子的最大能量和光子的最小能量,利用：,原子物理学第六章 X射线,经整理后得,散射光子的能量公式,40,2） X射线光子和原子内层电子相互作用,光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。,内层电子被紧紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。,波长不变的散射线,4.物理意义,1）电子的康普顿波长：,原子物理学第六章 X射线,入射光子的能
21、量与电子静止能量相等时，相应的光子波长.,可理解为:在/2时，入射波与散射波的波长之差.,电子的折合康普顿波长：,41,原子物理学第六章 X射线,2）只决定于而与无关,入射波波长的最大增值,当时得到康普顿散射引起的最大位移,只有对1的X射线才能使/大到足以观察的程度。,对实际测量来说，有意义的是/,如：对于5000的可见光, /小得无法被量度.这就是为什么只有在X射线散射中才观察到康普顿效应的缘故.,5.康普顿散射与基本常数,在康普顿散射公式中,h和c都起关键作用.若h0,c,则0 ,即回到经典物理.,上述理论结果与实验相符，故康普顿散射有力地支持了光的粒子性和狭义相对论。,康普顿散射提供了：
22、 1）独立测定h的方法！ 2）测定光子能量h的方法！,42,0 =0.02nm的X射线与静止的自由电子碰撞, 若从与入射线成900的方向观察散射线，求散射线的波长。,能量守恒，反冲电子动能等于光子能量之差,解：动量守恒,根据动能、动量关系,波长为,原子物理学第六章 X射线,例,43,原子物理学第六章 X射线,吴有训（1897-1977），我国近代物理学奠基人之一。以系统、精湛的实验为康普顿效应的确立做出了重要贡献。其实验结果见右图。,44,5-4 X射线的吸收,原子物理学第六章 X射线,1.光子与物质的相互作用,1）多次小相互作用: （典型实例:康普顿散射）,光子束与物质中电子的作用引起光子的
23、能量损失和方向偏转。因此，光子束穿过吸收体后，能量降低并有一个弥散。,2）全或无相互作用: (典型实例:光电效应),光子要么不受相互作用,要么经一次相互作用后就从射线中束中消失。,3）电子偶效应:,当光子能量大于电子静止能量的两倍（即1.02MeV）时，光子在原子核附近转化为一对正负电子。,三种效应的重要性随吸收物的不同而不同,也随光子能量的不同而不同.,光子与物质的三种相互作用,光电效应为主,康普顿 效应为主,电子偶 效应为主,45,原子物理学第六章 X射线,46,X射线与物质相互作用的总结,热能,透射X射线衰减后的强度I0,散射X射线,电子,荧光X射线,相干的,非相干的,反冲电子,俄歇电子
24、,光电子,康普顿效应,俄歇效应,光电效应,原子物理学第六章 X射线,47,2.X射线的吸收,原子物理学第六章 X射线,朗伯-比耳定律(X射线吸收后的强度),/( ):质量吸收系数,x：X射线进入吸收体的深度,x：质量厚度,/不再依赖吸收体的物理状态，因而更能反映吸收体的吸收本领，同时也给测量带来方便。,48,3.吸收限（吸收边缘）,实验表明：吸收体的吸收系数随着X光的能量增加（波长变短,贯穿能力增强）而降低.但当X光的波长减到某些数值时,吸收系数会突然增加,然后再逐渐下降.,吸收限表示X光了的能量已达一个数值,刚能使吸收物的原子吸收它发生光电效应.,吸收系数突增处称为吸收限.,原子物理学第六章
25、 X射线,质量吸收系数与X光能量的关系,49,原子物理学第六章 X射线,K吸收限表示光子的能量足以使一个1s电子脱离原子；,L吸收限表示光子的能量足以使一个2s电子脱离原子；,可由吸收限求标识谱的波数。例如：,吸收限的存在，再一次有力地证实了原子中电子壳层结构的实在性。,50,李杨于1956年提出弱相互作用下宇称不守恒原理，次年为吴健雄等通过衰变的实验确证，于1957年同获诺贝尔物理学奖。,“我们愈研究自然，自然愈显得复杂”。“当你老了，你就会变得愈来愈胆小.因为一旦你有了新思想，会马上想到一大堆永无止境的争论，而害怕前进。当你年轻力壮的时候，可以到处寻求新观念，大胆地面对挑战。我有时候常常自问：是否已经丢掉自己的胆魄？。“,“数学的运用能力是很重要的，因为方程式就是工具”。“研究是一件连续不断的事情”，“你不能计较早晨或黄昏，一天二十四小时都是你的工作时间。”,杨振宁(1922-)安徽合肥,李政道(1926-)上海,吴健雄（1912-1997）苏州,