原子物理學(xué)_第六章-final教材

1、第六章：第六章：X射線射線X X射線的發(fā)現(xiàn)及其波動性射線的發(fā)現(xiàn)及其波動性 X X射線產(chǎn)生的機(jī)制射線產(chǎn)生的機(jī)制康普頓散射康普頓散射X X射線的吸收射線的吸收硬硬X射線射線0.001nm0.1nm軟軟X射線射線0.1nm1nmX X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)1 1）X X射線能使照相底片感光；射線能使照相底片感光； 2 2）X X射線有很大的貫穿本領(lǐng)；射線有很大的貫穿本領(lǐng)； 3 3）X X射線能使某些物質(zhì)的原子、分子電離射線能使某些物質(zhì)的原子、分子電離； 4 4）X X射線是不可見光，它能使某些物質(zhì)發(fā)出射線是不可見光，它能使某些物質(zhì)發(fā)出可見光的熒光；可見光的熒光；5 5）X X射線本質(zhì)上是一種電磁波，同

2、此它具有射線本質(zhì)上是一種電磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性質(zhì)。反射、折射、衍射、偏振等性質(zhì)。 1190111901年，諾貝爾獎第一次頒發(fā)，倫琴就由于發(fā)現(xiàn)年，諾貝爾獎第一次頒發(fā)，倫琴就由于發(fā)現(xiàn)X X射線而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。射線而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。2191421914年，勞厄由于利用年，勞厄由于利用X X射線通過晶體時的衍射，證明了晶體的原子點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)而獲射線通過晶體時的衍射，證明了晶體的原子點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。得諾貝爾物理學(xué)獎。3191531915年，布拉格父子因在用年，布拉格父子因在用X X射線研究晶體結(jié)構(gòu)方面所作出的杰出貢獻(xiàn)分享了諾貝射線研究晶體結(jié)構(gòu)方面所作出的杰出

3、貢獻(xiàn)分享了諾貝爾物理學(xué)獎。爾物理學(xué)獎。4191741917年，巴克拉由于發(fā)現(xiàn)標(biāo)識年，巴克拉由于發(fā)現(xiàn)標(biāo)識X X射線獲得諾貝爾物理學(xué)獎。射線獲得諾貝爾物理學(xué)獎。5192451924年，西格班因在年，西格班因在X X射線光譜學(xué)方面的貢獻(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。射線光譜學(xué)方面的貢獻(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。6192761927年，康普頓與威爾遜因發(fā)現(xiàn)年，康普頓與威爾遜因發(fā)現(xiàn)X X射線的粒子特性同獲諾貝爾物理學(xué)獎。射線的粒子特性同獲諾貝爾物理學(xué)獎。7193671936年，德拜因利用偶極矩、年，德拜因利用偶極矩、X X射線和電子衍射法測定分子結(jié)構(gòu)的成就而獲諾貝爾射線和電子衍射法測定分子結(jié)構(gòu)的成就而獲諾貝爾化學(xué)獎

4、。化學(xué)獎。8194681946年，繆勒因發(fā)現(xiàn)年，繆勒因發(fā)現(xiàn)X X射線能人為地誘發(fā)遺傳突變而獲諾貝爾生理學(xué)射線能人為地誘發(fā)遺傳突變而獲諾貝爾生理學(xué). .醫(yī)學(xué)獎。醫(yī)學(xué)獎。9195491954年，鮑林由于在化學(xué)鍵的研究以及用化學(xué)鍵的理論闡明復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)而獲得年，鮑林由于在化學(xué)鍵的研究以及用化學(xué)鍵的理論闡明復(fù)雜的物質(zhì)結(jié)構(gòu)而獲得諾貝爾化學(xué)獎（他的成就與諾貝爾化學(xué)獎（他的成就與X X射線衍射研究密不可分）。射線衍射研究密不可分）。101962101962年，沃森、克里克、威爾金斯因發(fā)現(xiàn)核酸的分子結(jié)構(gòu)及其對生命物質(zhì)信息傳年，沃森、克里克、威爾金斯因發(fā)現(xiàn)核酸的分子結(jié)構(gòu)及其對生命物質(zhì)信息傳遞的重要性分享了諾貝

5、爾生理學(xué)遞的重要性分享了諾貝爾生理學(xué). .醫(yī)學(xué)獎（他們的研究成果是在醫(yī)學(xué)獎（他們的研究成果是在X X射線衍射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)射線衍射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到的）。上得到的）。111962111962年，佩魯茨和肯德魯用年，佩魯茨和肯德魯用X X射線衍射分析法首次精確地測定了蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)而射線衍射分析法首次精確地測定了蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)而分享了諾貝爾化學(xué)獎。分享了諾貝爾化學(xué)獎。121964121964年，霍奇金因在運(yùn)用年，霍奇金因在運(yùn)用X X射線衍射技術(shù)測定復(fù)雜晶體和大分子的空間結(jié)構(gòu)取得的射線衍射技術(shù)測定復(fù)雜晶體和大分子的空間結(jié)構(gòu)取得的重大成果獲諾貝爾化學(xué)獎。重大成果獲諾貝爾化學(xué)獎。 從從19011901年獲諾

6、貝爾物理獎的倫琴開始，一個多世紀(jì)以來，因研究年獲諾貝爾物理獎的倫琴開始，一個多世紀(jì)以來，因研究X X射射線技術(shù)、以及使用線技術(shù)、以及使用X X射線進(jìn)行研究、與射線進(jìn)行研究、與X X射線有關(guān)的研究而獲得諾貝爾獎射線有關(guān)的研究而獲得諾貝爾獎的已有多人，可見的已有多人，可見X X射線在科技發(fā)展中占有的重要地位。以下統(tǒng)計可能不射線在科技發(fā)展中占有的重要地位。以下統(tǒng)計可能不完全（物理完全（物理8 8次，生理學(xué)醫(yī)學(xué)次，生理學(xué)醫(yī)學(xué)3 3次，化學(xué)次，化學(xué)1414次）：次）：131969131969年，哈塞爾與巴頓因提出年，哈塞爾與巴頓因提出“構(gòu)象分析構(gòu)象分析”的原理和方法，并應(yīng)用在有機(jī)化學(xué)研究的原理和方法，并

7、應(yīng)用在有機(jī)化學(xué)研究而同獲諾貝爾化學(xué)獎（他們用而同獲諾貝爾化學(xué)獎（他們用X X射線衍射分析法開展研究）。射線衍射分析法開展研究）。141973141973年，威爾金森與費(fèi)歇爾因?qū)τ袡C(jī)金屬化學(xué)的研究卓有成效而共獲諾貝爾化學(xué)獎。年，威爾金森與費(fèi)歇爾因?qū)τ袡C(jī)金屬化學(xué)的研究卓有成效而共獲諾貝爾化學(xué)獎。151976151976年，利普斯科姆因用低溫年，利普斯科姆因用低溫X X射線衍射和核磁共振等方法研究硼化合物的結(jié)構(gòu)及射線衍射和核磁共振等方法研究硼化合物的結(jié)構(gòu)及成鍵規(guī)律的重大貢獻(xiàn)獲得諾貝爾化學(xué)獎。成鍵規(guī)律的重大貢獻(xiàn)獲得諾貝爾化學(xué)獎。161979161979年，諾貝爾生理年，諾貝爾生理. .醫(yī)學(xué)獎破例地授給

8、了對醫(yī)學(xué)獎破例地授給了對X X射線斷層成像儀（射線斷層成像儀（CTCT）作出特殊貢獻(xiàn)）作出特殊貢獻(xiàn)的豪斯菲爾德和科馬克這兩位沒有專門醫(yī)學(xué)經(jīng)歷的科學(xué)家。的豪斯菲爾德和科馬克這兩位沒有專門醫(yī)學(xué)經(jīng)歷的科學(xué)家。171980171980年，桑格借助于年，桑格借助于X X射線分析法與吉爾伯特、射線分析法與吉爾伯特、伯格因確定了胰島素分子結(jié)構(gòu)和伯格因確定了胰島素分子結(jié)構(gòu)和DNADNA核苷酸順序以及基因結(jié)構(gòu)而共獲諾貝爾化學(xué)獎。核苷酸順序以及基因結(jié)構(gòu)而共獲諾貝爾化學(xué)獎。181981181981年，凱年，凱. .西格班由于在電子能譜學(xué)方面的開創(chuàng)性工作獲得了諾貝爾物理學(xué)獎的西格班由于在電子能譜學(xué)方面的開創(chuàng)性工作獲得

9、了諾貝爾物理學(xué)獎的一半。一半。191982191982年，克盧格因在測定生物物質(zhì)的結(jié)構(gòu)方面的突出貢獻(xiàn)而獲諾貝爾化學(xué)獎。年，克盧格因在測定生物物質(zhì)的結(jié)構(gòu)方面的突出貢獻(xiàn)而獲諾貝爾化學(xué)獎。201985201985年，豪普特曼與卡爾勒因發(fā)明晶體結(jié)構(gòu)直接計算法，為探索新的分子結(jié)構(gòu)和化年，豪普特曼與卡爾勒因發(fā)明晶體結(jié)構(gòu)直接計算法，為探索新的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)作出開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)而分享了諾貝爾化學(xué)獎。學(xué)反應(yīng)作出開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)而分享了諾貝爾化學(xué)獎。211988211988年，戴森霍弗、胡伯爾、米歇爾因用年，戴森霍弗、胡伯爾、米歇爾因用X X射線晶體分析法確定了光合成中能量轉(zhuǎn)射線晶體分析法確定了光合成中能量轉(zhuǎn)換反應(yīng)的

10、反應(yīng)中心復(fù)合物的立體結(jié)構(gòu)，共享了諾貝爾化學(xué)獎。換反應(yīng)的反應(yīng)中心復(fù)合物的立體結(jié)構(gòu)，共享了諾貝爾化學(xué)獎。221997221997年，斯科與博耶和沃克因籍助同步輻射裝置的年，斯科與博耶和沃克因籍助同步輻射裝置的X X射線，在人體細(xì)胞內(nèi)離子傳輸射線，在人體細(xì)胞內(nèi)離子傳輸酶方面的研究成就而共獲諾貝爾化學(xué)獎。酶方面的研究成就而共獲諾貝爾化學(xué)獎。232002232002年，賈科尼因發(fā)現(xiàn)宇宙年，賈科尼因發(fā)現(xiàn)宇宙X X射線源，與戴維斯、小柴昌俊共同分享了諾貝爾物理射線源，與戴維斯、小柴昌俊共同分享了諾貝爾物理學(xué)獎。學(xué)獎。242003242003年，阿格雷和麥金農(nóng)因發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜水通道，以及對細(xì)胞膜離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理

11、年，阿格雷和麥金農(nóng)因發(fā)現(xiàn)細(xì)胞膜水通道，以及對細(xì)胞膜離子通道結(jié)構(gòu)和機(jī)理研究作出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)被授予諾貝爾化學(xué)獎（他們的成果用射線晶體成像技術(shù)獲得）。研究作出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)被授予諾貝爾化學(xué)獎（他們的成果用射線晶體成像技術(shù)獲得）。252006252006年，科恩伯格被授予諾貝爾化學(xué)獎，以獎勵他在年，科恩伯格被授予諾貝爾化學(xué)獎，以獎勵他在“真核轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)真核轉(zhuǎn)錄的分子基礎(chǔ)”研究研究領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)（他將領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)（他將X X射線衍射技術(shù)結(jié)合放射自顯影技術(shù)開展研究）。射線衍射技術(shù)結(jié)合放射自顯影技術(shù)開展研究）。X X射線的發(fā)現(xiàn)及其波動性射線的發(fā)現(xiàn)及其波動性 X X射線產(chǎn)生的機(jī)制射線產(chǎn)生的機(jī)制康普頓散射康

12、普頓散射X X射線的吸收射線的吸收第六章：第六章：X射線射線18361836年，英國科學(xué)家邁克爾年，英國科學(xué)家邁克爾. .法拉第（法拉第（Michael FaradayMichael Faraday，1791-18671791-1867）發(fā)現(xiàn)，在稀薄氣體中放電時會產(chǎn)生一種絢麗的輝）發(fā)現(xiàn)，在稀薄氣體中放電時會產(chǎn)生一種絢麗的輝光。光。 后來，物理學(xué)家把這種輝光稱為后來，物理學(xué)家把這種輝光稱為“陰極射線陰極射線”，因?yàn)樗?，因?yàn)樗怯申帢O發(fā)出的。是由陰極發(fā)出的。 18611861年，年，英國科學(xué)家威廉英國科學(xué)家威廉. .克魯克斯克魯克斯（William CrookesWilliam Crookes，1

13、832-1832-19191919）發(fā)現(xiàn)通電的陰極射線管在放電時會產(chǎn)生亮光，于是就把它）發(fā)現(xiàn)通電的陰極射線管在放電時會產(chǎn)生亮光，于是就把它拍下來，可是顯影后發(fā)現(xiàn)整張干版上什么也沒照上，一片模糊。拍下來，可是顯影后發(fā)現(xiàn)整張干版上什么也沒照上，一片模糊。他以為干版舊了，又用新干版連續(xù)照了三次，依然如此?？唆斂怂詾楦砂媾f了，又用新干版連續(xù)照了三次，依然如此。克魯克斯的實(shí)驗(yàn)室非常簡陋，他認(rèn)為是干版有毛病，退給了廠家。他也斯的實(shí)驗(yàn)室非常簡陋，他認(rèn)為是干版有毛病，退給了廠家。他也曾發(fā)現(xiàn)抽屜里保存在暗盒里的膠卷莫名其妙地感光報廢了，他找曾發(fā)現(xiàn)抽屜里保存在暗盒里的膠卷莫名其妙地感光報廢了，他找到膠片廠商，指

14、斥其產(chǎn)品低劣。一個偉大的發(fā)現(xiàn)與他失之交臂，到膠片廠商，指斥其產(chǎn)品低劣。一個偉大的發(fā)現(xiàn)與他失之交臂，直到倫琴發(fā)現(xiàn)了直到倫琴發(fā)現(xiàn)了X X光，克魯克斯才恍然大悟。光，克魯克斯才恍然大悟。 在倫琴發(fā)現(xiàn)在倫琴發(fā)現(xiàn)X X光的五年前，美國科學(xué)家光的五年前，美國科學(xué)家古德斯柏德古德斯柏德在實(shí)驗(yàn)室里偶在實(shí)驗(yàn)室里偶然洗出了一張然洗出了一張X X射線的透視底片。但他歸因于照片的沖洗藥水或射線的透視底片。但他歸因于照片的沖洗藥水或沖洗技術(shù)，便把這一沖洗技術(shù)，便把這一“偶然偶然”棄之于垃圾堆中。棄之于垃圾堆中。 倫琴出生在德國倫琴出生在德國倫內(nèi)普倫內(nèi)普(Lennep(Lennep；現(xiàn)在屬于；現(xiàn)在屬于雷姆雷姆沙伊德沙伊德

15、的一部分的一部分) )的一個紡織商人家庭的一個紡織商人家庭. 1865. 1865年，倫年，倫琴進(jìn)入琴進(jìn)入烏得勒支大學(xué)烏得勒支大學(xué)讀書，隨后在讀書，隨后在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院院學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)機(jī)械工程機(jī)械工程。18691869年獲年獲蘇黎世大學(xué)蘇黎世大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。位。18741874年倫琴任年倫琴任斯特拉斯堡大學(xué)斯特拉斯堡大學(xué)講師。講師。18751875年年成為成為霍恩海姆霍恩海姆 (Hohenheim)(Hohenheim)農(nóng)業(yè)學(xué)院教授。農(nóng)業(yè)學(xué)院教授。18761876年他返回年他返回斯特拉斯堡大學(xué)做物理學(xué)教授，斯特拉斯堡大學(xué)做物理學(xué)教授，18791879年任年任吉森大

16、學(xué)吉森大學(xué)物物理系主任。理系主任。18881888年他就任年他就任維爾茨堡大學(xué)維爾茨堡大學(xué)物理系主任。物理系主任。19001900年，在年，在巴伐利亞巴伐利亞政府一再請求下?lián)握辉僬埱笙聯(lián)文侥岷诖髮W(xué)慕尼黑大學(xué)物理系主任。物理系主任。 1901 1901年，首屆年，首屆諾貝爾獎諾貝爾獎頒發(fā)，倫琴獲得頒發(fā)，倫琴獲得諾貝爾物理學(xué)獎諾貝爾物理學(xué)獎。倫。倫琴的發(fā)現(xiàn)不僅對醫(yī)學(xué)診斷有重大影響，同時也影響了琴的發(fā)現(xiàn)不僅對醫(yī)學(xué)診斷有重大影響，同時也影響了2020世紀(jì)許多世紀(jì)許多重大科學(xué)成就的出現(xiàn)。受倫琴的影響，重大科學(xué)成就的出現(xiàn)。受倫琴的影響，18961896年年亨利亨利貝克勒爾貝克勒爾在在發(fā)光材料的試驗(yàn)

17、中偶然發(fā)現(xiàn)了一種新射線的穿透性。這樣倫琴的發(fā)光材料的試驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)了一種新射線的穿透性。這樣倫琴的發(fā)現(xiàn)間接地影響了放射性的發(fā)現(xiàn)。因?yàn)樵摪l(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)間接地影響了放射性的發(fā)現(xiàn)。因?yàn)樵摪l(fā)現(xiàn)19031903年年貝克勒爾貝克勒爾和和居里夫人居里夫人被共同授予被共同授予諾貝爾獎諾貝爾獎。 為了紀(jì)念倫琴的成就，為了紀(jì)念倫琴的成就，X X射線在許多國家被稱為倫琴射線。射線在許多國家被稱為倫琴射線。另外第另外第111111號號化學(xué)元素化學(xué)元素錀錀（Roentgenium (Rg)Roentgenium (Rg)）也以倫琴命名。）也以倫琴命名。在倫琴的祖國，德國有許多以倫琴命名為學(xué)校，街道和廣場。由在倫琴的祖國，德國

18、有許多以倫琴命名為學(xué)校，街道和廣場。由于倫琴在物理學(xué)的杰出成就，在德國的于倫琴在物理學(xué)的杰出成就，在德國的吉森吉森市，市，柏林柏林市和倫琴的市和倫琴的出生地倫內(nèi)普出生地倫內(nèi)普(Lennep(Lennep）（）（雷姆沙伊德雷姆沙伊德）都建有倫琴紀(jì)念碑。）都建有倫琴紀(jì)念碑。 X X射線管射線管A A是陽極（金屬），是陽極（金屬），K K是陰極，是陰極，陰極和陽極電壓為幾萬陰極和陽極電壓為幾萬 十幾萬伏十幾萬伏管內(nèi)壓強(qiáng)管內(nèi)壓強(qiáng)1010-6 -6mmHg10mmHg10-8 -8mmHgmmHgX X射線的波性射線的波性查爾斯查爾斯格洛弗格洛弗巴克拉（巴克拉（18771877年年6 6月月2727日日

19、19441944年年1010月月2626日），英國物理學(xué)家。任教于劍橋大學(xué)、愛丁堡大學(xué)的日），英國物理學(xué)家。任教于劍橋大學(xué)、愛丁堡大學(xué)的他，致力于基礎(chǔ)物理研究。他，致力于基礎(chǔ)物理研究。19171917年，他因發(fā)現(xiàn)元素的次年，他因發(fā)現(xiàn)元素的次級級X X射線標(biāo)識譜而獲獎獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。射線標(biāo)識譜而獲獎獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。 馬克斯馬克斯馮馮勞厄（勞厄（Max von LaueMax von Laue，18791879年年1010月月9 9日日科科布倫茨布倫茨19601960年年4 4月月2424日日柏林柏林），），德國德國物理學(xué)家，物理學(xué)家，因發(fā)現(xiàn)因發(fā)現(xiàn)晶體晶體中中X X射線射線的的衍射衍射

20、現(xiàn)象而獲得現(xiàn)象而獲得19141914年年諾貝諾貝爾物理學(xué)獎爾物理學(xué)獎。 X射線是電磁波，故它一定是橫波。巴克拉用如圖所示的雙散射體實(shí)驗(yàn)證明了X射線的橫波性。X X射線的偏振射線的偏振 實(shí)際上，實(shí)際上，該實(shí)驗(yàn)是將該實(shí)驗(yàn)是將“自然自然”X X光通過一個用作起偏器的散射體變成線偏振光通過一個用作起偏器的散射體變成線偏振的的X X光，光，然后再用另一個散射體作檢偏器，檢驗(yàn)其偏振性。然后再用另一個散射體作檢偏器，檢驗(yàn)其偏振性。具體地說，若具體地說，若X X射線是射線是橫波，當(dāng)它沿橫波，當(dāng)它沿z z方向傳播并經(jīng)第一個散射體散射后，沿方向傳播并經(jīng)第一個散射體散射后，沿z z方向不會有振動；沿方向不會有振動；

21、沿x x方方向傳播的向傳播的X X光再經(jīng)第二個散射體后，則只有光再經(jīng)第二個散射體后，則只有y y方向的振動。因此在方向的振動。因此在xzxz平面可觀察到平面可觀察到y(tǒng) y方向的線偏振光。在方向的線偏振光。在y y方向觀察不到方向觀察不到X X射線。射線。X X射線的衍射射線的衍射 X X射線究竟是微小的質(zhì)點(diǎn)束，還是像光一樣的波射線究竟是微小的質(zhì)點(diǎn)束，還是像光一樣的波狀輻射，一直懸而未決。有一種鑒定方法就是看狀輻射，一直懸而未決。有一種鑒定方法就是看X X射射線能否借助含有一系列細(xì)線的衍射光柵而衍射（即線能否借助含有一系列細(xì)線的衍射光柵而衍射（即改變射線方向）。要想得到適當(dāng)?shù)难苌?，這些細(xì)線改變射

22、線方向）。要想得到適當(dāng)?shù)难苌?，這些細(xì)線的間距必須大致與輻射線的波長大小相等。由的間距必須大致與輻射線的波長大小相等。由X X射線射線的穿透力得知，的穿透力得知，若若X X射線像波一樣，則其波長要短得射線像波一樣，則其波長要短得多多可能只有可見光波長的千分之一?？赡苤挥锌梢姽獠ㄩL的千分之一。制作如此制作如此精細(xì)的光柵完全是不可能的。精細(xì)的光柵完全是不可能的。 德國物理學(xué)家勞厄想到，如果人工做不出這樣的光柵，自然界中的德國物理學(xué)家勞厄想到，如果人工做不出這樣的光柵，自然界中的晶體也許能行。晶體是一種幾何形狀整齊的固體，而在固體平面之間有晶體也許能行。晶體是一種幾何形狀整齊的固體，而在固體平面之間有

23、特定的角度，并且有特定的對稱性。這種規(guī)律是構(gòu)成晶體結(jié)構(gòu)的原子有特定的角度，并且有特定的對稱性。這種規(guī)律是構(gòu)成晶體結(jié)構(gòu)的原子有次序地排列的結(jié)果。次序地排列的結(jié)果。一層原子和另一層原子之間的距離大約是一層原子和另一層原子之間的距離大約是X X射線波長射線波長的大小的大小。如果這樣，晶體應(yīng)能使。如果這樣，晶體應(yīng)能使X X射線衍射。把一束光射向硫化鋅晶體，射線衍射。把一束光射向硫化鋅晶體，在感光版上捕捉到了散射現(xiàn)象，即后來所稱的勞厄相片。感光版沖洗出在感光版上捕捉到了散射現(xiàn)象，即后來所稱的勞厄相片。感光版沖洗出來之后，他們發(fā)現(xiàn)了圓形排列的亮點(diǎn)和暗點(diǎn)來之后，他們發(fā)現(xiàn)了圓形排列的亮點(diǎn)和暗點(diǎn)衍射圖。勞厄證明

24、了光衍射圖。勞厄證明了光具有波的性質(zhì)。具有波的性質(zhì)。自然自然雜志把這一發(fā)現(xiàn)稱為雜志把這一發(fā)現(xiàn)稱為“我們時代最偉大、意義我們時代最偉大、意義最深遠(yuǎn)的發(fā)現(xiàn)最深遠(yuǎn)的發(fā)現(xiàn)”。勞厄證明了。勞厄證明了X X射線的波動性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性，射線的波動性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性，發(fā)表了發(fā)表了X X射線的干涉現(xiàn)象射線的干涉現(xiàn)象一文。兩年后，也就是一文。兩年后，也就是19141914年，這一發(fā)現(xiàn)為年，這一發(fā)現(xiàn)為勞厄贏得了諾貝爾物理學(xué)獎勞厄贏得了諾貝爾物理學(xué)獎 。晶體晶體底底片片鉛鉛屏屏X 射射線線管管勞勞厄厄斑斑點(diǎn)點(diǎn)X X射線的衍射射線的衍射- -勞厄?qū)嶒?yàn)勞厄?qū)嶒?yàn) 晶體可看作三維晶體可看作三維立體光柵。立體光柵

25、。 根據(jù)勞厄斑點(diǎn)的根據(jù)勞厄斑點(diǎn)的分布可算出晶面間距，分布可算出晶面間距，掌握晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。掌握晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的勞厄衍射圖蛋白質(zhì)的勞厄衍射圖X X射線的衍射射線的衍射- -勞厄?qū)嶒?yàn)勞厄?qū)嶒?yàn)紅寶石的勞紅寶石的勞厄衍射圖厄衍射圖硅單晶的勞硅單晶的勞厄衍射圖厄衍射圖多晶粉末法（德拜和謝勒首先發(fā)明的，德拜因利用偶極矩、多晶粉末法（德拜和謝勒首先發(fā)明的，德拜因利用偶極矩、X射線和電子衍射法測定分子結(jié)構(gòu)的成就而獲射線和電子衍射法測定分子結(jié)構(gòu)的成就而獲1936年諾貝爾年諾貝爾化學(xué)獎化學(xué)獎 ）上圖是氧化鋯粉末得到的衍射相片。）上圖是氧化鋯粉末得到的衍射相片。它的好處是樣品的制備大為簡化。相片上每一同心圓對

26、應(yīng)一它的好處是樣品的制備大為簡化。相片上每一同心圓對應(yīng)一組晶面，不同的圓環(huán)代表不同的晶面陣，環(huán)的強(qiáng)弱反映了晶組晶面，不同的圓環(huán)代表不同的晶面陣，環(huán)的強(qiáng)弱反映了晶面上原子密度的大小。面上原子密度的大小。布拉格公式布拉格公式 勞厄的文章發(fā)表不久，引起了英國布勞厄的文章發(fā)表不久，引起了英國布拉格父子的關(guān)注，當(dāng)時老布拉格，即亨利拉格父子的關(guān)注，當(dāng)時老布拉格，即亨利. .布拉格（布拉格（William Henry Bragg 1862-1942William Henry Bragg 1862-1942）已是利茲大學(xué)的物理學(xué)教授，而小布拉格，已是利茲大學(xué)的物理學(xué)教授，而小布拉格，即勞倫斯即勞倫斯布拉格（布

27、拉格（William Lawrence William Lawrence BraggBragg，1890-19711890-1971）剛從劍橋大學(xué)畢業(yè)，）剛從劍橋大學(xué)畢業(yè)，在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作。由于都是在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作。由于都是X X射線射線微粒論者，兩人都試圖用微粒論者，兩人都試圖用X X射線的微粒理射線的微粒理論來解釋勞厄的照片，但他們的嘗試未能論來解釋勞厄的照片，但他們的嘗試未能取得成功。取得成功。 后來小布拉格成功地解釋了勞厄的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，解釋了后來小布拉格成功地解釋了勞厄的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，解釋了X X射線晶體衍射射線晶體衍射的形成，并提出著名的布拉格公式：的形成，并提出著名的布拉格公式：

28、2dsin=n2dsin=n。這一結(jié)果不僅證明了小。這一結(jié)果不僅證明了小布拉格的解釋的正確性，更重要的是證明了能夠用布拉格的解釋的正確性，更重要的是證明了能夠用X X射線來獲取關(guān)于晶體射線來獲取關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的信息。結(jié)構(gòu)的信息。 小布拉格在用特征小布拉格在用特征X X射線分析了一些堿金屬鹵化物的晶體結(jié)構(gòu)之后，射線分析了一些堿金屬鹵化物的晶體結(jié)構(gòu)之后，與其父親合作，成功地測定出了金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，并用勞厄法進(jìn)行了與其父親合作，成功地測定出了金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，并用勞厄法進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證。布拉格父子因在用布拉格父子因在用X X射線研究晶體結(jié)構(gòu)方面所作出的杰出貢獻(xiàn)分享射線研究晶體結(jié)構(gòu)方面所作出的杰出貢獻(xiàn)

29、分享了了19151915年的諾貝爾物理學(xué)獎年的諾貝爾物理學(xué)獎 AO.C. BdACCBd晶格常數(shù)晶格常數(shù)晶面間距晶面間距)(掠射角掠射角d2sinn=光程差光程差 :+干涉加強(qiáng)條件（布喇格公式）：干涉加強(qiáng)條件（布喇格公式）：d2sin=n = 1,2,. 布喇格父子認(rèn)為當(dāng)能量很高的布喇格父子認(rèn)為當(dāng)能量很高的X X射線射到晶射線射到晶體各層面的原子時，原子中的電子將發(fā)生強(qiáng)迫體各層面的原子時，原子中的電子將發(fā)生強(qiáng)迫振蕩，從而向周圍發(fā)射同頻率的電磁波，即產(chǎn)振蕩，從而向周圍發(fā)射同頻率的電磁波，即產(chǎn)生了電磁波的散射，而每個原子則是散射的子生了電磁波的散射，而每個原子則是散射的子波波源；勞厄斑正是散射的電

30、磁波的疊加。波波源；勞厄斑正是散射的電磁波的疊加。1,2,32nndsin在 方向衍射的X光將得到加強(qiáng)，出現(xiàn)了勞厄光斑。該式稱布喇格公式。用布喇格公式可以計算晶面距。反之，若已知d，還可以確定X射線的波長。晶體可形成許多不同取向的晶面。 X射線經(jīng)晶面距為d 的晶面反射時，凡光程滿足第六章：第六章：X射線射線X X射線的發(fā)現(xiàn)及其波性射線的發(fā)現(xiàn)及其波性 X X射線產(chǎn)生的機(jī)制射線產(chǎn)生的機(jī)制康普頓散射康普頓散射X X射線的吸收射線的吸收X X射線的發(fā)射譜射線的發(fā)射譜產(chǎn)生產(chǎn)生X射線射線 測得測得X射線的波長射線的波長X射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度如何測量？如何測量？波長連續(xù)變化的部分，波長連續(xù)變化的部分，稱為連

31、續(xù)譜，它的最小稱為連續(xù)譜，它的最小波長和外加電壓有關(guān)。波長和外加電壓有關(guān)。具有分立波長的譜線，一旦出現(xiàn)，具有分立波長的譜線，一旦出現(xiàn)，它們的峰值位置完全決定于靶材它們的峰值位置完全決定于靶材料，稱為特征譜（標(biāo)識譜）料，稱為特征譜（標(biāo)識譜） 產(chǎn)生條件產(chǎn)生條件: : 高速運(yùn)動的電子在路徑上被靶子突高速運(yùn)動的電子在路徑上被靶子突然減速或停止然減速或停止 特征：特征：強(qiáng)度隨波長變化強(qiáng)度隨波長變化, ,在某一波長處在某一波長處, ,強(qiáng)度有強(qiáng)度有極值在長波方向強(qiáng)度降落緩慢，在短波方向極值在長波方向強(qiáng)度降落緩慢，在短波方向輕度降落較快，且有明顯的極值，最短波長輕度降落較快，且有明顯的極值，最短波長 極小極小

32、 。 minmin 與材料無關(guān)與材料無關(guān), ,只與加速電壓有關(guān)只與加速電壓有關(guān), ,當(dāng)加速電壓增高時當(dāng)加速電壓增高時 minmin減小。減小。 產(chǎn)生機(jī)制產(chǎn)生機(jī)制: : 快速電子射到陽極上快速電子射到陽極上, ,受到陽極中受到陽極中原子核的庫侖場作用就會驟然減速原子核的庫侖場作用就會驟然減速; ;由此伴隨由此伴隨產(chǎn)生的輻射產(chǎn)生的輻射 稱稱之為軔致輻射。之為軔致輻射。 由于電子速度連續(xù)變化，所以由于電子速度連續(xù)變化，所以產(chǎn)生連續(xù)譜。產(chǎn)生連續(xù)譜。X射線連續(xù)譜-軔致輻射（剎車輻射）X射線連續(xù)譜-軔致輻射（剎車輻射） 高速電子與靶原子發(fā)生碰撞，在靶原子的庫侖場的作高速電子與靶原子發(fā)生碰撞，在靶原子的庫侖

33、場的作用下驟然減速，以光波輻射的形式損失能量。用下驟然減速，以光波輻射的形式損失能量。從量子的觀點(diǎn)看：從量子的觀點(diǎn)看：設(shè)入射電子在碰撞前的動能為設(shè)入射電子在碰撞前的動能為T T， 電子和原子核經(jīng)一次碰撞后的動能為電子和原子核經(jīng)一次碰撞后的動能為T T，相當(dāng)于從一，相當(dāng)于從一個連續(xù)態(tài)到另外一個連續(xù)態(tài)的躍遷，并輻射一個光子個連續(xù)態(tài)到另外一個連續(xù)態(tài)的躍遷，并輻射一個光子 hTT入射電子經(jīng)過一次碰撞損失的能量，可以是入射電子經(jīng)過一次碰撞損失的能量，可以是0 0到到T T的任意值，的任意值，因而得到是連續(xù)譜。因而得到是連續(xù)譜。當(dāng)當(dāng)X X射線管所加的電壓一定時，連續(xù)射線管所加的電壓一定時，連續(xù)譜存在一個最

34、短波長，其數(shù)值和靶材譜存在一個最短波長，其數(shù)值和靶材料無關(guān)，只與料無關(guān)，只與x x射線管上的電壓有關(guān)。射線管上的電壓有關(guān)。如果入射電子經(jīng)過一次碰撞損失全部如果入射電子經(jīng)過一次碰撞損失全部的動能，并轉(zhuǎn)換為輻射光子的能量的動能，并轉(zhuǎn)換為輻射光子的能量maxminmin1.24()hchTeUhcnmeUU kV19151915年，杜安和亨年，杜安和亨利利用此辦法測得利利用此辦法測得普朗克常數(shù)。普朗克常數(shù)。在軔致輻射過程輻射的強(qiáng)度：在軔致輻射過程輻射的強(qiáng)度：1 1、反比于帶電粒子質(zhì)量的平方、反比于帶電粒子質(zhì)量的平方2 2、正比于靶核的質(zhì)子數(shù)。、正比于靶核的質(zhì)子數(shù)。3 3、正比于帶電粒子電荷的四次方、

35、正比于帶電粒子電荷的四次方X射線特征譜是巴拉克于1906年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)加速電壓大于一定值時，他觀察到連續(xù)譜上出現(xiàn)一系列分立譜線，其波長與加速電壓無關(guān)，只和靶材料有關(guān)。原因是電子轟擊靶核，使靶原子的一個內(nèi)層電子電離（出現(xiàn)空穴），外層電子向空穴躍遷的能量差導(dǎo)致。按輻射的硬度（貫穿能力）遞減的次序用K、L、M字母標(biāo)識，在K系列中有含有KKK等，在L系中也有類似情況。X射線特征譜X射線特征譜亨利亨利莫塞萊莫塞萊Henry Gwyn Jeffreys Moseley (Henry Gwyn Jeffreys Moseley (* * 1887 1887年年1111月月2323日生于日生于英格蘭英格蘭的的W

36、eymouthWeymouth; ; 卒于卒于19151915年年土耳其土耳其加里波利加里波利, , 英國英國物理學(xué)家物理學(xué)家，原子序數(shù)原子序數(shù)的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)者。者。19061906年年莫塞萊進(jìn)入莫塞萊進(jìn)入牛津大學(xué)牛津大學(xué)的的三一學(xué)院三一學(xué)院（Trinity Trinity College (Oxford)College (Oxford)）。畢業(yè)后與）。畢業(yè)后與歐內(nèi)斯特歐內(nèi)斯特盧瑟福盧瑟福共共同工作于同工作于曼徹斯特大學(xué)曼徹斯特大學(xué)。第一年他主要致力于教。第一年他主要致力于教學(xué)工作，幾年后完成教學(xué)任務(wù)的莫塞萊全力投身學(xué)工作，幾年后完成教學(xué)任務(wù)的莫塞萊全力投身于科研。于科研。19131913年年莫

37、塞萊在研究元素的莫塞萊在研究元素的X-X-射線射線標(biāo)識譜時發(fā)現(xiàn)，以不同元素材料作為標(biāo)識譜時發(fā)現(xiàn)，以不同元素材料作為產(chǎn)生產(chǎn)生X-X-射線的靶實(shí)驗(yàn)時，所產(chǎn)生的特征射線的靶實(shí)驗(yàn)時，所產(chǎn)生的特征X-X-射線的射線的波長波長不同。他把測得五不同。他把測得五十多個元素所產(chǎn)生的特征十多個元素所產(chǎn)生的特征X-X-射線按波長排列后，發(fā)現(xiàn)其次序與射線按波長排列后，發(fā)現(xiàn)其次序與元素周期元素周期表表中的次序一致，他稱這個次序?yàn)橹械拇涡蛞恢?，他稱這個次序?yàn)樵有驍?shù)原子序數(shù)，原子序數(shù)就是原子核的正，原子序數(shù)就是原子核的正電荷數(shù)，認(rèn)為元素性質(zhì)是其原子序數(shù)的電荷數(shù)，認(rèn)為元素性質(zhì)是其原子序數(shù)的周期函數(shù)周期函數(shù)，證明了，證明了元

38、素元素的主要特的主要特性由其性由其原子序數(shù)原子序數(shù)決定，而不是由決定，而不是由原子量原子量決定，確立了原子序數(shù)與決定，確立了原子序數(shù)與原子核原子核電荷電荷之間的關(guān)系。關(guān)于原子序數(shù)的發(fā)現(xiàn)被稱為之間的關(guān)系。關(guān)于原子序數(shù)的發(fā)現(xiàn)被稱為莫塞萊定律莫塞萊定律。19141914年年他離開了他離開了曼徹斯特曼徹斯特，回到，回到牛津牛津繼續(xù)他的研究。在繼續(xù)他的研究。在第一次世界大戰(zhàn)第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，他參加了爆發(fā)后，他參加了皇家工程師皇家工程師（Royal EngineersRoyal Engineers），死于），死于加里波利半島加里波利半島達(dá)達(dá)達(dá)尼爾海峽達(dá)尼爾海峽的的加里波利之戰(zhàn)加里波利之戰(zhàn)，陣亡時年僅，

39、陣亡時年僅2727歲。歲。1913年，莫塞萊在測量了鋁到金38種元素的光譜之后發(fā)現(xiàn)，各元素的x射線的頻率的平方根對原子序數(shù)成線性關(guān)系。 原子光譜是原子最外層電子躍遷的結(jié)果，外層電子組態(tài)的周期性決定了元素性質(zhì)的周期性。 X射線是內(nèi)層電子的躍遷的結(jié)果。 頻率的平方根隨Z呈線性關(guān)系(見圖)。說明它受外層電子影響很小，只受原子核的影響。莫塞萊圖提供了從實(shí)驗(yàn)測定原子序數(shù)Z的一種有效方法。歷史上正是他首次糾正了27Co，28Ni在周期表的次序。 莫塞萊KX射線頻率的經(jīng)驗(yàn)公式：玻爾理論（類氫光譜公式）導(dǎo)出1620.246 10 () Hz1KZbb22216222113313.6(-)0.246 10124

40、4KcRcZRcZZZ Hzh原因原因當(dāng)n=1層中出現(xiàn)空穴時，考慮到電子屏蔽效應(yīng)，在n=2層中電子感受到的是（Z-1）個正電荷的吸引，所以當(dāng)n=2層的電子向內(nèi)層躍遷時發(fā)出的輻射頻率是：2222113(1) (-)13.6 (1) eV124KEhRc zZ1620.246 10 (1) HzKZ屏蔽效應(yīng)屏蔽效應(yīng)(Shielding effect) 由于其他電子對某一電子的排斥作用而抵消了一部分核由于其他電子對某一電子的排斥作用而抵消了一部分核電荷，從而引起有效核電荷的降低，削弱了核電荷對該電子的吸引電荷，從而引起有效核電荷的降低，削弱了核電荷對該電子的吸引這表明KX射線是內(nèi)層電子從n2到n=1

41、躍遷產(chǎn)生的。因子（Z-1）理解為當(dāng)n=1(K)殼層中一個電子被電離后， n=2(L)殼層電子感受到（Z-1）核電荷庫侖作用。它也指出要發(fā)射KX射線，必須從n=1殼層事先電離出一個電子成電離狀態(tài)，其電離能或閾能是從n=1移去一個電子所需的能量。而KX射線的能量是電子從n1到n2層的能量差值。2222113(1) (-)13.6 (1) eV124KEhRc zZ10, 1lj 注意躍遷定則：入射電子入射電子K殼層中電殼層中電離的電子離的電子KLMKK根據(jù)泡利原理，發(fā)生躍遷的根據(jù)泡利原理，發(fā)生躍遷的前提前提n=1n=1殼層中出現(xiàn)空穴，電殼層中出現(xiàn)空穴，電子子n=2n=2態(tài)向態(tài)向n=1n=1態(tài)躍遷。

42、態(tài)躍遷?？昭ǖ拇嬖谑钱a(chǎn)生特征輻射的條件，采用的方法：電子束、質(zhì)子束、離子束以及X射線產(chǎn)生。特征譜產(chǎn)生的其它效應(yīng)特征譜產(chǎn)生的其它效應(yīng)1 1）俄歇俄歇(Auger)(Auger)電子電子 當(dāng)內(nèi)殼層有空穴時，外層電子向內(nèi)層躍遷發(fā)出的能量不產(chǎn)生當(dāng)內(nèi)殼層有空穴時，外層電子向內(nèi)層躍遷發(fā)出的能量不產(chǎn)生X X射射線，而是將另一層電子電離，這樣產(chǎn)生的電子稱線，而是將另一層電子電離，這樣產(chǎn)生的電子稱Auger LAuger L電子。電子。 klM 比如，比如，L L電子向電子向K K層躍遷所產(chǎn)生能量將層躍遷所產(chǎn)生能量將MM電子電離，則相應(yīng)的俄電子電離，則相應(yīng)的俄歇電子動能為：歇電子動能為：kE kLkME其中其中

43、 分別是分別是K K、L L、MM殼層中電殼層中電子的結(jié)合能，而這些能量是由子的結(jié)合能，而這些能量是由元素本性決定的，所以元素本性決定的，所以 也是也是由元素本性決定的，它可以作由元素本性決定的，它可以作為元素的標(biāo)識。為元素的標(biāo)識。 kLMkE、2 2）核激發(fā)效應(yīng)：內(nèi)層電子間的躍遷，將能量核激發(fā)效應(yīng)：內(nèi)層電子間的躍遷，將能量傳給原子核，使原子核躍遷到激發(fā)態(tài)。傳給原子核，使原子核躍遷到激發(fā)態(tài)。以上兩個效應(yīng)，分別是法國物理學(xué)家以上兩個效應(yīng)，分別是法國物理學(xué)家AugerAuger和日本和日本物理學(xué)家森田正一提出的，并分別被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。物理學(xué)家森田正一提出的，并分別被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 電子在同步回旋加速器

44、中，作圓周運(yùn)動時產(chǎn)電子在同步回旋加速器中，作圓周運(yùn)動時產(chǎn)生的輻射。稱同步輻射，這實(shí)質(zhì)上是帶電粒子加生的輻射。稱同步輻射，這實(shí)質(zhì)上是帶電粒子加速運(yùn)動時輻射電磁波的一種表現(xiàn)。速運(yùn)動時輻射電磁波的一種表現(xiàn)。同步輻射同步輻射-產(chǎn)生產(chǎn)生X射線的有力手段射線的有力手段特征譜產(chǎn)生的其它效應(yīng)特征譜產(chǎn)生的其它效應(yīng)對高能物理來說對高能物理來說, ,同步輻射阻礙粒子加速同步輻射阻礙粒子加速, ,是是 一種損耗一種損耗. .但同步輻射卻是可利用的新型但同步輻射卻是可利用的新型X X光源光源. .由以下特性可知其價值所在由以下特性可知其價值所在. .目前超大目前超大X光管光管(50kV)所產(chǎn)生的所產(chǎn)生的X射線功率在射線

45、功率在10W的量級的量級, ,而普通的而普通的1GeV同步加同步加速器的功率在速器的功率在10kw的量級的量級.現(xiàn)階段最大的現(xiàn)階段最大的20GeV同步加速器同步加速器 (西德西德)R192m, ,總功總功率可達(dá)率可達(dá)1500kw.IBERIEkwP4454.2647.88)( P(kw):總功率；總功率；R(m):電子曲率半徑；電子曲率半徑；E(GeV):電子能量；電子能量；I(A):電流強(qiáng)度；電流強(qiáng)度； B(kGs):磁感強(qiáng)度。磁感強(qiáng)度。強(qiáng)度強(qiáng)度1000 100 10 1 0.1 0.01 nm紅外可見真空紫外軟紅外可見真空紫外軟X射線硬射線硬X射線射線7.5GeV同步輻射的能譜是連續(xù)譜，同

46、步輻射的能譜是連續(xù)譜， 所以所以X射線的波長連續(xù)可調(diào)。射線的波長連續(xù)可調(diào)。同步輻射的最短波長取決于同步輻射的最短波長取決于電子的能量。電子的能量。而而X X射線管發(fā)出的射線管發(fā)出的X X光強(qiáng)度主要集中在靶材所對應(yīng)的特征輻射附近光強(qiáng)度主要集中在靶材所對應(yīng)的特征輻射附近, ,較單一較單一. .2GeV1GeV4GeV同步輻射的角分布與電子速度有關(guān)，當(dāng)電子速度接近光速時，同步輻射的角分布與電子速度有關(guān)，當(dāng)電子速度接近光速時，同步輻射幾乎全都集中在電子運(yùn)動的切線方向上。其準(zhǔn)直性同步輻射幾乎全都集中在電子運(yùn)動的切線方向上。其準(zhǔn)直性可與激光媲美?？膳c激光媲美。同步輻射（實(shí)線）同步輻射（實(shí)線）X光管輻射（虛

47、線）比較光管輻射（虛線）比較IEIt芝加哥城外費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的同步加速器主環(huán)，直徑達(dá)2km1 1、BSRFBSRF：九十年代初開始使用，為第一代光源，與北京正負(fù)電子對：九十年代初開始使用，為第一代光源，與北京正負(fù)電子對撞機(jī)（撞機(jī)（BEPCBEPC）共用一個環(huán)，）共用一個環(huán)，2.2GeV, 2.2GeV, 專用同步輻射時間專用同步輻射時間 2-32-3月月/ /年，年，北京同步輻射裝置北京同步輻射裝置(BSRF)是利用同步輻射光源進(jìn)行科學(xué)研究的裝置，對是利用同步輻射光源進(jìn)行科學(xué)研究的裝置，對社會開放的大型公用科學(xué)設(shè)施，是我國凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)、生社會開放的大型公用科學(xué)設(shè)施，是我國凝聚態(tài)物理、

48、材料科學(xué)、化學(xué)、生命科學(xué)、資源環(huán)境及微電子等交叉學(xué)科開展科學(xué)研究的重要基地。下圖為命科學(xué)、資源環(huán)境及微電子等交叉學(xué)科開展科學(xué)研究的重要基地。下圖為目前已建成若干條光束線和實(shí)驗(yàn)站的同步輻射裝置布局目前已建成若干條光束線和實(shí)驗(yàn)站的同步輻射裝置布局 2 2、NSRLNSRL：建在安徽合肥科技大學(xué)內(nèi)，為第二代專用光源。：建在安徽合肥科技大學(xué)內(nèi)，為第二代專用光源。0.8GeV0.8GeV，低能環(huán)，低能環(huán)，以紫外、軟以紫外、軟X X射線為主?？僧a(chǎn)生射線為主。可產(chǎn)生12keV12keV以下的硬以下的硬X X射線。射線。一期工程投資一期工程投資0.80.8億億, ,于于19911991年完成年完成; ;二期工

49、二期工程投資程投資1.21.2億億, ,于于20042004年完成年完成. .系開放型的國系開放型的國家同步輻射室家同步輻射室. .實(shí)驗(yàn)室外景鳥瞰實(shí)驗(yàn)室外景鳥瞰 3 3、上海在、上海在20092009年底建成新一代的年底建成新一代的3.5GeV3.5GeV同步輻射裝置。周長同步輻射裝置。周長432m,432m,單簇電子單簇電子電流大于電流大于5mA,5mA,可產(chǎn)生從可見光到可產(chǎn)生從可見光到40Kev40Kev的硬的硬X X射線射線. .美國宇航局（NASA）一臺用于研究遠(yuǎn)距離星系和黑洞的高能望遠(yuǎn)鏡拍下了太陽迄今最清晰的照片。2012年發(fā)射升空的“核分光望遠(yuǎn)鏡陣列”（NuSTAR）利用高能量X射

50、線來觀測星體第六章：第六章：X射線射線X X射線的發(fā)現(xiàn)及其波動性射線的發(fā)現(xiàn)及其波動性 X X射線產(chǎn)生的機(jī)制射線產(chǎn)生的機(jī)制康普頓散射康普頓散射X X射線的吸收射線的吸收普朗克普朗克( (黑體輻射黑體輻射) )19001900年年1212月月1414日：日：正常光譜中能量分布律的理論正常光譜中能量分布律的理論提出能量子概念，量子力學(xué)誕生，提出能量子概念，量子力學(xué)誕生，19181918年諾貝爾獎。年諾貝爾獎。愛因斯坦（光電效應(yīng)）愛因斯坦（光電效應(yīng)）19051905年：年：關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點(diǎn)關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點(diǎn)假說，假說，19211921年諾貝爾獎。年諾貝爾獎。后被密立根

51、的實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證（后被密立根的實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證（19231923年諾貝爾獎）年諾貝爾獎）康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)（19271927年諾貝爾獎）年諾貝爾獎）19231923年年5 5月：月：X X射線受輕元素散射的量子理論射線受輕元素散射的量子理論并用并用光量子解釋。光量子解釋。阿瑟阿瑟霍利霍利康普頓（康普頓（Arthur Holly ComptonArthur Holly Compton，18921892年年9 9月月1010日日19621962年年3 3月月1515日日），），美國美國物理學(xué)家物理學(xué)家，19271927年年諾貝爾物理諾貝爾物理學(xué)獎學(xué)獎獲得者獲得者11，曾任，曾任圣路易斯華盛頓大學(xué)圣路易斯華

52、盛頓大學(xué)校長校長 ?？灯疹D?？灯疹D19131913年取得伍斯特大學(xué)年取得伍斯特大學(xué)學(xué)士學(xué)位學(xué)士學(xué)位，19141914年和年和19161916年分別取年分別取得得普林斯頓大學(xué)普林斯頓大學(xué)的的碩士碩士和和博士學(xué)位博士學(xué)位。畢業(yè)后，康普頓先后在。畢業(yè)后，康普頓先后在明尼蘇達(dá)大學(xué)明尼蘇達(dá)大學(xué)短暫執(zhí)教一年、到短暫執(zhí)教一年、到匹茲堡匹茲堡一家公司當(dāng)一家公司當(dāng)工程師工程師兩兩年、到年、到劍橋大學(xué)劍橋大學(xué)當(dāng)當(dāng)研究員研究員一年。一年。19201920年，他成為年，他成為圣路易斯華圣路易斯華盛頓大學(xué)盛頓大學(xué)的物理教授，的物理教授，19231923年轉(zhuǎn)到年轉(zhuǎn)到芝加哥大學(xué)芝加哥大學(xué)。 康普頓康普頓19181918年開

53、始研究年開始研究X X射線射線的的散射散射。19221922年，他發(fā)現(xiàn)年，他發(fā)現(xiàn)X X射線射線對對自由電子自由電子發(fā)生散射時，發(fā)生散射時，光子光子的能量減少，而的能量減少，而波長波長變大。這一變大。這一發(fā)現(xiàn)被稱為發(fā)現(xiàn)被稱為“康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)”或或“康普頓散射康普頓散射”，后來又被他的，后來又被他的研究生研究生吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)進(jìn)一步證實(shí)。由于這項(xiàng)成就，康普頓被授予進(jìn)一步證實(shí)。由于這項(xiàng)成就，康普頓被授予19271927年諾貝爾物理學(xué)獎。年諾貝爾物理學(xué)獎。除了諾貝爾物理獎以外，康普頓還除了諾貝爾物理獎以外，康普頓還先后獲得過先后獲得過拉姆福德獎拉姆福德獎（19261926年）、年）、休斯獎?wù)滦菟躬務(wù)?/p>

54、（19401940年）和年）和富蘭克林獎?wù)赂惶m克林獎?wù)拢?9401940年）等獎項(xiàng)。為紀(jì)念這位物理學(xué)家，有年）等獎項(xiàng)。為紀(jì)念這位物理學(xué)家，有多項(xiàng)事物以其名字命名。多項(xiàng)事物以其名字命名。月球月球上的康普頓上的康普頓環(huán)形山環(huán)形山的命名是為了的命名是為了紀(jì)念阿瑟紀(jì)念阿瑟康普頓和他的兄長卡爾康普頓和他的兄長卡爾康普頓。圣路易斯華盛頓大康普頓。圣路易斯華盛頓大學(xué)的物理研究大樓也以其名字命名。芝加哥大學(xué)有學(xué)生宿舍樓學(xué)的物理研究大樓也以其名字命名。芝加哥大學(xué)有學(xué)生宿舍樓被稱為康普頓宿舍?？灯疹D在被稱為康普頓宿舍?？灯疹D在芝加哥芝加哥的舊居被列入美國國家歷的舊居被列入美國國家歷史古跡。史古跡。美國國家航空航天

55、局美國國家航空航天局把把大型軌道天文臺計劃大型軌道天文臺計劃中的中的伽瑪伽瑪射線射線天文天文衛(wèi)星衛(wèi)星命名為命名為康普頓伽瑪射線天文臺康普頓伽瑪射線天文臺。 康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置X X射光管射光管- -+光闌光闌散射晶體散射晶體00 0 0 實(shí)驗(yàn)規(guī)律實(shí)驗(yàn)規(guī)律散射線中有兩種波長散射線中有兩種波長 0 0 、 0 隨散射角隨散射角 的增大而增大的增大而增大康普頓散射與散射角的關(guān)系康普頓散射與散射角的關(guān)系相相對對強(qiáng)強(qiáng)度度0.700 0.750()09045135經(jīng)典物理解釋經(jīng)典物理解釋散射晶體散射晶體受迫振動受迫振動0 00 00 單色電磁波單色電磁波照射照射電子受電子受迫振動迫振

56、動發(fā)射發(fā)射同頻率散射線同頻率散射線說明：經(jīng)典理論只能說明波長不變的散射，而不能說明說明：經(jīng)典理論只能說明波長不變的散射，而不能說明康普頓散射?？灯疹D散射。入射光子與外層電子彈性碰撞入射光子與外層電子彈性碰撞 量子解釋量子解釋外層外層電子電子受原子核束縛較弱受原子核束縛較弱 動能光子能量動能光子能量 近似自由近似自由近似靜止近似靜止靜止自由靜止自由電子電子體系的能量、動量守恒體系的能量、動量守恒2200mchcmh 0222200coscos,sinsin()()2cos()hhmcchmchhhhmpcccc vvv00 hch0 20cm2mcvm hch 入射能量入射能量20Kev,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超

57、過所遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所有元素外層電子的束縛能有元素外層電子的束縛能2200hm chmc222200()()2cos()hhhhmpcccc v利用相對論質(zhì)量關(guān)系：利用相對論質(zhì)量關(guān)系：22222220()()Emcp cm c22222200000()()()2cos()hhm chhhhm c 整理得到康普頓散射公式：整理得到康普頓散射公式：020011(1 cos )hm c020hm c康普頓散射公式康普頓散射公式上式表明上式表明: :散射光子的能量是入射光子能量的函數(shù)。散射光子的能量是入射光子能量的函數(shù)。000(1 cos )1(1 cos )KEEEhhh0min()12hh光子最小能量散射

58、光子的能量公式散射光子的能量公式,max0212kEh電子最大動能020(1 cos )hm c物理意義物理意義21.240.0024260.511ehcnm keVnmm cMeV22220001137/(4) 4eeceercerm cecm c(1 cos )C物理意義物理意義0220.049ehAm c(1 cos )C例題：比較用例題：比較用x x光（光（1 1=0.05nm=0.05nm）和紫光（）和紫光（ 2 2=400nm =400nm ）入射，）入射，= =是的康普頓散射情況。是的康普頓散射情況。解：波長改變量相同，均為解：波長改變量相同，均為c20.0485AoX光10.0

59、4859.6 %0.5 紫光紫光20.04850.0012%4000入射光能量較低入射光能量較低)(c時，康普頓效應(yīng)不顯著，將主要時，康普頓效應(yīng)不顯著，將主要觀察到光電效應(yīng)觀察到光電效應(yīng))(o觀察到光電效應(yīng)。普頓效應(yīng)不明顯，主要或紫外光入射），康能量較低時（如可見光是顯著的。在入射光子才可比擬時，康普頓效應(yīng)子的康普頓波長只有在入射光波長與電c波長變大的散射線波長變大的散射線波長不變的散射線（相干散射）波長不變的散射線（相干散射）內(nèi)層電子被緊緊束縛，光子相內(nèi)層電子被緊緊束縛，光子相當(dāng)于和整個原子發(fā)生碰撞光子當(dāng)于和整個原子發(fā)生碰撞光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子，碰撞時光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子，碰撞時光子不損失能量，波長不變。不損失能量，波長不變。物理意義物理意義光子光子內(nèi)層電子內(nèi)層電子外層電子外層電子0.700 0.750預(yù)測：預(yù)測：相干相干散射的比值隨原相干相干散射的比值隨原子序數(shù)的增加而增加。子序數(shù)的增加而增加。波長波長 0 輕物質(zhì)（多數(shù)電子