X射線的波形、發(fā)射譜和效應(yīng)

1、X射線的波形、發(fā)射譜和效應(yīng)26.1 X射線的發(fā)現(xiàn)及其波性6.3 康普頓效應(yīng)6. X射線的吸收X射線的產(chǎn)生和X射線的發(fā)射譜 6.23 6.1 X射線的發(fā)現(xiàn)及其波性X射線的發(fā)現(xiàn)2. X射線的衍射3. X射線的偏振4 在前面的學(xué)習(xí)中，我們發(fā)現(xiàn)原子的能級(jí)和光譜都由原子的外層電子決定的，那么內(nèi)層的電子是否能發(fā)生躍遷而產(chǎn)生光譜呢？這正是下面我們要討論的問題。 1807年，道爾頓的原子學(xué)說把哲學(xué)意義上的原子論推廣到科學(xué)的原子論。十九世紀(jì)末，連續(xù)三年的三大發(fā)現(xiàn)，首開了人們向微觀世界進(jìn)軍的先河，其中之一就是X射線的發(fā)現(xiàn)：（1）1895年，德國(guó)的倫琴(Rontgen )發(fā)現(xiàn)X射線；（2）1896年，法國(guó)的貝克勒爾

2、(Becguerel )發(fā)現(xiàn)了放射性；（3）1897年，英國(guó)的湯姆遜(Thomson )發(fā)現(xiàn)了電子。51. X射線的發(fā)現(xiàn) 在1895年以前的30多年中，由陰極射線管產(chǎn)生的X射線在實(shí)驗(yàn)里已經(jīng)存在了，導(dǎo)致了不斷有人抱怨，放在陰極射線管附近的照相底片模糊或感光。如1879年的克魯克斯，1890年的古德斯比德等人。但最終發(fā)現(xiàn) X 射線的卻是倫琴。 今天的電視機(jī)顯象管，源出于19世紀(jì)末的“陰極射線管”。當(dāng) 時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果在一根空氣被抽空的玻璃管的兩端密封上正負(fù)兩個(gè)電極，并加上高電壓，正極那一頭的玻璃管壁上會(huì)發(fā)出漂亮的光輝。當(dāng)時(shí)認(rèn)為是陰極發(fā)射的“陰極射線”(后來被證實(shí)是電子流)打到玻璃管壁上，使它發(fā)

3、出光輝來。于是，將這種抽真空的管子稱為“陰極射線管”。研究陰極射線是當(dāng)時(shí)物理學(xué)界的熱門課題。 6 倫琴，1845年出生于德國(guó)的一個(gè)商人家庭，1869年在蘇黎世大學(xué)獲博士學(xué)位。1895年11月8日傍晚，倫琴在研究陰極射線管中氣體放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了防止外界對(duì)陰極射線的影響，同時(shí)也不讓陰極射線與可見光線漏出管外，他用黑紙把放電管保得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，實(shí)驗(yàn)室也用窗簾密封成暗室。就在這黑暗的環(huán)境中做實(shí)驗(yàn)時(shí)，倫琴意外地發(fā)現(xiàn)1米以外的熒光屏竟發(fā)出了微弱的熒光，這一現(xiàn)象使他十分驚奇。因?yàn)楫?dāng)時(shí)已查明陰極射線在空氣中只能穿過幾厘米，而現(xiàn)在即使把熒光屏移到2米開外，它仍能發(fā)出熒光。很顯然，這陰極射線管發(fā)射出的除了陰極射線外，

4、還有別的東西。7 奇怪的是，當(dāng)用木頭等不透明物質(zhì)擋住這種射線時(shí)，熒光屏仍然發(fā)光，這種射線能使黑紙包住的照相底片感光，且不被電磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)。經(jīng)過一個(gè)多月的研究，倫琴也未能搞清這種射線的本質(zhì)，因此賦予它一個(gè)神秘的名字-X射線。1895年12月28日，倫琴向德國(guó)物理學(xué)醫(yī)學(xué)會(huì)遞交了第一篇關(guān)于X射線的論文：論新的射線，并公布了他夫人的X射線手骨照片。 倫琴的發(fā)現(xiàn)引起了極大的轟動(dòng)，以致于在全世界范圍內(nèi)掀起了X射線研究熱，1896年關(guān)于X射線的研究論文高達(dá)1000多篇。對(duì)X射線的公布，促使法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾也投入到這一研究領(lǐng)域之中。8 為了弄清X射線產(chǎn)生的機(jī)制，貝克勒爾把一塊熒光物質(zhì)（鈾的化合物-鉀鈾酰硫酸鹽

5、晶體）放在用黑紙包住的照相底片上，經(jīng)過太陽曬后，在底片上發(fā)現(xiàn)了與熒光物質(zhì)形狀相同的“像”。一次偶然的機(jī)會(huì)使他發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)太陽曝曬的底片沖出來后，出現(xiàn)了很深的感光黑影，這使他非常吃驚！是什么使底片感光呢？跟熒光物質(zhì)是否有關(guān)呢？他進(jìn)一步用不發(fā)熒光的鈾化合物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同樣使底片感光；可見鈾化合物能發(fā)出一種肉眼看不見的射線，與熒光無關(guān)。1896年3月2日，他向法國(guó)科學(xué)院報(bào)告了這一驚人的發(fā)現(xiàn)，從此打開了一個(gè)新的研究領(lǐng)域。 放射線的發(fā)現(xiàn)看似偶然，但正如楊振寧先生在評(píng)價(jià)這一故事時(shí)所說的那樣，“科學(xué)家的靈感對(duì)科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)非常重要；這種靈感必源于他的豐富的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)?！? 在X射線發(fā)現(xiàn)三個(gè)月后，維也訥的醫(yī)院在外科

6、醫(yī)療中便首次應(yīng)用X射線來拍片。當(dāng)時(shí)英國(guó)一位著名外科醫(yī)生托馬斯.亨利稱之為“診斷史上的一個(gè)最大的里程碑”。 1901 年12 月10 日，第一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予德國(guó)物理學(xué)家倫琴，以表彰他發(fā)現(xiàn)了X射線。10X射線下11X射線管的結(jié)構(gòu)：K為陰極，A為陽極，管內(nèi)為真空，加熱的陰極發(fā)射的電子在電場(chǎng)的作用下幾乎無阻擋地打向陽極，電子打在陽極即發(fā)射出X射線。K + A 12X射線的波長(zhǎng)因打在陽極上的電子能量的不同而異。當(dāng) 稱硬X射線； 稱軟X射線。X射線的性質(zhì)： 1） X射線能使照相底片感光； 2） X射線有很大的貫穿本領(lǐng)； 3） X射線能使某些物質(zhì)的原子、分子電離； 4） X射線是不可見光，它能使某些

7、物質(zhì)發(fā)出可見光的熒光；5） X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)。132. X射線的衍射1913年布喇格父子建立了布喇格公式.不但能解釋勞厄斑點(diǎn),而且能用于對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的研究。勞厄因研究晶體的X射線獲1941年諾貝爾物理獎(jiǎng)。Bragg父子（英） 當(dāng)能量很高的X射線射到晶體各層面的原子時(shí)，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)生了電磁波的散射，而每個(gè)原子則是散射的子波波源。勞厄斑正是散射的電磁波的疊加。14原子受迫振動(dòng)發(fā)出電磁波如圖所示,設(shè)晶面上兩原子間距為d,兩條衍射線的光程差為:相干疊加的極大值條件是:可證明,一個(gè)晶面的高級(jí)次的極大,正好相當(dāng)

8、于另一晶面的零級(jí)極大,因而,為簡(jiǎn)化問題,對(duì)每一晶面只取零級(jí)極大,得：因此在分析問題時(shí)，掠射角可不加腳標(biāo)，直接用表示。同一晶面內(nèi)子波的疊加15相鄰晶面間的子波的疊加 若入射線中有幾種波長(zhǎng)的射線,則產(chǎn)生的衍射極大就有幾個(gè),所有這些衍射極大,在屏上給出各自的亮點(diǎn)形成了勞厄斑.aADabbCB相鄰晶面間兩條衍射波之間的光程差為：相干疊加極大值條件：利用布喇格衍射公式可測(cè)量X射線的波長(zhǎng).也可測(cè)未知晶體的晶格常數(shù).布喇格晶體衍射公式1617X射線衍射的應(yīng)用實(shí)例1、已知X射線的波長(zhǎng)測(cè)定晶體的晶格常數(shù)。 2、1953年英國(guó)的威爾金斯、沃森和克里克利用X射線的結(jié)構(gòu)分析得到了遺傳基因脫氧核糖核酸（DNA) 的雙螺

9、旋結(jié)構(gòu),獲1962年諾貝爾生物和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如點(diǎn)陣常數(shù)（晶格常數(shù)）的精密測(cè)定、X射線物相分析以及X射線應(yīng)力的測(cè)定等。主要介紹兩點(diǎn)。18這張X射線衍射圖使我們發(fā)現(xiàn)了DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，右圖是一小部分DNA分子的模型圖。DNA分子通常是呈螺旋和折疊狀存于染色體內(nèi)，如果把它展開大約有1m長(zhǎng)。193. X射線的偏振 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。20 6.2 X射線的產(chǎn)生和發(fā)射譜1. X射線的連續(xù)譜2. X射線的特征（標(biāo)識(shí)）譜 莫塞萊定律3. 特征輻射的標(biāo)記方法4. 俄歇電子5. 電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā)21X射線由兩部分構(gòu)成，一

10、部分波長(zhǎng)連續(xù)變化，稱為連續(xù)譜；另一部分波長(zhǎng)是分立的，與靶材料有關(guān)，成為某種材料的標(biāo)識(shí)，所以稱為標(biāo)識(shí)譜，又叫特征譜-它迭加在連續(xù)譜上。下面對(duì)這兩部分譜線的特點(diǎn)和產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)分析。測(cè)量X射線發(fā)射譜的實(shí)驗(yàn)裝置和結(jié)果22連續(xù)譜：加速電壓不太高時(shí),X射線的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化。特征譜：加速電壓達(dá)一定值時(shí),連續(xù)譜上疊加著的某些尖峰構(gòu)成，一定材料做的陽極具有確定的臨界電壓（開始出現(xiàn)尖峰時(shí)的電壓）,可用來識(shí)別元素.因此特征譜又稱標(biāo)識(shí)譜。231. X射線的連續(xù)譜連續(xù)譜的特征在上述產(chǎn)生X射線的裝置中，電子打到陽極材料后，有波長(zhǎng)連續(xù)變化的光輻射產(chǎn)生，下面分兩點(diǎn)研究輻射的特性。1）連續(xù)譜與管壓的關(guān)系（靶不變） 上圖

11、表示以鎢作陽極材料加不同電壓時(shí)，以為橫軸，輻射強(qiáng)度為縱軸；在不同管壓下得到的波長(zhǎng)強(qiáng)度分布曲線。 可見，當(dāng)陽極材料不變時(shí)， 和 處的波長(zhǎng)都隨管內(nèi)電壓V的升高都向短波方向移動(dòng)。242）連續(xù)譜與陽極材料的關(guān)系（電壓不變）上圖表示管壓為35KV時(shí)，用鉬和鎢作靶材料時(shí)的I曲線。由圖可見 與靶無關(guān)。是由管壓V決定的。25連續(xù)譜產(chǎn)生的微觀機(jī)制通過上面對(duì)連續(xù)譜特征的分析，我們很容易想到，連續(xù)譜不應(yīng)該是原子光譜，而應(yīng)該是電子在靶上減速而產(chǎn)生的?？梢韵胂蟮?，被高壓加速后的電子進(jìn)入靶內(nèi)，可以到達(dá)不同的深度，其速率從 驟減為0，有很大的加速度，而伴隨著帶電粒子的加速運(yùn)動(dòng)，必然有電磁輻射產(chǎn)生，這便是產(chǎn)生X射線連續(xù)譜的原

12、因，用光子的概念可以對(duì)連續(xù)譜的產(chǎn)生給出定量的分析。設(shè)電子入射速度 ，在靶上減速后的能量為 ；減速過程中的能量差為 ，則根據(jù)上面的分析， 將以光子的形式向外輻射；由于 是連續(xù)變化的，而 是一定的，所以 連續(xù)變化.26即式 中 是連續(xù)變化的，一種極限情況，E0，則 ，從而有：上式表示，電子被電場(chǎng)加速后的能量全部轉(zhuǎn)化為輻射時(shí)，輻射存在一個(gè)最大頻率，此時(shí)有輻射譜最短波長(zhǎng)：(a)式和愛恩斯坦解釋光電效應(yīng)的方程 對(duì)比，此方程在金屬的逸出功非常小時(shí)，可寫為 ，可見兩式完全相同，所以X射線的連續(xù)譜可以看成光電效應(yīng)的逆效應(yīng)。272. X射線的特征（標(biāo)識(shí)）譜 莫塞萊定律 X射線特征譜是巴克拉于1906年發(fā)現(xiàn)的。他

13、觀察到從任何元素中發(fā)出的連續(xù)譜上出現(xiàn)一系列分立譜線，并用K、L、M字母標(biāo)識(shí)，后來又發(fā)現(xiàn)，K系列中又含有 ， ，L系列中含有 ， ， 等。由于不同元素的特征譜波長(zhǎng)不同，從而這種譜線成為我們識(shí)別某種元素的標(biāo)準(zhǔn)，固得名為標(biāo)識(shí)譜。因特征譜的發(fā)現(xiàn)使他獲1917年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。281913年莫塞萊測(cè)量了從Al到Au共38種元素的X射線，發(fā)現(xiàn)各元素發(fā)射X射線頻率的平方根與原子序數(shù)Z成線性關(guān)系。例如對(duì)于KX射線的頻率莫塞萊得到一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式：莫塞萊公式29莫塞萊公式與如下波爾理論中類氫光譜公式相一致， 這表明K-X射線是內(nèi)層電子從n2到n=1躍遷產(chǎn)生的。根據(jù)泡利原理，由于n=2殼層存在電子時(shí)n=1殼層應(yīng)該是滿

14、殼層的，所以n2殼層的電子通常是不能向內(nèi)層躍遷的，除非至少一個(gè)內(nèi)層電子被電離，可見上式中的因子（Z-1）理解為當(dāng)n=1(K)殼層中一個(gè)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。這個(gè)結(jié)果也同時(shí)指出要發(fā)射K-X射線，必須從n=1殼層事先電離出一個(gè)電子成電離狀態(tài)。 所以產(chǎn)生K-X射線的閾能是從n=1層移去一個(gè)電子所需的能量(電離能)，而K-X射線的能量是電子從n1到n2層的能量差值。即X射線的能量小于它所對(duì)應(yīng)的閾能。30即，n=2層中的電子向內(nèi)層躍遷時(shí)，發(fā)出的輻射頻率應(yīng)為：物理意義：或者寫成：31如果將K線系的波數(shù)表示為那么將L殼層一個(gè)電子電離后，產(chǎn)生的L線系的波數(shù)可表示為

15、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。 隨Z呈線性關(guān)系。說明它受外層電子影響很小，只受原子核的影響。從而莫塞萊提供了從實(shí)驗(yàn)測(cè)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。32給出由莫塞萊 線公式早期元素周期表是按原子量大小順序排列的。如K(A=39.1)在Ar(A=39.9)前 ； Ni(A=58.7)在Co(A=58.9)前。由莫塞萊圖給出 K-X射線波長(zhǎng)是Ar:4.19 ；K:3.74 ； Co:1.79 ； Ni:1.66 。33要產(chǎn)生X射線，必須先產(chǎn)生空穴，例如當(dāng)原子的K層中

16、有兩個(gè)電子時(shí)永遠(yuǎn)也不能產(chǎn)生標(biāo)識(shí)K-X射線，只有當(dāng)K層中一個(gè)電子被激發(fā)產(chǎn)生一個(gè)空穴，其它高能級(jí)的電子向這個(gè)空穴躍遷時(shí)，才可能產(chǎn)生標(biāo)識(shí)K-X射線，所以空穴的存在是產(chǎn)生標(biāo)識(shí)輻射的先決條件，產(chǎn)生空穴的方法很多，比如我們可以用高能電子束、質(zhì)子束和X射線等轟擊原子內(nèi)層電子使之產(chǎn)生空穴。產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線的條件：1、在原子的內(nèi)層能級(jí)上有電子電離而形成的空穴。2、較外殼層上電子向空穴躍遷。343. 特征輻射的標(biāo)記方法前面提到，X射線標(biāo)識(shí)譜分為K,L,M等線系，每一系的譜線也分為:,等。但是，能級(jí)并不只與主量子數(shù)n有關(guān)。還與l, j有關(guān)，所以譜線被標(biāo)記為 等。 35當(dāng)K、L、M態(tài)產(chǎn)生空穴，即電子從較高能級(jí)向下躍遷后

17、的末態(tài)為K、L、M時(shí)，產(chǎn)生的X射線分別稱K線系，L線系，M線系，每一個(gè)線系中用，表示不同的上能級(jí)向空穴能級(jí)躍遷的譜線。例如從L、M、N層向K層躍遷的K線系，依次表示為 ， 。如果進(jìn)一步考慮到能級(jí)的第一次分裂，各個(gè)線系中還有精細(xì)成分，如在K線中還有兩條K1，K2線對(duì)應(yīng) 2P3/2和2P1/2向下的躍遷。X射線特征譜的選擇定則也與堿金屬光譜相同：364. 俄歇（Auger）電子當(dāng)內(nèi)層(如K層)電子被電離出現(xiàn)空穴后，上層電子向下躍遷時(shí)損失的能量，除以輻射X射線形式向外釋放，還有可能用此能量電離更高層的電子發(fā)射俄歇電子，俄歇電子是由法國(guó)物理學(xué)家俄歇于1923年首先發(fā)現(xiàn)的。37a b c為產(chǎn)生KX射線的

18、過程a b d為產(chǎn)生俄歇電子的過程38若用 , , 分別表示K、L、M層電子的結(jié)合能(對(duì)應(yīng)電離能；吸收限)。當(dāng)L層電子向K層(空穴)躍遷時(shí)，使M層電子電離，發(fā)射的俄歇電子的動(dòng)能由能量守恒可求：因?yàn)樵又懈鳉又须娮拥慕Y(jié)合能是由元素本性決定的，所以 也是由元素本性決定的，它可以作為元素的標(biāo)識(shí)。因此俄歇電子測(cè)量可作為分析元素的手段之一； 一般輕元素發(fā)射俄歇電子幾率較大，重元素發(fā)射X射線的幾率較大。K層的熒光產(chǎn)額：某層有了空穴后產(chǎn)生X射線的幾率用這一層的熒光產(chǎn)額描述，如則產(chǎn)生俄歇電子的幾率為：39原子內(nèi)殼層產(chǎn)生空穴后釋放能量的兩種途徑 釋放X射線 （重元素的幾率較大） 發(fā)射俄歇電子（輕元素的幾率較大

19、）405. 電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā)電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā)效應(yīng)是由日本物理學(xué)家森田正一提出的，并被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 電子在同步回旋加速器中，作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)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(dòng)時(shí)輻射電磁波的一種表現(xiàn)。同步輻射：當(dāng)內(nèi)層電子被電離出現(xiàn)空穴后，上層電子向下躍遷時(shí)釋放的能量除了可以產(chǎn)生X射線和俄歇電子外，還可以把能量傳給原子核，使原子核處于激發(fā)態(tài)，只是這種過程的幾率很微小，一般可以忽略不計(jì)，所以前面給出的產(chǎn)生俄歇電子的幾率 仍然成立。41 6.3 康普頓效應(yīng) 前面我們討論了X射線的波動(dòng)性一面特性，除此之外它還具有粒子性特征。 按照經(jīng)典理論，光在介質(zhì)表面反射后其頻率是不會(huì)改變的，然而

20、1923年，康普頓在研究X射線經(jīng)物質(zhì)的散射實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，散射的X光除有原入射波長(zhǎng)成分外，還有波長(zhǎng)增長(zhǎng)的部分，且這部分X射線的波長(zhǎng)因散射角的不同而異 ，后人把這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。42從上邊兩個(gè)圖中可以看出：1、波長(zhǎng)改變的數(shù)值隨散射角而變化。2、隨散射角的增大，新譜線強(qiáng)度增強(qiáng)，原譜線強(qiáng)度減弱。43 如右圖（a），按照經(jīng)典瑞利散射理論，由于入射的電磁波使物質(zhì)中原子的電子受到一個(gè)周期性作用力，迫使電子以入射波的頻率振蕩，從而向四面八方輻射出與入射波同頻率的電磁波，所以它不能解釋散射波長(zhǎng)隨的變化現(xiàn)象?？灯疹D應(yīng)用了愛因斯坦的光子概念，認(rèn)為X射線經(jīng)物質(zhì)的散射是光子與外層電子（可視為自由電子）的碰撞過程。在

21、碰撞過程中遵從能量和動(dòng)量守恒（見右圖（b）（c）44設(shè)X射線原有頻率為 ，散射后變?yōu)?，那么碰撞前后光子的能量分別為1、康普頓效應(yīng)的量子解釋動(dòng)量分別為電子在碰撞前可以看為自由而靜止的，質(zhì)量為 ，其能量為碰后速度為 ，質(zhì)量為 ，能量對(duì)應(yīng)為451212)c2得：(根據(jù)體系的能量和動(dòng)量守恒有：46康普頓波長(zhǎng)康普頓散射公式意義：用光子概念成功地解釋了X射線的散射實(shí)驗(yàn)，這是繼光電效應(yīng)之后，再次證明光的粒子性。并指出像光子、電子這樣的微觀粒子也服從守恒律。康普頓散射是X光與物質(zhì)相互作用的一種形式。47 由于X射線光子能量很高，被碰電子有反沖，其反沖動(dòng)能可由能量守恒給出由散射公式其中乘(hc ) -148于

22、是電子的反沖能為當(dāng) 時(shí)，有最大的反沖能且最大的波長(zhǎng)增長(zhǎng)量：這時(shí)散射光子具有最小能量，其值為：散射光子的能量49到此為止，我們可以給出康普頓散射公式的意義。即光子的能量幾乎全部丟失，這時(shí)的散射就不再是相干散射。 還不難看出，若 很小（趨于零），則 這表明光子能量較小時(shí)，或碰較重的粒子時(shí)，粒子反沖較小，光子丟失的能量很小，散射基本上是以前我們所熟悉的相干散射；相反，當(dāng) 很大時(shí)，會(huì)有502、討論A、電子的康普頓波長(zhǎng)其物理意義是入射光子的能量與電子的靜止能量相等時(shí)相應(yīng)光子的波長(zhǎng)，或者為=90度時(shí)散射波與入射波波長(zhǎng)之差。為折合電子的康普頓波長(zhǎng)51只決定于散射角 ，而與入射波長(zhǎng) 無關(guān)B、對(duì)測(cè)量而言有意義的

23、是 ，因?yàn)楫?dāng) 一定時(shí) 值越小相對(duì)值 越大，所以只有在波長(zhǎng)比較短的X射線散射實(shí)驗(yàn)中才能觀察到康普頓效應(yīng)，而以前我們所熟悉的散射實(shí)驗(yàn)中，由于入射光的 值較大，就很難觀察到這種效應(yīng)。所以有：52C、相干散射和非相干散射 時(shí)的散射叫相干散射，它是入射光子與原子中束縛電子相互作用的結(jié)果。由于Mm0，故康普頓散射（ ）又稱非相干散射，它是入射光子與原子中外層電子（自由電子）相互作用的結(jié)果，其本質(zhì)是非彈性散射。事實(shí)上，大量光子打向原子的時(shí)候，有些光子同內(nèi)層束縛電子發(fā)生作用，卻不能使其電離，總的效果是同整個(gè)原子發(fā)生彈性散射。此時(shí)有53 6.4 X射線的吸收1. X射線的吸收律2. 光與物質(zhì)相互作用X射線吸收的

24、幾種方式3. 吸收限（吸收邊緣）541. X射線的吸收率當(dāng)一束強(qiáng)度為Io的X光通過厚度為dx的吸收體后，強(qiáng)度減少量-dI正比于dx和強(qiáng)度I(x)之乘積，引入吸收系數(shù)，有由于X射線與物質(zhì)的相互作用，當(dāng)X射線穿過物質(zhì)時(shí)它的強(qiáng)度就會(huì)減弱，這就是X射線的吸收現(xiàn)象。積分給出朗伯比耳定律55/(cm2/mg)稱為質(zhì)量吸收系數(shù)。 是吸收長(zhǎng)度即通過 xo 厚度的吸收體后，強(qiáng)度為入射強(qiáng)度的e1 ( 37)；是線性吸收系數(shù)通常還把因子 改寫為 ，是吸收體密度(mg/cm2)稱為質(zhì)量厚度(31-1)式還可寫成562.光與物質(zhì)相互作用X射線吸收的幾種方式（a）為多次小相互作用，重帶電粒子與物質(zhì)的相互作用屬此類。如 粒

25、子散射實(shí)驗(yàn)。粒子束與物質(zhì)的相互作用可以分為兩類：（b）為全或無相互作用，光子與物質(zhì)的相互作用屬此類。如光電效應(yīng)等。根據(jù)X射線能量的大小，其與物質(zhì)的相互作用情況有所不同。571、X射線的光子打在吸收物上，打出電子來，而光子本身消失了，此即光電效應(yīng)。對(duì)光子來說，這是真實(shí)吸收?！肮怆娦?yīng)”的電子可以是自由電子，也可以是束縛電子。光子能量hv不太大時(shí)，發(fā)生這種相互作用；2、X射線通過物質(zhì)后，波長(zhǎng)和能量發(fā)生改變，此稱compton效應(yīng)；當(dāng)hv增大時(shí)，發(fā)生compton效應(yīng)；3、光子能hv大于電子靜止質(zhì)量的兩倍時(shí)(1.02MeV)，光子在原子核場(chǎng)附近將轉(zhuǎn)化為一對(duì)正、負(fù)電子。這被稱作電子偶效應(yīng)。上三種效應(yīng)不

26、僅與光子的能量有關(guān)，還與靶的原子序數(shù)有關(guān)。 X射線通過物質(zhì)時(shí)，我們將X射線稱為光子，則根據(jù)光子能量（hv）的不同，它們與物質(zhì)的相互作用有以下三種情況：585960 當(dāng)X射線由低能光子組成(一般不超過150KeV)時(shí)，不會(huì)發(fā)生電子偶效應(yīng)。但相干散射（又稱瑞利散射）是重要的，因此吸收系數(shù)為如果以上提到的三種作用對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)分別為光電,康, 對(duì)偶，總的吸收系數(shù)是吸收長(zhǎng)度，又稱平均自由程x0: 61 假若吸收體由j種不同純?cè)鼐鶆蚧旌隙桑敲丛撐阵w的質(zhì)量吸收系數(shù)為 其中 代表吸收體內(nèi)第j元素的質(zhì)量吸收系數(shù)，wj是它所占重量百分比（ ）。62低能X射線的吸收主要貢獻(xiàn)是光電效應(yīng)，高能X射線的吸收主要

27、貢獻(xiàn)是康普頓效應(yīng)。633.吸收限（吸收邊緣） 吸收系數(shù)隨X光子能量增加而下降，這是由于X光子能量越高，其穿透性越強(qiáng)。仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，圖中有幾處突變。它們對(duì)應(yīng)K、L、M吸收限。 K、L、M吸收限是X光子分別使K層、 L層、M層一個(gè)電子電離發(fā)生共振吸收的能量。 的突變即吸收限的出現(xiàn)，再次證明原子內(nèi)部電子的殼層結(jié)構(gòu)。 電離能是使某殼層一個(gè)電子被電離所需的能量；也是該殼層電子的結(jié)合能。若用光子電離(共振吸收)，該能量又稱吸收限。64這結(jié)合原子中能級(jí)的分裂很容易理解。另外 ，在L吸收限中含有三個(gè)小的起伏，標(biāo)為 ，在M吸收限中含有五個(gè)小的起伏，分別標(biāo)為:65吸收限的應(yīng)用之一過濾片 前面我們講過，某特定元素產(chǎn)生的X射線的閾能總大于該元素本身的X射線的能量，而產(chǎn)生X射線的閾能就是產(chǎn)生相應(yīng)能級(jí)的空穴需要的能量，也就是相應(yīng)（K、L、M等）吸收限對(duì)應(yīng)的能量。所以在特定元素的E圖上，X射線能量的位置總在相應(yīng)吸收限的左邊，而且一般都緊靠吸收限，所以相應(yīng)的吸收系數(shù)比較小。根據(jù)這個(gè)原理，對(duì)于某元素產(chǎn)生的X射線，我們可以用一塊該元素制成的薄片，使X射線容易地通過而吸收掉其它雜散的射線，這就是過濾片。元素的吸收系數(shù)隨E的下降曲線有三處突變分別稱K、L、M吸