原子物理學(xué)射線

原子物理學(xué)射線第一頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二硬X射線0.001nm~0.1nm軟X射線0.1nm~1nm第二頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二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)。第三頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二1836年，英國(guó)科學(xué)家邁克爾.法拉第（MichaelFaraday，1791-1867）發(fā)現(xiàn)，在稀薄氣體中放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種絢麗的輝光。后來，物理學(xué)家把這種輝光稱為“陰極射線”，因?yàn)樗怯申帢O發(fā)出的。

1861年，英國(guó)科學(xué)家威廉.克魯克斯（WilliamCrookes，1832-1919）（右圖）發(fā)現(xiàn)通電的陰極射線管在放電時(shí)會(huì)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。他以為干版舊了，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(jiǎn)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(bào)廢了，他找到膠片廠商，指斥其產(chǎn)品低劣。一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)與他失之交臂，直到倫琴發(fā)現(xiàn)了X光，克魯克斯才恍然大悟。在倫琴發(fā)現(xiàn)X光的五年前，美國(guó)科學(xué)家古德斯柏德在實(shí)驗(yàn)室里偶然洗出了一張X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“偶然”棄之于垃圾堆中。

第四頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二

倫琴出生在德國(guó)倫內(nèi)普(Lennep；現(xiàn)在屬于雷姆沙伊德的一部分)的一個(gè)紡織商人家庭.1865年，倫琴進(jìn)入烏得勒支大學(xué)讀書，隨后在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院學(xué)習(xí)機(jī)械工程。1869年獲蘇黎世大學(xué)物理學(xué)博士學(xué)位。1874年倫琴任斯特拉斯堡大學(xué)講師。1875年成為霍恩海姆

(Hohenheim)農(nóng)業(yè)學(xué)院教授。1876年他返回斯特拉斯堡大學(xué)做物理學(xué)教授，1879年任吉森大學(xué)物理系主任。1888年他就任維爾茨堡大學(xué)物理系主任。1900年，在巴伐利亞政府一再請(qǐng)求下?lián)文侥岷诖髮W(xué)物理系主任。1901年，首屆諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)，倫琴獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。倫琴的發(fā)現(xiàn)不僅對(duì)醫(yī)學(xué)診斷有重大影響，同時(shí)也影響了20世紀(jì)許多重大科學(xué)成就的出現(xiàn)。受倫琴的影響，1896年亨利·貝克勒爾在發(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)1903年貝克勒爾和居里夫人被共同授予諾貝爾獎(jiǎng)。為了紀(jì)念倫琴的成就，X射線在許多國(guó)家被稱為倫琴射線。另外第111號(hào)化學(xué)元素錀（Roentgenium(Rg)）也以倫琴命名。在倫琴的祖國(guó)，德國(guó)有許多以倫琴命名為學(xué)校，街道和廣場(chǎng)。由于倫琴在物理學(xué)的杰出成就，在德國(guó)的吉森市，柏林市和倫琴的出生地倫內(nèi)普(Lennep）（雷姆沙伊德）都建有倫琴紀(jì)念碑。第五頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二X射線管A是陽(yáng)極（金屬），K是陰極，陰極和陽(yáng)極電壓為幾萬~十幾萬伏管內(nèi)壓強(qiáng)10-6mmHg~10-8mmHg第六頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二X射線的波性查爾斯·格洛弗·巴克拉（1877年6月27日－1944年10月26日），英國(guó)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。1917年，他因發(fā)現(xiàn)元素的次級(jí)X射線標(biāo)識(shí)譜而獲獎(jiǎng)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的殊榮。馬克斯·馮·勞厄（MaxvonLaue，1879年10月9日科布倫茨—1960年4月24日柏林），德國(guó)物理學(xué)家，因發(fā)現(xiàn)晶體中X射線的衍射現(xiàn)象而獲得1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第七頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二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射線的偏振

實(shí)際上，該實(shí)驗(yàn)是將“自然”X光通過一個(gè)用作起偏器的散射體成線偏振的X光，然后再用另一個(gè)散射體作檢偏器，檢驗(yàn)其偏振性。具體地說，若X射線是橫波，當(dāng)它沿z方向傳播并經(jīng)第一個(gè)散射體散射后，沿z方向不會(huì)有振動(dòng)；沿x方向傳播的X光再經(jīng)第二個(gè)散射體后，則只有y方向的振動(dòng)。因此在xz平面可觀察到y(tǒng)方向的線偏振光。在y方向觀察不到X射線。第八頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二X射線的衍射X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X射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)線的間距必須大致與輻射線的波長(zhǎng)大小相等。由X射線的穿透力得知，若X射線像波一樣，則其波長(zhǎng)要短得多——可能只有可見光波長(zhǎng)的千分之一。制作如此精細(xì)的光柵完全是不可能的。

德國(guó)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特定的角度，并且有特定的對(duì)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。一層原子和另一層原子之間的距離大約是X射線波長(zhǎng)的大小。如果這樣，晶體應(yīng)能使X射線衍射。把一束Ｘ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。勞厄證明了Ｘ光具有波的性質(zhì)。《自然》雜志把這一發(fā)現(xiàn)稱為“我們時(shí)代最偉大、意義最深遠(yuǎn)的發(fā)現(xiàn)”。勞厄證明了X射線的波動(dòng)性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性，發(fā)表了《X射線的干涉現(xiàn)象》一文。兩年后，也就是1914年，這一發(fā)現(xiàn)為勞厄贏得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第九頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二晶體底片鉛屏X射線管勞厄斑點(diǎn)X射線的衍射-勞厄?qū)嶒?yàn)

晶體可看作三維立體光柵。

根據(jù)勞厄斑點(diǎn)的分布可算出晶面間距，掌握晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。第十頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二蛋白質(zhì)的勞厄衍射圖X射線的衍射-勞厄?qū)嶒?yàn)紅寶石的勞厄衍射圖硅單晶的勞厄衍射圖第十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二多晶粉末法（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(cè)定分子結(jié)構(gòu)的成就而獲1936年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

）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(jiǎn)化。相片上每一同心圓對(duì)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)弱反映了晶面上原子密度的大小。第十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二布拉格公式

勞厄的文章發(fā)表不久，引起了英國(guó)布拉格父子的關(guān)注，當(dāng)時(shí)老布拉格，即亨利.布拉格（WilliamHenryBragg1862-1942）已是利茲大學(xué)的物理學(xué)教授，而小布拉格，即勞倫斯·布拉格（WilliamLawrenceBragg，1890-1971）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X射線微粒論者，兩人都試圖用X射線的微粒理論來解釋勞厄的照片，但他們的嘗試未能取得成功。

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X射線晶體衍射的形成，并提出著名的布拉格公式：2dsinθ=nλ。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X射線來獲取關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的信息。

小布拉格在用特征X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(cè)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。布拉格父子因在用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1915年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二AθθO...C.BdACCBd晶格常數(shù)晶面間距)(θ掠射角dλ2sinθnδ==光程差:+干涉加強(qiáng)條件（布喇格公式）：d2sinθ=n=1,2,...θ第十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二

布喇格父子認(rèn)為當(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。第十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二在方向衍射的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(jì)算晶面距。反之，若已知d，還可以確定X射線的波長(zhǎng)。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(shí)，凡光程滿足第十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二X射線管

激光等離子體

同步輻射X射線激光當(dāng)高強(qiáng)度(1014～1015W/cm2)激光脈沖聚焦打在固體靶上時(shí)，靶的表面迅速離化形成高溫高密度的等離子體，進(jìn)而發(fā)射X射線。它是一種具有足夠輻射強(qiáng)度的獨(dú)立點(diǎn)光源，所用泵浦激光器主要有Nd:YAG，釹玻璃等。

擁有近70條光束線的美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室同步輻射光源

設(shè)計(jì)有30個(gè)光引出口的英國(guó)DIAMOND同步輻射光源德國(guó)DESY（電子同步加速器研究所

）自由電子激光器的波蕩器

北京自由電子激光裝置

第十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二X射線的發(fā)射譜產(chǎn)生X射線

測(cè)得X射線的波長(zhǎng)X射線的強(qiáng)度第十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二波長(zhǎng)連續(xù)變化的部分，稱為連續(xù)譜，它的最小波長(zhǎng)和外加電壓有關(guān)。具有分立波長(zhǎng)的譜線，一旦出現(xiàn)，它們的峰值位置完全決定于靶材料，稱為特征譜（標(biāo)識(shí)譜）第十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二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(kù)侖場(chǎng)的作用下發(fā)生散射并損失能量。從量子的觀點(diǎn)看：設(shè)入射電子在碰撞前的動(dòng)能為T，電子和原子核經(jīng)一次碰撞后的動(dòng)能為T’，相當(dāng)于從一個(gè)連續(xù)態(tài)到另外一個(gè)連續(xù)態(tài)的躍遷，并輻射一個(gè)光子

入射電子經(jīng)過一次碰撞損失的能量，可以是0到T的任意值，因而得到是連續(xù)譜。第二十頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二在軔致輻射過程輻射的強(qiáng)度：1、反比于帶電粒子質(zhì)量的平方2、正比于靶核的質(zhì)子數(shù)。3、正比于帶電粒子電荷的四次方第二十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二當(dāng)X射線管所加的電壓一定時(shí)，連續(xù)譜存在一個(gè)最短波長(zhǎng)，其數(shù)值和靶材料無關(guān)，只與x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的動(dòng)能，并轉(zhuǎn)換為輻射光子的能量1915年，杜安和亨利利用此辦法測(cè)得普朗克常數(shù)。第二十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二產(chǎn)生條件:

僅當(dāng)電子的能量不超過某一限度時(shí),才只發(fā)射連續(xù)譜。特征：強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化,在某一波長(zhǎng)處,強(qiáng)度有極值在長(zhǎng)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(zhǎng)極小。極小與材料無關(guān),只與加速電壓有關(guān),當(dāng)加速電壓增高時(shí)極小減小。產(chǎn)生機(jī)制:

快速電子射到陽(yáng)極上,受到陽(yáng)極中原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用就會(huì)驟然減速;由此伴隨產(chǎn)生的輻射稱之為軔致輻射。由于電子速度連續(xù)變化，所以產(chǎn)生連續(xù)譜。X射線連續(xù)譜-軔致輻射（剎車輻射）第二十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二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(shí)，他觀察到連續(xù)譜上出現(xiàn)一系列分立譜線，其波長(zhǎng)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(gè)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(shí)，在K系列中有含有KαKβKγ等，在L系中也有類似情況。X射線特征譜第二十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二X射線特征譜亨利·莫塞萊HenryGwynJeffreysMoseley(*1887年11月23日生于英格蘭的Weymouth;?卒于1915年土耳其加里波利,英國(guó)物理學(xué)家，原子序數(shù)的發(fā)現(xiàn)者。1906年莫塞萊進(jìn)入牛津大學(xué)的三一學(xué)院（TrinityCollege(Oxford)）。畢業(yè)后與歐內(nèi)斯特·盧瑟福共同工作于曼徹斯特大學(xué)。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)的莫塞萊全力投身于科研。1913年莫塞萊在研究元素的X-射線標(biāo)識(shí)譜時(shí)發(fā)現(xiàn)，以不同元素材料作為產(chǎn)生X-射線的靶實(shí)驗(yàn)時(shí)，所產(chǎn)生的特征X-射線的波長(zhǎng)不同。他把測(cè)得五十多個(gè)元素所產(chǎn)生的特征X-射線按波長(zhǎng)排列后，發(fā)現(xiàn)其次序與元素周期表中的次序一致，他稱這個(gè)次序?yàn)樵有驍?shù)，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)的周期函數(shù)，證明了元素的主要特性由其原子序數(shù)決定，而不是由原子量決定，確立了原子序數(shù)與原子核電荷之間的關(guān)系。關(guān)于原子序數(shù)的發(fā)現(xiàn)被稱為莫塞萊定律。1914年他離開了曼徹斯特，回到牛津繼續(xù)他的研究。在第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，他參加了皇家工程師（RoyalEngineers），死于加里波利半島達(dá)達(dá)尼爾海峽的加里波利之戰(zhàn)，陣亡時(shí)年僅27歲。第二十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二1913年，莫塞萊在測(cè)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(duì)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(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。第二十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二

Kα－X射線的頻率可寫成玻爾理論（類氫光譜公式）導(dǎo)出原因當(dāng)n=1層中出現(xiàn)空穴時(shí)，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(gè)正電荷的吸引，所以當(dāng)n=2層的電子向內(nèi)層躍遷時(shí)發(fā)出的輻射頻率是：第二十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二這表明Kα－X射線是內(nèi)層電子從n＝2到n=1躍遷產(chǎn)生的。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(kù)侖作用。它也指出要發(fā)射Kα－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)，其電離能或閾能是從n=1移去一個(gè)電子所需的能量。而Kα－X射線的能量是電子從n＝1到n＝2層的能量差值。第二十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二入射電子K殼層中電離的電子KLMKαKβ根據(jù)泡利原理，發(fā)生躍遷的前提n=1殼層中出現(xiàn)空穴，電子n=2態(tài)向n=1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。第二十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二第三十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二特征譜產(chǎn)生的其它效應(yīng)1）俄歇(Auger)電子

當(dāng)內(nèi)殼層有空穴時(shí)，外層電子向內(nèi)層躍遷發(fā)出的能量不產(chǎn)生X射線，而是將另一層電子電離，這樣產(chǎn)生的電子稱AugerL電子。

第三十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二

比如，L電子向K層躍遷所產(chǎn)生能量將M電子電離，則相應(yīng)的俄歇電子動(dòng)能為：其中

分別是K、L、M殼層中電子的結(jié)合能，而這些能量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)。

、、第三十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二2）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)。以上兩個(gè)效應(yīng)，分別是法國(guó)物理學(xué)家Auger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)。

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)。同步輻射特征譜產(chǎn)生的其它效應(yīng)第三十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二同步輻射（1947年發(fā)現(xiàn)）以近光速作圓周運(yùn)動(dòng)的電子在軌道切線方向發(fā)出的光輻射。（產(chǎn)生高強(qiáng)度X射線的手段）1997年美國(guó)7GeV同步輻射源的建成運(yùn)轉(zhuǎn)，被稱為當(dāng)年繼多利羊、登陸火星后的十大發(fā)明之第三。同步輻射源是人類歷史上繼電光源、X光源、激光源之后的第4個(gè)革命性光源。同步輻射源示意圖第三十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二同步輻射的特點(diǎn)對(duì)高能物理來說,同步輻射阻礙粒子加速,是一種損耗.但同步輻射卻是可利用的新型X光源.由以下特性可知其價(jià)值所在.目前超大X光管(50kV)所產(chǎn)生的X射線功率在10W的量級(jí),而普通的1GeV同步加速器的功率在10kw的量級(jí).現(xiàn)階段最大的20GeV同步加速器(西德)R＝192m,總功率可達(dá)1500kw.1）高強(qiáng)度P(kw):總功率；R(m):電子曲率半徑；E(GeV):電子能量；I(A):電流強(qiáng)度；B(kGs):磁感強(qiáng)度。強(qiáng)度1000

100

101

0.1

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nm紅外可見真空紫外軟X射線硬X射線7.5GeV電子能量2）寬頻譜。能譜連續(xù)可調(diào)同步輻射的能譜是連續(xù)譜，所以X射線的波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)。同步輻射的最短波長(zhǎng)取決于電子的能量。而X射線管發(fā)出的X光強(qiáng)度主要集中在靶材所對(duì)應(yīng)的特征輻射附近,較單一.第三十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3）小發(fā)散。方向性好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(shí)，同步輻射幾乎全都集中在電子運(yùn)動(dòng)的切線方向上。其準(zhǔn)直性可與激光媲美。同步輻射（實(shí)線）X光管輻射（虛線）比較IEIt4）偏振性好。為完全的平面偏振波,偏振面處于電子回旋軌道平面內(nèi).5）時(shí)間結(jié)構(gòu)好(電子流并非連續(xù)的)。脈沖寬度窄，脈沖間隔較長(zhǎng)且可調(diào)，有利于觀測(cè)與時(shí)間有關(guān)的現(xiàn)象。第三十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二芝加哥城外費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的同步加速器主環(huán)，直徑達(dá)2km第三十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二

中國(guó)：1、BSRF：九十年代初開始使用，為第一代光源，與北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）共用一個(gè)環(huán)，2.2GeV,專用同步輻射時(shí)間2-3月/年，第三十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二

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(duì)社會(huì)開放的大型公用科學(xué)設(shè)施，是我國(guó)凝聚態(tài)物理、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．

第四十頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二2、NSRL：建在安徽合肥科技大學(xué)內(nèi)，為第二代專用光源。0.8GeV，低能環(huán)，以紫外、軟X射線為主?？僧a(chǎn)生12keV以下的硬X射線。一期工程投資0.8億,于1991年完成;二期工程投資1.2億,于2004年完成.系開放型的國(guó)家同步輻射室.實(shí)驗(yàn)室外景鳥瞰3、上海在2009年底建成新一代的3.5GeV同步輻射裝置。周長(zhǎng)432m,單簇電子電流大于5mA,可產(chǎn)生從可見光到40Kev的硬X射線.第四十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二普朗克(黑體輻射)1900年12月14日：《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，1918年諾貝爾獎(jiǎng)。愛因斯坦（光電效應(yīng)）1905年：《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)試探性觀點(diǎn)》假說，1921年諾貝爾獎(jiǎng)。后被密立根的實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證（1923年諾貝爾獎(jiǎng)）康普頓效應(yīng)（1927年諾貝爾獎(jiǎng)）1923年5月：《X射線受輕元素散射的量子理論》并用光量子解釋。第四十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二阿瑟·霍利·康普頓（ArthurHollyCompton，1892年9月10日－1962年3月15日），美國(guó)物理學(xué)家，1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者[1]，曾任圣路易斯華盛頓大學(xué)校長(zhǎng)?？灯疹D1913年取得伍斯特大學(xué)學(xué)士學(xué)位，1914年和1916年分別取得普林斯頓大學(xué)的碩士和博士學(xué)位。畢業(yè)后，康普頓先后在明尼蘇達(dá)大學(xué)短暫執(zhí)教一年、到匹茲堡一家公司當(dāng)工程師兩年、到劍橋大學(xué)當(dāng)研究員一年。1920年，他成為圣路易斯華盛頓大學(xué)的物理教授，1923年轉(zhuǎn)到芝加哥大學(xué)。

康普頓1918年開始研究X射線的散射。1922年，他發(fā)現(xiàn)X射線對(duì)自由電子發(fā)生散射時(shí)，光子的能量減少，而波長(zhǎng)變大。這一發(fā)現(xiàn)被稱為“康普頓效應(yīng)”或“康普頓散射”，后來又被他的研究生吳有訓(xùn)進(jìn)一步證實(shí)。由于這項(xiàng)成就，康普頓被授予1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。除了諾貝爾物理獎(jiǎng)以外，康普頓還先后獲得過拉姆福德獎(jiǎng)（1926年）、休斯獎(jiǎng)?wù)拢?940年）和富蘭克林獎(jiǎng)?wù)拢?940年）等獎(jiǎng)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。月球上的康普頓環(huán)形山的命名是為了紀(jì)念阿瑟·康普頓和他的兄長(zhǎng)卡爾·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)生宿舍樓被稱為康普頓宿舍。康普頓在芝加哥的舊居被列入美國(guó)國(guó)家歷史古跡。美國(guó)國(guó)家航空航天局把大型軌道天文臺(tái)計(jì)劃中的伽瑪射線天文衛(wèi)星命名為康普頓伽瑪射線天文臺(tái)。第四十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二康普頓散射的實(shí)驗(yàn)裝置X射線與物質(zhì)作用時(shí)，被散射的X射線中有波長(zhǎng)增長(zhǎng)（頻率減?。┑某煞殖霈F(xiàn)，并且波長(zhǎng)的增長(zhǎng)量隨著散射角的增大而增大,和散射材料無關(guān)。第四十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二X射光管-+光闌散射晶體θ0實(shí)驗(yàn)規(guī)律散射線中有兩種波長(zhǎng)0

、

隨散射角的增大而增大第四十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二康普頓散射與散射角的關(guān)系相對(duì)強(qiáng)度0.7000.750?(?)???????????????????????????????????第四十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二經(jīng)典物理解釋散射晶體θ受迫振動(dòng)

單色電磁波照射電子受迫振動(dòng)發(fā)射同頻率散射線說明：經(jīng)典理論只能說明波長(zhǎng)不變的散射，而不能說明康普頓散射。第四十七頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二入射光子與外層電子彈性碰撞量子解釋外層電子受原子核束縛較弱

動(dòng)能＜＜光子能量

近似自由近似靜止靜止自由電子體系的能量、動(dòng)量守恒入射能量20Kev,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所有元素外層電子的束縛能第四十八頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二考慮相對(duì)論效應(yīng)康普頓散射公式上式表明:散射光子的能量是入射光子能量的函數(shù)。散射光子的能量公式反沖電子的最大能量和光子的最小能量第四十九頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二物理意義入射光子的能量與電子靜止能量相等時(shí)，相應(yīng)的光子波長(zhǎng).可理解為:在θ＝π/2時(shí)，入射波與散射波的波長(zhǎng)之差.電子的折合康普頓波長(zhǎng)：1）電子的康普頓波長(zhǎng)：第五十頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二物理意義2）△λ只決定于θ而與λ無關(guān)入射波波長(zhǎng)的最大增值當(dāng)θ＝π時(shí)得到康普頓散射引起的最大位移Δλ對(duì)λ≤1?的X射線才能使Δλ/λ大到足以觀察的程度。對(duì)實(shí)際測(cè)量來說，有意義的是Δλ/λ第五十一頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二例題：比較用x光（λ1=0.05nm）和紫光（λ2=400nm）入射，θ=π是的康普頓散射情況。解：波長(zhǎng)改變量相同，均為

紫光入射光能量較低時(shí)，康普頓效應(yīng)不顯著，將主要觀察到光電效應(yīng)第五十二頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二3）相干散射波長(zhǎng)變大的散射線波長(zhǎng)不變的散射線內(nèi)層電子被緊緊束縛，光子相當(dāng)于和整個(gè)原子發(fā)生碰撞光子質(zhì)量遠(yuǎn)小于原子，碰撞時(shí)光子不損失能量，波長(zhǎng)不變。物理意義光子內(nèi)層電子外層電子相對(duì)強(qiáng)度0.7000.750第五十三頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二波長(zhǎng)0

輕物質(zhì)（多數(shù)電子處于弱束縛狀態(tài)）弱強(qiáng)重物質(zhì)（多數(shù)電子處于強(qiáng)束縛狀態(tài)）強(qiáng)弱吳有訓(xùn)（1897-1977），我國(guó)近代物理學(xué)奠基人之一。以系統(tǒng)、精湛的實(shí)驗(yàn)為康普頓效應(yīng)的確立做出了重要貢獻(xiàn)。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見右圖。第五十四頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二例：λ0=0.02nm的X射線與靜止的自由電子碰撞,若從與入射線成900的方向觀察散射線，求散射線的波長(zhǎng)λ。能量守恒，反沖電子動(dòng)能等于光子能量之差解：動(dòng)量守恒根據(jù)動(dòng)能、動(dòng)量關(guān)系波長(zhǎng)為第五十五頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二例

波長(zhǎng)的X射線與靜止的自由電子作彈性碰撞，在與入射角成角的方向上觀察，（2）反沖電子得到多少動(dòng)能？（3）在碰撞中，光子的能量損失了多少？（1）散射波長(zhǎng)的改變量為多少？（1）（2）

反沖電子的動(dòng)能

（3）

光子損失的能量＝反沖電子的動(dòng)能第五十六頁(yè)，共六十八頁(yè)，編輯于2023年，星期二兩類相互作用1）多次小相互作用:（典型實(shí)例:α粒子在空氣中的運(yùn)動(dòng)）光子束與物質(zhì)