介紹X射線在物質(zhì)中的吸收課件

（1）介紹X射線的發(fā)現(xiàn)，以及用衍射、偏振顯示X射線波性的實驗。（4）介紹X射線在物質(zhì)中的吸收。本章主要內(nèi)容X射線的兩種主要機制。X射線的發(fā)射譜，闡明（3）介紹（2）介紹Compton散射，依此顯示射線的粒子性。X射線Chapter8（1）介紹X射線的發(fā)現(xiàn)，以及用衍射、偏振顯示X射線波性的實驗

在前面的學習中，我們發(fā)現(xiàn)原子的能級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，英國物理學家道爾頓依據(jù)實驗提出：“氣體，液體和固體都是由該物質(zhì)的不可分割的原子組成?！彼€認為，“同種元素的原子，其大小、質(zhì)量及各種性質(zhì)都是相同的?！睆亩颜軐W意義上的原子論推廣到科學的原子論。那么,線度大約在的原子是否真的不可再分割了？十九世紀末，連續(xù)三年的三大發(fā)現(xiàn)，首開了人們向微觀世界進軍的先河。它們是：（1）1895年德國的Rontgen（倫琴）發(fā)現(xiàn)X射線；（2）1896年，法國的Becguerel（貝克勒爾）發(fā)現(xiàn)了放射性；（3）1897年，英國的Thomson（湯姆遜）發(fā)現(xiàn)了電子。在前面的學習中，我們發(fā)現(xiàn)原子的能級和光譜都由原子的外§8-1X射線的發(fā)現(xiàn)及其波性在1895年以前，由陰極射線管產(chǎn)生的X射線在實驗里已經(jīng)存在了30多年，在X射線發(fā)現(xiàn)前，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，但發(fā)現(xiàn)X射線的卻是倫琴。倫琴，1845年出生于德國的一個商人家庭，1869年在蘇黎世大學獲博士學位。1895年11月8日傍晚，倫琴在研究陰極射線管中氣體放電實驗時，為了避免雜光對實驗的影響，他用黑紙板將管子包起來，卻發(fā)現(xiàn)距陰極管一段距離外的一塊涂有鉑氰酸鋇結(jié)晶物質(zhì)的屏幕發(fā)出了熒光，倫琴馬上意識到,這可能是一種前所未有的新射線，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),射線來自陰極射線管管壁?！?-1X射線的發(fā)現(xiàn)及其波性令人驚奇的是，當用木頭等不透明物質(zhì)擋住這種射線時，熒光屏仍然發(fā)光，而且這種射線能使黑紙包住的照相底片感光，不被電磁場偏轉(zhuǎn)。經(jīng)過一個多月的研究，他未能搞清這種射線的本質(zhì)，因此賦予它一個神秘的名字--X射線。1895年12月28日，倫琴向德國物理學醫(yī)學會遞交了第一篇關于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，以致于在全世界范圍內(nèi)掀起了X射線研究熱，1896年關于X射線的研究論文高達1000多篇.對X射線的公布，促使法國物理學家貝克勒爾也投入到這一研究領域之中，為了弄清X射線產(chǎn)生的機制。他想，如果把熒光物質(zhì)放在強光下照時，是否在發(fā)熒光的同時，也能放出X射線呢？令人驚奇的是，當用木頭等不透明物質(zhì)擋住這種射線時，熒光屏仍然于是他把一塊熒光物質(zhì)（鈾的化合物--鉀鈾酰硫酸鹽晶體）放在用黑紙包住的照相底片上，然后放在太陽下曬，結(jié)果在底片上果然發(fā)現(xiàn)了與熒光物質(zhì)形狀相同的“像”。一次偶然的機會使他發(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)是否有關呢？他進一步用不發(fā)熒光的鈾化合物進行實驗，同使底片感光；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。1896年3月2日，他向法國科學院報告了這一驚人的發(fā)現(xiàn)，從此打開了一個新的研究領域。放射線的發(fā)現(xiàn)看似偶然，但正如楊振寧先生在評價這一故事時所說的那樣，“科學家的‘靈感’對科學家的發(fā)現(xiàn)‘非常重要’；這種靈感必源于他的豐富的實踐和經(jīng)驗?！庇谑撬岩粔K熒光物質(zhì)（鈾的化合物--鉀鈾酰硫酸鹽晶體）放在用

一、X射線的發(fā)現(xiàn)及特性（一）

X射線的發(fā)現(xiàn)1895年11月8日，倫琴發(fā)現(xiàn)。

X射線是波長極短的電磁波，它不會被磁場偏轉(zhuǎn)，具有很強的穿透力，而且波長越短，穿透力越強。

<0.1nm：硬X射線，>0.1nm：軟X射線。一、X射線的發(fā)現(xiàn)及特性（一）X射線的發(fā)現(xiàn)1895年11月如圖，在真空管兩陰極和陽極之間加高壓，陽極選用不同的重金屬材料制成，電子打在陽極上便可得到X射線，其波長因高太的不同而異。當稱硬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；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)。如圖，在真空管兩陰極和陽極之間加（二）若X射線的波動性和粒子性波動性－X射線在晶體的衍射１.布喇格公式2.勞厄照片（二）若X射線的波動性和粒子性波動性－X射線在晶體的衍射１

每個亮點為勞厄斑點,對應于一組晶面.斑點的位置反映了對應晶面的方向.—由這樣一張照片就可以推斷晶體的結(jié)構(gòu)(連續(xù)譜的X射線)每個亮點為勞厄斑點,對應于一組晶面.斑點的3．晶體粉末法(單波長的射線)

每一同心園對應一組晶面,不同的園環(huán)代表不同的晶面陣,環(huán)的強弱反映了晶面上原子的密度大小3．晶體粉末法(單波長的射線)每一同心園對應一組晶面,不4．(1)X射線的衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)有效方法-晶體衍射圖就可以確定晶體內(nèi)部的原子（或分子）間的距離和排列-1915年布拉格父子因此獲諾貝爾物理獎(2)X射線分析可用來研究高分子的結(jié)構(gòu)

(a)Eu(DBM)3Phen－PMMA的廣角X－射線衍射圖

(b)Eu(DBM)3Phen的X－射線衍射圖4．(1)X射線的衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)有效方法-晶體衍射圖就威廉·亨利·布拉格（SirWilliamHenryBragg，1862—1942），英國物理學家，現(xiàn)代固體物理學的奠基人之一。他早年在劍橋三一學院學習數(shù)學，曾任澳大利亞阿德萊德大學及英國利茲大學、倫敦大學教授，1940年出任皇家學會會長。同時，他還作為一名杰出的社會活動家，在20世紀二三十年代是英國公共事務中的風云人物。威廉·亨利·布拉格與其子威廉·勞倫斯·布拉格通過對X射線譜的研究，提出晶體衍射理論，建立了布拉格公式（布拉格定律），并改進了X射線分光計。1915年諾貝爾物理學獎授予英國倫敦大學的亨利·布拉格和他的兒子英國曼徹斯特維克托利亞大學的勞倫斯·布拉格，以表彰他們用X射線對晶體結(jié)構(gòu)的分析所作的貢獻。布拉格這個名字幾乎是現(xiàn)代結(jié)晶學的同義詞。

威廉·亨利·布拉格（SirWilliamHenryBr威廉·布拉格1862年出生于英國威格頓。他先后在MarketHarborough文法學校和馬恩島的威廉國王學院學習，完成大學之前的教育。1881年，他獲得獎學金入讀劍橋大學三一學院，在著名教師愛德華·約翰·勞思的指導下學習數(shù)學。1884年6月，他在優(yōu)等生數(shù)學考試中名列第一部分第三，1885年初進入第二部分學習，同年有一段時間在卡文迪許實驗室學習物理。1885年，威廉·布拉格被澳大利亞阿德萊德大學聘為數(shù)學物理教授，于1886年初正式上任。此前他的物理知識并不多，在阿德萊德他才大量學習物理知識，但真正涉及到重要研究已經(jīng)是40歲之后了。1904年，在但尼丁召開的一次澳大拉西亞科學促進會的會議上，他擔任所在小組的主席，并發(fā)表了論文SomeRecentAdvancesintheTheoryoftheIonizationofGases（《氣體電離理論的新發(fā)展》）。威廉·布拉格1862年出生于英國威格頓。他先后在Marke后來他在這篇論文的基礎上，繼續(xù)開展研究，于1912年出版了他的第一本著作StudiesinRadioactivity（《放射能研究》）。1904年那次會議后不久，他得到一些溴化鐳，并進行相關研究，當年年底在PhilosophicalMagazine（《哲學雜志》）上發(fā)表了關于鐳射線的研究論文。1907年，他當選英國皇家學會會士。1908年底，他從阿德萊德大學辭職。他在這所大學的23年間，見證了其學生數(shù)的數(shù)倍增長，對其理學院的發(fā)展也盡到了最大的貢獻。1909年，威廉·布拉格到利茲大學擔任卡文迪許物理教授。他在這里繼續(xù)X射線研究，并大獲成功。他發(fā)明了X射線分光計，并與他的兒子威廉·勞倫斯·布拉格創(chuàng)立了用X射線分析晶體結(jié)構(gòu)的新學術領域。這項技術的應用為稍后DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎。正是由于這項成就，1915年父子兩人一同被授予諾貝爾物理學獎。后來他在這篇論文的基礎上，繼續(xù)開展研究，于1912年出版1915年，威廉·布拉格被倫敦大學學院聘為奎恩物理教授，但受第一次世界大戰(zhàn)的影響，他直到戰(zhàn)爭結(jié)束后才開始工作。戰(zhàn)爭期間，他主要為英國政府服務，進行潛艇探測的研究。1918年，他回到倫敦，擔任海軍司令部的顧問。恢復在大學的工作后，他主要從事的研究仍然是晶體結(jié)構(gòu)分析。1923年起，他成為皇家研究所的富勒里安化學教授和戴維·法拉第研究實驗室（DavyFaradayResearchLaboratory）的主任。在他的領導下，實驗室發(fā)表了大量有價值的論文。1935年，他當選為英國皇家學會的會長。1915年，威廉·布拉格被倫敦大學學院聘為奎恩物理教粒子性-康普頓效應(1927諾貝爾獎)實驗結(jié)果--除原來譜線外,出現(xiàn)波長變長的另一條線.

波長改變的數(shù)值與散射角有關,隨角度的增加而增強;且隨著散射角的增大,新譜線增強,原譜線減弱.粒子性-康普頓效應(1927諾貝爾獎)實驗結(jié)果--除原來譜1、康普頓效應（1）康普頓散射當單色X射線被物質(zhì)散射時，散射線中除了有波長與入射線相同的成分外，還有波長較長的成分，這種波長變長的散射稱為康普頓散射或康普頓效應。（2）實驗裝置X光管發(fā)出一定波長的X射線，通過光闌后成為一束狹窄的X射線，投射到散射物質(zhì)上，用攝譜儀可以測不同方向上散射光波長及相對強度。AB1B2CDGR康普頓效應1、康普頓效應（1）康普頓散射（2）實驗裝置AB1B2CDG（3）實驗現(xiàn)象I

=0o

I=45oI

=90oI

=135o

0正常散射波長變長的散射稱為康普頓散射對一定的散射角

，既有與入射線相同的波長l

，又有比入射光線更長的波長l'，而且Dl=l'

-l

隨角

的增加而增大，但與X射線的波長l

和散射物質(zhì)無關。4、經(jīng)典物理學的困難：經(jīng)典電磁理論只能說明有正常散射存在，即散射光的頻率與入射光頻率相等；而無法解釋Dl的存在及其所存在的康普頓效應的實驗規(guī)律。（3）實驗現(xiàn)象I=0oI=45oI=90oI介紹X射線在物質(zhì)中的吸收課件實驗規(guī)律（吳有訓）（1）散射的X射線中，有波長不變的成分，還有波長變長的部分。（2）波長改變的數(shù)值與散射角有關，隨散射角的增加而增加。（3）隨散射角的增加，波長變長部分的譜線增強，原譜線減弱。（4）波長改變量的大小與散射物質(zhì)無關。（5）當散射物質(zhì)的原子序數(shù)增大時，原譜線強度增加，波長變長部分的譜線強度降低。實驗規(guī)律（吳有訓）（1）散射的X射線中，有波長不變的成分，還(1)定性解釋2、康普頓效應的解釋康普頓效應是X射線單光子與物質(zhì)中受原子核束縛較弱的電子相互作用的結(jié)果。假設在碰撞過程中，動量與能量都是守恒的，電子帶走一部分能量與動量，因而散射出去的光量子的能量與動量都相應地減小，即X射線的波長變長。(2)定量計算入射光子散射的光子外層電子(1)定性解釋2、康普頓效應的解釋康普頓效應光子

0電子碰撞前光子

））電子碰撞后光子：電子：碰撞前光子：電子：碰撞后光子0電子碰撞前光子））電子碰撞后光子：電子：碰撞前光子系統(tǒng)能量守恒：系統(tǒng)動量守恒（1)

2–(2)

c2

得出系統(tǒng)能量守恒：系統(tǒng)動量守恒（1)2–(2)c2得出將（4）帶入（3）式：（5）稱為康普頓波長將（4）帶入（3）式：（5）稱為康普頓波長康普頓散射進一步證實了光子論證明了光子能量、動量表示式的正確性，光確實具有波粒兩象性證明在光電相互作用的過程中嚴格遵守能量、動量守恒定律。波長的改變與散射物質(zhì)無關，僅取決于散射角，而且關系式中包含了普朗克常量，因此它是經(jīng)典物理學無法解釋的。對于可見光，微波等，散射現(xiàn)象不明顯X光散射現(xiàn)象明顯

=0時，波長不變；

增加時，波長變長；

=p時，Dl最大。3、康普頓效應的物理意義康普頓散射進一步證實了光子論波長的改變與散射物質(zhì)無關，僅取決（1）電子的Compton波長入射光子的能量與電子的靜止能量相等時所相應的光子的波長。Compton波長其物理意義是：折合電子Compton波長：（1）電子的Compton波長入射光子的能量與電子的靜止能量（2）只取決于散射角而與入射光子的無關。對實測來說，更有意義的是。對的X射線，

才能使大到足以被觀察的程度，而對于的可見光，仍舊那么大，就小到無法被測量。這就是為什么只在X光的散射實驗中，我們才觀察到了comptoneffect，而在可見光的散射中（如光電效應）沒有觀察到Compton效應。（2）只取決于散射角而與入射光子的無關。對實測來說，（3）與密切相關雖然以波長的compton位移與入射光的波長（或能量）無關，但以能量表示的Compton位移ΔE卻與入射光的波長（或能量）緊密相關。實驗中，在測量條件相同時,散射光子的能量隨入射光子的能量增大而增大。（3）與密切相關雖然以波長的compton位移與入射光二、X射線的產(chǎn)生機制(一)X射線的產(chǎn)生X射線由高速電子打在物體上產(chǎn)生。二、X射線的產(chǎn)生機制(一)X射線的產(chǎn)生X射線由高速電子打在實驗表明，X射線由兩部分構(gòu)成，一部分波長連續(xù)變化，稱為連續(xù)譜；另一部分波長是分立的，與靶材料有關，成為某種材料的標識，所以稱為標識譜，又叫特征譜--它迭加在連續(xù)譜上。下面對這兩部分譜線的特點和產(chǎn)生機制進行詳細分析。實驗表明，X射線由兩部分構(gòu)成，一部分波長連續(xù)變化，稱為連續(xù)譜介紹X射線在物質(zhì)中的吸收課件（二）連續(xù)譜—軔致輻射1、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，有波長連續(xù)變化的光輻射產(chǎn)生，下面分兩點研究輻射的特性。(1)連續(xù)譜與管壓的關系（靶不變）前圖表示以鎢作陽極材料加不同電壓時，以λ為橫軸，輻射強度為縱軸；在不同管壓下得到的波長—強度分布曲線。由圖可見，當陽極材料不變時，和隨管壓V的升高都向短波方向移動。(2)連續(xù)譜與陽極材料的關系（電壓不變）前圖表示管壓為35KV時，用鉬和鎢作靶材料時的I～λ曲線。由圖可見與靶無關。是由管壓V決定的。（二）連續(xù)譜—軔致輻射連續(xù)譜產(chǎn)生的微觀機制通過上面對連續(xù)譜特征的分析，我們很容易想到，連續(xù)譜不應該是原子光譜，而應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入靶內(nèi)，可以到達不同的深度，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動，必然有電磁輻射產(chǎn)生，這便是產(chǎn)生X射線連續(xù)譜的原因，用光子的概念可以對連續(xù)譜的產(chǎn)生給出定量的分析。設電子入射速度，在靶上減速而損失的能量為；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.連續(xù)譜產(chǎn)生的微觀機制軔致輻射的強度反比于入射帶電粒子的質(zhì)量平方，因此，質(zhì)子等重帶電粒子軔致輻射比起電子產(chǎn)生的幾乎可以忽略不計。軔致輻射的強度正比于靶核電荷的平方（Z2)。由于醫(yī)學、工業(yè)上使用的X射線往往主要依靠連續(xù)譜的那一部分，因此，在X射線管內(nèi)用得最多的陽極靶是鎢靶。因為它的原子序數(shù)大，能輸出高強度的X射線，而且鎢的熔點高，導熱性好，并易于加工。

連續(xù)譜的形狀與靶子的材料毫無關系。它存在一個最小波長（或最大頻率），其數(shù)值只依賴于外加電壓U，而與原子序數(shù)Z無關。軔致輻射的強度反比于入射帶電粒子的質(zhì)量平方，因此，連理論解釋從陰極逸出的電子被電場加速，加速后的動能為當它到達陽極靶上時，它的全部能量就轉(zhuǎn)成輻射能，由此發(fā)出的光子可能有的最大能量為可作為精確測量普朗克常數(shù)的一個方法。上式與光電效應中的公式是一樣的（金屬的脫出功很小，僅為電子伏特級，在此可忽略），故X射線的產(chǎn)生可視為光電效應之逆。

理論解釋從陰極逸出的電子被電場加速，加速后的動能為當它到（三）特征輻射（標識輻射）——電子內(nèi)殼層的躍遷標識輻射--線狀譜，是迭加在連續(xù)譜上的分立譜線。1、線狀譜的特征（1）不同元素線狀譜的波長是不同的，從而成為我們識別某種元素的標準，故得名為標識譜，但是他們的線系結(jié)構(gòu)是相似的，都分為K,L,M……等線系；且譜線具有精細結(jié)構(gòu)，K系分為??,,,gbaKKK;L系分為??,,,lbaLLL(2)改變靶物質(zhì)時，隨Z的增大，同一線系的線狀譜波長向短波方向移動，但沒有周期性變化；(3)某元素的標識譜與它的化合狀態(tài)無關；（4）對一定的陽極靶材料，產(chǎn)生標識譜的外界電壓有一個臨界值。（三）特征輻射（標識輻射）——電子內(nèi)殼層的躍遷標識輻射--線介紹X射線在物質(zhì)中的吸收課件2、線狀譜產(chǎn)生的機制通過對上述特點的分析、歸納、總結(jié)、我們可得到如下幾點結(jié)論：（1）線狀譜產(chǎn)生于原子內(nèi)層電子的躍遷。從它不顯示周期性變化，同化學成分無關和光子能量很大來看，可以知道這是原子內(nèi)層電子躍遷所發(fā)的。各元素原子的內(nèi)層電子填滿后，殼層的結(jié)構(gòu)是相同的，所不同的只是對應于各層的能量數(shù)值。周期性的變化和化學性質(zhì)是外層電子的問題。X射線標識譜既然不顯示這些情況，足見是內(nèi)層電子所發(fā)。(2）產(chǎn)生線狀譜的條件是：a.在原子的內(nèi)層能級上有電子空位；b.其他殼層上電子向空位躍遷。事實上，當外界提供足夠大的能量時，使原子內(nèi)層電子電離，從而使原子內(nèi)層出現(xiàn)空位，外層電子向內(nèi)層補充，放出的能量便形成了X射線的標識譜。2、線狀譜產(chǎn)生的機制通過對上述特點的分析、歸納、總結(jié)、我們可(3)定律--線狀譜的定量計算1913年，英國物理學家Moseley通過對不同元素（不同Z)的X射線標識譜加以分析（共分析了從鈷到金的38種元素,發(fā)現(xiàn)一個規(guī)律：對同一線系的某條譜線來說，不同元素的X射線頻率的平方根與原子序數(shù)Z成線性關系，即bkZv+=比喻對Kα線，Moseley得到一個經(jīng)驗公式事實上，這個公式可以從玻爾理論得到，根據(jù)玻爾理論，內(nèi)殼層中缺一個電子的狀態(tài)與堿金屬原子中n能級的狀態(tài)相似，所以n能級的狀態(tài)能近似用堿金屬原子能級公式表示：(3)定律--線狀譜的定量計算1913年，英國物理學家式中σ反映了躍遷電子之外的電子對核的總屏蔽效應，即躍遷電子感受到的有效電荷是(Z-σ),這樣當n=2上的電子向n=1躍遷產(chǎn)生Kα線時，我們有實驗表明σ≈1，將其余常數(shù)代入得，式中σ反映了躍遷電子之外的電子對核的總屏蔽效應，即躍遷實驗表介紹X射線在物質(zhì)中的吸收課件（4）線狀譜的標記方法前面提到，X射線標識譜分為K,L,M……等線系，每一系的譜線也分為α,β,γ,δ,ε……等。但是，能級并不只與主量子數(shù)n有關，還與l,j有關，所以譜線被標記為（4）線狀譜的標記方法前面提到，X射線標識譜分為K,L

產(chǎn)生X射線標識譜的躍遷的選擇定則產(chǎn)生X射線（5）標識譜產(chǎn)生的其他效應1)俄歇(Auger)電子當內(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射線，而是將另一層電子電離，這樣產(chǎn)生的電子稱俄歇(Auger)電子（5）標識譜產(chǎn)生的其他效應1)俄歇(Auger)電子當內(nèi)殼層2）核激發(fā)效應：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)。以上兩個效應，分別是法國物理學家Auger和日本物理學家森田正一提出的，并分別被實驗所證實。同步輻射：電子在同步回旋加速器中，作圓周運動時產(chǎn)生的輻射。稱同步輻射，這實質(zhì)上是帶電粒子加速運動時輻射電磁波的一種表現(xiàn)。2）核激發(fā)效應：內(nèi)層電子間的躍遷，將能量傳給原子核，使原子核X射線的吸收X射線的吸收介紹X射線在物質(zhì)中的吸收課件介紹X射線在物質(zhì)中的吸收課件1.吸收限在μ—E圖中，在某一個能量E處，μ發(fā)生突變，稱