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1、第八章 X射线 X射线的发现及其波性 X射线产生的机制 康普顿散射 X射线的吸收 硬X射线0 001nm 0 1nm软X射线0 1nm 1nm 1836年 英国科学家迈克尔 法拉第 MichaelFaraday 1791 1867 发现 在稀薄气体中放电时会产生一种绚丽的辉光 后来 物理学家把这种辉光称为 阴极射线 因为它是由阴极发出的 1861年 英国科学家威廉 克鲁克斯 WilliamCrookes 1832 1919 右图 发现通电的阴极射线管在放电时会产生亮光 于是就把它拍下来 可是显影后发现整张干版上什么也没照上 一片模糊 他以为干版旧了 又用新干版连续照了三次 依然如此 克鲁克斯的
2、实验室非常简陋 他认为是干版有毛病 退给了厂家 他也曾发现抽屉里保存在暗盒里的胶卷莫名其妙地感光报废了 他找到胶片厂商 指斥其产品低劣 一个伟大的发现与他失之交臂 直到伦琴发现了X光 克鲁克斯才恍然大悟 在伦琴发现X光的五年前 美国科学家古德斯柏德在实验室里偶然洗出了一张X射线的透视底片 但他归因于照片的冲洗药水或冲洗技术 便把这一 偶然 弃之于垃圾堆中 伦琴出生在德国伦内普 Lennep 现在属于雷姆沙伊德的一部分 的一个纺织商人家庭 1865年 伦琴进入乌得勒支大学读书 随后在苏黎世联邦理工学院学习机械工程 1869年获苏黎世大学物理学博士学位 1874年伦琴任斯特拉斯堡大学讲师 1875
3、年成为霍恩海姆 Hohenheim 农业学院教授 1876年他返回斯特拉斯堡大学做物理学教授 1879年任吉森大学物理系主任 1888年他就任维尔茨堡大学物理系主任 1900年 在巴伐利亚政府一再请求下担任慕尼黑大学物理系主任 1901年 首届诺贝尔奖颁发 伦琴获得诺贝尔物理学奖 伦琴的发现不仅对医学诊断有重大影响 同时也影响了20世纪许多重大科学成就的出现 受伦琴的影响 1896年亨利 贝克勒尔在发光材料的试验中偶然发现了一种新射线的穿透性 这样伦琴的发现间接地影响了放射性的发现 因为该发现1903年贝克勒尔和居里夫人被共同授予诺贝尔奖 为了纪念伦琴的成就 X射线在许多国家被称为伦琴射线 另
4、外第111号化学元素錀 Roentgenium Rg 也以伦琴命名 在伦琴的祖国 德国有许多以伦琴命名为学校 街道和广场 由于伦琴在物理学的杰出成就 在德国的吉森市 柏林市和伦琴的出生地伦内普 Lennep 雷姆沙伊德 都建有伦琴纪念碑 X射线管 A是阳极 金属 K是阴极 阴极和阳极电压为几万 十几万伏管内压强10 6mmHg 10 8mmHg X射线的波性 查尔斯 格洛弗 巴克拉 1877年6月27日 1944年10月26日 英国物理学家 任教于剑桥大学 爱丁堡大学的他 致力于基础物理研究 1917年 他因发现元素的次级X射线标识谱而获奖获得了诺贝尔物理学奖的殊荣 马克斯 冯 劳厄 Maxv
5、onLaue 1879年10月9日科布伦茨 1960年4月24日柏林 德国物理学家 因发现晶体中X射线的衍射现象而获得1914年诺贝尔物理学奖 X射线是电磁波 故它一定是横波 巴克拉用如图所示的双散射体实验证明了X射线的横波性 X射线的偏振 实际上 该实验是将 自然 X光通过一个用作起偏器的散射体成线偏振的X光 然后再用另一个散射体作检偏器 检验其偏振性 具体地说 若X射线是横波 当它沿z方向传播并经第一个散射体散射后 沿z方向不会有振动 沿x方向传播的X光再经第二个散射体后 则只有y方向的振动 因此在xz平面可观察到y方向的线偏振光 在y方向观察不到X射线 X射线的衍射 X射线究竟是微小的质
6、点束 还是像光一样的波状辐射 一直悬而未决 有一种鉴定方法就是看X射线能否借助含有一系列细线的衍射光栅而衍射 即改变射线方向 要想得到适当的衍射 这些细线的间距必须大致与辐射线的波长大小相等 由X射线的穿透力得知 若X射线像波一样 则其波长要短得多 可能只有可见光波长的千分之一 制作如此精细的光栅完全是不可能的 德国物理学家劳厄想到 如果人工做不出这样的光栅 自然界中的晶体也许能行 晶体是一种几何形状整齐的固体 而在固体平面之间有特定的角度 并且有特定的对称性 这种规律是构成晶体结构的原子有次序地排列的结果 一层原子和另一层原子之间的距离大约是X射线波长的大小 如果这样 晶体应能使X射线衍射
7、把一束 光射向硫化锌晶体 在感光版上捕捉到了散射现象 即后来所称的劳厄相片 感光版冲洗出来之后 他们发现了圆形排列的亮点和暗点 衍射图 劳厄证明了 光具有波的性质 自然 杂志把这一发现称为 我们时代最伟大 意义最深远的发现 劳厄证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性 发表了 X射线的干涉现象 一文 两年后 也就是1914年 这一发现为劳厄赢得了诺贝尔物理学奖 晶体 底片 铅屏 X射线管 劳厄斑点 X射线的衍射 劳厄实验 晶体可看作三维立体光栅 根据劳厄斑点的分布可算出晶面间距 掌握晶体点阵结构 蛋白质的劳厄衍射图 X射线的衍射 劳厄实验 红宝石的劳厄衍射图 硅单晶的劳厄衍射图 多晶粉末法
8、德拜和谢勒首先发明的 德拜因利用偶极矩 X射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获1936年诺贝尔化学奖 上图是氧化锆粉末得到的衍射相片 它的好处是样品的制备大为简化 相片上每一同心圆对应一组晶面 不同的圆环代表不同的晶面阵 环的强弱反映了晶面上原子密度的大小 布拉格公式 劳厄的文章发表不久 引起了英国布拉格父子的关注 当时老布拉格 即亨利 布拉格 WilliamHenryBragg1862 1942 已是利兹大学的物理学教授 而小布拉格 即劳伦斯 布拉格 WilliamLawrenceBragg 1890 1971 刚从剑桥大学毕业 在卡文迪许实验室工作 由于都是X射线微粒论者 两人都试图用X
9、射线的微粒理论来解释劳厄的照片 但他们的尝试未能取得成功 后来小布拉格成功地解释了劳厄的实验事实 解释了X射线晶体衍射的形成 并提出著名的布拉格公式 2dsin n 这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性 更重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息 小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后 与其父亲合作 成功地测定出了金刚石的晶体结构 并用劳厄法进行了验证 布拉格父子因在用X射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡献分享了1915年的诺贝尔物理学奖 A O C B d AC CB d 晶格常数 晶面间距 掠射角 d 2 sin n 光程差 干涉加强条件 布喇格公式 d
10、2 sin n 1 2 布喇格父子认为当能量很高的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 在方向衍射的X光将得到加强 出现了劳厄光斑 该式称布喇格公式 用布喇格公式可以计算晶面距 反之 若已知d 还可以确定X射线的波长 晶体可形成许多不同取向的晶面 X射线经晶面距为d的晶面反射时 凡光程满足 X射线管 激光等离子体 同步辐射 X射线激光 当高强度 1014 1015W cm2 激光脉冲聚焦打在固体靶上时 靶的表面迅速离化形成高温高密度的等离子体 进而发射X射线 它是
11、一种具有足够辐射强度的独立点光源 所用泵浦激光器主要有Nd YAG 钕玻璃等 拥有近70条光束线的美国阿贡实验室同步辐射光源 设计有30个光引出口的英国DIAMOND同步辐射光源 德国DESY 电子同步加速器研究所 自由电子激光器的波荡器 北京自由电子激光装置 X射线的发射谱 产生X射线 测得X射线的波长 X射线的强度 波长连续变化的部分 称为连续谱 它的最小波长和外加电压有关 具有分立波长的谱线 一旦出现 它们的峰值位置完全决定于靶材料 称为特征谱 标识谱 X射线连续谱 轫致辐射 刹车辐射 高速电子与靶原子发生碰撞 在靶原子的库仑场的作用下发生散射并损失能量 从量子的观点看 设入射电子在碰撞
12、前的动能为T 电子和原子核经一次碰撞后的动能为T 相当于从一个连续态到另外一个连续态的跃迁 并辐射一个光子 入射电子经过一次碰撞损失的能量 可以是0到T的任意值 因而得到是连续谱 在轫致辐射过程辐射的强度 1 反比于带电粒子质量的平方2 正比于靶核的质子数 3 正比于带电粒子电荷的四次方 当X射线管所加的电压一定时 连续谱存在一个最短波长 其数值和靶材料无关 只与x射线管上的电压有关 如果入射电子经过一次碰撞损失全部的动能 并转换为辐射光子的能量 1915年 杜安和亨利利用此办法测得普朗克常数 产生条件 仅当电子的能量不超过某一限度时 才只发射连续谱 特征 强度随波长变化 在某一波长处 强度有
13、极值在长波方向强度降落缓慢 在短波方向轻度降落较快 且有明显的极值 最短波长 极小 极小与材料无关 只与加速电压有关 当加速电压增高时 极小减小 产生机制 快速电子射到阳极上 受到阳极中原子核的库仑场作用就会骤然减速 由此伴随产生的辐射称之为轫致辐射 由于电子速度连续变化 所以产生连续谱 X射线连续谱 轫致辐射 刹车辐射 X射线特征谱是巴拉克于1906年发现的 当加速电压大于一定值时 他观察到连续谱上出现一系列分立谱线 其波长与加速电压无关 只和靶材料有关 原因是电子轰击靶核 使靶原子的一个内层电子电离 出现空穴 外层电子向空穴跃迁的能量差导致 按辐射的硬度 贯穿能力 递减的次序用K L M
14、字母标识 在K系列中有含有K K K 等 在L系中也有类似情况 X射线特征谱 X射线特征谱 亨利 莫塞莱HenryGwynJeffreysMoseley 1887年11月23日生于英格兰的Weymouth 卒于1915年土耳其加里波利 英国物理学家 原子序数的发现者 1906年莫塞莱进入牛津大学的三一学院 TrinityCollege Oxford 毕业后与欧内斯特 卢瑟福共同工作于曼彻斯特大学 第一年他主要致力于教学工作 几年后完成教学任务的莫塞莱全力投身于科研 1913年莫塞莱在研究元素的X 射线标识谱时发现 以不同元素材料作为产生X 射线的靶实验时 所产生的特征X 射线的波长不同 他把测
15、得五十多个元素所产生的特征X 射线按波长排列后 发现其次序与元素周期表中的次序一致 他称这个次序为原子序数 原子序数就是原子核的正电荷数 认为元素性质是其原子序数的周期函数 证明了元素的主要特性由其原子序数决定 而不是由原子量决定 确立了原子序数与原子核电荷之间的关系 关于原子序数的发现被称为莫塞莱定律 1914年他离开了曼彻斯特 回到牛津继续他的研究 在第一次世界大战爆发后 他参加了皇家工程师 RoyalEngineers 死于加里波利半岛达达尼尔海峡的加里波利之战 阵亡时年仅27岁 1913年 莫塞莱在测量了铝到金38种元素的光谱之后发现 各元素的x射线的频率的平方根对原子序数成线性关系
16、原子光谱是原子最外层电子跃迁的结果 外层电子组态的周期性决定了元素性质的周期性 X射线是内层电子的跃迁的结果 频率的平方根随Z呈线性关系 见图 说明它受外层电子影响很小 只受原子核的影响 莫塞莱图提供了从实验测定原子序数Z的一种有效方法 历史上正是他首次纠正了27Co 28Ni在周期表的次序 K X射线的频率可写成 玻尔理论 类氢光谱公式 导出 原因 当n 1层中出现空穴时 考虑到电子屏蔽效应 在n 2层中电子感受到的是 Z 1 个正电荷的吸引 所以当n 2层的电子向内层跃迁时发出的辐射频率是 这表明K X射线是内层电子从n 2到n 1跃迁产生的 因子 Z 1 理解为当n 1 K 壳层中一个电子被电离后 n 2 L 壳层电子感受到 Z 1 核电荷库仑作用 它也指出要发射K X射线 必须从n 1壳层事先电离出一个电子成电离状态 其电离能或阈能是从n 1移去一个电子所需的能量 而K X射线的能量是电子从n 1到n 2层的能量差值 入射电子 K壳层中电离的电子 K L M K K 根据泡利原理 发生跃迁的前提n 1壳层中出现空穴 电子n 2态向n 1态跃迁 空穴的存在是产生特征辐射的条件 采
