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1、第六章第六章 X射线射线6.1. X6.1. X射线的发现及其波动性射线的发现及其波动性 6.26.2. X X射线的产生的机制射线的产生的机制 6.3. 6.3. 康普顿散射康普顿散射 6.4. 6.4. X X射线的吸收射线的吸收6.1. X6.1. X射线的发现及其波性射线的发现及其波性 X X射线的发现射线的发现 X X射线管射线管 X X射线的波性射线的波性 X X射线的偏振射线的偏振 X X射线的衍射射线的衍射6.1.1.X6.1.1.X射线的发现射线的发现(1)(1) l895年德国物理学家年德国物理学家伦琴伦琴在作在作阴极射线管阴极射线管 (X X射线管射线管) )中气体放电的
2、实验研究时，偶中气体放电的实验研究时，偶 然发现了有一种使荧光屏上有微弱的荧光然发现了有一种使荧光屏上有微弱的荧光 产生的产生的看不见的射线看不见的射线 沿直线传播沿直线传播 穿透性强穿透性强(不被物质反射和折射不被物质反射和折射) 不被电磁场偏转不被电磁场偏转 他把这种未知射线称为他把这种未知射线称为 x 射线射线6.1.1.X6.1.1.X射线的发现射线的发现(2)(2) 后来人们认识到：后来人们认识到： x 射线是一种高能光子射线是一种高能光子穿透性很强穿透性很强 x 射线是波长很短的电磁波：射线是波长很短的电磁波： 波长波长: :0.001nm 1 nm 软软x x射线射线: 波长大于
3、波长大于0.1nm 硬硬x x射线射线: :波长小于波长小于0.1nm6.1.2.X6.1.2.X射线管射线管(1)(1)X射线管射线管X 射线射线电子电子真空管真空管KAA-阳极阳极(靶靶)K-阴极阴极K由钨丝制成由钨丝制成,当钨当钨 丝丝通电加热通电加热时产生时产生 热电子热电子。热电子受。热电子受 A、K 之间电场之间电场的的 作用作用高速撞击阳极高速撞击阳极 A，发射出发射出X射线射线 。6.1.3.X6.1.3.X射线的波性射线的波性(1)(1) 加速带电加速带电粒子粒子辐射辐射电磁波电磁波 X X射线管中射线管中, ,高速高速电子电子在靶上突然停止在靶上突然停止 辐射电磁波辐射电磁
4、波 X射线射线电磁波电磁波 波动性波动性的显示的显示 偏振偏振, ,衍射衍射6.1.3.X6.1.3.X射线的偏振射线的偏振(1)(1) 横波横波: :振动方向与传播方向振动方向与传播方向k垂直的波垂直的波 电磁波是电磁波是横波横波, ,电矢量电矢量E垂直垂直k 横波才有横波才有偏振偏振 线偏振光线偏振光:电矢量电矢量E振动恒定在一个方向振动恒定在一个方向 圆偏振光圆偏振光: E在在垂直垂直k的平面内作圆周运动的平面内作圆周运动 X X射线的偏振射线的偏振6.1.3.X6.1.3.X射线的偏振射线的偏振(2)(2)双散射实验双散射实验无偏振的无偏振的X X射线射线, ,z方向入射方向入射散射体
5、散射体; 若若X射线为横波射线为横波, ,振振 动沿动沿x, y方向方向; ;散射体散射的波散射体散射的波沿沿x, y方向振动方向振动, ,x方向方向只只 传播传播y方向振动方向振动的波的波; ;经经第二第二散射体散射散射体散射的波的波 沿沿y方向方向 振动振动, z方向强度最大方向强度最大, ,y方向强度最小方向强度最小6.1.4.X6.1.4.X射线的衍射射线的衍射(1)(1) 电磁波通过狭缝电磁波通过狭缝衍射衍射 要求波长要求波长与与狭缝的大小同数量级狭缝的大小同数量级 X X射线射线波长波长 数量级数量级: :0.1nm 0.1nm的的狭缝狭缝难以制造难以制造 晶体晶体: 原子原子(格
6、点格点)有规则排列的结构有规则排列的结构 晶格常数晶格常数d : 相邻格点的距离相邻格点的距离 晶格常数晶格常数d的的数量级与数量级与X X射线波长射线波长 数量级数量级相同相同 晶体是晶体是X射线的天然三维光栅射线的天然三维光栅6.1.4.X6.1.4.X射线的衍射射线的衍射(2)(2) 晶面晶面:晶体中有规则排列的晶体中有规则排列的格点形成的平面格点形成的平面不同族平面有不同族平面有 不同晶格常数不同晶格常数格点形成很格点形成很 多族多族不同方不同方 向的平面向的平面6.1.4.X6.1.4.X射线的衍射射线的衍射(3)(3)X X射线射线晶体晶体衍射的研究方法衍射的研究方法 1. 点间干
7、涉点间干涉: 处理处理一个一个晶面晶面各个格点的干涉各个格点的干涉 2. 面间干涉面间干涉: 处理一族处理一族晶面中晶面中不同不同晶面晶面之间之间 的干涉的干涉 点间干涉点间干涉:一个一个晶面中各个格点的干涉晶面中各个格点的干涉 可以证明可以证明: 一个一个晶面内晶面内二维点阵的零级主极大方向为维点阵的零级主极大方向为 以晶面为镜面的反射线方向以晶面为镜面的反射线方向(入射角等于入射角等于 反射角反射角)6.1.4.X6.1.4.X射线的衍射射线的衍射(4)(4) 面间干涉面间干涉:X X射线在一族晶面之间的射线在一族晶面之间的干涉干涉(1)(1)布喇格面布喇格面: X X 射线射线入射角入射
8、角 等于出射角等于出射角 的的一组晶面一组晶面假设晶面为假设晶面为 布喇格面布喇格面6.1.4.X6.1.4.X射线的衍射射线的衍射(5)(5) 面间干涉面间干涉:X X射线在一族晶面之间的射线在一族晶面之间的干涉干涉(2)(2) 任意两相邻光之间的光程差为任意两相邻光之间的光程差为面间面间干涉干涉加强加强( (主极强主极强) )条件条件22sinsin2 sinMPP Nddd2 sin(1,2,3,)dnnL布喇格公式布喇格公式6.1.4.X6.1.4.X射线的衍射射线的衍射(6)(6) 给定给定X X射线射线入射方向入射方向,波长波长 ; 给定给定晶体晶体 一组布拉格方程一组布拉格方程
9、给定给定晶体晶体多族多族不同方向的不同方向的晶晶面面 一族一族晶晶面面(布喇格面布喇格面)一个一个布喇格方程布喇格方程1112sindn2222sindn3332sindn6.1.4.X6.1.4.X射线的衍射射线的衍射(7)(7) 在在入射方向入射方向、入射波长入射波长和和晶体取向晶体取向给定后一给定后一 般情形下般情形下可能可能根本就根本就没有没有主极强主极强 给定入射方向给定入射方向、晶体取向晶体取向 , d 对任意对任意 , , 可能不满足可能不满足 可以证明可以证明,在任意方向在任意方向 测得测得主极强主极强 对应一对应一 族族布喇格面布喇格面 布喇格公式一定被满足布喇格公式一定被满
10、足2 sindn2222sindn6.1.4.X6.1.4.X射线的衍射射线的衍射(8)(8) X X射线衍射的应用射线衍射的应用已知已知, 可测可测 d X X射线晶体结构分析射线晶体结构分析 研究研究晶体结构、材料性质晶体结构、材料性质已知已知, d 可测可测 X X射线光谱分析射线光谱分析 研究研究原子结构原子结构2 sindn晶体晶体X射线射线6.1.4.6.1.4.X射线的衍射射线的衍射(9)(9) 实际观察实际观察X射线衍射的作法射线衍射的作法(1)(1) 劳厄法劳厄法：使用波长连续的使用波长连续的X射线射线照射晶体照射晶体 给定给定晶体取向晶体取向,不不限定限定波长波长 每个每个
11、晶晶面组的面组的布喇格布喇格方程可以满足方程可以满足 得到所有晶面族反射的主极大。每个主极大得到所有晶面族反射的主极大。每个主极大 对应一个亮斑对应一个亮斑2 sindn可定晶可定晶 面方向面方向晶体晶体X射线射线6.1.4.6.1.4.X射线的衍射射线的衍射(10)(10) 实际观察实际观察X射线衍射的作法射线衍射的作法(2)(2) 粉末法粉末法：用确定波长的用确定波长的X射线入射射线入射到到多晶粉末多晶粉末上上 给定给定波长波长,不不限定限定晶体取向晶体取向 大量无规的晶面取向，总可使布喇格条件满足大量无规的晶面取向，总可使布喇格条件满足 实验布局对称性实验布局对称性 得到系列同心圆环得到
12、系列同心圆环. .每个每个同心圆环同心圆环一族一族晶面晶面2 sindn可定晶可定晶 格常数格常数6.26.2. X射线的产生的机制射线的产生的机制 X X射线的发射谱射线的发射谱 连续谱连续谱-轫致辐射轫致辐射 特征辐射特征辐射( (标识辐射标识辐射) )-电子内壳层跃电子内壳层跃 迁迁 特征辐射的标记方法特征辐射的标记方法 俄歇电子俄歇电子 同步辐射同步辐射6.2.1.6.2.1.X射线的发射谱射线的发射谱(1)(1) X射线发射谱射线发射谱: : X射线的波长与强度的关系图射线的波长与强度的关系图 X射线谱的构成射线谱的构成(1)(1)连续谱连续谱:波长连波长连 续变化部分续变化部分.
13、.其其 最短波长只与最短波长只与 外加电压有关外加电压有关6.2.1.6.2.1.X射线的发射谱射线的发射谱(2)(2) X射线谱的构成射线谱的构成(2)(2)特征谱特征谱或或标识谱标识谱: : 分立谱线部分分立谱线部分. .或或 出现出现, ,或不出现或不出现. . 一旦出现一旦出现特征峰特征峰 所对应的波长只所对应的波长只 与靶材本身有关与靶材本身有关6.2.2.6.2.2.连续谱连续谱-轫致辐射轫致辐射(1)(1)轫致辐射轫致辐射 带电粒子在加带电粒子在加( (减减) )速速电磁波辐射电磁波辐射 连续谱形成连续谱形成 X射线管中射线管中, ,电子进入靶内电子进入靶内, ,在靶核的库仑场在
14、靶核的库仑场 作用下作用下, ,骤然减速骤然减速, ,速度连续减小速度连续减小, ,发射出波发射出波 长连续的长连续的X射线射线. . 连续谱的连续谱的最短波长最短波长与阳极的材料无关与阳极的材料无关: 由于由于X射线只是电子有加速度而辐射产生射线只是电子有加速度而辐射产生6.2.2.6.2.2.连续谱连续谱-轫致辐射轫致辐射(2)(2) 连续谱有一个连续谱有一个最小波长最小波长 min, 它它仅与加速电压仅与加速电压 V有关有关:量子量子 解释解释一个电子在电场中得到动能一个电子在电场中得到动能eV，当它到达靶核时动能，当它到达靶核时动能 全部转化为辐射能，由此发出的光波长最短全部转化为辐射
15、能，由此发出的光波长最短.上式最早是在实验工作中，从实验数据的总结得到的。上式最早是在实验工作中，从实验数据的总结得到的。6.2.2.6.2.2.连续谱连续谱-轫致辐射轫致辐射(3)(3) 电子在电场电子在电场V中加速中加速, 获得动能获得动能eV 动能动能eV全部转化为辐射的光子能量时全部转化为辐射的光子能量时,对应对应最最 小波长小波长 minminmax min1.124nm( V)chcEekhhVV与实验一致与实验一致 min的存在是量子论正确性的又一例证。的存在是量子论正确性的又一例证。测普朗克常数测普朗克常数 h需要指出的是需要指出的是，解释光电效应的解释光电效应的Einstein方程是：方程是：逸Wmvh2 21当金属的逸出功很小时，近似的有：当金属的逸出功很小时，近似的有：这与这与(1)式在形式上是完全相同的。式在形式上是完全相同的。因此，因此，X射线连续谱可称为光电效应的射线连续谱可称为光电效应的逆效应逆效应。2 21mvh6.2.2.6.2.2.连续谱连续谱-轫致辐射轫致辐射(4)(4)1、产生条件产生条件: 当电子的能量当电子的能量(加速电压加速电压) 超过某一临界超
