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1、第8章 x射线8.1 X射线的发现及其波性8.3 康普顿效应X射线的发射谱 8.2教学内容8.4 X射线的吸收8.5 X射线的应用第八章 X射线第8章 x射线教学要求（1）了解）了解X射线发现的实验事实、产生方法，掌握射线发现的实验事实、产生方法，掌握X射线的射线的连续谱与标识谱的特征和产生的机制，解释同连续谱与标识谱的特征和产生的机制，解释同X射线有关射线有关的原子能级产生的原因。的原子能级产生的原因。（2）了了解解X射射线线的的吸吸收收的的规规律律，掌掌握握康康普普顿顿散散射射，理理解解光光子子与与物物质质的的相相互互作作用用，了了解解同同步步辐辐射射装装置置的的原原理理与与应应用。用。（
2、3）了解）了解X射线在晶体中的衍射的规律。射线在晶体中的衍射的规律。第8章 x射线3重点重点 X射线连续谱与标识谱及产生机制射线连续谱与标识谱及产生机制莫色勒定律莫色勒定律康普顿散射康普顿散射 4难点难点 X射线的连续谱与标识谱产射线的连续谱与标识谱产生机制生机制莫色勒定律莫色勒定律康普顿散射康普顿散射第8章 x射线 8.1 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性一、电磁波谱一、电磁波谱二、二、X X射线的发现射线的发现三、三、X X射线的衍射射线的衍射四、四、X X射线的偏振射线的偏振第8章 x射线光学光谱光学光谱:原子受激发原子受激发,价电子跃迁所获得的谱。价电子跃迁所获得的谱。(从红外线
3、从红外线-可见光可见光-紫外线：紫外线：10-310-9米）米）一、电磁波谱一、电磁波谱:原子光谱原子光谱X射线光谱：原子内壳层电子跃迁所获得的谱。射线光谱：原子内壳层电子跃迁所获得的谱。第8章 x射线二、二、X射线的发现射线的发现 克鲁克斯设计了高真空的阴极射线管，后人称克鲁克鲁克斯设计了高真空的阴极射线管，后人称克鲁克斯管。克斯管。1879年他证明了阴极射线是带电的粒子流（后年他证明了阴极射线是带电的粒子流（后汤姆孙进一步确认为是电子）。他还同时抱怨阴极射线汤姆孙进一步确认为是电子）。他还同时抱怨阴极射线管附近使照片发生莫名其妙的感光一事。管附近使照片发生莫名其妙的感光一事。1895年，年
4、，伦琴伦琴用黑纸把阴极射线管包起来，发现用黑纸把阴极射线管包起来，发现1m远处的荧光屏上远处的荧光屏上发出微弱的荧光，甚至将屏移出发出微弱的荧光，甚至将屏移出2m之外还有荧光出现。之外还有荧光出现。经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，因经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，因此赋予它一个神秘的名字此赋予它一个神秘的名字-X射线射线。1.X射线的发现射线的发现第8章 x射线 该照片在医学上具有划时代意义。该照片在医学上具有划时代意义。1895年年12月月28日，伦日，伦琴宣读了琴宣读了论新的射线论新的射线；1901年获第一个诺贝尔物理奖。年获第一个诺贝尔物理奖。第8章 x射线性
5、质：穿透性很强；性质：穿透性很强；对动植物组织有刺激作用。对动植物组织有刺激作用。本质：本质：X射线具有光所具有的一切性质：反射，折射线具有光所具有的一切性质：反射，折 射，射，偏振等，所以偏振等，所以X射线从本质上来说是一种电磁波但其波长比射线从本质上来说是一种电磁波但其波长比通常的光波要短的多。通常的光波要短的多。X射线的波长范围在射线的波长范围在0.001nm到到1nm或更长一点。或更长一点。当当 称称硬硬X射线射线；称称软软X射线射线。使气体电离；使气体电离；使照相底片爆光；使照相底片爆光；X射线的产生射线的产生:X射线由射线由X射线管射线管产生。产生。使荧光屏发出荧光；使荧光屏发出荧
6、光；第8章 x射线阴极电子真空管X射线图图 X 射线管示意图射线管示意图第8章 x射线三、三、X射线的衍射射线的衍射 直到直到1912年，劳厄指出年，劳厄指出X射线是波长很短的电磁波。他射线是波长很短的电磁波。他借助晶体天然光栅观察借助晶体天然光栅观察X射线的衍射。证明了射线的衍射。证明了X光的波动光的波动性。劳厄因研究晶体的性。劳厄因研究晶体的X射线获射线获1941年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。第8章 x射线X原理：利用原理：利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长，晶射线在晶体的衍射可以测定它的波长，晶体作为立体光栅，一束体作为立体光栅，一束X射线射入晶体，发生衍射时，射线射入晶体，发生衍
7、射时，从任何一晶面上，那些出射方向对平面的倾角与入射线从任何一晶面上，那些出射方向对平面的倾角与入射线的倾角相等的的倾角相等的X射线，满足射线，满足布拉格公式布拉格公式 n=2dsin n=1、2、.出射线就会加强。出射线就会加强。已知晶格常数已知晶格常数d，测出，测出 值及其对应的值及其对应的n值，代值，代入布拉格公式，求出入布拉格公式，求出。第8章 x射线在在 方向衍射的方向衍射的X光将得到加强。该式称光将得到加强。该式称布喇格公式布喇格公式。用布。用布喇格公式可以计算晶面距。反之，若已知喇格公式可以计算晶面距。反之，若已知d，还可以确定还可以确定X射线的波长。射线的波长。晶体可形成许多不
8、同取向的晶面。晶体可形成许多不同取向的晶面。X射线经晶面距射线经晶面距为为d的晶面反射时，凡光程满足的晶面反射时，凡光程满足v测定强度：由谱线的深浅程度可以测出相对强度。测定强度：由谱线的深浅程度可以测出相对强度。第8章 x射线Na离子Cl离子NaCl晶体结构例如例如1(g)的的NaCl(A=58.5)，其密度，其密度=2.163(g/cm=2.163(g/cm3 3)，所以分，所以分子数密度为子数密度为d原子间距由原子间距由给出，给出，d=0.282nm。从而在给定从而在给定下可确定下可确定X射线的波长射线的波长。第8章 x射线S1S2AA1OCPX射线摄谱仪示意图第8章 x射线X射线在晶体
9、中的衍射结果射线在晶体中的衍射结果1）.劳厄相片法劳厄相片法劳厄等人，劳厄等人，1912年使用连续波长的年使用连续波长的X射线对单晶做了衍射射线对单晶做了衍射实验。实验。劳厄斑点对应晶面，劳厄斑点对应晶面，位置反应晶面的方位置反应晶面的方向。向。第8章 x射线2）.多晶粉末法多晶粉末法德拜等人，德拜等人，1916年发明了多晶粉末法。年发明了多晶粉末法。一个同心圆环对应一个同心圆环对应一组晶面，环的强一组晶面，环的强弱反映晶面上原子弱反映晶面上原子的密度。的密度。第8章 x射线X射线的发射谱射线的发射谱 8.2一、一、X射线发射光谱的测量射线发射光谱的测量二、二、X射线连续光谱射线连续光谱三、三
10、、X射线的特征谱射线的特征谱 (标识谱标识谱)五、关于五、关于x射线的原子能级和能级跃迁图射线的原子能级和能级跃迁图四、莫塞莱定律四、莫塞莱定律第8章 x射线一、一、X射线发射光谱的测量射线发射光谱的测量X射线发射光谱射线发射光谱X X射线谱由两部分组成：波长连续变化的射线谱由两部分组成：波长连续变化的连续谱连续谱和和由分立谱组成的由分立谱组成的特征谱特征谱或称或称标识谱标识谱。X射线连续光谱射线连续光谱 两类两类 X射线的特征谱射线的特征谱 (标识谱标识谱)第8章 x射线X射线发射谱（a）钨靶，不同的外加电压；（b）钨靶和钼靶，固定的外加电压第8章 x射线3.产生机制产生机制:快速电子射到阳
11、极上快速电子射到阳极上,受到阳极中原子核的库受到阳极中原子核的库 仑场作用就会骤然减速仑场作用就会骤然减速;由此伴随产生的辐射由此伴随产生的辐射 称称之为之为轫致辐射轫致辐射。二、二、X射线连续谱射线连续谱 1.产生条件产生条件:仅当电子的能量不超过某一限度时仅当电子的能量不超过某一限度时,才只发才只发 射连续谱。射连续谱。2.特特 征征:强度随波长变化强度随波长变化,在某一波长处在某一波长处,强度有极值强度有极值 在长波方面强度降落缓慢在长波方面强度降落缓慢,在短波方面强度降在短波方面强度降 落较快落较快,且有明显的极值，最短波长且有明显的极值，最短波长 极小极小。极小与材料无关极小与材料无
12、关,只与加速电压有关只与加速电压有关,当当加加 速电压增高时速电压增高时 极小极小减小减小。由于电子速度连续变化，所以产生由于电子速度连续变化，所以产生连续谱连续谱。第8章 x射线 连续谱的能量来自电子动能连续谱的能量来自电子动能,因而因而 极小极小 与阳极材料无关。与阳极材料无关。由能量守恒由能量守恒:1/2 mv2=eV=hc/+消耗在靶上的热能消耗在靶上的热能通常通常:eV=h =hc/（为转化为光子能量的比例系数为转化为光子能量的比例系数)当当 =1,eV=hc/极小极小 =0,eV=h =00 1 eV =hc/连续变化连续变化 是连续变化是连续变化它是加速电子全部动能转换成辐射能所
13、对应的波长。它是加速电子全部动能转换成辐射能所对应的波长。第8章 x射线电子离子光子图 轫致辐射第8章 x射线三、三、X X射线的特征（标识）谱射线的特征（标识）谱 X射线特征谱是巴拉克于射线特征谱是巴拉克于1906年发现的。他观察到连续年发现的。他观察到连续谱上出现一系列分立谱线，并用谱上出现一系列分立谱线，并用K、L、M字母标识，因字母标识，因特征谱的发现使他获特征谱的发现使他获1917年的诺贝尔物理奖。年的诺贝尔物理奖。1913年莫塞莱年莫塞莱测量了从测量了从Al到到Au共共38种元素的种元素的X射线，发现各元素发射射线，发现各元素发射X射射线波数的平方根与原子序数成线性关系。线波数的平
14、方根与原子序数成线性关系。第8章 x射线 每种元素都有一每种元素都有一 特定的波长的线状光谱特定的波长的线状光谱,即即特征特征X射线谱成为这种元素的标志射线谱成为这种元素的标志。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)超过某一临界超过某一临界 值时值时,除有连续谱外除有连续谱外,还在连续谱的背景还在连续谱的背景 上迭加一些线状谱。上迭加一些线状谱。2.特特 征征:线状谱的位置和结构与阳极材料有关线状谱的位置和结构与阳极材料有关,即不同元素的阳极材料发射的线状光谱即不同元素的阳极材料发射的线状光谱 虽有相似结构虽有相似结构,但波长不同但波长不同,按原子序数顺按原子序数顺
15、 序排列时序排列时,波长依次变化波长依次变化,不显示周期性变不显示周期性变 化。化。第8章 x射线 产生机制产生机制:从阴极发出的高速电子打到阳极上从阴极发出的高速电子打到阳极上,由于电子能量很由于电子能量很高高,它能它能深入到原子的内层深入到原子的内层,将内壳层电子之一击出原子将内壳层电子之一击出原子之外之外,使原子电离使原子电离,并在内壳层出现一个空穴并在内壳层出现一个空穴,当邻近内壳当邻近内壳层的电子跃迁到这个空穴时层的电子跃迁到这个空穴时,就发射出波长很短的就发射出波长很短的 X 射线，射线，由于内壳层能级分立，所以产生由于内壳层能级分立，所以产生X 射线的线状谱，原子序射线的线状谱，
16、原子序数较大的元素，内壳层能级间隔就越大，发出的数较大的元素，内壳层能级间隔就越大，发出的X 射线的射线的光子能量高，波长就短，所以波长依次变化，不具有周光子能量高，波长就短，所以波长依次变化，不具有周期性。期性。第8章 x射线 当内层当内层(如如K层层)电子被电离出现空穴后，上层电子向下电子被电离出现空穴后，上层电子向下跃迁时，跃迁时，除除以辐射以辐射X射线形式外射线形式外，还可以还可以将跃迁释放的能将跃迁释放的能量量电离更高层的电子电离更高层的电子发射发射俄歇电子俄歇电子，或者或者将跃迁释放的将跃迁释放的能量传给原子核，能量传给原子核，使原子核处于激发态使原子核处于激发态。若用。若用K KL LM M分分别表示别表示K、L、M层电子的结合能层电子的结合能(对应电离能；吸收限对应电离能；吸收限)。一般轻元素发射俄歇电子几率较大，重元素发射一般轻元素发射俄歇电子几率较大，重元素发射X射线射线的几率较大。的几率较大。当当L层电子向层电子向K层层(空穴空穴)跃迁时，使跃迁时，使M层电子电离，发射的俄层电子电离，发射的俄歇电子的动能为歇电子的动能为当当L层电子向层电子向K层层(空穴空穴)跃迁
