原子物理学：第六章 X射线

《原子物理学：第六章 X射线》由会员分享，可在线阅读，更多相关《原子物理学：第六章 X射线（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、X射线射线第六章X-ray of Homers head X射线是波长极短的电磁波，它不会被磁场偏转，具有很强的穿透力，而射线是波长极短的电磁波，它不会被磁场偏转，具有很强的穿透力，而且波长越短，穿透力越强。且波长越短，穿透力越强。 0.1nm：软：软X射线射线.Automic Physics 原子物理学原子物理学第六章第六章x 射线射线第一节第一节 x x射线的发现及其波动性射线的发现及其波动性第二节第二节 x x射线的产生机制射线的产生机制第三节第三节 康普顿散射康普顿散射第四节第四节 x x射线的吸收射线的吸收十九世纪末三大发现十九世纪末三大发现 1895年德国的年德国的 Rontgen

2、（伦琴）发现（伦琴）发现X射射线；线；1901年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。 1896年，法国的年，法国的 Becguerel（贝克勒尔）（贝克勒尔）发现了放射性；发现了放射性； 与与Curie夫妇分享夫妇分享1903年诺年诺贝尔奖。贝尔奖。 1897年，英国的年，英国的 Thomson（汤姆逊）发（汤姆逊）发现了电子，现了电子，19061906年诺奖。年诺奖。第一节：第一节：X X射线的发现及其波动性射线的发现及其波动性18951895年年1111月月8 8日傍晚，伦琴在研究阴极射线日傍晚，伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时，为了避免杂光对实验管中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，的

3、影响，他用黑纸板将管子包起来，他用黑纸板将管子包起来，却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰却发现距阴极管一段距离外的一块涂有铂氰酸钡酸钡 结晶物质的屏幕发出了荧光结晶物质的屏幕发出了荧光伦琴马上意识到伦琴马上意识到, ,这可能是一种前所未有的新这可能是一种前所未有的新射线，射线，经检查发现经检查发现,射线来自阴极射线管管壁。射线来自阴极射线管管壁。（1）X射线的发现射线的发现令人惊奇的是令人惊奇的是当用木头等不透明物质挡住这种射线时，当用木头等不透明物质挡住这种射线时，荧光屏仍然发光，荧光屏仍然发光，而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光，而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光，不被电磁场偏

4、转。不被电磁场偏转。经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，的本质，因此赋予它一个神秘的名字因此赋予它一个神秘的名字-X-X射线。射线。18951895年年1212月月2828日，伦琴向德国物理学医学日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于会递交了第一篇关于X X射线的论文，射线的论文，论新的射论新的射线线，并公布了他夫人的，并公布了他夫人的X X射线手骨照片。射线手骨照片。（1）X射线的发现射线的发现Wilhelm K. Roentgen 1895年，发现年，发现X-射线射线,1901年诺贝尔奖年诺贝尔奖伦琴伦琴从小就性格倔强，从不轻易改变自己从

5、小就性格倔强，从不轻易改变自己的主张。品德高尚，对荣誉和金钱极的主张。品德高尚，对荣誉和金钱极为淡漠为淡漠.50岁任沃兹堡大学校长时发现岁任沃兹堡大学校长时发现了了X射线。领取首届诺贝尔物理学奖射线。领取首届诺贝尔物理学奖时，他不仅拒绝在授奖典礼上发表演时，他不仅拒绝在授奖典礼上发表演讲，而且谢绝了各种盛情邀请，将奖讲，而且谢绝了各种盛情邀请，将奖金全部献给沃兹堡大学作为科研费用。金全部献给沃兹堡大学作为科研费用。许多商人想用高价购买射线的专利许多商人想用高价购买射线的专利权，牟取暴利，巴伐利亚的王子甚至权，牟取暴利，巴伐利亚的王子甚至以贵族爵位来笼络伦琴，都被一概予以贵族爵位来笼络伦琴，都被

6、一概予以拒绝。伦琴将射线的专利权毫无以拒绝。伦琴将射线的专利权毫无保留地公诸于世，让它为全人类服务。保留地公诸于世，让它为全人类服务。 1 1）X X射线能使照相底片感光；射线能使照相底片感光； 2 2）X X射线有很大的贯穿本领；射线有很大的贯穿本领； 3 3）X X射线能使某些物质的原子、分子电离；射线能使某些物质的原子、分子电离； 4 4）X X射线是不可见光，它能使某些物质发出射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；可见光的荧光；5 5）X X射线本质上是一种电磁波，同此它具有射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。反射、折射、衍射、偏振等性质。X X射

7、线的性质射线的性质电磁波谱电磁波谱如图，在真空管如图，在真空管 阴极和阳极阴极和阳极之间加高压，阳极选用不同的重金属材料制之间加高压，阳极选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到成，电子打在阳极上便可得到X X射线，其波射线，其波长因高压的不同而异。长因高压的不同而异。当当称称硬硬X X射线；射线；称称软软X X射线。射线。当当(2)X射线管射线管（3）X射线的波性射线的波性（3）X射线的波性射线的波性1.X射线射线折射折射,反射？反射？衍射？衍射？1906，Barkla, 偏振偏振2.在晶体的衍射在晶体的衍射1912, Laue 设想设想W. Friedrich, and P. Kn

8、ipping 实现实现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。（4）X射线的偏振射线的偏振直到1912年，劳厄指出X射线是波长很短的电磁波。他借助晶体天然光栅观察X射线的衍射。证明了X光的波动性。劳厄因研究晶体的X射线获1941年诺贝尔物理奖。（5 5）X X射线的衍射射线的衍射射线的衍射射线的衍射l一箭双雕伟大发现一箭双雕伟大发现: :lX-X-射线具有波动性射线具有波动性 开创光谱学开创光谱学l晶体结构具有周期性晶体结构具有周期性 奠定固体物理基础奠定固体物理基础Laue X-射线衍射的发明射线衍射的发明The Nobel Prize in Ph

9、ysics 1914for his discovery of the diffraction of X-rays by crystals劳厄为人正直，无意于政治活动，劳厄为人正直，无意于政治活动，但当科学研究自由受到威胁时，但当科学研究自由受到威胁时，他总是义正辞严地起来捍卫它。他总是义正辞严地起来捍卫它。劳厄和普朗克在纳粹统治时期为劳厄和普朗克在纳粹统治时期为维护学术尊严和科学自由的行为维护学术尊严和科学自由的行为备受赞扬，称他们是备受赞扬，称他们是真正的人和真正的人和真正的科学家。真正的科学家。1957年法国授予年法国授予劳厄荣誉军团勋章以表彰他劳厄荣誉军团勋章以表彰他捍卫捍卫人的尊严和自

10、由的功绩。人的尊严和自由的功绩。dAB 原理： 利用X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X射线射入晶体，发生衍射时，从任何一晶面上，那些出射方向对平面的倾角与入射线的倾角相等的X射线，满足布拉格公式 n=2dsin n=1、2、. 出射线就会加强。X X射线的衍射原理射线的衍射原理射线的衍射原理射线的衍射原理原子间距由 ,给出，d=0.282nm。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。例如1(g)的NaCl(A=58.5)，其密度=2.163(g/cm3)，所以分子数密度为从而

11、在给定下可确定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v测定强度：由谱线的深浅程度可以测出相对强度。观察观察X射线衍射的两种方法射线衍射的两种方法即怎样才能满足布拉即怎样才能满足布拉格公式？格公式？(a)(a)劳厄法：用连续谱劳厄法：用连续谱的的X X射线照射单晶（这射线照射单晶（这时，相当于时，相当于d d与与定，定，而而任意）任意）(b)(b)德拜法：用单一波德拜法：用单一波长的长的X X射线照射多晶或射线照射多晶或旋转的单晶（这时，旋转的单晶（这时，相当于相当于d d与与定，而定，而任意）任意）劳厄照片劳厄照片LiCu2O2 的劳厄相片的

12、劳厄相片每每个个亮亮点点为为劳劳厄厄斑斑点点,对对应应于于一一组组晶晶面面. 斑斑点点的的位位置置反反映映了了对对应应晶晶面面的的方方向向.由由这这样样一一张张照照片片就就可以推断晶体的结构可以推断晶体的结构(连续谱的连续谱的X射线射线)晶体粉末法晶体粉末法( (单波长的射线单波长的射线) )每一同心园对应一组晶面每一同心园对应一组晶面,不同的园环代表不不同的园环代表不同的晶面阵同的晶面阵,环的强弱反映了晶面上原子的密环的强弱反映了晶面上原子的密度大小度大小Powder diffractionXRDXRD可用来研究高分子的结构可用来研究高分子的结构 DNA resultsPulsed Laue

13、 Pattern from a Protein第二节：第二节：X射线的产生机制射线的产生机制另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的特征，所以称为某种材料的特征，所以称为特征谱特征谱，又叫，又叫标识标识谱谱-它叠加在连续谱上。它叠加在连续谱上。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。 实验表明，实验表明，X射线由两部分构成，一部分射线由两部分构成，一部分波长连续变化，称为波长连续变化，称为连续谱连续谱；X射线的射线的发射谱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同步辐射同步辐射

14、（2 2）连续谱）连续谱轫致辐射轫致辐射1 1、连续谱的特征、连续谱的特征在上述产生在上述产生X X射线的装置中，电子打到阳极射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波长连续变化的光辐射产生，下面材料后，有波长连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。分两点研究辐射的特性。1 1）连续谱与管压的关系（）连续谱与管压的关系（靶不变靶不变）由图可见，由图可见，当阳极材料不当阳极材料不变时，变时， 和和 随管压随管压V V的升高的升高都向短波方向都向短波方向移动。移动。 管压为管压为35KV35KV时，用钼和钨作时，用钼和钨作靶材料时的靶材料时的I I曲线。由图可曲线。由图可见见 与靶无关。与靶无

15、关。是由是由管压管压V V决定决定的。的。2 2）连续谱与阳极材料的关系（）连续谱与阳极材料的关系（电压不变电压不变）连续谱产生的微观机制连续谱产生的微观机制通过上面对连续谱特征的分析，我们很通过上面对连续谱特征的分析，我们很容易想到，连续谱不应该是原子光谱，而应容易想到，连续谱不应该是原子光谱，而应该是电子在靶上减速而产生的。可以想象到，该是电子在靶上减速而产生的。可以想象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度，其速率从同的深度，其速率从 骤减为骤减为0 0，有很大的，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加速运动，必加速度，而伴随着带电粒子的加

16、速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生然有电磁辐射产生，这便是产生X X射线连续射线连续谱的原因，用光子的概念可以对连续谱的产谱的原因，用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。生给出定量的分析。电子在电压电子在电压V V下加速而获得能量并全部转化为辐射下加速而获得能量并全部转化为辐射时时 设电子入射速度设电子入射速度 ，在靶上减速而损失的能，在靶上减速而损失的能量为量为 ；减速过程中的能量差为；减速过程中的能量差为 ，则则根据上面的分析，根据上面的分析， 将以光子的形式向外辐射；将以光子的形式向外辐射；由于由于 是连续变化的，而是连续变化的，而 是一定的，是一定的，所以所以 连续变化连续

17、变化. .即式即式 中，中，是是连续的，作为极限情况，连续的，作为极限情况，则则从而得到从而得到，(1)（1 1）式最早是在实验工作中，从实验数据）式最早是在实验工作中，从实验数据的总结得到的。需要指出的是，解释光电效的总结得到的。需要指出的是，解释光电效应的应的EinsteinEinstein方程是：方程是： 由此得由此得：当金属的逸出功能很小时，近似的有：当金属的逸出功能很小时，近似的有： 这与（这与（1 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 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。第第六六章章 :X射射线线(2)又因为又因为：

18、不同元素不同元素线状状谱的波的波长是不同的，从而成是不同的，从而成为我我们识别某种元素的某种元素的标准，故得名准，故得名为特征特征谱，但是他但是他们的的线系系结构是相似的，都分构是相似的，都分为K,L,M,K,L,M,等等线系；且系；且谱线具有精具有精细结构，构，K K系分系分为特征辐射特征辐射线状谱线状谱它是叠加在连续谱上的分立谱线它是叠加在连续谱上的分立谱线线状谱的特征线状谱的特征L L系分系分为等；等；改变靶物质时，随改变靶物质时，随Z Z的增大，同一线系的线状的增大，同一线系的线状谱波长向短波方向移动，但没有周期性变化；谱波长向短波方向移动，但没有周期性变化；（3 3）特征辐射）特征辐

19、射某元素的特征谱与的化合状态无关；某元素的特征谱与的化合状态无关；对一定的阳极靶材料，产生特征谱的对一定的阳极靶材料，产生特征谱的外界电压有一个临界值。外界电压有一个临界值。2 2. .线状谱产生的机制线状谱产生的机制 通过对上述特点的分析、归纳、总结、我们通过对上述特点的分析、归纳、总结、我们可得到如下几点结论：可得到如下几点结论：1 1）线状谱产生于原子内层电子的跃迁。线状谱产生于原子内层电子的跃迁。2 2）产生线状谱的条件是：产生线状谱的条件是：a a. .在原子的内层能级上有电子空位；在原子的内层能级上有电子空位；b b. .其他壳层上电子向空位跃迁。其他壳层上电子向空位跃迁。 事实上

20、，当外界提供足够大的能量时，使事实上，当外界提供足够大的能量时，使原子内层电子电离，原子内层电子电离， 从而使原子内层出现空从而使原子内层出现空位，外层电子向内层补充，放出的能量便形成位，外层电子向内层补充，放出的能量便形成了了X X射线的特征谱。射线的特征谱。3 3. .定律定律-线状谱的定量计算线状谱的定量计算 1913 1913年，英国物理学家年，英国物理学家MoseleyMoseley通过对不通过对不同元素（不同同元素（不同Z Z）的）的X X射线特征谱加以分析射线特征谱加以分析（共分析了从钴到金的（共分析了从钴到金的3838种元素）种元素）, ,发现一个发现一个规律：规律： 对同一同

21、一线系的某条系的某条谱线来来说，不同元素的，不同元素的X X射射线频率的平方根与原子序数率的平方根与原子序数Z Z成成线性关系，性关系，变即即，比如，比如对线，MoseleyMoseley得到一个得到一个经验公式公式 （1） 事实上，这个公式可以从玻尔理论得到，根事实上，这个公式可以从玻尔理论得到，根据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中属原子中n n能级的状态相似，所以能级的状态相似，所以n n能级的状态能能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：近似用碱金属原子能级公式表示： 式中式中反映了反映了跃迁迁电子之外的子之外的电子子对核的核的

22、总屏蔽屏蔽效效应，即，即跃迁迁电子感受到的有效子感受到的有效电荷是荷是Z-Z-，这样当当n=2n=2上的上的电子向子向n=1n=1跃迁迁产生生线时，我，我们有有 实验表明表明，将其余常数代入得，将其余常数代入得（2）（3）4 4. .线状谱的标记方法线状谱的标记方法前面提到，前面提到，X X射线特征谱分为射线特征谱分为K,L,M,K,L,M,等线等线系，每一系的谱线也分系，每一系的谱线也分:,:,等。但是，能级并不只与主量子数等。但是，能级并不只与主量子数 n n有关。还有关。还与与l,jl,j有关，所以谱线被标记为有关，所以谱线被标记为等。等。第第六六章章 :X射射线线4 4. .线状谱的标

23、记方法线状谱的标记方法前面提到，前面提到，X X射线特征谱分为射线特征谱分为K,L,M,K,L,M,等线等线系，每一系的谱线也分系，每一系的谱线也分:,:,等。但是，能级并不只与主量子数等。但是，能级并不只与主量子数 n n有关。还有关。还与与l,jl,j有关，所以谱线被标记为有关，所以谱线被标记为等。等。5 5、特征谱产生的其它效应、特征谱产生的其它效应5 5、特征谱产生的其它效应、特征谱产生的其它效应1 1）俄歇俄歇(Auger)(Auger)电子电子 当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生发出的能量不产生X X射线，而是将另一层电子电射线

24、，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称离，这样产生的电子称Auger Auger 电子。电子。 比如，比如，L L电子向电子向K K层跃迁所产生能量将层跃迁所产生能量将M M电子电子 电离，则相应的俄歇电子动能满足方程：电离，则相应的俄歇电子动能满足方程：其中其中 分分别是是K K、L L、M M壳壳层中中电子的子的结合能，而合能，而这些能些能量是由元素本性决定的，量是由元素本性决定的，所以所以也是由元素本性决定的，它可以作也是由元素本性决定的，它可以作为元素的元素的特征。特征。 因此因此AugerAuger电子测量可作为分析元素的手段之一。电子测量可作为分析元素的手段之一。、2 2）核激发

25、效应：内层电子间的跃迁，将能量核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，使原子核跃迁到激发态。传给原子核，使原子核跃迁到激发态。以上两个效应，分别是法国物理学家以上两个效应，分别是法国物理学家AugerAuger和和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。所证实。这种过程发生的几率非常的小。这种过程发生的几率非常的小。 电子在同步回旋加速器中，作圆周运动电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产生的辐射。称同步辐射，这实质上是带时产生的辐射。称同步辐射，这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。同步

26、辐射光源在原子分子物理、医学和生命同步辐射光源在原子分子物理、医学和生命科学、材料科学，信息产业以及生态和环境科学、材料科学，信息产业以及生态和环境科学等领域有着广阔的应用前景。科学等领域有着广阔的应用前景。同步辐射的特点同步辐射的特点（1）功率大；（）功率大；（2）能）能谱宽；（谱宽；（3）方向性好。）方向性好。（4 4）同步辐射）同步辐射Advanced Photon Source at Argonne National Laboratory上上海海光光源源上海光源 (Shanghai Synchrotron Radiation Facility)，英文简写为SSRF，是中国重大科学工程，

27、投资逾12亿人民币，2004年12月25日开工，坐落上海张江高科技园区，这是中国迄今为止规模最大的这个科学装置建成后，将对推动中国多学科领域的科技创新和产业升级产生重大作用。上海光源装置由中国科学院和上海市共同出资建设，占地约300亩，2010年1月19日下午在上海顺利通过国家验收。第三节：康普顿散射第三节：康普顿散射 前面我们讨论了前面我们讨论了X X射线波的一面，事实上，射线波的一面，事实上，X X射线还有粒子性的一面，下面射线还有粒子性的一面，下面1 1. .我们将要讨论的是我们将要讨论的是X X射线的粒子性。射线的粒子性。 按照经典理论，光在介质表面反射后按照经典理论，光在介质表面反射

28、后, ,其频率是其频率是不会改变的。不会改变的。 然而康普顿在然而康普顿在X X射线与物质散射的实验里却射线与物质散射的实验里却发现，被散射的发现，被散射的X X射线中，除了与入射射线中，除了与入射X X射线具有射线具有相同波长成分外，还有波长增加的部分出现，且相同波长成分外，还有波长增加的部分出现，且这部分这部分X X射线的波长因散射角的不同而异。射线的波长因散射角的不同而异。 这被称作康普顿效应。这被称作康普顿效应。 它是经典理论所无法解释的。而量子理论可给予它是经典理论所无法解释的。而量子理论可给予圆满的解释。圆满的解释。 光子的描光子的描述述量子的解量子的解释释有关的讨有关的讨论论第第

29、六六章章 :X射射线线第三节：康普顿散射第三节：康普顿散射光子的描光子的描述述量子的解量子的解释释有关的讨有关的讨论论第第六六章章 :X射射线线康普顿康普顿 认为，认为，X X射线在射线在物质表面的散射实际上物质表面的散射实际上是光子与电子的碰撞过是光子与电子的碰撞过程。碰撞中能量和动量程。碰撞中能量和动量守恒。守恒。康普顿散射康普顿散射设入射光子能量为设入射光子能量为hvhv，动量，动量 ，散射光子，散射光子能量为能量为 动量动量 ；初时电子静止，散射后质；初时电子静止，散射后质量量m m，动量，动量则守恒关系为：则守恒关系为：其中其中写成标量式后，上式化为：写成标量式后，上式化为：光子的描

30、光子的描述述量子的解量子的解释释有关的讨有关的讨论论第三节：康普顿散射第三节：康普顿散射由这组方程可解得由这组方程可解得 此式可变为此式可变为 （1）（2）第三节：康普顿散射第三节：康普顿散射光子的描光子的描述述量子的解量子的解释释有关的讨有关的讨论论则散射光子的能量为：则散射光子的能量为： 反冲电子的最大动能反冲电子的最大动能 康普顿解释是否正确，就要看它的结论是否康普顿解释是否正确，就要看它的结论是否与实验吻合。下面我们将对此进行讨论。与实验吻合。下面我们将对此进行讨论。 第三节：康普顿散射第三节：康普顿散射光子的描光子的描述述量子的解量子的解释释有关的讨有关的讨论论反冲电子的动能反冲电子

31、的动能 散射光子的最小能量散射光子的最小能量 1 1. .电子的康普顿波长：电子的康普顿波长：时，得时，得当当康普顿解释的讨论康普顿解释的讨论光子的描光子的描述述量子的解量子的解释释有关的讨有关的讨论论第三节：康普顿散射第三节：康普顿散射这里定义康普顿波长这里定义康普顿波长2 2. .可见可见与与无关，不论无关，不论多少，多少，对实际对实际 ；在给定方向测；在给定方向测量，量，一定，一定，一定；所以一定；所以越小，越小，才越大；才越大；的的X X射线，射线， 而对可见光，而对可见光，很很大大 ，经典理论与实验符合的很好。经典理论与实验符合的很好。很小。很小。 所以通常情况下，观察不到这种波长的

32、改变，所以通常情况下，观察不到这种波长的改变， 由由 是一定的；是一定的；测量来说，有意义的测量是测量来说，有意义的测量是所以只对波长较短的所以只对波长较短的才大到足以被观察的程度。才大到足以被观察的程度。光子的描光子的描述述量子的解量子的解释释有关的讨有关的讨论论第三节：康普顿散射第三节：康普顿散射3 3.E E 与入射光波长密切相关与入射光波长密切相关由于由于第三节：康普顿散射第三节：康普顿散射光子的描光子的描述述量子的解量子的解释释有关的讨有关的讨论论4 4. .在任一方向，相干散射和非相干散射同时存在任一方向，相干散射和非相干散射同时存在在, ,通常定义通常定义的散射为的散射为相干散射

33、相干散射， 否则为否则为非相干散射非相干散射。 第三节：康普顿散射第三节：康普顿散射光子的描光子的描述述量子的解量子的解释释有关的讨有关的讨论论 事实上，大量光子打向原子时，有些光子同内事实上，大量光子打向原子时，有些光子同内层束缚电子发生作用，却不能使其电离，总的效层束缚电子发生作用，却不能使其电离，总的效果是同整个原子发生弹性散射，此时果是同整个原子发生弹性散射，此时表达式变为表达式变为，由于，由于，故，故这便出现了相干散射。这便出现了相干散射。的微观机制是什么呢？的微观机制是什么呢？，5 5. . 康普顿康普顿波长的测量，为我们提供了另一种测量波长的测量，为我们提供了另一种测量Planc

34、kPlanck常数的方法。常数的方法。第三节：康普顿散射第三节：康普顿散射光子的描光子的描述述量子的解量子的解释释有关的讨有关的讨论论第四节：第四节：X X射线的吸收射线的吸收 X X射线通过物质时，我们将射线通过物质时，我们将X X射线称为光子，射线称为光子，则根据光子能量（则根据光子能量（hvhv）的不同，它们物质的相互）的不同，它们物质的相互作用有以下三种情况：作用有以下三种情况： 1、 X射线的光子打在吸收物上，打出电子来，射线的光子打在吸收物上，打出电子来，而光子本身消失了，此即光电效应。对光子来而光子本身消失了，此即光电效应。对光子来说，这是真实吸收。说，这是真实吸收。 2、 X射

35、线通过物质后，波长和能量发生改射线通过物质后，波长和能量发生改变，此称康普顿效应。变，此称康普顿效应。X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限 光子能光子能hvhv大于电子静止质量的两倍时大于电子静止质量的两倍时（1.02Mev1.02Mev），光子在原子核场附近将转化为一对），光子在原子核场附近将转化为一对正、负电子。这被称作正、负电子。这被称作电子偶效应电子偶效应；3、以上三种效应不光与光子的以上三种效应不光与光子的能量能量有关，还与靶有关，还与靶的的原子序数原子序数有关。有关。第四节：第四节：X X射线的吸收射线的吸收X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计

36、算吸收限吸收限1 1. .强度表达式强度表达式可见强度可见强度I(x)I(x)随随厚度厚度x x指数衰减指数衰减。设一束设一束X X射线，射向吸收体前强度是射线，射向吸收体前强度是，通过厚度为通过厚度为dxdx的吸收体后，强度增量为的吸收体后，强度增量为dIdI，减少量减少量-dI-dI将正比于将正比于dxdx和通过和通过dxdx时的强度时的强度I I，若取比例系数为若取比例系数为，则则-dI=I-dI=I（x x）dxdx两边积分得两边积分得(1)X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限第四节：第四节：X X射线的吸收射线的吸收（1 1）线性吸收系数）线性吸收系数称其为

37、线性吸收系数。通常定义称其为线性吸收系数。通常定义时的时的x x为吸收长度，即吸收长度为吸收长度，即吸收长度它表示透射粒子占入射粒子它表示透射粒子占入射粒子I/II/I0 0=e=e-1-1时吸收体的厚时吸收体的厚度。度。2 2. .关于吸收系数的讨论关于吸收系数的讨论(1)式中，式中，x单位单位:cm，单位：单位：；，第四节：第四节：X X射线的吸收射线的吸收X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限为了使吸收系数的数值不依赖于吸收体的物为了使吸收系数的数值不依赖于吸收体的物理状态（汽、液、固），定义质量吸收系数理状态（汽、液、固），定义质量吸收系数, ,其中其中是吸收体

38、密度。是吸收体密度。 式中式中称为质量厚度，单位是称为质量厚度，单位是，称为质量吸收系数，单位为称为质量吸收系数，单位为（2）质量吸收系数质量吸收系数则（则（1 1）式化为：）式化为：第四节：第四节：X X射线的吸收射线的吸收X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限 由前面的讨论可知，由前面的讨论可知，X X射线同物质的作用有三射线同物质的作用有三种，有些情况下，三种效应都是存在的。所以定种，有些情况下，三种效应都是存在的。所以定义一个总吸收系数，它是三种效应的叠加，即：义一个总吸收系数，它是三种效应的叠加，即：（3 3）总吸收系数）总吸收系数第四节：第四节：X X射线的

39、吸收射线的吸收X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限第四节：第四节：X X射线的吸收射线的吸收X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限 在在E E图中，在某一个能量图中，在某一个能量E E处，处，发声突发声突变，称之为吸收限。变，称之为吸收限。1.1.吸收限吸收限 X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限第四节：第四节：X X射线的吸收射线的吸收产生吸收限的原因是：产生吸收限的原因是： 当当X射线的能量恰能将吸收体某一内层射线的能量恰能将吸收体某一内层电子电离，从而引起原子的共振吸收。电子电离，从而引起原子的共振吸收。X射线与

40、射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限第四节：第四节：X X射线的吸收射线的吸收 应用应用1 1：运用：运用“通带通带”过滤片，选通某些光过滤片，选通某些光强的强的X X射线射线. . 原理：原理：K-X射线的阈能就是从射线的阈能就是从n=1壳层移壳层移去一个电子所需的能量，而去一个电子所需的能量，而K-X射线的能量是射线的能量是从从n=1到到n=2,3,4各层的能量差。因此，产各层的能量差。因此，产生生K -X射线的阈能总要大于该元素本身射线的阈能总要大于该元素本身K-X射射线的能量。而某物质的线的能量。而某物质的K-X线的阈能正是该物线的阈能正是该物质质E图上图上K吸收限的

41、能量吸收限的能量 因此因此 ，该物质的，该物质的K-XK-X射线的能量位置，必定射线的能量位置，必定在在K K吸收限的左边，并且靠近吸收限的附近。吸收限的左边，并且靠近吸收限的附近。根根据这个原理，我们用该据这个原理，我们用该 元素成一个薄片，元素成一个薄片， 放放在在X射线的光路上，就可以使射线的光路上，就可以使K-X线顺利通过，线顺利通过，而其它频率成分被大量吸收，从而起到选通某而其它频率成分被大量吸收，从而起到选通某些频率些频率X射线的作用。射线的作用。第四节：第四节：X X射线的吸收射线的吸收X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限2.2.吸收限的应用吸收限的应用

42、 黄铜是铜和锌的混合物，当射线打到黄铜上时，黄铜是铜和锌的混合物，当射线打到黄铜上时，会同时出现会同时出现CuCu和和ZnZn的特征的特征 射线，两者相差不射线，两者相差不大，我们可以用镍做成过滤片，大，我们可以用镍做成过滤片，由于由于(Cu)的能的能量比镍的吸收限低，所以可以顺利通过，而量比镍的吸收限低，所以可以顺利通过，而(Zn)的能量比它高，将会被吸收。的能量比它高，将会被吸收。 第四节：第四节：X X射线的吸收射线的吸收X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限应用应用2.应用应用3.在心血管造影术上的应用在心血管造影术上的应用 心血管阻塞是严重的心血管病变，治疗的

43、心血管阻塞是严重的心血管病变，治疗的第一步是查出阻塞的地点。常用的方法是心血第一步是查出阻塞的地点。常用的方法是心血管造影。管造影。 在血管中注入造影剂碘（在血管中注入造影剂碘（ ）；）；I I对对X X射线射线吸收要比肌肉、骨骼对吸收要比肌肉、骨骼对X X射线吸收强得多。射线吸收强得多。因此，在因此，在X光照射下，哪里血管有阻塞，光照射下，哪里血管有阻塞，I无法达到，无法达到，哪里就能被显示出来。哪里就能被显示出来。它的原理是：它的原理是：第四节：第四节：X X射线的吸收射线的吸收X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限 但这种方法要求有较大浓度才能造影，但这种方法要求

44、有较大浓度才能造影， 所所以早期是将很细的导管插入人体股动脉，在导管以早期是将很细的导管插入人体股动脉，在导管中注入碘再造影，病人痛苦而且有一定危险。中注入碘再造影，病人痛苦而且有一定危险。 新的造影术利用碘的新的造影术利用碘的K吸收限，在碘的浓度吸收限，在碘的浓度不是很大时，用两种能量不是很大时，用两种能量 的的X射线分别造影；射线分别造影； 分别在分别在K吸收限的上下端，相差很小，则吸收限的上下端，相差很小，则 吸吸收系数很小，收系数很小， 吸收系数很大，对两次造影的吸收系数很大，对两次造影的进进行数值处理并相减，以消除肌肉和骨骼的影响行数值处理并相减，以消除肌肉和骨骼的影响。第四节：第四

45、节：X X射线的吸收射线的吸收X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限 两次造影时，肌肉、骨两次造影时，肌肉、骨骼对的贡献是几乎相同的。骼对的贡献是几乎相同的。剩下的仅是碘对剩下的仅是碘对射线吸收射线吸收的贡献。如果某一个部位两的贡献。如果某一个部位两次造影值相减后几乎为零，次造影值相减后几乎为零，说明没有碘的贡献，这就很说明没有碘的贡献，这就很容易查出血管阻塞处。容易查出血管阻塞处。 采用这种方法，碘通过静脉注入血管，在采用这种方法，碘通过静脉注入血管，在全身扩散后，尽管浓度不大，也能达到很好的全身扩散后，尽管浓度不大，也能达到很好的造影效果。造影效果。第四节：第四节：X X射线的吸收射线的吸收X射线与射线与物质的作物质的作用用定量计算定量计算吸收限吸收限第六章第六章 : X射线射线本章作业：本章作业：1、2、3、5、6、7、8、14