X射線的發(fā)現(xiàn)及特性

1、第八章第八章X X射線射線 一、一、X X射線的發(fā)現(xiàn)及特性射線的發(fā)現(xiàn)及特性（一）（一） X X射線的發(fā)現(xiàn)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(huì)被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，具有很強(qiáng)的穿透力，而且波長越短，穿透力越強(qiáng)。0.1nm：軟X射線。（二）若（二）若X X射線的波動(dòng)性和粒子性射線的波動(dòng)性和粒子性波動(dòng)性波動(dòng)性 X X射線在晶體的衍射射線在晶體的衍射. .布喇格公式布喇格公式2 sin ,12ndn， ， ， 2. .勞厄照片勞厄照片 每個(gè)亮點(diǎn)為勞厄斑點(diǎn)每個(gè)亮點(diǎn)為勞厄斑點(diǎn), ,對(duì)應(yīng)于一組晶面對(duì)應(yīng)于一組晶面. . 斑點(diǎn)的斑點(diǎn)的位置反映了對(duì)應(yīng)晶面的方位置反映了對(duì)應(yīng)晶面的方向向.

2、由這樣一張照片就可由這樣一張照片就可以推斷晶體的結(jié)構(gòu)以推斷晶體的結(jié)構(gòu)( (連續(xù)譜連續(xù)譜的的X X射線射線) )3 3晶體粉末法晶體粉末法( (單波長的射線單波長的射線) ) 每一同心園對(duì)應(yīng)一組晶面每一同心園對(duì)應(yīng)一組晶面, ,不同的園環(huán)代表不同的園環(huán)代表不同的晶面陣不同的晶面陣, ,環(huán)的強(qiáng)弱反映了晶面上原子的環(huán)的強(qiáng)弱反映了晶面上原子的密度大小密度大小2 sin ,12ndn， ， ， 4(1) X X射線的衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)有效方法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(jiǎng) (2)X(2)X射線分析可用

3、來研究高分子的結(jié)構(gòu)射線分析可用來研究高分子的結(jié)構(gòu) 2040200400600800100012001400(b)(a) (a) Eu(DBM)3PhenPMMA的廣角X射線衍射圖 (b) Eu(DBM)3Phen的X射線衍射圖粒子性粒子性- - 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)(1927(1927諾貝爾獎(jiǎng)諾貝爾獎(jiǎng)) )實(shí)驗(yàn)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(guān), 隨角度的增加而增強(qiáng); 且隨著散射角的增大, 新譜線增強(qiáng),原譜線減弱.理論解釋理論解釋X射線的光子同電子碰撞的結(jié)果康普頓散射公式-康普頓散射中射線波長的改變與原波長無關(guān), 只與散射角有關(guān)220hm chmcppm

4、v01 coshm c 二、二、 X X射線的產(chǎn)生機(jī)制射線的產(chǎn)生機(jī)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。 X X射線由兩部分構(gòu)成，一是波長連續(xù)變化的連續(xù)射線由兩部分構(gòu)成，一是波長連續(xù)變化的連續(xù)譜，它的最小波長只與外加電壓有關(guān)；另一部分是譜，它的最小波長只與外加電壓有關(guān)；另一部分是具有分立波長的線狀譜，波長取決于靶材料，稱為具有分立波長的線狀譜，波長取決于靶材料，稱為標(biāo)識(shí)譜、特征譜。標(biāo)識(shí)譜、特征譜。 連續(xù)譜，鎢靶，不同的電壓 標(biāo)識(shí)譜：鎢靶和鉬靶，相同的電壓。二二.X.X射線的產(chǎn)生機(jī)制射線的產(chǎn)生機(jī)制( (一一) )、X X射線連續(xù)譜射線連續(xù)譜 波長連續(xù)變化的連續(xù)譜，它的最小波長只與外

5、加電壓有關(guān)0hcVe0hvVe012398.10V埃軔致輻射：高速電子打到靶上，受靶的作用而突然減速，其一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為輻射能放出射線。最小波長只依賴于外加電壓V，V越大， 越小，與靶材料無關(guān)。 min( (二二) )、X X射線的標(biāo)識(shí)譜射線的標(biāo)識(shí)譜1 , 312s0s1, 0 l1 1、特點(diǎn)、特點(diǎn)K K線系：線系：K K ：LK；K：MK；K：NK；L線系：L：ML；L：NL；L：OL； X X射線由內(nèi)層電子的躍射線由內(nèi)層電子的躍遷所產(chǎn)生。遷所產(chǎn)生。 2. 2. 同同X X射線有關(guān)的原子能級(jí)。射線有關(guān)的原子能級(jí)。3. 3. 產(chǎn)生產(chǎn)生X X射線標(biāo)識(shí)譜的躍遷射線標(biāo)識(shí)譜的躍遷的選擇定則的選擇定則1

6、L 01J ，3. 3. 莫塞萊定律及原子序數(shù)的測(cè)定莫塞萊定律及原子序數(shù)的測(cè)定sm)2111() 1(222ZRK)3121()4 . 7(222ZRL)11()(222nmbZRmn 根據(jù)元素根據(jù)元素X X射線在圖上的位置射線在圖上的位置, ,就就可定出該元素的原子序數(shù)可定出該元素的原子序數(shù)三、X射線的吸收0 xII eaNAaNAaNA43aCZ小,則吸收小,貫穿能力強(qiáng); Z大則吸收強(qiáng)8.5 康普頓效應(yīng) X射線被散射后，除波長不改變的射線被散射后，除波長不改變的部分外，還有波長變長的情況出現(xiàn)，部分外，還有波長變長的情況出現(xiàn)，這種現(xiàn)象稱康普頓效應(yīng)這種現(xiàn)象稱康普頓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果：康普頓實(shí)驗(yàn)裝置

7、圖康普頓實(shí)驗(yàn)裝置圖圖1 康普頓散射與角度的關(guān)系（）隨角度的增）隨角度的增加，新譜線的強(qiáng)加，新譜線的強(qiáng)度增強(qiáng)，原譜線度增強(qiáng)，原譜線減弱減弱（）波長改變的（）波長改變的數(shù)值與散射角有數(shù)值與散射角有關(guān)，即隨角度的關(guān)，即隨角度的增加而增加增加而增加1.同一波長的射線在不同散射角被同一物質(zhì)散射同一波長的射線在不同散射角被同一物質(zhì)散射:圖2 康普頓散射與原子序數(shù)的關(guān)系（）散射物的原（）散射物的原子序數(shù)增加，移子序數(shù)增加，移動(dòng)的新譜線的強(qiáng)動(dòng)的新譜線的強(qiáng)度減弱，原譜線度減弱，原譜線的強(qiáng)度增加的強(qiáng)度增加（）新譜線的移（）新譜線的移動(dòng)與散射物的性動(dòng)與散射物的性質(zhì)無關(guān)質(zhì)無關(guān)2.同一波長的射線在同一波長的射線在不同散

8、射角被同一物不同散射角被同一物質(zhì)散射質(zhì)散射:圖2 康普頓散射與原子序數(shù)的關(guān)系圖2 康普頓散射與原子序數(shù)的關(guān)系圖2 康普頓散射與原子序數(shù)的關(guān)系（）散射物的原（）散射物的原子序數(shù)增加，移子序數(shù)增加，移動(dòng)的新譜線的強(qiáng)動(dòng)的新譜線的強(qiáng)度減弱，原譜線度減弱，原譜線的強(qiáng)度增加的強(qiáng)度增加圖2 康普頓散射與原子序數(shù)的關(guān)系理論解釋康普頓視康普頓視X X射線為光子流，把射線為光子流，把X X射線與自由射線與自由電子間的作用看作是電子間的作用看作是兩種粒子相互碰撞發(fā)生散射的過程，因此應(yīng)滿足能量守恒和動(dòng)兩種粒子相互碰撞發(fā)生散射的過程，因此應(yīng)滿足能量守恒和動(dòng)量守恒。量守恒。)2() 1 (220umppmcvhcmhv.

9、,.,0ummppvv碰撞后電子動(dòng)量為為電子的靜止質(zhì)量動(dòng)量分別是碰撞前后光子的和頻率分別是碰撞前后光子的式中:)3()4(得20)/(1,cummcvhpchvp其中)3(cos2cos)(2)()()(:)2(22222222222vvhvhvhucmcvhchvcvhchvmu式該寫成標(biāo)量式把)4()(22:) 1 (204202222242vvhcmcmvvhvhvhcm式移項(xiàng)平方把c稱為電子的康普頓波長，具有長度的量綱)(2)cos1 (2)1 (2024202242vvhcmvvhcmcucm幾點(diǎn)說明：)cos1 (:0cmh由公式nmcmh0049. 02,18000時(shí)當(dāng)無關(guān)與有關(guān)

10、只與,. 1 .的最大位移這就是康普頓散射引起.,0., 00.,. 0,0稱相干散射的散射且在各方向都觀察到的事例不僅發(fā)生于但的變化當(dāng)然不引起入射光未偏折時(shí)當(dāng)相干散射. 2. 0,)cos1 (000所以而代替因以原子質(zhì)量中在公式mMmMcmh?為什么會(huì)出現(xiàn)相干散射3實(shí)驗(yàn)表明，隨增加，波長改變的譜線強(qiáng)度 逐漸減弱，而波長不變的譜線強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，這是由于大，電子數(shù)目多，但真正能看成自由電子的只是最外層幾個(gè)，占電子總數(shù)的比例減少了，而光子同結(jié)合牢固的電子碰撞，就如同質(zhì)量較大的原子碰撞，即便波長改變也是很小，不能觀察所以波長改變的部分隨增大而增強(qiáng)，而與少數(shù)幾個(gè)自由電子碰撞，由于相對(duì)數(shù)目較少，故波長不變的部分隨增加而減弱這也就是前面講的相干散射.4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，波長改變的有一較寬的 強(qiáng)度分布，這是由于電子不是靜止的5. 在光子能量低時(shí)，吸收是主要 的，散射是次要的，光子能量高時(shí)，散射是主要的., 0, 0,)cos1 (0體現(xiàn)對(duì)應(yīng)原理又得到清晰的即回到經(jīng)典物理都趨于或若中在公式中chcmh.,),(0個(gè)方法為獨(dú)立測(cè)定又提供了一康普頓散射實(shí)驗(yàn)來測(cè)定的測(cè)定可由有關(guān)只于三個(gè)基本常量因?yàn)閔mch6. 康普頓效應(yīng)與基本常量思考題為什么在X射線的衍射中能觀察到康普頓效應(yīng)?./,.500./,1 . 0./,小到無法觀察故仍舊這么大的可見光對(duì)于度大