X射线的发现及其波性

1,X射线的发现及其波性,二、X射线的发现,三、X射线的衍射,四、X射线的偏振,返第八章,2,伦琴，1845年出生于德国的一个商人家庭，1869年在苏黎世大学获博士学位。1895年11月8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的影响，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酸钡结晶物质的屏幕发出了荧光，伦琴马上意识到,这可能是一种前所未有的新射线，经检查发现,射线来自阴极射线管管壁。,一、X射线的发现:,3,令人惊奇的是，当用木头等不透明物质挡住这种射线时，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，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的本质，因此赋予它一个神秘的名字-X射线。1895年12月28日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于X射线的论文，论新的射线，并公布了他夫人的X射线手骨照片。,4,在1895年以前，由阴极射线管产生的X射线在实验里已经存在了30多年，在射线发现前，不断有人抱怨，放在阴极射线管附近的照相底片模糊或感光。如1879年的克鲁克斯，1890年的古德斯比德等人，但发现X射线的却是伦琴。,5,如图，在真空管两阴极和阳极之间加高压，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X射线，其波长因高压的不同而异。,称硬X射线,称软X射线,二、X射线的产生,6,二、X射线的性质：1）X射线本质上是一种电磁波，因此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。2）X射线有很强的贯穿本领；3）X射线能使某些物质的原子、分子电离；4）X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；5）X射线能使照相底片感光；6）使种子变异,7,三、X射线波长的测量原理：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=2dsinn=1、2、.出射线就会加强。,8,n=2dsinn=1、2、.出射线就会加强。,9,10,S1,S2,A,A1,O,C,P,测量方法原理图,=OA/2r,11,测量方法：,测量波长：OA/r=2=OA/2r已知晶格常数d，测出值及其对应的n值，代入布拉格公式，求出。测定强度：由谱线的深浅程度可以测出相对强度。,12,在方向衍射的X光将得到加强，出现了劳厄光斑。用布喇格公式可以计算晶面距。,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,13,X射线的发射谱,8.2,一、X射线连续光谱,二、X射线的特征谱(标识谱),四、关于x射线的原子能级和能级跃迁图,三、莫塞莱定律,14,15,16,实验表明：X射线谱由两部分组成：波长连续变化的连续谱和由分立谱组成的特征谱或称标识谱。X射线连续光谱两类X射线的特征谱(标识谱),下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。,17,第二节：X射线的产生机制,连续谱轫致辐射1、连续谱的特征在上述产生X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，下面分两点研究辐射的特性。1）连续谱与管压的关系（靶不变）前图表示以钨作阳极材料加不同电压时，以为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长强度分布曲线。,18,2）连续谱与阳极材料的关系（电压不变）前图表示管压为35KV时，用钼和钨作靶材料时的I曲线。由图可见与靶无关。是由管压V决定的。,由图可见，当阳极材料不变时，和随管压V的升高都向短波方向移动。,19,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，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度，其速率从骤减为0，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生X射线连续谱的原因，用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。,20,设电子入射速度，在靶上减速而损失的能量为；减速过程中的能量差为，则根据上面的分析，将以光子的形式向外辐射；由于是连续变化的，而是一定的，所以连续变化.,（消耗在靶上的热能）,21,即中频率是连续变化的作为极限情况：,上式表明，电子加速获得的能量全部转化为辐射时：,波长连续变化的连续谱，它的最小波长只与外加电压有关,22,轫致辐射：高速电子打到靶上，受靶的作用而突然减速，其一部分动能转化为辐射能放出射线。,最小波长只依赖于外加电压V，V越大，越小，与靶材料无关。,23,3.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。,小结：X射线连续谱,1.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。,2.特征:,强度随波长变化,在某一波长处,强度有极值在长波方面强度降落缓慢,在短波方面强度降落较快,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。,由于电子速度连续变化，所以产生连续谱。,24,当电子的能量(加速电压)超过某一临界值时,除有连续谱外,还在连续谱的背景上迭加一些线状谱。,25,标识辐射线状谱它是迭加在连续谱上的分立谱线线状谱的特征：（1）不同元素线状谱的波长是不同的，从而成为我们识别某种元素的标准，故得名为标识谱。但是他们的线系结构是相似的，都分为K,L,M,等线系。,L系分为,等；每条谱线还有精细结构。,K系分为,26,（2）改变靶物质时，随Z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；,27,几种元素的K线系谱按原子序数的次序上下排列,28,（3）某元素的标识谱与的化合状态无关；（4）对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外界电压有一个临界值。,2.线状谱产生的机制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：线状谱产生于原子内层电子的跃迁。,29,（1）产生线状谱的条件是：a.在原子的内层能级上有电子空位；b.其他壳层上电子向空位跃迁。事实上，当外界提供足够大的能量时，使原子内层电子电离，从而使原子内层出现空位，外层电子向内层补充，放出的能量便形成了X射线的标识谱。K线系：其它壳层的电子向K壳层跃迁产生L线系：其它壳层的电子向L壳层跃迁产生,30,一般形式:=R(-an)2(1/n12-1/n22),四、莫塞莱定律,莫塞莱研究了一系列元素的K线系,发现各元素的K线系的光谱项的平方根,K线:=R(-1)2(1/12-1/22),L线:=R(-7.4)2(1/22-1/32),31,3.莫塞莱定律及原子序数的测定,根据元素X射线在图上的位置,就可定出该元素的原子序数,32,8.3与x射线有关的原子能级和能级跃迁图,33,不难看出，其能级结构十分类同碱金属能级结构，X射线是内层电子的跃迁。为此，需先将内层电子电离形成空穴。由于满壳层的轨道角动量、自旋角动量和总角动量都为零，所以少一个电子壳层的上述角动量分别与该壳层只有一个电子的角动量相同（只是方向相反）。由此推知，少一个电子的原子态（即电离态）与只有一个电子（碱金属）的原子态相同。,当K壳层的一个电子被电离后，原子处于电离态。电离态的能级与中性原子未电离的基态能相比为最高。L层的电离态能级次之，形成电离态能级如图所示。,34,35,36,电离能是使某壳层一个电子被电离所需的能量；也是该壳层电子的结合能。若用光子电离(共振吸收)该能量又称吸收限。为了描述内层电子向“下”的跃迁，需将上图倒转。电子跃迁后的末态为K、L、M时，对应的X射线分别称K线系，L线系，M线系，同一个线系中用，表示不同的上能级向同一下能级跃迁的谱线。例如从L、M、N层向K层跃迁的K线系,依次表示为，。在K线中还有两条K1，K2线对应2P3/2和2P1/2向下的跃迁。X射线特征谱的选择定则也与碱金属光谱相同。,37,8.4X射线的吸收,一、X射线的吸收律,二、吸收限及其应用,38,一、X射线的吸收率,当一束强度为Io的X光通过厚度为dx的吸收体后，强度减低,对上式微分,称衰减系数。,X射线经过物体后减弱是由两个过程产生的,39,一是被物体吸收；二是被物体散射。设吸收系数为，散射系数为,则,称质量衰减常数。,称质量吸收系数。,40,质量吸收系数随波长的变化,41,3.吸收限及应用,从上图不难看出，吸收系数随X光子能量增加而下降，这是由于X光子能量越高，其穿透性越强。仔细观察会发现，图中有几处吸收系数突然增加。这些吸收突然增加出称吸收限。它们对应K、L、M吸收线。K、L、M吸收限是X光子分别使K层、L层、M层一个电子电离发生共振吸收的能量。吸收限的出现，再次证明原子内部电子的壳层结构。K吸收限1条，L吸收限三条,42,X射线的应用,X射线探伤X光机对人体透视研究固体结构固溶体的成分比例相变研究,43,康普顿效应,一、康普顿效应,二、康普顿散射公式,44,1923年，康普顿在研究X射线经物质的散射实验中发现，散射的X光除有原入射波长成分外，还有波长较长的部分，其波长差随散射角而变。,一、康普顿效应,45,粒子性-康普顿效应(1927诺贝尔奖),实验结果-除原来谱线外,出现波长变长的另一条线.,波长改变的数值与散射角有关,随角度的增加而增强;且随着散射角的增大,新谱线增强,原谱线减弱.,46,经典瑞利散射不能解释散射波长随的变化.康普顿应用了爱因斯坦的光子概念，认为X射线经物质的散射是光子与外层电子（可视为自由电子）的碰撞过程。在碰撞中遵从能量和动量守恒,二、康普顿散射公式,47,48,1,2,49,康普顿波长,康普顿散射公式,意义：用光子概念成功地解释了X光的散射实验，这是继光电效应之后，再次证明光的粒子性。并指出像光子、电子这样的微观粒子也服从守恒律。康普顿散射是X光与物质相互作用的一种形式。,50,由于X光子能量很高，被碰电子有反冲，其反冲动能可由能量守恒给出,由散射公式,乘(hc)-1,其中,51,于是反冲能为,当时，有最大的反冲能,还不难看出，若很小，则很小。这表明光子能量较小时，或碰较重的粒子时，反冲较小，光子丢失的能量很小，散射基本上是相干散射；相反，当h很大时，会有,52,康普顿效应是由弱束缚电子或自由电子引起的光散射。,与靶材料无关，与原来的波长无关，只与散射角有关；散射强度与靶材料有关。,53,可变为,Compton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。,Compton解释的讨论：1.在（1）式中，令,得,，称为Compton波长,（2）,54,的表达式可见,与无关，不论多少，,是一定的；对实际测量来说，有意义的测量是,；在给定方向测量，一定，,一定；,才越大；所以只对波长较短的,的X射线，,才大到足以被观察的程度。,很小，所以通常情况,由,所以越小，,而对可见光，很大，,下，观察不到这种波长的改变，经典理论与实验符合的很好。,55,2.散射光的