《原子物理X射线》PPT课件.ppt

,第八章X射线,一、X射线的发现,在前面的学习中，我们发现原子的能级和光谱都由原子的外层电子决定的，那么内层的电子是否能发生跃迁而产生光谱呢？这正是下面我们要讨论的问题。1807年，英国物理学家道尔顿依据实验提出：“气体，液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成。”他还认为，“同种元素的原子，其大小、质量及各种性质都是相同的。”从而把哲学意义上的原子论推广到科学的原子论。,8.1X射线的产生及其波长和强度的测量,那么，线度大约在10-10m的原子是否真的不可再分割了？十九世纪末，连续三年的三大发现，首开了人们向微观世界进军的先河。它们是：1895年德国的Rontgen（伦琴）发现X射线；1896年，法国的Becguerel（贝克勒尔）发现了放射性；1897年，英国的Thomson（汤姆逊）发现了电子。,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。,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。1879年，在物理学大师亥姆霍兹和基尔霍夫等人的推荐下，伦琴担任吉森大学物理学教授和物理研究所所长。于1894年任该校校长。在其就职演说中指出：“实验是最有力可靠的手段，能使我们揭开自然界的奥秘；实验也是判断假说应当保留还是应当放弃的最后鉴定。”,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(BaPt(CN)6)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。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。,伦琴的发现引起了极大的轰动，以致于在全世界范围内掀起了X射线研究热，1896年关于X射线的研究论文高达1000多篇。对X射线的公布，促使法国物理学家贝克勒尔也投入到这一研究领域之中。为了弄清X射线产生的机制，他想，如果把荧光物质放在强光下照时，是否在发荧光的同时，也能放出X射线呢？于是他把一块荧光物质（铀的化合物-钾铀酰硫酸盐晶体）放在用黑纸包住的照相底片上，然后放在太阳下晒，结果在底片上果然发现了与荧光物质形状相同的“像”。,一次偶然的机会使他发现，未经太阳曝晒的底片冲出来后，出现了很深的感光黑影，这使他非常吃惊。是什么使底片感光呢？跟荧光物质是否有关呢？他进一步用不发荧光的铀化合物进行实验，同样使底片感光；可见铀化合物能发出一种肉眼看不见的射线，与荧光无关。1896年3月2日，他向法国科学院报告了这一惊人的发现，从此打开了一个新的研究领域。放射线的发现看似偶然，但正如杨振宁先生在评价这一故事时所说的那样，“科学家的灵感对科学家的发现非常重要；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。”,W.K.伦琴，德（1845-1923）第一张诺贝尔物理学奖奖状（1901）,伦琴无条件地把X射线的发现奉献给人类，没有申请专利。,(a)第一张X光相片伦琴夫人的左手(b)现代的X光照片,X射线下,0.01110(),硬X射线软X射线,X射线波长范围及其大致分类,硬X射线：波长较短，能量较高，穿透力较强，适用于金属的无损探伤及相关分析。,二、X射线的分类,1、X射线能使照相底片感光；2、X射线有很大的贯穿本领；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。,三、X射线的性质,四、X射线的产生,X射线管,封闭式X射线管实质上是一个大的真空二极管,X射线管的结构示意图,玻璃,铍窗口,X射线,X射线,电子流,冷却水,“X射线管剖面示意图”演示：,（1）阴极发射热电子。一般由钨丝制成。（2）阳极靶，使电子突然减速并发出X射线。（3）窗口X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。（4）高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极。,X射线管的结构,五、X射线的波动性,由经典电动力学知，加速或减速的带电粒子能辐射电磁波。因此当高速电子流在靶上受阻而停止时必将产生电磁波。伦琴当初误认为X射线与光无关，直到1906年巴拉克(英)才显示了X射线的偏振，证明了X射线的波动性。但很多人并不相信这一结果。1921年冯劳厄(德)设想X射线是波长很短的电磁波，可在原子规则排列的晶体上发生衍射，后来由弗里特里克和奈平通过实验确证了X射线的波动性，并测量了它的波长。,六、X射线的衍射(提供X射线波长测量方法),X射线的波长数量级为，要分辩X射线的光栅也要在的数量级才行。晶体有规范的原子排列，且原子间距也在的数量级，是天然的三维光栅。,劳厄想到了这一点，但普朗克对他的想法不予支持。后来去找正在攻读博士的索末菲，经两次实验后终于成功进行了X射线的衍射实验。,X射线衍射实验演示,相邻晶面间两条衍射波之间的光程差为：,相干叠加极大值条件：,利用布喇格衍射公式可测量X射线的波长，也可测未知晶体的晶格常数。,布喇格晶体衍射公式,不同晶面间距不同。一定波长的入射线，对于不同晶面有不同的掠射角，在满足布喇格晶体衍射公式的方向产生衍射极大。,七、旋转式X射线的摄谱仪简介,经由铅制成的狭缝后的X射线束，射到单晶体C上（C可绕竖直轴旋转），以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片。当掠射角正好满足布喇格公式时，在反射方向上得到该波长X射线的衍射极大，在底片上形成一条细黑条纹。因晶体可绕竖直轴转动，所以可得到与不同波长对应的条纹，即不同波长的X射线谱线。由晶体晶格常数与谱线位置(与掠射角)对应，可算出各条谱线的波长。而底片的黑度则对应于该波长X射线的强度。,X射线衍射的应用实例,已知X射线的波长测定晶体的晶格常数。,X射线分析仪,原理：,1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构,获1962年诺贝尔生物和医学奖。,实验表明，X射线谱由两部分构成,连续谱：加速电压不太高时，X射线的强度随波长连续变化。,线状谱：加速电压达一定值时，连续谱上叠加着某些尖峰。,钼靶的标识谱叠加在连续谱上,8.2X射线的发射谱,一、连续谱：由轫致辐射导致连续谱,刹车辐射,高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用而速度骤减(连续变化)时产生的辐射。,连续谱的特点：有一明显极限(短波波长):,量子解释,一个电子在电场中得到动能eV，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，为代入常数后即得上式（称为量子极限）。,据此式，若测出外加高压则可精确地测出h,上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，解释光电效应的Einstein方程是：,当金属的逸出功很小时，近似的有：,这与(1)式在形式上是完全相同的。,因此，X射线连续谱可称为光电效应的逆效应。,二、标识谱(特征辐射),1、产生条件: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。2、特征: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虽有相似结构，但波长不同，按原子序数顺序排列时，波长依次变化，不显示周期性变化（教材第227页图8.8）。每种元素都有一特定的波长的线状光谱，即特征X射线谱成为这种元素的标证。,3、产生机制:从阴极发出的高速电子打到阳极上，由于电子能量很高，它能深入到原子的内层，将内壳层电子之一击出原子之外，使原子电离，并在内壳层出现一个空穴。当邻近内壳层的电子跃迁到这个空穴时，就发射出波长很短的X射线，由于内壳层能级分立，所以产生X射线的线状谱。原子序数较大的元素，内壳层能级间隔就越大，发出的X射线的光子能量高，波长就短，所以波长依次变化，不具有周期性。,莫塞莱定律反映的是各元素标识谱的频率与Z的近似关系,第一次提供了精确测量Z的方法。,激发电子的屏蔽常数与电子所在壳层n有关。,三、莫塞莱定律,1913年，英国物理学家Moseley通过对不同元素(不同Z)的X射线标识谱加以分析(共分析了从钴到金的38种元素)，发现一个规律：对同一线系的某条谱线来说，不同元素的X射线频率的平方根与原子序数Z成线性关系。,对于K线的莫塞莱经验公式：（两种表示法）,式中反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子感受到的有效电荷是Z-，这样当n=2上的电子向n=1跃迁产生K线时，我们有,玻尔于1913年发表了三篇文章提出关于原子的量子学说，这直接启发了莫塞莱，他发现他的经验公式可从玻尔理论导出。根据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中n能级的状态相似，所以n能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：,实验表明，将其余常数代入得,102030405060708090,0.2,Z,X射线线系的莫塞莱图,以波数的平方根为纵坐标。对于重元素，这些图基本为直线；对于轻元素会有所偏离。,四、产生特征辐射的前提条件,外层电子向内层跃迁的前提,必须先使内层电子电离而产生“空穴”,产生空穴的方法,有多种，如用高能电子束、质子束、X射线等轰击原子内层电子,当原子内层产生空穴后，较外层电子立即自发地填充空穴，同时以辐射光子的方式释放多余的能量，即发射X射线。,一、X射线的能级示意图,产生特征X射线的电子跃迁服从的选择定则,原子态,K线系,L线系,X射线因电子跃迁方式不同而分为几个线系。同一线系中又以初态的不同再用脚码等标注不同的谱线。因能级的精细结构，K又分为K1和K2。,8.3同X射线有关的原子能级,K态（击走K电子）,L态（击走L电子）,M态（击走M电子）,N态（击走N电子）,击走价电子,中性原子,原子的能量,电子冲击阳级靶,X射线射出,“连续X射线产生过程”演示,K态（击走K电子）,L态（击走L电子）,M态（击走M电子）,N态（击走N电子）,击走价电子,中性原子,原子的能量,K激发,L激发,Ka辐射,K辐射,L辐射,“标识X射线产生过程”演示,K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生K辐射；M层电子填充空位时产生K辐射。,由能级可知K辐射的光子能量大于K的能量，但K层与L层为相邻能级，L层电子填充几率大，所以K的强度约为K的5倍。,K系激发机理,设K层有一个空穴，L层的一个电子跃迁到K层并释放X射线，也可能不释放X射线而将多余能量传递给另一层（例如M层）的一个电子而使这一电子脱离原子（“二次电离效应”），此电子称为俄歇电子。,原子内壳层产生空穴后释放能量的两种途径,or：释放X射线（重元素的几率较大）,or：发射俄歇电子（轻元素的几率较大）,二、标识谱产生的其它效应,1、俄歇电子（1923，由法国物理学家俄歇发现）,设为相应层的结合能，电子由L向K跃迁释放能量（K-L），如这部分能量被M层中的一个电子获得，则从M层发出的俄歇电子的动能为：,完全取决于元素自身，可作为分析元素的手段,2、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。此效应是日本物理学家森田正一提出的，并被实验所证实。,设一束X射线，射向吸收体前强度是I0，通过厚度为dx的吸收体后，强度增量为dI。减少量-dI将正比于dx和通过dx时的强度I，若取比例系数为，则-dI=I(x)dx两边积分得可见强度I(x)随厚度x指数衰减。,8.4X射线的吸收,一、强度表达式,1、线性吸收系数,二、关于吸收系数的讨论,上式中，x单位：cm，单位：cm-1，称其为线性吸收系数。通常定义x=1时的x为吸收长度，即吸收长度等于1/，它表示透射粒子占入射粒子37%时吸收体的厚度。,式中x称为质量厚度，单位是g/cm2；/称为质量吸收系数，单位为cm2/g。,2、质量吸收系数,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/，其中是吸收体密度。则,/不再依赖吸收体的物理状态，因而更能反映吸收体的吸收本领，同时也给测量带来方便。,在E图中，在某一个能量E处，发生突变，称之为吸收限。,三、吸收限,产生吸收限的原因是：当X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。,K吸收限表示光子的能量足以使一个1s电子脱离原子；L吸收限表示光子的能量足以使一个2s电子脱离原子；吸收限的存在，再一次有力地证实了原子中电子壳层结构的实在性。,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。常用的方法是心血管造影。,在血管中注入造影剂碘（131I）；I对X射线吸收要比肌肉、骨骼对X射线吸收强得多。因此，在X光照射下，哪里血管有阻塞，I无法达到，哪里就能被显示出来。,它的原理是：,四、吸收限的应用,在心血管造影术上的应用,但这种方法要求有较大浓度才能造影，所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。,新的造影术利用碘的K吸收限，在碘的浓度不是很大时，用两种能量E1、E2的X射线分别造影；E1、E2分别在K吸收限的上下端，相差很小，则E1吸收系数很小，E2吸收系数很大，对两次造影的进行数值处理并相减，以消除肌肉和骨骼的影响。,两次造影时，肌肉、骨骼对的贡献是几乎相同的。剩下的仅是碘对射线吸收的贡献。如果某一个部位两次造影值相减后几乎为零，说明没有碘的贡献，这就很容易查出血管阻塞处。,采用这种方法，碘通过静脉注入血管，在全身扩散后，尽管浓度不大，也能达到很好的造影效果。,8.5康普顿效应（证明X射线的粒子性）,（1923）,A.H.Compton美,(1892-1962）,X射线与物质作用时，被散射的X射线中有波长增长（频率减小）的成分出现，并且波长的增长量随着散射角的增大而增大，和散射材料无关。,获1927年度诺贝尔物理学奖,散射线中有两种波长0、,随散射角的增大而增大,实验规律,一、经典物理解释,散射晶体,受迫振动,单色电磁波,电子受迫振动,同频率散射线,说明：经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射。,1、入射光子与外层电子弹性碰撞,二、量子解释,体系的能量、动量守恒,必须考虑相对论效应,康普顿散射公式,经改写后可得,上式表明:散射光子的能量是入射光子能量的函数。,利用：,经整理后得,散射光子的能量公式,反冲电子的最大能量和光子的最小能量：,2、X射线光子和原子内层电子相互作用,光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。,内层电子被紧紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。,波长变大的散射线,波长不变的散射线,三、物理意义,入射光子的能量与电子静止能量相等时，相应的光子波长：,可理解为:在/2时，入射波与散射波的波长之差.,1、电子的康普顿波长：,2、只决定于而与无关,入射波波长的最大增值,当时得到康普顿散射引起的最大位移,只有对0.1nm的X射线才能使/大到足以观察的程度。,对实际测量来说，有意义的是/,如：对于500nm的可见光，/小得无法被量度。这就是为什么只有在X射线散射中才观察到康普顿效应的缘故。,四、康普顿散射与基本常数,在康普顿散射公式中，h和c都起关键作用。若h0，c，则0，即回到经典物理。,上述理论结果与实验相符，故康普顿散射有力地支持了光的粒子性和狭义相对论。,康普顿散射提供了：1）独立测定h的方法！2）测定光子能量h的方法！,吴有训（1897-1977），我国近代物理学奠基人之一。以系统、精湛的实验为康普顿效应的确立做出了重要贡献。其实验结果见右图。,例：0=0.02nm的X射线与静止的自由电子碰撞，若从与入射线成900的方向观察散射线，求散射线的波长。,能量守恒，反冲电子动能等于光子能量之差,解：动量守恒,根据动能、动量关系,波长为,五、光子与物质的相互作用,1、多次小相互作用：（典型实例：康普顿散射）,光子束与物质中电子的作用引起光子的能量损失和方向偏转。因此，光子束穿过吸收体后，能量降低并有一个弥散。,2、全或无相互作用：（典型实例：光电效应）,光子要么不受相互作用，要么经一次相互作用后就从射线中束中消失。,3、电子偶效应：,当光子能量大于电子静止能量的两倍（即1.02MeV）时，光子在原子核附近转化为一对正负电子。,三种效应的重要性随吸收物的不同而不同，也随光子能量的不同而不同。,光子与物质的三种相互作用,光电效应为主,康普顿效应为主,电子偶效应为主,X射线与物