原子物理学第6章X射线

1、教材教材: :原子物理学原子物理学, ,杨福家杨福家, ,高教社高教社,2008,2008第四版第四版Manufacture: Zhu Qiao ZhongZhu Qiao ZhongX X射线射线第六章第六章2第六章X射线6-1 x射线的发现及其波性射线的发现及其波性6-2 x射线的产生机制射线的产生机制6-3 x射线的吸收射线的吸收6-4 Compton散射散射)(m )(Hz 201015105101010510 5100101010 3第六章X射线4第六章X射线6-1 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性1879年年,在物理学大师亥姆霍兹和基尔霍夫等人的推荐下在物理学大师亥姆霍兹和基

2、尔霍夫等人的推荐下,伦琴伦琴担任吉森大学物理学教授和物理研究所所长担任吉森大学物理学教授和物理研究所所长.于于1894年任该校校年任该校校长长.在其就职演说中指出：在其就职演说中指出： W.K.伦琴伦琴,德德(1845-1923)获获1901年首届诺贝尔物理学奖年首届诺贝尔物理学奖.5第六章X射线在在1895年以前年以前,由阴极射线管产生的由阴极射线管产生的X射线在实验里已经存在射线在实验里已经存在了了30多年多年.不断有人抱怨不断有人抱怨,放在阴极射线管附近的照相底片模糊放在阴极射线管附近的照相底片模糊或感光或感光.如如1879年的克鲁克斯年的克鲁克斯,1890年的古德斯比德年的古德斯比德1

3、845年年,伦琴出生于德国的一个商人家庭伦琴出生于德国的一个商人家庭, 1869年在苏黎世大学年在苏黎世大学获博士学位获博士学位. 1895.11.8,伦琴在暗室中做阴极射线管气体放电实验时伦琴在暗室中做阴极射线管气体放电实验时,为避免为避免紫外线与可见光的影响紫外线与可见光的影响,特用黑纸将射线管包住特用黑纸将射线管包住.但偶然发现与之相距一段距离的荧光屏上会发微光但偶然发现与之相距一段距离的荧光屏上会发微光.伦琴认定伦琴认定这是一种来自射线管的前所未有的神秘射线这是一种来自射线管的前所未有的神秘射线.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.当用木头等不透明物质当

4、用木头等不透明物质挡住这种射线时了挡住这种射线时了,荧光屏仍然发光荧光屏仍然发光.当用木头等不透明物质挡住当用木头等不透明物质挡住这种射线时这种射线时,荧光屏仍然发光荧光屏仍然发光.6第六章X射线经一个多月的研究未能搞清这种射线的本经一个多月的研究未能搞清这种射线的本质质,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射线射线. 1895年年12月月28日日,伦琴向德国物理学医学会伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于递交了第一篇关于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射线手骨照片射线手骨照片.伦琴的发现在世界范围内引起了极大轰动伦琴的发现在世界

5、范围内引起了极大轰动.对对X射线的公布射线的公布,促使法国物理学家贝克勒促使法国物理学家贝克勒尔也投入到这一研究领域之中尔也投入到这一研究领域之中.他的研究导致他的研究导致了放射性的发现了放射性的发现.X射线的发现看似偶然射线的发现看似偶然,但正如杨振宁在评价这一发现时所说但正如杨振宁在评价这一发现时所说7第六章X射线二二 X射线管射线管获得获得X射线的两种途径：射线的两种途径： 1) 用高速电子流轰击阳极靶用高速电子流轰击阳极靶A而获得；而获得； 2) 由由Z10的原子内壳层跃迁而产生的原子内壳层跃迁而产生.在真空管两电极间加上高压在真空管两电极间加上高压,高速电子流与阳极靶相撞便可得高速电

6、子流与阳极靶相撞便可得到到X射线射线.其波长因电压的不同而不同其波长因电压的不同而不同. 电子因受阻失去动能电子因受阻失去动能,其中约其中约1%转变为转变为X射线射线,大部分转变为热能大部分转变为热能.K A + 阳极阳极(靶靶)A靶材由用途决定靶材由用途决定.8第六章X射线9第六章X射线封闭式封闭式X射线管实质上是一个大的真空二极管射线管实质上是一个大的真空二极管.玻璃玻璃铍窗口铍窗口金属靶金属靶钨丝钨丝接变压器接变压器金属聚灯罩金属聚灯罩电子流电子流X射线射线X射线射线冷却水冷却水mmHg751010 X X射线管的结构示意图射线管的结构示意图10第六章X射线三三 X射线的性质射线的性质

7、0.01 1 10 ()硬硬X射线软射线软X射线射线X射线波长范围及其大致分类射线波长范围及其大致分类硬硬X射线射线:波长较短波长较短,能量能量较高较高,穿透力较强穿透力较强,适用于金适用于金属的无损探伤及相关分析属的无损探伤及相关分析.软软X射线射线X射线的性质射线的性质: 具有穿透性及直进性具有穿透性及直进性; 在电磁场中不偏转在电磁场中不偏转; 能使照相底片感光能使照相底片感光,能使某些物质发荧光能使某些物质发荧光,能使某些物质的原子能使某些物质的原子和分子电离和分子电离;1. 是核外电子产生的短波电磁辐射是核外电子产生的短波电磁辐射,具有反射具有反射,折射折射,衍射等性质衍射等性质.1

8、1第六章X射线四四 冯冯.劳厄：劳厄：X射线的衍射射线的衍射Lane,德德,(1879-1960 )X射线的波长数量级为射线的波长数量级为,要分辩要分辩X射线的光栅也射线的光栅也要在要在的数量级才行的数量级才行.晶体有规范的原子排列晶体有规范的原子排列,且原子间距也在且原子间距也在的数量级的数量级.是天然的三维光栅是天然的三维光栅.但普朗克对劳厄的想法不予支持但普朗克对劳厄的想法不予支持.后来劳厄去找正在攻读博士后来劳厄去找正在攻读博士的的,经两次实验后终于成功进行了经两次实验后终于成功进行了X射线的衍射实验射线的衍射实验.晶体的三维光栅晶体的三维光栅12第六章X射线劳厄实验劳厄实验(劳厄相片

9、法劳厄相片法)(1912)铅板铅板晶片晶片感光胶片感光胶片单晶光栅单晶光栅nm.d 10X射线射线nm. 10感光胶片感光胶片劳厄斑劳厄斑蓝宝石单晶的劳厄斑蓝宝石单晶的劳厄斑衍射束衍射束13第六章X射线BraggBragg父子对劳厄斑的解释父子对劳厄斑的解释(1913)(1913)1913年布喇格父子年布喇格父子(英英)建立了布喇格公式建立了布喇格公式.不但能解释劳厄斑点不但能解释劳厄斑点,而且能用而且能用于对晶体结构的研究于对晶体结构的研究.W.H.Bragg(1862-1942)W.L.Bragg(1890-1971)同获同获1915年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖“当能量很高的当能量

10、很高的X射线射到晶体各层面的原子时射线射到晶体各层面的原子时,原子中的电子将发生强迫原子中的电子将发生强迫振荡振荡,从而向周围发射同频率的电磁波从而向周围发射同频率的电磁波,即产生了电磁波的散射即产生了电磁波的散射,而每个原子则而每个原子则是散射的子波波源是散射的子波波源.劳厄斑正是散射的电磁波的叠加劳厄斑正是散射的电磁波的叠加.”14第六章X射线1)1)同一晶面内子波的叠加同一晶面内子波的叠加如图示如图示,两条衍射线的光程差为两条衍射线的光程差为:)cos(cos0 d相干叠加的极大值条件是相干叠加的极大值条件是:)2 , 1 , 0(0 kk 可证明可证明,一个晶面的高级次的极大一个晶面的

11、高级次的极大,正好相当于另一晶面的零级极大正好相当于另一晶面的零级极大,因而因而,为为简化问题简化问题,对每一晶面只取零级极大对每一晶面只取零级极大,得：得： = 因此在分析问题时因此在分析问题时,掠射角可不加脚标掠射角可不加脚标,直接用直接用表示表示.15第六章X射线2)2)相邻晶面间的子波的叠加相邻晶面间的子波的叠加不同晶面间距不同不同晶面间距不同.一定波长的入射线一定波长的入射线,对于不同晶面有不同的掠射角对于不同晶面有不同的掠射角,在满在满足布喇格晶体衍射公式的方向产生衍射极大足布喇格晶体衍射公式的方向产生衍射极大.若入射线中有几种波长的射线若入射线中有几种波长的射线,则产生的衍射极大

12、就有几个则产生的衍射极大就有几个,所有这些衍射所有这些衍射极大极大,在屏上给出各自的亮点形成了劳厄斑在屏上给出各自的亮点形成了劳厄斑.123dhADaabb BC如图示如图示,相邻晶面间两条衍射波之间的光程差为：相邻晶面间两条衍射波之间的光程差为： sin2dDCBD 相干叠加极大值条件相干叠加极大值条件(布喇格布喇格晶体衍射公式晶体衍射公式)：3 , 2 , 1,sin2 kkd X射线的波长射线的波长晶格常数晶格常数d16第六章X射线旋转式旋转式X X射线的摄谱仪简介射线的摄谱仪简介因晶体可绕竖直轴转动因晶体可绕竖直轴转动,所以可所以可得到与不同波长对应的条纹得到与不同波长对应的条纹,即不

13、即不同波长的同波长的X射线谱线射线谱线.由晶体晶格由晶体晶格常数与谱线位置常数与谱线位置(与掠射角对应与掠射角对应), 可算出各条谱线的波长可算出各条谱线的波长.而底片的而底片的黑度则对应于该波长黑度则对应于该波长X射线的强度射线的强度.经由铝经由铝(或铅或铅)制成的狭缝后的制成的狭缝后的X射线束射线束,射到单晶体射到单晶体K上上(K可绕可绕竖直轴旋转竖直轴旋转),以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片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在反射方向上得到该波长X射线的衍射极大射线的衍射极大,在底片上形成一条细黑条

14、纹在底片上形成一条细黑条纹.X射线摄谱仪示意图射线摄谱仪示意图PK17第六章X射线多晶粉末法多晶粉末法( (德拜德拜, ,晶体粉末晶体粉末)德拜德拜(荷兰荷兰)利用晶体粉末利用晶体粉末(压成圆柱形压成圆柱形)对对X射线的衍射作实验射线的衍射作实验.粉末中有大量排列杂乱的微小晶体粉末中有大量排列杂乱的微小晶体, 总有一些晶体的晶面满足布总有一些晶体的晶面满足布喇格公式而产生衍射极大喇格公式而产生衍射极大.德拜相上每一条圆弧形谱线对应于某一晶面的衍射极大德拜相上每一条圆弧形谱线对应于某一晶面的衍射极大, 可确可确定晶体的晶格常数定晶体的晶格常数,从而确定晶体的空间结构从而确定晶体的空间结构.所以这

15、种所以这种X射线晶射线晶体粉末衍射摄谱仪学用于体粉末衍射摄谱仪学用于X射线晶体结构分析中射线晶体结构分析中.感光胶片感光胶片多晶多晶( (粉末粉末) )X X射线射线德拜相德拜相18第六章X射线1)已知已知X射线的波长测定晶体的晶格常数射线的波长测定晶体的晶格常数. X射线衍射的应用实例射线衍射的应用实例原理：原理： kd sin22)1953年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用年英国的威尔金斯、沃森和克里克利用X射线的结构分射线的结构分析得到了遗传基因脱氧核糖核酸析得到了遗传基因脱氧核糖核酸(DNA) 的双螺旋结构的双螺旋结构,获获1962年年诺贝尔生物和医学奖诺贝尔生物和医学奖. X射线射线

16、分析仪分析仪19第六章X射线20第六章X射线五五 巴克拉：巴克拉：X射线的偏振射线的偏振X射线双散射实验射线双散射实验(1906年年,巴克拉巴克拉,英英)示意图示意图zyxo无偏振的无偏振的X射线射线偏振的偏振的X射线射线21第六章X射线如图示如图示,第二散射体置于第二散射体置于oxyz坐标原点坐标原点.本来不偏振的本来不偏振的X射线沿射线沿z方向打在第一个散射体上方向打在第一个散射体上,假如假如X射线射线是横波是横波,则第一散射体只能在则第一散射体只能在x、y方向产生受迫振动方向产生受迫振动,经散射体发经散射体发出的波也只有在出的波也只有在x、y方向有振动方向有振动.那么在那么在x方向观察到

17、的方向观察到的X射线只射线只在在y方向有振动方向有振动,即以即以x方向观察到的方向观察到的X射线是偏振的射线是偏振的.这仅有这仅有y方向振动的偏振方向振动的偏振X射线再打向第二散射体射线再打向第二散射体,则将发出则将发出在在y方向偏振的方向偏振的X射线射线.在在z方向可观察到强方向可观察到强X射线射线,而在而在y方向则观察不到方向则观察不到.所以巴克拉所以巴克拉的实验证实了的实验证实了X射线的偏振特性射线的偏振特性.双散射技术是测量射线偏振特性的有效方法！双散射技术是测量射线偏振特性的有效方法！22第六章X射线X X射线谱由两部分构成射线谱由两部分构成: : 连续谱、标识谱连续谱、标识谱钼靶的

18、标识谱叠加在连续谱上钼靶的标识谱叠加在连续谱上6-2 X射线产生的机制射线产生的机制0.020.040.060.080.10/nm121210108 86 64 42 20 0相对相对强度强度 K K连续谱连续谱： 加速电压不太高时加速电压不太高时,X,X射线射线的强度随波长连续变化的强度随波长连续变化. .标识谱标识谱( (特征谱特征谱) )： 由连续谱上叠加着的某些由连续谱上叠加着的某些尖峰构成尖峰构成( (线状谱线状谱).).标识谱标识谱与靶材有关与靶材有关, ,可标识靶材可标识靶材, ,23第六章X射线连续谱连续谱( (由轫致辐射导致由轫致辐射导致) )连续谱不可能是原子光谱连续谱不可

19、能是原子光谱,而应该是电子而应该是电子在靶上减速而产生的在靶上减速而产生的. 被高压加速后的电子进入靶内速率骤减被高压加速后的电子进入靶内速率骤减为为0,有很大的加速度有很大的加速度,必然有电磁辐射产生必然有电磁辐射产生,这便是产生这便是产生X射线连射线连续谱的原因续谱的原因.这种辐射称为轫致辐射这种辐射称为轫致辐射,也称为也称为.连续谱连续谱:X:X射线的强度随波长连续变化射线的强度随波长连续变化. .连续谱产生的原因连续谱产生的原因: :入射电子的轫致辐射导致入射电子的轫致辐射导致. .连续谱的性质与阳极材料无关连续谱的性质与阳极材料无关, ,只与外加电压有关只与外加电压有关. .24第六

20、章X射线连续谱的特点连续谱的特点:有一明显极限有一明显极限(短波波长短波波长),称为称为:连续谱的量子解释连续谱的量子解释)()(24. 1minnmkVU 一个电子在加速电场中得到动能一个电子在加速电场中得到动能eU,当它到达靶核时动能转化当它到达靶核时动能转化为辐射能为辐射能. 由此发出的光波长最短由此发出的光波长最短,为：为： eUhc min ) (mineUhceUhceUhch 提供了一种独立测定提供了一种独立测定h h的方法的方法. .代入常数后即得代入常数后即得 )()(24. 1minnmkVU 25第六章X射线标识谱的特征：确定的靶材标识谱的特征：确定的靶材(阳极阳极)具有

21、确定的临界电压具有确定的临界电压(开始开始出现尖峰时的电压出现尖峰时的电压)(or能量能量).故视线状谱为元素的故视线状谱为元素的用用于识别元素于识别元素.因此线状谱也称为因此线状谱也称为标识谱产生的机制：产生于原子内层电子的跃迁标识谱产生的机制：产生于原子内层电子的跃迁. .外层电子向内层外层电子向内层跃迁的前提跃迁的前提:必须先使内层电子电离而产生必须先使内层电子电离而产生“空穴空穴”产生空穴的方法产生空穴的方法:有多种方法有多种方法,如用高能电子束、质子束、如用高能电子束、质子束、X射线等轰击原子内层电子射线等轰击原子内层电子当原子内层产生空穴后当原子内层产生空穴后,较外层电子立即自发地

22、填充空穴较外层电子立即自发地填充空穴,同时同时以发射以发射X射线的方式释放多余的能量射线的方式释放多余的能量.标识谱标识谱( (由特征辐射导致由特征辐射导致) )26第六章X射线产生产生X X射线的能级示意图射线的能级示意图PONMLK KKKKKLLLLMMMNN原原子子态态支支壳壳层层主主壳壳层层ln21212323252222201122)(3/SPPDDM212123222011)(2/SPPL2120)(3/SK21 KK21 KKK系系L系系 10100:,J,Ln跃迁服从的选择规则跃迁服从的选择规则27第六章X射线标识谱分为标识谱分为K、L、M等线系等线系, 每一线系中又因初态的

23、不同而用脚每一线系中又因初态的不同而用脚码码,区分区分.但是能级不仅与但是能级不仅与n有关有关,还与还与l、j有关有关,所以标识谱被标所以标识谱被标记为记为Ki、Ki , ( i =1,2).产生产生X射线标识谱的能级示意图射线标识谱的能级示意图标识谱的标记方法标识谱的标记方法10 11 12 13 14 15 (X单位单位)21,kk21 , kk1 k钨的标识谱钨的标识谱 ( L系系 )28第六章X射线莫塞莱定律莫塞莱定律(1913)莫塞莱定律是关于标识谱莫塞莱定律是关于标识谱K线的经验公式线的经验公式1)(6 .1343)2111()1()1(10248. 0222216 bbZZRhc

24、EZKK屏屏蔽蔽常常数数 3/4表示电子的内层跃迁表示电子的内层跃迁(n=2n=1);13.6eV是与里德伯常量对应的能量；是与里德伯常量对应的能量； (Z1)表示电子受到表示电子受到Z-1个正电荷的作用个正电荷的作用.激发电子的屏蔽常数激发电子的屏蔽常数b与电子所在壳层与电子所在壳层n有关有关.莫塞莱定律莫塞莱定律反映了各元素标识谱的频率与反映了各元素标识谱的频率与Z的近似关系的近似关系. .用于确定元素的用于确定元素的Z,并纠正了一些元素在周期表上的位置并纠正了一些元素在周期表上的位置.29第六章X射线以元素的以元素的Z为横坐标为横坐标,波数的平方根为纵坐标波数的平方根为纵坐标.据莫塞莱经

25、验公据莫塞莱经验公式作图式作图.对于重元素对于重元素,这些图基本为直线这些图基本为直线;对于轻元素会有所偏离对于轻元素会有所偏离.玻尔于玻尔于1913年发表关于原子的量子学说年发表关于原子的量子学说,这直接启发了莫塞莱这直接启发了莫塞莱,莫塞莱莫塞莱发现他的经验公式可从玻尔理论导出发现他的经验公式可从玻尔理论导出X X射线线系的莫塞莱图射线线系的莫塞莱图10 20 30 40 50 60 70 80 901.21.00.2 Z30第六章X射线设设K层有一个空穴层有一个空穴,L层的一个电子跃迁到层的一个电子跃迁到K层并释放层并释放X射线射线,也可能不释放也可能不释放X射线而将多

26、余能量传递给另一层射线而将多余能量传递给另一层(例如例如M层层)的的一个电子而使之脱离原子一个电子而使之脱离原子(“二次电离效应二次电离效应”),此电子称为俄歇此电子称为俄歇电子电子.俄歇俄歇(Auger)电子电子 (1923)31第六章X射线设设为相应层的结合能为相应层的结合能,电子由电子由L向向K跃迁释放能量跃迁释放能量( KL ), 如这部分能量被如这部分能量被M层中的一个电子获得层中的一个电子获得,则从则从M层发出的俄歇电层发出的俄歇电子的动能为：子的动能为：MLKkE e Ke 完全取决于元素自身完全取决于元素自身,可作为可作为元素的标识元素的标识. 因此俄歇电子的因此俄歇电子的测量

27、可作为分析元素的一种手段测量可作为分析元素的一种手段.定义定义K层的荧光产额为层的荧光产额为:k表示原子中表示原子中K层有空穴后层有空穴后,产生产生KX射线的几率射线的几率.产生俄歇电产生俄歇电子的几率则为子的几率则为: 1-k . 例如例如:若若k=90%,则意味着每则意味着每100个有个有K空穴的原子空穴的原子,有有90个释个释放放KX射线射线,10个释放俄歇电子个释放俄歇电子. 空穴数空穴数射线数射线数KKXk 32第六章X射线原子内壳层产生空穴后原子内壳层产生空穴后释放能量的两种途径释放能量的两种途径or:释放释放X射线射线 (重元素的几率较大重元素的几率较大)标识谱产生的效应标识谱产

28、生的效应or:发射俄歇电子发射俄歇电子 (轻元素的几率较大轻元素的几率较大)核激发现象于核激发现象于1973年由森田正一年由森田正一(日日)发现发现内层电子间的跃迁将能量传给内层电子间的跃迁将能量传给原子核原子核,使原子核跃迁到激发态使原子核跃迁到激发态.两个效应均为实验所证实两个效应均为实验所证实.电子跃迁电子跃迁还可诱发还可诱发核的激发核的激发33第六章X射线1947年年,在美国通用电器公司的一台在美国通用电器公司的一台70MeV同步加速器中首同步加速器中首次观察到理论预言的辐射次观察到理论预言的辐射.当时命名为当时命名为“同步加速器辐射同步加速器辐射”. (1054年中国即观察到超新星爆

29、发年中国即观察到超新星爆发,称为称为“客星客星”.其其遗迹遗迹蟹状蟹状星云星云就是一种自然界的同步辐射源就是一种自然界的同步辐射源)同步辐射同步辐射对高能物理来说对高能物理来说,同步辐射阻碍粒子加速同步辐射阻碍粒子加速,是一种损耗是一种损耗. 20年后人们才发现它有重要的用途年后人们才发现它有重要的用途.是一种新的光源是一种新的光源.是人类历是人类历史上继电光源、史上继电光源、X光源、激光源之后的第光源、激光源之后的第4个革命性光源个革命性光源.1997年美国年美国7GeV同步辐射源的建成运转同步辐射源的建成运转,被称为当年继多利被称为当年继多利羊、登陆火星后的十大发明之第三羊、登陆火星后的十

30、大发明之第三. 世界大型同步光源：日本世界大型同步光源：日本SPring-8(8GeV), 美国美国APS(7GeV),欧洲欧洲ESRF(6GeV), 中国上海光源中国上海光源(3.5GeV)34第六章X射线同步辐射的特点同步辐射的特点IBERIEkwP4454.2647.88)( P(kw)：总功率；：总功率； R(m)：电子曲率半径；：电子曲率半径；E(GeV)：电子能量；：电子能量； I(A)：电流强度；：电流强度； B(kGs)：磁感强度：磁感强度.目前超大目前超大X光管光管(50kV)所产生的所产生的X射线功率在射线功率在10W的量级的量级,而而普通的普通的1GeV同步加速器的功率在

31、同步加速器的功率在10kw的量级的量级.现阶段最大的现阶段最大的20GeV同步加速器同步加速器 (西德西德)R192m,总功率可达总功率可达1500kw.同步辐射的强度比最强的同步辐射的强度比最强的X射线管强度强万倍以上射线管强度强万倍以上.用用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片光机拍摄一幅晶体缺陷照片,需要需要7-15天的感光时间天的感光时间,而利而利用同步辐射光源只需要几秒用同步辐射光源只需要几秒.35第六章X射线同步辐射的能谱是连续谱同步辐射的能谱是连续谱,覆盖面大覆盖面大,是目前频谱最宽的光源是目前频谱最宽的光源. 同步辐射的最短波长取决于同步辐射的最短波长取决于电子的能量电子的能量.1000

32、 100 10 1 0.1 0.01 / /nm红外可见真空紫外软红外可见真空紫外软X射线硬射线硬X射线射线强度强度电子能量电子能量(GeV)124能谱随电子能量呈不同分布示意图能谱随电子能量呈不同分布示意图利用单色器可以随意选择利用单色器可以随意选择所需要的波长所需要的波长,进行单色光的进行单色光的实验实验.当电子速度接近光速时当电子速度接近光速时,同步辐射几乎全都集中在电子运动的同步辐射几乎全都集中在电子运动的切线方向上切线方向上.其准直性可与激光媲美其准直性可与激光媲美.36第六章X射线同步辐射同步辐射(实线实线)X光管辐射光管辐射(虚线虚线)比较比较IEIt 电子在环行轨道中的分布不连

33、续电子在环行轨道中的分布不连续,因此同步辐射是脉冲光源因此同步辐射是脉冲光源,脉冲宽度窄脉冲宽度窄,脉冲间隔可调脉冲间隔可调.同步辐射具有时间结构同步辐射具有时间结构.有利于观察有利于观察与时间有关的现象与时间有关的现象.因此同步辐射是因此同步辐射是“超级显微镜超级显微镜”. 同步辐射具有线偏振和圆偏振特性同步辐射具有线偏振和圆偏振特性,可用于研究样品中特定参可用于研究样品中特定参数的取向问题数的取向问题.37第六章X射线 同步辐射光源与常规光源的比较同步辐射光源与常规光源的比较38第六章X射线真空槽：真空槽：减少因残留气体碰撞减少因残留气体碰撞而损失光束线能量而损失光束线能量同步加速腔：同步

34、加速腔：加速电子并补充同加速电子并补充同步辐射损失的能量步辐射损失的能量插入装置：插入装置：产生各类不同产生各类不同特征的同步辐射特征的同步辐射弯转磁铁：弯转磁铁：使光束线弯转使光束线弯转, ,产生同步辐射产生同步辐射四极磁铁：四极磁铁：以透镜机制以透镜机制聚焦光束线聚焦光束线同步辐射源基本构造示意图同步辐射源基本构造示意图39第六章X射线同步辐射的发展同步辐射的发展 第一代同步辐射光源第一代同步辐射光源. 在高能物理研究的空挡在高能物理研究的空挡,利用同步加速器利用同步加速器所发射的同步光进行研究所发射的同步光进行研究(寄生方式寄生方式).美国美国NSLS:第二代第二代.3.0GeV.隶属布

35、鲁克海隶属布鲁克海文国家实验室文国家实验室.每年为每年为2500人提供科研条件人提供科研条件.合肥合肥NSLS: 第二代第二代.0.8GeV,低能环低能环,以紫外、软以紫外、软X射线为主射线为主. 系其总体布局图系其总体布局图. 第二代同步辐射光源第二代同步辐射光源. 第一代同步辐射光源已不能满足研究需第一代同步辐射光源已不能满足研究需求求,建立了专门的装置产生同步光建立了专门的装置产生同步光,例如合肥同步辐射装置例如合肥同步辐射装置. 40第六章X射线日本日本Spring 8 :第三代第三代法国法国ESRF:第三代第三代 第三代同步辐射光源第三代同步辐射光源. 在储存环中加入插入件可以使同步

36、辐射在储存环中加入插入件可以使同步辐射的亮度再提高千倍以上的亮度再提高千倍以上. 现在的同步辐射主要来自插入件现在的同步辐射主要来自插入件.41第六章X射线芝加哥城外费米实验室芝加哥城外费米实验室( (建于建于19671967年年) )的同步加速器主环的同步加速器主环, ,直径达直径达2km美国美国:阿贡实验室阿贡实验室(ANL)(1946)位于芝加哥近邻位于芝加哥近邻,占地占地900英亩英亩.有雇员有雇员2900名名,其中约其中约1000名科学家名科学家,约约600名名博士博士.运行经费约运行经费约4.75亿美元亿美元.42第六章X射线美国美国:阿贡实验室光子源阿贡实验室光子源APSAPS(

37、7GeV)是美国阿贡是美国阿贡实验室的先进光子源实验室的先进光子源.高频设备高频设备实验室实验室/办公室区办公室区增强器增强器/注入器注入器低能波荡器试验线低能波荡器试验线电子枪电子枪电子直线加速器电子直线加速器累积环累积环插入设备插入设备储存环储存环实验大厅和光束线实验大厅和光束线右图注释：右图注释：RADIO FREQUENCY EQUIPMENT=高频设备；高频设备；BOOSTER/INJECTOR SYNCHROTRON=增强器增强器/注入器同步注入器同步加速器；加速器；GUN=电子枪；电子枪；LOW ENERGY UNDULATOR TEST LINE=低能波荡器试验线；低能波荡器试

38、验线；ACCUMULATION RING=累积环；累积环；e-LINAC=电子直线加速器；电子直线加速器；STORAGE RING=储存环；储存环；INSERTION DEVICES=插入设备；插入设备；EXPERIMENT HALL & BEAMLINES=实验大厅和光束线；实验大厅和光束线；LAB/OFFICE MODULES=S实验室实验室/办办公室区。公室区。 43第六章X射线美国美国:费米实验室鸟瞰费米实验室鸟瞰(1967)位于伊利诺斯州的草原位于伊利诺斯州的草原. 大学研究协会大学研究协会(URA)负责其运行负责其运行, URA由由90所大学所大学组成组成,有有2000名雇

39、员名雇员.44第六章X射线欧洲欧洲:ESRF位于法国位于法国东南城市格勒诺贝尔东南城市格勒诺贝尔,由欧洲由欧洲12个国家于个国家于1988年共同投资建设年共同投资建设,耗资耗资2.2亿法郎亿法郎,于于1994年启用年启用.6GeV.每年有每年有2000人获准利用此装置进行研究人获准利用此装置进行研究.45第六章X射线九十年代初开始使用九十年代初开始使用,为第一代光源为第一代光源,与北京正负电子对撞机与北京正负电子对撞机(BEPC)共用一个环共用一个环,2.2GeV,专用同步辐射时间专用同步辐射时间2-3月月/年年.下图为下图为目前已建成的若干条光束线和实验站的同步辐射装置布局目前已建成的若干条

40、光束线和实验站的同步辐射装置布局. 北京同步辐射装置北京同步辐射装置(BSRF)46第六章X射线上海同步辐射光源上海同步辐射光源(2009.04)是中国最具规模的重大工程是中国最具规模的重大工程,总投资总投资12亿亿RMB,占地占地300亩亩,建设期间为建设期间为(2004.12-2009.04).是第三代中能同步辐射装置是第三代中能同步辐射装置. 47第六章X射线1.光子与物质的相互作用光子与物质的相互作用1)多次小相互作用多次小相互作用: (典型实例典型实例:康普顿散射康普顿散射)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

41、光子束穿过吸收体后能量降低并有一个弥散因此光子束穿过吸收体后能量降低并有一个弥散.2)全或无相互作用全或无相互作用: (典型实例典型实例:光电效应光电效应)光子要么不受相互作用光子要么不受相互作用,要么经一次相互作用后就从射线束中要么经一次相互作用后就从射线束中消失消失.3)电子偶效应电子偶效应:当光子能量大于电子静止能量的当光子能量大于电子静止能量的两倍两倍(即即1.02MeV)时时,光子在原子核光子在原子核附近转化为一对正负电子附近转化为一对正负电子.光子与物质的三种相互作用光子与物质的三种相互作用E/MeVZ光电效光电效应为主应为主康普顿康普顿效应为主效应为主电子偶电子偶效应为主效应为主

42、6-3 X射线的吸收射线的吸收48第六章X射线49第六章X射线2.2.朗伯朗伯- -比耳定律比耳定律/不再依赖吸收体的物理状态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因而更能反映吸收体的吸收本领领,同时也给测量带来方便同时也给测量带来方便. xxeIIeII 00质量吸收系数质量吸收系数质量厚度质量厚度射线进入吸收体的深度射线进入吸收体的深度线性吸收系数线性吸收系数:)/(/:.:)(21mgcmxXxcm 50第六章X射线3.3.吸收限吸收限( (吸收边缘吸收边缘) ) 吸收限表示吸收限表示X光了光了的能量已达一个数值的能量已达一个数值,刚能使吸收物的原子刚能使吸收物的原子吸收它

43、发生光电效应吸收它发生光电效应.质量吸收系数与质量吸收系数与X光能量的关系光能量的关系实验表明：吸收体的吸收系数随着实验表明：吸收体的吸收系数随着X光的能量增加光的能量增加(波长变短波长变短,贯穿能力增强贯穿能力增强)而降低而降低.但当但当X光的波长减到某些数值时光的波长减到某些数值时,吸收系吸收系数会突然增加数会突然增加,然后再逐渐下降然后再逐渐下降.产生吸收限的原因：产生吸收限的原因：当当X射线的能量恰能射线的能量恰能将吸收体某一内层电将吸收体某一内层电子电离子电离,从而引起原子从而引起原子的共振吸收的共振吸收.51第六章X射线 232/ 12/ 12/ 12/321121221LKKLK

44、KaaSPSPKK 波波数数为为：特特征征线线为为：K吸收限表示光子的能量足以使一个吸收限表示光子的能量足以使一个1s电子脱离原子；电子脱离原子；L吸收限表示光子的能量足以使一个吸收限表示光子的能量足以使一个2s电子脱离原子；电子脱离原子； 可由吸收限求标识谱的波数可由吸收限求标识谱的波数.例如：例如：吸收限的存在吸收限的存在,再一次有力地证实了原子中电子壳层结构的再一次有力地证实了原子中电子壳层结构的实在性实在性.52第六章X射线* *吸收限的应用吸收限的应用原理：产生原理：产生KX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KX射线的能射线的能量量.而某物质的而某物质的KX线的

45、阈能正是该物质线的阈能正是该物质/E图上图上K吸收限的吸收限的能量能量.因此因此 ,该物质的该物质的KX射线的能量位置射线的能量位置,必定在必定在K吸收限的左边吸收限的左边,并且靠近吸收限的附近并且靠近吸收限的附近.根据这个原理根据这个原理,可用该元素制成一个薄片置于可用该元素制成一个薄片置于X射线的光路上射线的光路上,就可使就可使KX线顺利通过线顺利通过,而其它频率成份被大量吸收而其它频率成份被大量吸收,从而起到筛从而起到筛选通某些频率选通某些频率X射线的作用射线的作用.比如黄铜是铜和锌的混合物比如黄铜是铜和锌的混合物,当射线当射线打到黄铜上时打到黄铜上时,会同时出现会同时出现Cu和和Zn的

46、特征射线的特征射线,两者相差不大两者相差不大,我我们可以用镍做成过滤片们可以用镍做成过滤片,由于由于(Cu)的能量比镍的吸收限低的能量比镍的吸收限低,所以所以可以顺利通过可以顺利通过,而而(Zn)的能量比它高的能量比它高,将会被吸收将会被吸收.53第六章X射线原理：在血管中注入造影剂碘原理：在血管中注入造影剂碘(131I)；I对对X射线的吸收要比肌射线的吸收要比肌肉、骨骼对肉、骨骼对X射线吸收强得多射线吸收强得多.因此因此,在在X光照射下光照射下,哪里血管有阻哪里血管有阻塞塞,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.但这种方法要求有较大浓度但这种方法要求有较大浓度的碘才能造影

47、的碘才能造影,所以早期是将很细的导管插入人体股动脉所以早期是将很细的导管插入人体股动脉,在导管在导管中注入碘再造影中注入碘再造影.病人痛苦而且有一定危险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吸收限吸收限,在碘的浓度不是很大时在碘的浓度不是很大时,用两种用两种能量的能量的X射线分别造影射线分别造影;E1,E2分别为分别为K吸收限的上下端吸收限的上下端,相差很小相差很小,则则E1吸收系数很小吸收系数很小, E2吸收系数很大吸收系数很大,对两次造影的对两次造影的/进行数值进行数值处理以消除肌肉和骨骼的影响处理以消除肌肉和骨骼的影响.54第六章X射线两次造影时两次造影时,肌肉

48、、骨骼对肌肉、骨骼对的贡献是几乎相同的的贡献是几乎相同的.剩下的剩下的仅是碘对仅是碘对射线吸收的贡献射线吸收的贡献.如果某一个部位两次造影如果某一个部位两次造影值相减后几乎为零值相减后几乎为零,说明没有说明没有碘的贡献碘的贡献,这就很容易查出血这就很容易查出血管阻塞处管阻塞处.采用这种方法采用这种方法,碘通碘通过静脉注入血管过静脉注入血管,在全身扩散在全身扩散后后,尽管浓度不大尽管浓度不大,也能达到很也能达到很好的造影效果好的造影效果. 55第六章X射线6-4 康普顿散射康普顿散射(1923)A.H.Compton美美,(1892-1962)获获1927年度诺奖年度诺奖X射光管射光管-+光阑光

49、阑散射晶体散射晶体 ,探测器探测器 , , 实验规律实验规律散射线中有两种波长散射线中有两种波长 、 随散射角随散射角 的增大而增大的增大而增大56第六章X射线散射晶体散射晶体受迫振动受迫振动0 , ,单色单色电磁波电磁波照射照射电子受迫电子受迫振振 动动发射发射同频率同频率散射线散射线说明说明: :经典理论只能说明波长不变的散射经典理论只能说明波长不变的散射, ,而不能说明康普顿而不能说明康普顿散射散射. .1.1.康普顿散射的经典解释康普顿散射的经典解释57第六章X射线2.2.康普顿散射的量子解释康普顿散射的量子解释 h /h20cm h /h2mcp入射光子与外层电子弹性碰撞入射光子与外

50、层电子弹性碰撞,体系的能量和动量守恒体系的能量和动量守恒: 222cos)()(phhhmchcmh 22202入射光子入射光子散射波散射波58第六章X射线 2022202202221)()()(2v/cmmmvpcmmEcpE康康 普普 顿顿散射公式散射公式)cos1()cos1(0 ccmh20 11cmh)cos(hh 其其中中散散 射射 光光 子子的能量公式的能量公式59第六章X射线)cos1(1)cos1( hEk反冲电子的动能反冲电子的动能 hE,k212max 反冲电子的最大能量反冲电子的最大能量 21)(min hh光子的最小能量光子的最小能量以上以上5式系康普顿散射的全套表达

51、式式系康普顿散射的全套表达式.60第六章X射线1)电子的康普顿波长电子的康普顿波长3.3.康普顿散射的物理意义康普顿散射的物理意义nmcmhcc002426. 020 可理解为可理解为:当当/2时时,入射波与散射波的波长之差入射波与散射波的波长之差.折合电子康普顿波长：折合电子康普顿波长：eeecrrcm1370 经典电子半径经典电子半径:re2.8fm 2) 只决定于只决定于而与而与 无关无关可理解为可理解为:当当=时得到康普顿散射引起的最大位移时得到康普顿散射引起的最大位移入射波波长的最大增值：入射波波长的最大增值：020049. 02Acmh 61第六章X射线对实际测量来说对实际测量来说

52、,有意义的是有意义的是 / 只有对只有对 1的的X射线才能射线才能使使 / 大到足以观察的程度大到足以观察的程度.如：对于可见光如：对于可见光, / 小得无法被量度小得无法被量度.这就是为什么只有在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射线散射中才观察到康普顿效应的缘故.4.4.康普顿散射与基本常数康普顿散射与基本常数在康普顿散射公式中在康普顿散射公式中, h和和c都起关键作用都起关键作用. 若若h0,c,则则 0, 即回到经典物理即回到经典物理.上述理论结果与实验相符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故康普顿散射有力地支持了光的粒子性和狭义相对论子性和狭义相对论.康普顿散射提供了：康普顿散射提供了：1) 独立测定独立测定h的方法！的方法！ 2) 测定光子能量测定光子能量h的方法！的方法！62第六章X射线例例:0 =0.02nm的的X射线与静止的自由电子碰撞射线与静止的自由电子碰撞, 若从与入射线若从与入射线成成90