1、內(nèi)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院李健第六章射線（X 射線）（上）RtgenRays第六章主要內(nèi)容 . X 射線的產(chǎn)生和特性（多講授）X射線的衍射 布拉格公式二. X 射線產(chǎn)生的機(jī)制 （多講授）X 射線發(fā)射譜 韌致輻射 特征輻射定律三. 與X射線有關(guān)的能級(jí) （多講授）俄歇電子 同步輻射四. X 射線的吸收 （常規(guī)講授）X射線的吸收機(jī)理，散射（多實(shí)驗(yàn)-講授）定律，吸收譜吸收限五.六.X 射線在晶體中的衍射（多講授）第六章Rtgen畢業(yè)于工程師。1868年，獲機(jī)械1869年，獲哲學(xué)博士學(xué)位。受老師昆特教授影響轉(zhuǎn)為物理學(xué)研究，后隨昆特到1872年，到斯特拉斯堡大學(xué)任大學(xué)做助手。1875年，海堡農(nóng)業(yè)專科學(xué)校任教

2、授。1879年，主持大學(xué)物理學(xué)講座。1888 年， 任維爾茲堡大學(xué)物理學(xué)院教授和院長(zhǎng)。1889年，1894年，任大學(xué)和茲大學(xué)教授。大學(xué)校長(zhǎng)和慕尼黑物理和慕尼黑射線。的通訊。1895年，發(fā)現(xiàn)1896年，一月二十三號(hào)進(jìn)行唯一一次講演。1900年，應(yīng)邀到慕尼黑大學(xué)任物理學(xué)教授，這是極大的殊榮。1901年，獲首屆物理學(xué)獎(jiǎng)。第六章1845 1923德國(guó) 物理學(xué)家首屆物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者第六章6.1X 射線的產(chǎn)生和特性一.X 射線的產(chǎn)生射線的本質(zhì)？，發(fā)現(xiàn)用高速電子打“射線”！擊金屬陽(yáng)極靶時(shí)，可放出一種具有很強(qiáng)穿透能力，能使感光，空氣電離的射線幾萬(wàn) 幾百萬(wàn)伏的高壓-+陰級(jí) 鎢絲陽(yáng)級(jí) 金屬X 射線熱電子第六章二.X

3、射線的特點(diǎn)與本質(zhì)1.X射線的特點(diǎn)第六章波長(zhǎng)非常短，力很強(qiáng)可使氣體電離熒光物底片發(fā)光感光2.X射線的本質(zhì)電磁輻射！電磁波！* 在 0.01 - 100 3. X射線的分類* 1 軟射線 1 硬射線X光管第六章三.X射線的衍射1906年，英首先發(fā)現(xiàn)X射線的偏振。試金石?衍射!為什么？波長(zhǎng)太短！無(wú)法分辯，需要數(shù)量級(jí)的光柵！1912年，馮德想到用晶體作光柵，因?yàn)榫w有規(guī)范的原子排列，原子間距也在的數(shù)量級(jí)，是天然的三維光柵。第六章光柵實(shí)驗(yàn)：看不到衍射！Max von Laue馮.1904年, 在柏林大學(xué)指導(dǎo)下完成博士，的助教。獲博士學(xué)位；留在柏林大學(xué)做1909年，慕尼黑大學(xué)任教。的講課吸引了許多年輕物理

4、學(xué)家來(lái)到慕尼黑，其中關(guān)于X 射線的本性是之一。1912年， 提出晶體光柵X射線衍射實(shí)驗(yàn)。后在學(xué)、法蘭克福大學(xué)任教。大1914年，獲物理獎(jiǎng)1919年，回柏林大學(xué)任物理學(xué)教授。成為德國(guó)物理學(xué)界的之一，曾擔(dān)任 德國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。1943年，被納粹強(qiáng)令從柏林大學(xué)提前退休。二戰(zhàn)期間他從未參予與軍事有關(guān)的科學(xué)活動(dòng)。1957年，法國(guó)授予尊嚴(yán)和榮譽(yù)軍團(tuán)勛章以表彰他捍衛(wèi)人的的功績(jī)。第六章1879 - 1960M. v. Laue德國(guó)物理學(xué)家1914年獲物理獎(jiǎng)受的影響，讓編撰將注意力放在X射線的本性上。問(wèn)題的關(guān)鍵？數(shù)學(xué)科學(xué)百科全書(shū)中“ 波動(dòng)光學(xué)”工作，開(kāi)始研實(shí)現(xiàn)X射線的衍射！或究晶格理論。找老師找和不支持。又，索

5、的助教的博士生厄和他晶體光學(xué)問(wèn)題時(shí)，他敏銳的博士在勞抓住晶體的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)晶格間距的厄的指導(dǎo)下，1912年4月開(kāi)數(shù)量級(jí)。始實(shí)驗(yàn)，兩次實(shí)驗(yàn)后終于當(dāng)時(shí)，晶體可以作為X射線的天然光柵還是假設(shè)做出了X射線的衍射實(shí)驗(yàn)。第六章晶體光柵設(shè)想X射線的晶體衍射實(shí)驗(yàn)斑晶體X射線第六章出現(xiàn)斑！X射線通過(guò)晶體發(fā)生衍射！第六章晶體的三維光柵X 射線通過(guò)晶體時(shí)的衍射現(xiàn)象既可用于測(cè)定X射線的波長(zhǎng)又可證明晶體的原子點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的（多晶）斑、鎢單晶衍射圖左：鋁多晶X射線衍射圖右：鋁多晶 電子衍射圖紅寶石單晶斑硅單晶的斑第六章不同晶體的X射線衍射1913年，布拉格父子建立布拉格公式。不但解釋了斑點(diǎn)，而且能用X射線分析晶體結(jié)構(gòu)研究。

6、用X射線儀測(cè)定材料的X射線譜進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析至今還是非常重要、有效的材料分析。第六章18901971William L . Bragg布拉格英國(guó)物理學(xué)家1915年獲物理學(xué)獎(jiǎng)1862 1942William H. Bragg布拉格英國(guó)物理學(xué)家1915年獲物理學(xué)獎(jiǎng)四.布拉格定律Braggs law1.布拉格儀第六章2.基本原理X射線通過(guò)鉛狹縫后打在晶體上，因晶體表面只露出平行的一個(gè)晶面，即發(fā)生衍射只是在此晶面上不涉及其它晶面。經(jīng)反射后的射線打在軟底片上，晶體來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)每次都經(jīng)過(guò)合適的角，所以射線就會(huì)多次射在底片的同一處形成一條譜線。第六章第六章3.布拉格定律設(shè)：入射為單色光波長(zhǎng)，晶體表面為鏡面，晶體

7、中原子相互平行平面間距用d表示，可見(jiàn)：a; b兩條光線的光程差為：AE + EB = 2dsin當(dāng)光程差等于入射波aa長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)，在方向上出現(xiàn)衍射極大值。所以：bbK=1,2,3, 第六章2 d sin k 4.布拉格對(duì)斑的解釋能量很高的X射線射到晶體各層面原子 時(shí)，原子中的電子將發(fā)生強(qiáng)迫振蕩，從而向周圍發(fā)射同頻率的電磁波，即產(chǎn)生電磁波的散射.每個(gè)原子則是散射的子波源；斑正是散射電磁波的疊加。第六章5.X射線分析儀（布拉格儀）測(cè)試X射線譜裝置圖用布拉格儀可以測(cè)出X射線譜線的一系列波長(zhǎng)。到 X射線譜圖。 第六章6.2一. X射線發(fā)射譜X 射線產(chǎn)生機(jī)制射線譜 以X射線相對(duì)強(qiáng)度按波長(zhǎng)分布圖。1pm

8、 =10-12 m第六章連續(xù)譜波長(zhǎng)連續(xù)變化，從某一短波限開(kāi)始，（由X射線管電壓決定）一直伸展到長(zhǎng)波區(qū)。分立譜（標(biāo)識(shí)譜，特征譜）一般，標(biāo)識(shí)往往在連續(xù) 譜上。只要一出現(xiàn)波長(zhǎng)的峰值位置就不再變化完全由靶元素性質(zhì)決定。二.連續(xù)譜35kv時(shí)鎢、鉬靶的X射線譜隨z增大，連續(xù)譜包圍的面積增大但形狀不變1.特點(diǎn)連續(xù)譜只與外加管電壓有關(guān)與靶材料無(wú)關(guān)。存在一個(gè)最小波長(zhǎng)，隨管電壓增大向短波方向移動(dòng) 12.4 V ( k v)=min第六章不同管電壓鎢的連續(xù)譜2.連續(xù)譜產(chǎn)生的機(jī)制機(jī)制：軔致輻射熱電子突然減速損失的動(dòng)能以X光子放出高速熱電子因高速運(yùn)動(dòng)的熱電子進(jìn)入靶內(nèi)時(shí)，損失部分能量所以轉(zhuǎn)為光子的能量沒(méi)有初始時(shí)大，頻率就

9、低些。電子進(jìn)入靶中的深度不同，受到的力作用不同速度變化也不同，使能量分布有個(gè)連續(xù)變化的過(guò)程，即波長(zhǎng)變化形成連續(xù)譜。第六章3. 最小波長(zhǎng)min（截止波長(zhǎng)）一般熱電子要經(jīng)過(guò)幾次碰撞才能將動(dòng)能損失掉，但也有一定的幾率，電子一次碰撞將損失其全部能量而發(fā)射單個(gè)X射線光子，此時(shí)光子有最短波長(zhǎng)即：截止波長(zhǎng)min。 12.4 V ( k v)=min光量子解釋：若一個(gè)電子在電場(chǎng)中得到的能量為：E k= 1 e v， E k = 1 ev = hmax= h c /min min= h c / ev = 12.4 / v ( k v)第六章min量子極限波長(zhǎng)的存在是量子論正確的有力證明三.X射線標(biāo)識(shí)譜1906年

10、，發(fā)現(xiàn)每一種化學(xué)元素產(chǎn)生一種次級(jí) X射線輻射。被看作是該元素的特征標(biāo)志，稱為標(biāo)識(shí)X射線，標(biāo)識(shí)譜線分為兩個(gè)不同范圍：K系列：L系列：本領(lǐng)較強(qiáng)，本領(lǐng)較弱。成功地研究了：從鈣（Z=20）到鈰（Z=58）的K系列;從銀（Z=47）到鉍（Z=83）的L系列。 次級(jí)X射線標(biāo)識(shí)譜的發(fā)現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)概念的建立是非常重要的。第六章18771944英國(guó)物理學(xué)家1917年獲物理學(xué)獎(jiǎng)110300250200101150211100200220500202530354045505560657075802Theta(0)(021 )8000 SnS6000 4000 2000 (042 )(131 )(111 )(2

11、31 )(141 )010 20 30 40 2( )50 60 70 80 第六章Lin(cps)Lin(cps)SnO21.標(biāo)識(shí)譜的特點(diǎn) 每個(gè)線系均有若干條譜線： K 線系： 波長(zhǎng)最短，一般可觀察到三條譜線；L線系：比K線系波長(zhǎng)要長(zhǎng)，譜線較多；M 線系： 波長(zhǎng)更重元素有 標(biāo)識(shí)譜是線狀譜，每種金屬靶元素均有一套特定波長(zhǎng)X射線標(biāo)識(shí)譜。相似結(jié)構(gòu)的標(biāo)識(shí)譜，因?yàn)橹卦赜邢嗤膬?nèi)層結(jié)構(gòu)。 每種元素的標(biāo)識(shí)譜均分為幾個(gè)線系K線系， L線系， M線系，N線系等長(zhǎng)，譜線；第六章Moseley( 18871915 )1911年，曼徹斯特大學(xué)在指導(dǎo)下從事研究。1913年，受指點(diǎn)給當(dāng)時(shí)70種元素進(jìn)行“點(diǎn)名”測(cè)量其電

12、荷和質(zhì)量。從鋁（Z=13）開(kāi)始每隔一個(gè)再取，直到金（Z=79）因當(dāng)時(shí)Z=43、61、75 號(hào)元素還未發(fā)現(xiàn)，共測(cè)31種元素的X射線譜。后轉(zhuǎn)到牛津大學(xué)。在英國(guó)科學(xué)家當(dāng)中，他是一位極刻苦的學(xué)者，在他短短幾年的實(shí)驗(yàn)生涯中，取得了具有永恒價(jià)值的結(jié)果。第一次開(kāi)始，他應(yīng)征入伍在工兵服役。1915年8月在海灣登陣亡年僅28歲。分析X射線譜發(fā)現(xiàn)一個(gè)特殊規(guī)律：X射線頻率與某些“整數(shù)”間呈線性關(guān)系，將波長(zhǎng)倒數(shù)平方根與“整數(shù)” 做曲線 得到一直“在第一次幾百萬(wàn)悲劇的中，物理學(xué)界最悲痛的的犧牲?！笔蔷€，若不用這些數(shù)排列，規(guī)律就會(huì)起名：原子序數(shù)！。第六章才華橫溢的英國(guó)物理學(xué)家2.定律證明X射線光譜則是原子內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生

13、的。普遍式T1 Z Rn重元素有相同的內(nèi)殼層，標(biāo)識(shí)譜不顯周期性，只能是內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生的。 T/R的平方根與Z呈線性關(guān)系不顯周期性周期性是價(jià)電子躍遷產(chǎn)生的第六章kL3.定律的解釋給出K線系第一條譜線經(jīng)驗(yàn)公式：認(rèn)為：用氫原子理論可解釋定律。若m=1，n=21 1R 2Z 11222相應(yīng)能量：hc此式物理意義十分清楚：從 n=2 n=1的躍遷，躍遷電子受到( Z 1) 正電荷的作用第六章 hcR 12Z 11 122 2k = 0. 248 10 16( Z 1 )2只要內(nèi)層有空位，其它內(nèi)層電子就會(huì)向下躍遷產(chǎn)生標(biāo)識(shí)譜。重元素有相同結(jié)構(gòu)的內(nèi)殼層，所以有相似的標(biāo)識(shí)譜。n=n=3實(shí)驗(yàn)第一次提確測(cè)kn=2

14、量 Z的方法，比散射還精確 歷史上就用此方法定出元素的Z ，并糾正了鈷、鎳 的次序。Z=43、61、75三個(gè)未還kn=1發(fā)現(xiàn)元素的性質(zhì)。第六章四. X射線標(biāo)識(shí)譜產(chǎn)生的機(jī)制1. X射線標(biāo)識(shí)譜的分析 各元素的標(biāo)識(shí)譜有相似的結(jié)構(gòu)，不像光學(xué)光譜變化較大。 按Z的次序，比較各元素的標(biāo)識(shí)譜，波長(zhǎng)依次變化不呈周期性。 各線系的結(jié)構(gòu)與化學(xué)成份無(wú)關(guān)。 X射線管需加幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)伏的電壓，才能激發(fā)出某些線系所以：X射線的光子能量光學(xué)光譜光子的能量。第六章2.產(chǎn)生機(jī)制內(nèi)層電子躍遷X光標(biāo)識(shí)譜元素中內(nèi)層電子躍遷產(chǎn)生高速熱電子撞擊靶，使原子內(nèi)層電子電離出現(xiàn)空位，高能級(jí)的電子向空位躍遷，發(fā)射標(biāo)識(shí)譜，反映了原子內(nèi)層結(jié)構(gòu)情況：價(jià)

15、電子躍遷：光學(xué)光譜基態(tài)譜線的波長(zhǎng)代表能級(jí)的間隔；譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)顯示能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。激發(fā)態(tài)n=1 ：K 殼層n=2 ：L 殼層最內(nèi)層次內(nèi)層再內(nèi)層n=3 ：M殼層第六章6.3同X射線有關(guān)的原子能級(jí)一.產(chǎn)生標(biāo)識(shí)譜的條件和方法2.方 法1. 條 件方法有多種可使內(nèi)層產(chǎn)生空位，空位一原子內(nèi)殼層有空位！旦產(chǎn)生以后的現(xiàn)象與外界無(wú)關(guān)，完全取決于元素本身的原子序數(shù)。電子X(jué)光熒光分析：電子轟擊產(chǎn)生空位.質(zhì)子X(jué)光熒光分析：質(zhì)子轟擊產(chǎn)生空位. 離子X(jué)光熒光分析：離子轟擊產(chǎn)生空位.原子內(nèi)殼層是閉合的，根據(jù)泡利不相容理不能再增電子，所以一定要產(chǎn)生空位。 X射線熒光分析：X光轟擊產(chǎn)生空位.第六章二.特征輻射與原子能級(jí)的關(guān)系

16、1.主殼層能級(jí)圖n= O n=5產(chǎn)生標(biāo)識(shí)譜：內(nèi)層有空位，原子處于電離態(tài)。內(nèi)層電子處于不同能級(jí)所需電離能不同。最內(nèi)層 K殼層：能級(jí)最低，所需電離能最大。n=4 N M - X射線n=3 M L - X射線n=2 L L、M殼層電子填K - X射線空位發(fā)射K 和K 標(biāo)識(shí)abn=1 K 譜線，同時(shí)出現(xiàn)空位第六章2. 次殼層能級(jí)躍遷圖j7 / 25 / 25 / 23 / 23 / 21 / 21 / 2nl33221104f 4f 4d 4d 4p 4p 4s4NK23d5 / 23 / 23 / 21 / 21 / 222110K13d 3p 3p3sM3d pK2p ss pK12p 2p2s1103 / 2