X射线的发现及特性

1、第八章第八章X X射线射线 一、一、X X射线的发现及特性射线的发现及特性（一）（一） X X射线的发现射线的发现1895年11月8日，伦琴发现。 X射线是波长极短的电磁波，它不会被磁场偏转，具有很强的穿透力，而且波长越短，穿透力越强。0.1nm：软X射线。（二）若（二）若X X射线的波动性和粒子性射线的波动性和粒子性波动性波动性 X X射线在晶体的衍射射线在晶体的衍射. .布喇格公式布喇格公式2 sin ,12ndn， ， ， 2. .劳厄照片劳厄照片 每个亮点为劳厄斑点每个亮点为劳厄斑点, ,对应于一组晶面对应于一组晶面. . 斑点的斑点的位置反映了对应晶面的方位置反映了对应晶面的方向向.

2、由这样一张照片就可由这样一张照片就可以推断晶体的结构以推断晶体的结构( (连续谱连续谱的的X X射线射线) )3 3晶体粉末法晶体粉末法( (单波长的射线单波长的射线) ) 每一同心园对应一组晶面每一同心园对应一组晶面, ,不同的园环代表不同的园环代表不同的晶面阵不同的晶面阵, ,环的强弱反映了晶面上原子的环的强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射线的衍射是研究晶体结构有效方法射线的衍射是研究晶体结构有效方法- -晶体衍射图就可以确定晶体内部的原子（或分子）间的距离和排列-1915年布拉格父子因此获诺贝尔物理奖 (2)X(2)X射线分析可用

3、来研究高分子的结构射线分析可用来研究高分子的结构 2040200400600800100012001400(b)(a) (a) Eu(DBM)3PhenPMMA的广角X射线衍射图 (b) Eu(DBM)3Phen的X射线衍射图粒子性粒子性- - 康普顿效应康普顿效应(1927(1927诺贝尔奖诺贝尔奖) )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.理论解释理论解释X射线的光子同电子碰撞的结果康普顿散射公式-康普顿散射中射线波长的改变与原波长无关, 只与散射角有关220hm chmcppm

4、v01 coshm c 二、二、 X X射线的产生机制射线的产生机制(一)X射线的产生X射线由高速电子打在物体上产生。 X X射线由两部分构成，一是波长连续变化的连续射线由两部分构成，一是波长连续变化的连续谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分是谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分是具有分立波长的线状谱，波长取决于靶材料，称为具有分立波长的线状谱，波长取决于靶材料，称为标识谱、特征谱。标识谱、特征谱。 连续谱，钨靶，不同的电压 标识谱：钨靶和钼靶，相同的电压。二二.X.X射线的产生机制射线的产生机制( (一一) )、X X射线连续谱射线连续谱 波长连续变化的连续谱，它的最小波长只与外

5、加电压有关0hcVe0hvVe012398.10V埃轫致辐射：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。 min( (二二) )、X X射线的标识谱射线的标识谱1 , 312s0s1, 0 l1 1、特点、特点K K线系：线系：K K ：LK；K：MK；K：NK；L线系：L：ML；L：NL；L：OL； X X射线由内层电子的跃射线由内层电子的跃迁所产生。迁所产生。 2. 2. 同同X X射线有关的原子能级。射线有关的原子能级。3. 3. 产生产生X X射线标识谱的跃迁射线标识谱的跃迁的选择定则的选择定则1

6、L 01J ，3. 3. 莫塞莱定律及原子序数的测定莫塞莱定律及原子序数的测定sm)2111() 1(222ZRK)3121()4 . 7(222ZRL)11()(222nmbZRmn 根据元素根据元素X X射线在图上的位置射线在图上的位置, ,就就可定出该元素的原子序数可定出该元素的原子序数三、X射线的吸收0 xII eaNAaNAaNA43aCZ小,则吸收小,贯穿能力强; Z大则吸收强8.5 康普顿效应 X射线被散射后，除波长不改变的射线被散射后，除波长不改变的部分外，还有波长变长的情况出现，部分外，还有波长变长的情况出现，这种现象称康普顿效应这种现象称康普顿效应实验及结果：康普顿实验装置

7、图康普顿实验装置图图1 康普顿散射与角度的关系（）随角度的增）随角度的增加，新谱线的强加，新谱线的强度增强，原谱线度增强，原谱线减弱减弱（）波长改变的（）波长改变的数值与散射角有数值与散射角有关，即随角度的关，即随角度的增加而增加增加而增加1.同一波长的射线在不同散射角被同一物质散射同一波长的射线在不同散射角被同一物质散射:图2 康普顿散射与原子序数的关系（）散射物的原（）散射物的原子序数增加，移子序数增加，移动的新谱线的强动的新谱线的强度减弱，原谱线度减弱，原谱线的强度增加的强度增加（）新谱线的移（）新谱线的移动与散射物的性动与散射物的性质无关质无关2.同一波长的射线在同一波长的射线在不同散

8、射角被同一物不同散射角被同一物质散射质散射:图2 康普顿散射与原子序数的关系图2 康普顿散射与原子序数的关系图2 康普顿散射与原子序数的关系（）散射物的原（）散射物的原子序数增加，移子序数增加，移动的新谱线的强动的新谱线的强度减弱，原谱线度减弱，原谱线的强度增加的强度增加图2 康普顿散射与原子序数的关系理论解释康普顿视康普顿视X X射线为光子流，把射线为光子流，把X X射线与自由射线与自由电子间的作用看作是电子间的作用看作是两种粒子相互碰撞发生散射的过程，因此应满足能量守恒和动两种粒子相互碰撞发生散射的过程，因此应满足能量守恒和动量守恒。量守恒。)2() 1 (220umppmcvhcmhv.

9、,.,0ummppvv碰撞后电子动量为为电子的静止质量动量分别是碰撞前后光子的和频率分别是碰撞前后光子的式中:)3()4(得20)/(1,cummcvhpchvp其中)3(cos2cos)(2)()()(:)2(22222222222vvhvhvhucmcvhchvcvhchvmu式该写成标量式把)4()(22:) 1 (204202222242vvhcmcmvvhvhvhcm式移项平方把c称为电子的康普顿波长，具有长度的量纲)(2)cos1 (2)1 (2024202242vvhcmvvhcmcucm几点说明：)cos1 (:0cmh由公式nmcmh0049. 02,18000时当无关与有关

10、只与,. 1 .的最大位移这就是康普顿散射引起.,0., 00.,. 0,0称相干散射的散射且在各方向都观察到的事例不仅发生于但的变化当然不引起入射光未偏折时当相干散射. 2. 0,)cos1 (000所以而代替因以原子质量中在公式mMmMcmh?为什么会出现相干散射3实验表明，随增加，波长改变的谱线强度 逐渐减弱，而波长不变的谱线强度逐渐增强，这是由于大，电子数目多，但真正能看成自由电子的只是最外层几个，占电子总数的比例减少了，而光子同结合牢固的电子碰撞，就如同质量较大的原子碰撞，即便波长改变也是很小，不能观察所以波长改变的部分随增大而增强，而与少数几个自由电子碰撞，由于相对数目较少，故波长不变的部分随增加而减弱这也就是前面讲的相干散射.4. 实验结果中，波长改变的有一较宽的 强度分布，这是由于电子不是静止的5. 在光子能量低时，吸收是主要 的，散射是次要的，光子能量高时，散射是主要的., 0, 0,)cos1 (0体现对应原理又得到清晰的即回到经典物理都趋于或若中在公式中chcmh.,),(0个方法为独立测定又提供了一康普顿散射实验来测定的测定可由有关只于三个基本常量因为hmch6. 康普顿效应与基本常量思考题为什么在X射线的衍射中能观察到康普顿效应?./,.500./,1 . 0./,小到无法观察故仍旧这么大的可见光对于度大