第六章：X射线

1、第六章：第六章：X射线射线X X射线的发现及其波动性射线的发现及其波动性 X X射线产生的机制射线产生的机制康普顿散射康普顿散射X X射线的吸收射线的吸收硬硬X射线射线0.001nm0.1nm软软X射线射线0.1nm1nmX X射线的性质射线的性质1 1）X X射线能使照相底片感光；射线能使照相底片感光； 2 2）X X射线有很大的贯穿本领；射线有很大的贯穿本领； 3 3）X X射线能使某些物质的原子、分子电离射线能使某些物质的原子、分子电离； 4 4）X X射线是不可见光，它能使某些物质发出射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；可见光的荧光；5 5）X X射线本质上是一种电磁波，同

2、此它具有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。反射、折射、衍射、偏振等性质。 1190111901年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于发现年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于发现X X射线而获得了诺贝尔物理学奖。射线而获得了诺贝尔物理学奖。2191421914年，劳厄由于利用年，劳厄由于利用X X射线通过晶体时的衍射，证明了晶体的原子点阵结构而获射线通过晶体时的衍射，证明了晶体的原子点阵结构而获得诺贝尔物理学奖。得诺贝尔物理学奖。3191531915年，布拉格父子因在用年，布拉格父子因在用X X射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡献分享了诺贝射线研究晶体结构方面所作出的杰出

3、贡献分享了诺贝尔物理学奖。尔物理学奖。4191741917年，巴克拉由于发现标识年，巴克拉由于发现标识X X射线获得诺贝尔物理学奖。射线获得诺贝尔物理学奖。5192451924年，西格班因在年，西格班因在X X射线光谱学方面的贡献获得了诺贝尔物理学奖。射线光谱学方面的贡献获得了诺贝尔物理学奖。6192761927年，康普顿与威尔逊因发现年，康普顿与威尔逊因发现X X射线的粒子特性同获诺贝尔物理学奖。射线的粒子特性同获诺贝尔物理学奖。7193671936年，德拜因利用偶极矩、年，德拜因利用偶极矩、X X射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获诺贝尔射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获诺贝尔化学奖

4、。化学奖。8194681946年，缪勒因发现年，缪勒因发现X X射线能人为地诱发遗传突变而获诺贝尔生理学射线能人为地诱发遗传突变而获诺贝尔生理学. .医学奖。医学奖。9195491954年，鲍林由于在化学键的研究以及用化学键的理论阐明复杂的物质结构而获得年，鲍林由于在化学键的研究以及用化学键的理论阐明复杂的物质结构而获得诺贝尔化学奖（他的成就与诺贝尔化学奖（他的成就与X X射线衍射研究密不可分）。射线衍射研究密不可分）。101962101962年，沃森、克里克、威尔金斯因发现核酸的分子结构及其对生命物质信息传年，沃森、克里克、威尔金斯因发现核酸的分子结构及其对生命物质信息传递的重要性分享了诺贝

5、尔生理学递的重要性分享了诺贝尔生理学. .医学奖（他们的研究成果是在医学奖（他们的研究成果是在X X射线衍射实验的基础射线衍射实验的基础上得到的）。上得到的）。111962111962年，佩鲁茨和肯德鲁用年，佩鲁茨和肯德鲁用X X射线衍射分析法首次精确地测定了蛋白质晶体结构而射线衍射分析法首次精确地测定了蛋白质晶体结构而分享了诺贝尔化学奖。分享了诺贝尔化学奖。121964121964年，霍奇金因在运用年，霍奇金因在运用X X射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构取得的射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构取得的重大成果获诺贝尔化学奖。重大成果获诺贝尔化学奖。 从从19011901年获诺

6、贝尔物理奖的伦琴开始，一个多世纪以来，因研究年获诺贝尔物理奖的伦琴开始，一个多世纪以来，因研究X X射射线技术、以及使用线技术、以及使用X X射线进行研究、与射线进行研究、与X X射线有关的研究而获得诺贝尔奖射线有关的研究而获得诺贝尔奖的已有多人，可见的已有多人，可见X X射线在科技发展中占有的重要地位。以下统计可能不射线在科技发展中占有的重要地位。以下统计可能不完全（物理完全（物理8 8次，生理学医学次，生理学医学3 3次，化学次，化学1414次）：次）：131969131969年，哈塞尔与巴顿因提出年，哈塞尔与巴顿因提出“构象分析构象分析”的原理和方法，并应用在有机化学研究的原理和方法，并

7、应用在有机化学研究而同获诺贝尔化学奖（他们用而同获诺贝尔化学奖（他们用X X射线衍射分析法开展研究）。射线衍射分析法开展研究）。141973141973年，威尔金森与费歇尔因对有机金属化学的研究卓有成效而共获诺贝尔化学奖。年，威尔金森与费歇尔因对有机金属化学的研究卓有成效而共获诺贝尔化学奖。151976151976年，利普斯科姆因用低温年，利普斯科姆因用低温X X射线衍射和核磁共振等方法研究硼化合物的结构及射线衍射和核磁共振等方法研究硼化合物的结构及成键规律的重大贡献获得诺贝尔化学奖。成键规律的重大贡献获得诺贝尔化学奖。161979161979年，诺贝尔生理年，诺贝尔生理. .医学奖破例地授给

8、了对医学奖破例地授给了对X X射线断层成像仪（射线断层成像仪（CTCT）作出特殊贡献）作出特殊贡献的豪斯菲尔德和科马克这两位没有专门医学经历的科学家。的豪斯菲尔德和科马克这两位没有专门医学经历的科学家。171980171980年，桑格借助于年，桑格借助于X X射线分析法与吉尔伯特、射线分析法与吉尔伯特、伯格因确定了胰岛素分子结构和伯格因确定了胰岛素分子结构和DNADNA核苷酸顺序以及基因结构而共获诺贝尔化学奖。核苷酸顺序以及基因结构而共获诺贝尔化学奖。181981181981年，凯年，凯. .西格班由于在电子能谱学方面的开创性工作获得了诺贝尔物理学奖的西格班由于在电子能谱学方面的开创性工作获得

9、了诺贝尔物理学奖的一半。一半。191982191982年，克卢格因在测定生物物质的结构方面的突出贡献而获诺贝尔化学奖。年，克卢格因在测定生物物质的结构方面的突出贡献而获诺贝尔化学奖。201985201985年，豪普特曼与卡尔勒因发明晶体结构直接计算法，为探索新的分子结构和化年，豪普特曼与卡尔勒因发明晶体结构直接计算法，为探索新的分子结构和化学反应作出开创性的贡献而分享了诺贝尔化学奖。学反应作出开创性的贡献而分享了诺贝尔化学奖。211988211988年，戴森霍弗、胡伯尔、米歇尔因用年，戴森霍弗、胡伯尔、米歇尔因用X X射线晶体分析法确定了光合成中能量转射线晶体分析法确定了光合成中能量转换反应的

10、反应中心复合物的立体结构，共享了诺贝尔化学奖。换反应的反应中心复合物的立体结构，共享了诺贝尔化学奖。221997221997年，斯科与博耶和沃克因籍助同步辐射装置的年，斯科与博耶和沃克因籍助同步辐射装置的X X射线，在人体细胞内离子传输射线，在人体细胞内离子传输酶方面的研究成就而共获诺贝尔化学奖。酶方面的研究成就而共获诺贝尔化学奖。232002232002年，贾科尼因发现宇宙年，贾科尼因发现宇宙X X射线源，与戴维斯、小柴昌俊共同分享了诺贝尔物理射线源，与戴维斯、小柴昌俊共同分享了诺贝尔物理学奖。学奖。242003242003年，阿格雷和麦金农因发现细胞膜水通道，以及对细胞膜离子通道结构和机理

11、年，阿格雷和麦金农因发现细胞膜水通道，以及对细胞膜离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献被授予诺贝尔化学奖（他们的成果用射线晶体成像技术获得）。研究作出的开创性贡献被授予诺贝尔化学奖（他们的成果用射线晶体成像技术获得）。252006252006年，科恩伯格被授予诺贝尔化学奖，以奖励他在年，科恩伯格被授予诺贝尔化学奖，以奖励他在“真核转录的分子基础真核转录的分子基础”研究研究领域作出的贡献（他将领域作出的贡献（他将X X射线衍射技术结合放射自显影技术开展研究）。射线衍射技术结合放射自显影技术开展研究）。18361836年，英国科学家迈克尔年，英国科学家迈克尔. .法拉第（法拉第（Michael

12、FaradayMichael Faraday，1791-18671791-1867）发现，在稀薄气体中放电时会产生一种绚丽的辉）发现，在稀薄气体中放电时会产生一种绚丽的辉光。光。 后来，物理学家把这种辉光称为后来，物理学家把这种辉光称为“阴极射线阴极射线”，因为它，因为它是由阴极发出的。是由阴极发出的。 18611861年，年，英国科学家威廉英国科学家威廉. .克鲁克斯克鲁克斯（William CrookesWilliam Crookes，1832-1832-19191919）（右图）发现通电的阴极射线管在放电时会产生亮光，于）（右图）发现通电的阴极射线管在放电时会产生亮光，于是就把它拍下来，

13、可是显影后发现整张干版上什么也没照上，一是就把它拍下来，可是显影后发现整张干版上什么也没照上，一片模糊。他以为干版旧了，又用新干版连续照了三次，依然如此。片模糊。他以为干版旧了，又用新干版连续照了三次，依然如此。克鲁克斯的实验室非常简陋，他认为是干版有毛病，退给了厂家。克鲁克斯的实验室非常简陋，他认为是干版有毛病，退给了厂家。他也曾发现抽屉里保存在暗盒里的胶卷莫名其妙地感光报废了，他也曾发现抽屉里保存在暗盒里的胶卷莫名其妙地感光报废了，他找到胶片厂商，指斥其产品低劣。一个伟大的发现与他失之交他找到胶片厂商，指斥其产品低劣。一个伟大的发现与他失之交臂，直到伦琴发现了臂，直到伦琴发现了X X光，克

14、鲁克斯才恍然大悟。光，克鲁克斯才恍然大悟。 在伦琴发现在伦琴发现X X光的五年前，美国科学家光的五年前，美国科学家古德斯柏德古德斯柏德在实验室里偶在实验室里偶然洗出了一张然洗出了一张X X射线的透视底片。但他归因于照片的冲洗药水或射线的透视底片。但他归因于照片的冲洗药水或冲洗技术，便把这一冲洗技术，便把这一“偶然偶然”弃之于垃圾堆中。弃之于垃圾堆中。 伦琴出生在德国伦琴出生在德国伦内普伦内普(Lennep(Lennep；现在属于；现在属于雷姆雷姆沙伊德沙伊德的一部分的一部分) )的一个纺织商人家庭的一个纺织商人家庭. 1865. 1865年，伦年，伦琴进入琴进入乌得勒支大学乌得勒支大学读书，随

15、后在读书，随后在苏黎世联邦理工学苏黎世联邦理工学院院学习学习机械工程机械工程。18691869年获年获苏黎世大学苏黎世大学物理学博士学物理学博士学位。位。18741874年伦琴任年伦琴任斯特拉斯堡大学斯特拉斯堡大学讲师。讲师。18751875年年成为成为霍恩海姆霍恩海姆 (Hohenheim)(Hohenheim)农业学院教授。农业学院教授。18761876年他返回年他返回斯特拉斯堡大学做物理学教授，斯特拉斯堡大学做物理学教授，18791879年任年任吉森大学吉森大学物物理系主任。理系主任。18881888年他就任年他就任维尔茨堡大学维尔茨堡大学物理系主任。物理系主任。19001900年，在年

16、，在巴伐利亚巴伐利亚政府一再请求下担任政府一再请求下担任慕尼黑大学慕尼黑大学物理系主任。物理系主任。 1901 1901年，首届年，首届诺贝尔奖诺贝尔奖颁发，伦琴获得颁发，伦琴获得诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖。伦。伦琴的发现不仅对医学诊断有重大影响，同时也影响了琴的发现不仅对医学诊断有重大影响，同时也影响了2020世纪许多世纪许多重大科学成就的出现。受伦琴的影响，重大科学成就的出现。受伦琴的影响，18961896年年亨利亨利贝克勒尔贝克勒尔在在发光材料的试验中偶然发现了一种新射线的穿透性。这样伦琴的发光材料的试验中偶然发现了一种新射线的穿透性。这样伦琴的发现间接地影响了放射性的发现。因为该发现

17、发现间接地影响了放射性的发现。因为该发现19031903年年贝克勒尔贝克勒尔和和居里夫人居里夫人被共同授予被共同授予诺贝尔奖诺贝尔奖。 为了纪念伦琴的成就，为了纪念伦琴的成就，X X射线在许多国家被称为伦琴射线。射线在许多国家被称为伦琴射线。另外第另外第111111号号化学元素化学元素錀錀（Roentgenium (Rg)Roentgenium (Rg)）也以伦琴命名。）也以伦琴命名。在伦琴的祖国，德国有许多以伦琴命名为学校，街道和广场。由在伦琴的祖国，德国有许多以伦琴命名为学校，街道和广场。由于伦琴在物理学的杰出成就，在德国的于伦琴在物理学的杰出成就，在德国的吉森吉森市，市，柏林柏林市和伦琴

18、的市和伦琴的出生地伦内普出生地伦内普(Lennep(Lennep）（）（雷姆沙伊德雷姆沙伊德）都建有伦琴纪念碑。）都建有伦琴纪念碑。 X X射线管射线管A A是阳极（金属），是阳极（金属），K K是阴极，是阴极，阴极和阳极电压为几万阴极和阳极电压为几万 十几万伏十几万伏管内压强管内压强1010-6 -6mmHg10mmHg10-8 -8mmHgmmHgX X射线的波性射线的波性查尔斯查尔斯格洛弗格洛弗巴克拉（巴克拉（18771877年年6 6月月2727日日19441944年年1010月月2626日），英国物理学家。任教于剑桥大学、爱丁堡大学的日），英国物理学家。任教于剑桥大学、爱丁堡大学的他

19、，致力于基础物理研究。他，致力于基础物理研究。19171917年，他因发现元素的次年，他因发现元素的次级级X X射线标识谱而获奖获得了诺贝尔物理学奖的殊荣。射线标识谱而获奖获得了诺贝尔物理学奖的殊荣。 马克斯马克斯冯冯劳厄（劳厄（Max von LaueMax von Laue，18791879年年1010月月9 9日日科科布伦茨布伦茨19601960年年4 4月月2424日日柏林柏林），），德国德国物理学家，物理学家，因发现因发现晶体晶体中中X X射线射线的的衍射衍射现象而获得现象而获得19141914年年诺贝诺贝尔物理学奖尔物理学奖。 X射线是电磁波，故它一定是横波。巴克拉用如图所示的双散

20、射体实验证明了X射线的横波性。X X射线的偏振射线的偏振 实际上，实际上，该实验是将该实验是将“自然自然”X X光通过一个用作起偏器的散射体成线偏振的光通过一个用作起偏器的散射体成线偏振的X X光，光，然后再用另一个散射体作检偏器，检验其偏振性。然后再用另一个散射体作检偏器，检验其偏振性。具体地说，若具体地说，若X X射线是横射线是横波，当它沿波，当它沿z z方向传播并经第一个散射体散射后，沿方向传播并经第一个散射体散射后，沿z z方向不会有振动；沿方向不会有振动；沿x x方向方向传播的传播的X X光再经第二个散射体后，则只有光再经第二个散射体后，则只有y y方向的振动。因此在方向的振动。因此

21、在xzxz平面可观察到平面可观察到y y方向的线偏振光。在方向的线偏振光。在y y方向观察不到方向观察不到X X射线。射线。X X射线的衍射射线的衍射 X X射线究竟是微小的质点束，还是像光一样的波射线究竟是微小的质点束，还是像光一样的波状辐射，一直悬而未决。有一种鉴定方法就是看状辐射，一直悬而未决。有一种鉴定方法就是看X X射射线能否借助含有一系列细线的衍射光栅而衍射（即线能否借助含有一系列细线的衍射光栅而衍射（即改变射线方向）。要想得到适当的衍射，这些细线改变射线方向）。要想得到适当的衍射，这些细线的间距必须大致与辐射线的波长大小相等。由的间距必须大致与辐射线的波长大小相等。由X X射线射

22、线的穿透力得知，的穿透力得知，若若X X射线像波一样，则其波长要短得射线像波一样，则其波长要短得多多可能只有可见光波长的千分之一。可能只有可见光波长的千分之一。制作如此制作如此精细的光栅完全是不可能的。精细的光栅完全是不可能的。 德国物理学家劳厄想到，如果人工做不出这样的光栅，自然界中的德国物理学家劳厄想到，如果人工做不出这样的光栅，自然界中的晶体也许能行。晶体是一种几何形状整齐的固体，而在固体平面之间有晶体也许能行。晶体是一种几何形状整齐的固体，而在固体平面之间有特定的角度，并且有特定的对称性。这种规律是构成晶体结构的原子有特定的角度，并且有特定的对称性。这种规律是构成晶体结构的原子有次序地

23、排列的结果。次序地排列的结果。一层原子和另一层原子之间的距离大约是一层原子和另一层原子之间的距离大约是X X射线波长射线波长的大小的大小。如果这样，晶体应能使。如果这样，晶体应能使X X射线衍射。把一束光射向硫化锌晶体，射线衍射。把一束光射向硫化锌晶体，在感光版上捕捉到了散射现象，即后来所称的劳厄相片。感光版冲洗出在感光版上捕捉到了散射现象，即后来所称的劳厄相片。感光版冲洗出来之后，他们发现了圆形排列的亮点和暗点来之后，他们发现了圆形排列的亮点和暗点衍射图。劳厄证明了光衍射图。劳厄证明了光具有波的性质。具有波的性质。自然自然杂志把这一发现称为杂志把这一发现称为“我们时代最伟大、意义我们时代最伟

24、大、意义最深远的发现最深远的发现”。劳厄证明了。劳厄证明了X X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了发表了X X射线的干涉现象射线的干涉现象一文。两年后，也就是一文。两年后，也就是19141914年，这一发现为年，这一发现为劳厄赢得了诺贝尔物理学奖劳厄赢得了诺贝尔物理学奖 。晶体晶体底底片片铅铅屏屏X 射射线线管管劳劳厄厄斑斑点点X X射线的衍射射线的衍射- -劳厄实验劳厄实验 晶体可看作三维晶体可看作三维立体光栅。立体光栅。 根据劳厄斑点的根据劳厄斑点的分布可算出晶面间距，分布可算出晶面间距，掌握晶体点阵结构。掌握晶体点阵结构。蛋白质的劳厄衍射图蛋白

25、质的劳厄衍射图X X射线的衍射射线的衍射- -劳厄实验劳厄实验红宝石的劳红宝石的劳厄衍射图厄衍射图硅单晶的劳硅单晶的劳厄衍射图厄衍射图多晶粉末法（德拜和谢勒首先发明的，德拜因利用偶极矩、多晶粉末法（德拜和谢勒首先发明的，德拜因利用偶极矩、X射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获1936年诺贝尔年诺贝尔化学奖化学奖 ）上图是氧化锆粉末得到的衍射相片。）上图是氧化锆粉末得到的衍射相片。它的好处是样品的制备大为简化。相片上每一同心圆对应一它的好处是样品的制备大为简化。相片上每一同心圆对应一组晶面，不同的圆环代表不同的晶面阵，环的强弱反映了晶组晶面，不同的圆环代表

26、不同的晶面阵，环的强弱反映了晶面上原子密度的大小。面上原子密度的大小。布拉格公式布拉格公式 劳厄的文章发表不久，引起了英国布劳厄的文章发表不久，引起了英国布拉格父子的关注，当时老布拉格，即亨利拉格父子的关注，当时老布拉格，即亨利. .布拉格（布拉格（William Henry Bragg 1862-1942William Henry Bragg 1862-1942）已是利兹大学的物理学教授，而小布拉格，已是利兹大学的物理学教授，而小布拉格，即劳伦斯即劳伦斯布拉格（布拉格（William Lawrence William Lawrence BraggBragg，1890-19711890-197

27、1）刚从剑桥大学毕业，）刚从剑桥大学毕业，在卡文迪许实验室工作。由于都是在卡文迪许实验室工作。由于都是X X射线射线微粒论者，两人都试图用微粒论者，两人都试图用X X射线的微粒理射线的微粒理论来解释劳厄的照片，但他们的尝试未能论来解释劳厄的照片，但他们的尝试未能取得成功。取得成功。 后来小布拉格成功地解释了劳厄的实验事实，解释了后来小布拉格成功地解释了劳厄的实验事实，解释了X X射线晶体衍射射线晶体衍射的形成，并提出著名的布拉格公式：的形成，并提出著名的布拉格公式：2dsin=n2dsin=n。这一结果不仅证明了小。这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性，更重要的是证明了能够用布拉格的解释的

28、正确性，更重要的是证明了能够用X X射线来获取关于晶体射线来获取关于晶体结构的信息。结构的信息。 小布拉格在用特征小布拉格在用特征X X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后，射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后，与其父亲合作，成功地测定出了金刚石的晶体结构，并用劳厄法进行了与其父亲合作，成功地测定出了金刚石的晶体结构，并用劳厄法进行了验证。验证。布拉格父子因在用布拉格父子因在用X X射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡献分享射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡献分享了了19151915年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖 AO.C. BdACCBd晶格常数晶格常数晶面间距晶面间距)(掠射角

29、掠射角d2sinn=光程差光程差 :+干涉加强条件（布喇格公式）：干涉加强条件（布喇格公式）：d2sin=n = 1,2,. 布喇格父子认为当能量很高的布喇格父子认为当能量很高的X X射线射到晶射线射到晶体各层面的原子时，原子中的电子将发生强迫体各层面的原子时，原子中的电子将发生强迫振荡，从而向周围发射同频率的电磁波，即产振荡，从而向周围发射同频率的电磁波，即产生了电磁波的散射，而每个原子则是散射的子生了电磁波的散射，而每个原子则是散射的子波波源；劳厄斑正是散射的电磁波的叠加。波波源；劳厄斑正是散射的电磁波的叠加。1,2,32nndsin在 方向衍射的X光将得到加强，出现了劳厄光斑。该式称布喇

30、格公式。用布喇格公式可以计算晶面距。反之，若已知d，还可以确定X射线的波长。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X射线管 激光等离子体 同步辐射X射线激光当高强度当高强度(1014(10141015 W/cm2)1015 W/cm2)激光激光脉冲聚焦打在固体靶上时，靶的表脉冲聚焦打在固体靶上时，靶的表面迅速离化形成高温高密度的等离面迅速离化形成高温高密度的等离子体，进而发射子体，进而发射X X射线。它是一种射线。它是一种具有足够辐射强度的独立点光源，具有足够辐射强度的独立点光源，所用泵浦激光器主要有所用泵浦激光器主要有Nd:YAGNd:YAG，钕玻璃等。

31、钕玻璃等。 拥有近拥有近70条光束线条光束线的美国阿贡实验室的美国阿贡实验室同步辐射光源同步辐射光源 设计有设计有30个光引出个光引出口的英国口的英国DIAMOND同步辐射光源同步辐射光源 德国德国DESY（电子同步加速器（电子同步加速器研究所研究所 ）自由电子激光器的波）自由电子激光器的波荡器荡器 北京自由电子北京自由电子激光装置激光装置 X X射线的发射谱射线的发射谱产生产生X射线射线 测得测得X射线的波长射线的波长X射线的强度射线的强度波长连续变化的部分，波长连续变化的部分，称为连续谱，它的最小称为连续谱，它的最小波长和外加电压有关。波长和外加电压有关。具有分立波长的谱线，一旦出现，具有

32、分立波长的谱线，一旦出现，它们的峰值位置完全决定于靶材它们的峰值位置完全决定于靶材料，称为特征谱（标识谱）料，称为特征谱（标识谱）X射线连续谱-轫致辐射（刹车辐射） 高速电子与靶原子发生碰撞，在靶原子的库仑场的作高速电子与靶原子发生碰撞，在靶原子的库仑场的作用下发生散射并损失能量。用下发生散射并损失能量。从量子的观点看：从量子的观点看：设入射电子在碰撞前的动能为设入射电子在碰撞前的动能为T T， 电子和原子核经一次碰撞后的动能为电子和原子核经一次碰撞后的动能为T T，相当于从一，相当于从一个连续态到另外一个连续态的跃迁，并辐射一个光子个连续态到另外一个连续态的跃迁，并辐射一个光子 hTT入射电

33、子经过一次碰撞损失的能量，可以是入射电子经过一次碰撞损失的能量，可以是0 0到到T T的任意值，的任意值，因而得到是连续谱。因而得到是连续谱。在轫致辐射过程辐射的强度：在轫致辐射过程辐射的强度：1 1、反比于带电粒子质量的平方、反比于带电粒子质量的平方2 2、正比于靶核的质子数。、正比于靶核的质子数。3 3、正比于带电粒子电荷的四次方、正比于带电粒子电荷的四次方当当X X射线管所加的电压一定时，连续射线管所加的电压一定时，连续谱存在一个最短波长，其数值和靶材谱存在一个最短波长，其数值和靶材料无关，只与料无关，只与x x射线管上的电压有关。射线管上的电压有关。如果入射电子经过一次碰撞损失全部如果

34、入射电子经过一次碰撞损失全部的动能，并转换为辐射光子的能量的动能，并转换为辐射光子的能量maxminmin1.24()hchTeUhcnmeUU kV19151915年，杜安和亨年，杜安和亨利利用此办法测得利利用此办法测得普朗克常数。普朗克常数。1. 1. 产生条件产生条件: : 仅当电子的能量不超过某一限度时仅当电子的能量不超过某一限度时, ,才只发射连续谱才只发射连续谱 。2. 2. 特征：特征：强度随波长变化强度随波长变化, ,在某一波长处在某一波长处, ,强度有强度有极值在长波方向强度降落缓慢，在短波方向极值在长波方向强度降落缓慢，在短波方向轻度降落较快，且有明显的极值，最短波长轻度降

35、落较快，且有明显的极值，最短波长 极小极小 。 极小极小 与材料无关与材料无关, ,只与加速电压有只与加速电压有关关, ,当加速电压增高时当加速电压增高时 极小极小减小。减小。3. 3. 产生机制产生机制: : 快速电子射到阳极上快速电子射到阳极上, ,受到阳极中受到阳极中原子核的库仑场作用就会骤然减速原子核的库仑场作用就会骤然减速; ;由此伴随由此伴随产生的辐射产生的辐射 称称之为轫致辐射。之为轫致辐射。4. 4. 由于电子速度连续变化，所以由于电子速度连续变化，所以产生连续谱。产生连续谱。X射线连续谱-轫致辐射（刹车辐射）X射线特征谱是巴拉克于1906年发现的。当加速电压大于一定值时，他观

36、察到连续谱上出现一系列分立谱线，其波长与加速电压无关，只和靶材料有关。原因是电子轰击靶核，使靶原子的一个内层电子电离（出现空穴），外层电子向空穴跃迁的能量差导致。按辐射的硬度（贯穿能力）递减的次序用K、L、M字母标识，在K系列中有含有KKK等，在L系中也有类似情况。X射线特征谱X射线特征谱亨利亨利莫塞莱莫塞莱Henry Gwyn Jeffreys Moseley (Henry Gwyn Jeffreys Moseley (* * 1887 1887年年1111月月2323日生于日生于英格兰英格兰的的WeymouthWeymouth; ; 卒于卒于19151915年年土耳其土耳其加里波利加里波利

37、, , 英国英国物理学家物理学家，原子序数原子序数的发现的发现者。者。19061906年年莫塞莱进入莫塞莱进入牛津大学牛津大学的的三一学院三一学院（Trinity Trinity College (Oxford)College (Oxford)）。毕业后与）。毕业后与欧内斯特欧内斯特卢瑟福卢瑟福共共同工作于同工作于曼彻斯特大学曼彻斯特大学。第一年他主要致力于教。第一年他主要致力于教学工作，几年后完成教学任务的莫塞莱全力投身学工作，几年后完成教学任务的莫塞莱全力投身于科研。于科研。19131913年年莫塞莱在研究元素的莫塞莱在研究元素的X-X-射线射线标识谱时发现，以不同元素材料作为标识谱时发现

38、，以不同元素材料作为产生产生X-X-射线的靶实验时，所产生的特征射线的靶实验时，所产生的特征X-X-射线的射线的波长波长不同。他把测得五不同。他把测得五十多个元素所产生的特征十多个元素所产生的特征X-X-射线按波长排列后，发现其次序与射线按波长排列后，发现其次序与元素周期元素周期表表中的次序一致，他称这个次序为中的次序一致，他称这个次序为原子序数原子序数，原子序数就是原子核的正，原子序数就是原子核的正电荷数，认为元素性质是其原子序数的电荷数，认为元素性质是其原子序数的周期函数周期函数，证明了，证明了元素元素的主要特的主要特性由其性由其原子序数原子序数决定，而不是由决定，而不是由原子量原子量决定

39、，确立了原子序数与决定，确立了原子序数与原子核原子核电荷电荷之间的关系。关于原子序数的发现被称为之间的关系。关于原子序数的发现被称为莫塞莱定律莫塞莱定律。19141914年年他离开了他离开了曼彻斯特曼彻斯特，回到，回到牛津牛津继续他的研究。在继续他的研究。在第一次世界大战第一次世界大战爆发后，他参加了爆发后，他参加了皇家工程师皇家工程师（Royal EngineersRoyal Engineers），死于），死于加里波利半岛加里波利半岛达达达尼尔海峡达尼尔海峡的的加里波利之战加里波利之战，阵亡时年仅，阵亡时年仅2727岁。岁。1913年，莫塞莱在测量了铝到金38种元素的光谱之后发现，各元素的x

40、射线的频率的平方根对原子序数成线性关系。 原子光谱是原子最外层电子跃迁的结果，外层电子组态的周期性决定了元素性质的周期性。 X射线是内层电子的跃迁的结果。 频率的平方根随Z呈线性关系(见图)。说明它受外层电子影响很小，只受原子核的影响。莫塞莱图提供了从实验测定原子序数Z的一种有效方法。历史上正是他首次纠正了27Co，28Ni在周期表的次序。 KX射线的频率可写成玻尔理论（类氢光谱公式）导出1620.246 10 () Hz1KZbb22216222113313.6(-)0.246 101244KcRcZRcZZZ Hzh原因原因当n=1层中出现空穴时，考虑到电子屏蔽效应，在n=2层中电子感受到

41、的是（Z-1）个正电荷的吸引，所以当n=2层的电子向内层跃迁时发出的辐射频率是：2222113(1) (-)13.6 (1) eV124KEhRc zZ1620.246 10 (1) HzKZ这表明KX射线是内层电子从n2到n=1跃迁产生的。因子（Z-1）理解为当n=1(K)壳层中一个电子被电离后， n=2(L)壳层电子感受到（Z-1）核电荷库仑作用。它也指出要发射KX射线，必须从n=1壳层事先电离出一个电子成电离状态，其电离能或阈能是从n=1移去一个电子所需的能量。而KX射线的能量是电子从n1到n2层的能量差值。2222113(1) (-)13.6 (1) eV124KEhRc zZ2LR(

42、7.4)Z2211（-）23入射电子入射电子K壳层中电壳层中电离的电子离的电子KLMKK根据泡利原理，发生跃迁的根据泡利原理，发生跃迁的前提前提n=1n=1壳层中出现空穴，电壳层中出现空穴，电子子n=2n=2态向态向n=1n=1态跃迁。态跃迁。空穴的存在是产生特征辐射的条件，采用的方法：电子束、质子束、离子束以及X射线产生。特征谱产生的其它效应特征谱产生的其它效应1 1）俄歇俄歇(Auger)(Auger)电子电子 当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生X X射射线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称线，而是将另一层电子电离

43、，这样产生的电子称Auger LAuger L电子。电子。 klM 比如，比如，L L电子向电子向K K层跃迁所产生能量将层跃迁所产生能量将MM电子电离，则相应的俄电子电离，则相应的俄歇电子动能为：歇电子动能为：kE kLkME其中其中 分别是分别是K K、L L、MM壳层中电壳层中电子的结合能，而这些能量是由子的结合能，而这些能量是由元素本性决定的，所以元素本性决定的，所以 也是也是由元素本性决定的，它可以作由元素本性决定的，它可以作为元素的标识。为元素的标识。 kLMkE、2 2）核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量核激发效应：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。传给

44、原子核，使原子核跃迁到激发态。以上两个效应，分别是法国物理学家以上两个效应，分别是法国物理学家AugerAuger和日本和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。 电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产生的辐射。称同步辐射，这实质上是带电粒子加生的辐射。称同步辐射，这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。速运动时辐射电磁波的一种表现。同步辐射同步辐射特征谱产生的其它效应特征谱产生的其它效应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, ,是是 一种损耗一种损耗. .

45、但同步辐射却是可利用的新型但同步辐射却是可利用的新型X X光源光源. .由以下特性可知其价值所在由以下特性可知其价值所在. .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, ,而普通的而普通的1GeV同步加同步加速器的功率在速器的功率在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, ,总功总功率可达率可达1500kw.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

46、度； B(kGs):磁感强度。磁感强度。强度强度1000 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7.5GeV电子能量电子能量同步辐射的能谱是连续谱，同步辐射的能谱是连续谱， 所以所以X射线的波长连续可调。射线的波长连续可调。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。而而X X射线管发出的射线管发出的X X光强度主要集中在靶材所对应的特征辐射附近光强度主要集中在靶材所对应的特征辐射附近, ,较单一较单一. .同步辐射的角分布与电子速度有关，当电子速度接近光速时，同步辐射的角分布与电子速度有关，当电子速度接

47、近光速时，同步辐射几乎全都集中在电子运动的切线方向上。其准直性同步辐射几乎全都集中在电子运动的切线方向上。其准直性可与激光媲美。可与激光媲美。同步辐射（实线）同步辐射（实线）X光管辐射（虚线）比较光管辐射（虚线）比较IEIt芝加哥城外费米实验室的同步加速器主环，直径达2km1 1、BSRFBSRF：九十年代初开始使用，为第一代光源，与北京正负电子对：九十年代初开始使用，为第一代光源，与北京正负电子对撞机（撞机（BEPCBEPC）共用一个环，）共用一个环，2.2GeV, 2.2GeV, 专用同步辐射时间专用同步辐射时间 2-32-3月月/ /年，年， 北京同步辐射装置北京同步辐射装置(BSRF)

48、是利用同步辐射光源进行科学研究的装置，对是利用同步辐射光源进行科学研究的装置，对社会开放的大型公用科学设施，是我国凝聚态物理、材料科学、化学、生社会开放的大型公用科学设施，是我国凝聚态物理、材料科学、化学、生命科学、资源环境及微电子等交叉学科开展科学研究的重要基地。下图为命科学、资源环境及微电子等交叉学科开展科学研究的重要基地。下图为目前已建成若干条光束线和实验站的同步辐射装置布局目前已建成若干条光束线和实验站的同步辐射装置布局 2 2、NSRLNSRL：建在安徽合肥科技大学内，为第二代专用光源。：建在安徽合肥科技大学内，为第二代专用光源。0.8GeV0.8GeV，低能环，低能环，以紫外、软以

49、紫外、软X X射线为主。可产生射线为主。可产生12keV12keV以下的硬以下的硬X X射线。射线。一期工程投资一期工程投资0.80.8亿亿, ,于于19911991年完成年完成; ;二期工二期工程投资程投资1.21.2亿亿, ,于于20042004年完成年完成. .系开放型的国系开放型的国家同步辐射室家同步辐射室. .实验室外景鸟瞰实验室外景鸟瞰 3 3、上海在、上海在20092009年底建成新一代的年底建成新一代的3.5GeV3.5GeV同步辐射装置。周长同步辐射装置。周长432m,432m,单簇电子单簇电子电流大于电流大于5mA,5mA,可产生从可见光到可产生从可见光到40Kev40Ke

50、v的硬的硬X X射线射线. .1、为何用电子同步回旋加速器？、为何用电子同步回旋加速器？ 辐射强度反比辐射强度反比m42、什么是同步？、什么是同步？ 电子被加速到电子被加速到11，但是向心力仍由，但是向心力仍由mm（c）2/R表示，表示，R不变，但不变，但是是m=m0/ (1-2)1/2不断增加，必须使磁场同步的增长，以保证电子在轨不断增加，必须使磁场同步的增长，以保证电子在轨道上运转。道上运转。 电子有心加速度导致电子有辐射。电子有心加速度导致电子有辐射。3、同步辐射的特点？、同步辐射的特点？ 功率大：功率大：P=88.47E2I/R(E是电子能量，是电子能量，I是电子流强度，是电子流强度，

51、R是半径是半径) 频带宽：频带宽： 连续谱，最短波长取决于电子的能量。连续谱，最短波长取决于电子的能量。 方向性好：同步辐射沿切线方向发射，发射角约等于方向性好：同步辐射沿切线方向发射，发射角约等于(1-2)1/2 偏振性好：同步辐射是偏振的，偏振方向在轨道平面内。偏振性好：同步辐射是偏振的，偏振方向在轨道平面内。 时间结构好：同步辐射的发射时脉冲式的，脉冲宽度很窄（时间结构好：同步辐射的发射时脉冲式的，脉冲宽度很窄（10-10s），），脉冲间隔较长且可调。脉冲间隔较长且可调。普朗克普朗克( (黑体辐射黑体辐射) )19001900年年1212月月1414日：日：正常光谱中能量分布律的理论正常

52、光谱中能量分布律的理论提出能量子概念，量子力学诞生，提出能量子概念，量子力学诞生，19181918年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。爱因斯坦（光电效应）爱因斯坦（光电效应）19051905年：年：关于光的产生和转化的一个试探性观点关于光的产生和转化的一个试探性观点假说，假说，19211921年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。后被密立根的实验所验证（后被密立根的实验所验证（19231923年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）康普顿效应康普顿效应（19271927年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）19231923年年5 5月：月：X X射线受轻元素散射的量子理论射线受轻元素散射的量子理论并用并用光量子解释。光量子解释。阿瑟阿瑟霍利霍利康普

53、顿（康普顿（Arthur Holly ComptonArthur Holly Compton，18921892年年9 9月月1010日日19621962年年3 3月月1515日日），），美国美国物理学家物理学家，19271927年年诺贝尔物理诺贝尔物理学奖学奖获得者获得者11，曾任，曾任圣路易斯华盛顿大学圣路易斯华盛顿大学校长校长 。康普顿。康普顿19131913年取得伍斯特大学年取得伍斯特大学学士学位学士学位，19141914年和年和19161916年分别取年分别取得得普林斯顿大学普林斯顿大学的的硕士硕士和和博士学位博士学位。毕业后，康普顿先后在。毕业后，康普顿先后在明尼苏达大学明尼苏达大学

54、短暂执教一年、到短暂执教一年、到匹兹堡匹兹堡一家公司当一家公司当工程师工程师两两年、到年、到剑桥大学剑桥大学当当研究员研究员一年。一年。19201920年，他成为年，他成为圣路易斯华圣路易斯华盛顿大学盛顿大学的物理教授，的物理教授，19231923年转到年转到芝加哥大学芝加哥大学。 康普顿康普顿19181918年开始研究年开始研究X X射线射线的的散射散射。19221922年，他发现年，他发现X X射线射线对对自由电子自由电子发生散射时，发生散射时，光子光子的能量减少，而的能量减少，而波长波长变大。这一变大。这一发现被称为发现被称为“康普顿效应康普顿效应”或或“康普顿散射康普顿散射”，后来又被

55、他的，后来又被他的研究生研究生吴有训吴有训进一步证实。由于这项成就，康普顿被授予进一步证实。由于这项成就，康普顿被授予19271927年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。除了诺贝尔物理奖以外，康普顿还除了诺贝尔物理奖以外，康普顿还先后获得过先后获得过拉姆福德奖拉姆福德奖（19261926年）、年）、休斯奖章休斯奖章（19401940年）和年）和富兰克林奖章富兰克林奖章（19401940年）等奖项。为纪念这位物理学家，有年）等奖项。为纪念这位物理学家，有多项事物以其名字命名。多项事物以其名字命名。月球月球上的康普顿上的康普顿环形山环形山的命名是为了的命名是为了纪念阿瑟纪念阿瑟康普顿和他的兄长卡尔

56、康普顿和他的兄长卡尔康普顿。圣路易斯华盛顿大康普顿。圣路易斯华盛顿大学的物理研究大楼也以其名字命名。芝加哥大学有学生宿舍楼学的物理研究大楼也以其名字命名。芝加哥大学有学生宿舍楼被称为康普顿宿舍。康普顿在被称为康普顿宿舍。康普顿在芝加哥芝加哥的旧居被列入美国国家历的旧居被列入美国国家历史古迹。史古迹。美国国家航空航天局美国国家航空航天局把把大型轨道天文台计划大型轨道天文台计划中的中的伽玛伽玛射线射线天文天文卫星卫星命名为命名为康普顿伽玛射线天文台康普顿伽玛射线天文台。 康普顿散射的实验装置康普顿散射的实验装置X X射光管射光管- -+光阑光阑散射晶体散射晶体00 0 0 实验规律实验规律散射线中

57、有两种波长散射线中有两种波长 0 0 、 0 随散射角随散射角 的增大而增大的增大而增大康普顿散射与散射角的关系康普顿散射与散射角的关系相相对对强强度度0.700 0.750()09045135经典物理解释经典物理解释散射晶体散射晶体受迫振动受迫振动0 00 00 单色电磁波单色电磁波照射照射电子受电子受迫振动迫振动发射发射同频率散射线同频率散射线说明：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。康普顿散射。入射光子与外层电子弹性碰撞入射光子与外层电子弹性碰撞 量子解释量子解释外层外层电子电子受原子核束缚较弱受原子核束缚较弱 动能光子能

58、量动能光子能量 近似自由近似自由近似静止近似静止静止自由静止自由电子电子体系的能量、动量守恒体系的能量、动量守恒2200mchcmh sinsincoscos0vvmchmchch00 hch0 20cm2mcvm hch 入射能量入射能量20Kev,远远超过所远远超过所有元素外层电子的束缚能有元素外层电子的束缚能20mch 20222220,1EcpEmcEmm 2120max, hEk 21)(0min hh物理意义物理意义00202426. 011. 54 .12AkeVkeVAcmhce eeeecrrcm137 物理意义物理意义0220.049ehAm c例题：比较用例题：比较用x

59、x光（光（1 1=0.05nm=0.05nm）和紫光（）和紫光（ 2 2=400nm =400nm ）入射，）入射，= =是的康普顿散射情况。是的康普顿散射情况。解：波长改变量相同，均为解：波长改变量相同，均为2c2sin0.048A2oX光%6 . 95 . 0048. 01 紫光紫光%0012. 04000048. 02入射光能量较低入射光能量较低)(c时，康普顿效应不显著，将主要时，康普顿效应不显著，将主要观察到光电效应观察到光电效应)(o观察到光电效应。普顿效应不明显，主要或紫外光入射），康能量较低时（如可见光是显著的。在入射光子才可比拟时，康普顿效应子的康普顿波长只有在入射光波长与电

60、c波长变大的散射线波长变大的散射线波长不变的散射线波长不变的散射线内层电子被紧紧束缚，光子相内层电子被紧紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞光子当于和整个原子发生碰撞光子质量远小于原子，碰撞时光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。不损失能量，波长不变。物理意义物理意义光子光子内层电子内层电子外层电子外层电子相相对对强强度度0.700 0.750波长波长 0 轻物质（多数电子处于弱束缚状态轻物质（多数电子处于弱束缚状态 ）弱弱强强重物质（多数电子处于强束缚状态重物质（多数电子处于强束缚状态 ）强强弱弱吴有训（吴有训（1897-1897-19771977），我国近代），我国近代物理学