高二物理竞赛X射线的产生与测量课件

第八章X射线

X射线,是一种波长较短的电磁波.X射线谱的某些特性反映了原子内部结构的情况.通过X射线可以对原子结构问题进一步的探索.

电磁波谱

波长（cm）频率（Hz）紫外红外X射线毫米波微波（电视、雷达）短波长波γ射线可见光X射线是德国物理学家伦琴发现的。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。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。1901年，他成为诺贝尔物理学奖第一人。

其实，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，但他们都是“当真理碰到鼻尖上还让其溜走了”的人。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.1922-23年间，康普顿证实X射线的粒子性，1927年诺奖。1912年，劳厄证实X射线干涉、衍射波动性，1914年诺贝尔奖；1912-1913年间，布喇格父子用晶体衍射测出X射线波长，1915年诺奖。1906年，巴克拉通过偏振现象证实X射线是电磁波；1917年因特征X射线获诺奖；1979年，科马克、洪斯菲尔德因X射线层析图像技术获诺贝尔生理医学奖。光学光谱:原子受激发,价电子跃迁所获得的光谱。(从红外线---可见光---紫外线：10-3~10-8米）原子光谱X射线光谱：原子内壳层电子跃迁所获得的光谱。一.X射线的产生阴极发射的电子被电压V（一般是几万伏特）加速打到阳极靶上,高速电子流与靶相撞时,电子因受阻失去动能,其中部分能量转变为X射线，部分转变为热能。8.1X射线的产生与测量二.X射线的性质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的荧光；5）X射线本质上是一种（波长极短0.01nm-10nm

的）电磁波，具有反射、折射、衍射、偏振等波动性质。<0.1nm：硬X射线，>0.1nm：软X射线。加速(或减速)的带电离子能辐射出电磁波.当高速电子在靶上突然受阻而停止时,必将产生电磁波.X射线是电磁波的一种.1906年,英国物理学家巴克拉(G.GBarkla)才显示了X射线的偏振,首次用实验证明了X射线的波动性.1912年,德国物理学家冯.劳厄提出设想,认为X射线是波长很短的电磁波,晶体中各原子有规则的排列可以使X射线发生衍射.其建议很快为弗里德里克和尼平的实验所证实.其衍射图样称劳厄斑.此后,布喇格父子（英,W.H.布喇格和W.L.布喇格）进一步研究并对劳厄斑做出简明解释.他们认为,晶格点阵中的粒子可组成许多平行平面（晶面）,衍射包括同一晶面内各原子发出的子波之间的相干叠加,也包括各晶面之间的子波的相干叠加。三.X射线的波动性1.X射线是电磁波（横波）起偏检偏偏振这个概念只是对横波才存在.横波是指电磁振动方向与波的传播方向k相垂直的波.若电矢量E恒定在一个方向,则称之为线偏振(或平面偏振).若E随时间作周期性变化,如E在垂直于k的平面上作圆周运动,则称之为圆偏振;如E在垂直于k的平面上作椭圆运动,则称之为椭圆偏振.假若电矢量的方向是无规变化的,那么相应的波是不偏振的.1906年,英国物理学家巴克拉(G.GBarkla)利用双散射技术测量了X射线的偏振特性,从而第一次证实了X射线的横波特性.双散射技术是测量任何射线线偏振特性的有效方法。2.X射线的衍射（波长测量）波动性－X射线在晶体的衍射利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长。2dsin=n，n=1、2、…..晶体—原子规则周期性排列，晶格常数d~X射线波长~Å晶体作为立体光栅，一束X射线射入晶体时，将发生衍射，出射线就会加强。

从任何一晶面(布拉格面)上，那些出射方向对平面的倾角与入射线的倾角相等的X射线，满足布拉格公式晶体可形成许多不同取向的晶面。X射线经不同晶面反射时，凡光程满足布喇格公式,在该方向衍射的X光将得到加强，出现了亮斑。对于λ和d两个量，只要已知其一，便可知其二。1953年测得的脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构就是根据对X射线衍射图样的分析而提出来的.(2)X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；从而可进一步求得阿伏伽德罗常数。(3)X射线分析可用来研究高分子的结构

(1)利用X射线在晶体中的衍射可测量X射线的波长。DNA晶体衍射图样例题:

实验上利用x射线法测定普朗克常数时，把晶体放在某一角度θ上，θ为晶面与入射x射线的夹角。逐渐增加射线管两端的电位差，直至在此角度位置出现谱线，以此来决定普朗克常数h。现有一晶格常数为2.81的岩盐晶体置于θ=14о的位置上，在此角度首