最新原子物理学第六X射线幻灯片.ppt

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1、原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线基本内容基本内容6.1 X6.1 X射线的波性射线的波性6.2 X6.2 X射线产生的机制射线产生的机制6.3 X6.3 X射线的吸收射线的吸收6.4 6.4 康普顿效应康普顿效应目的与要求目的与要求(1)(1)了解了解X X射线的产生机制及波长的计算射线的产生机制及波长的计算. .(2)(2)了解了解X X射线吸收的特点射线吸收的特点. .(3)(3)分析康普顿散射效应分析康普顿散射效应. .电磁波谱电磁波谱2221201918171615141312111098765101010101010101010101010101010101010 波长（波

2、长（cm）频率（频率（Hz）11109876543210123451010101010101010101010101010101010 紫外紫外红外红外X射线射线毫毫米米波波微波微波（电视、雷达）（电视、雷达）短波短波长波长波射射线线可可见见光光原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线玻璃玻璃铍窗口铍窗口钨丝钨丝接变压器接变压器金属聚灯罩金属聚灯罩金属靶金属靶X X射线射线X X射线射线电子流电子流冷却水冷却水 实验表明，实验表明，X X射线谱由两部分构成射线谱由两部分构成原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线标识谱：标识谱：一定材料做的阳极具一定材料做的阳极具有确定的临界电压（开始出现

3、有确定的临界电压（开始出现尖峰时的电压）尖峰时的电压）, ,可用来识别元可用来识别元素素. .因此线状谱又称标识谱因此线状谱又称标识谱. .连续谱：连续谱：加速电压不太高时加速电压不太高时,X,X射线的强度随波长连续变化射线的强度随波长连续变化. .线状谱：线状谱：加速电压达一定值时加速电压达一定值时, ,连续谱上叠加着的某些尖峰构成连续谱上叠加着的某些尖峰构成. .峰值对应的波长取决于靶峰值对应的波长取决于靶材本身）材本身）121086420相对相对强度强度0.02 0.04 0.06 0.08 1.00/nm/nm20kV30kV40kV50kV35kV K K原子物理学原子物理学第六章第

4、六章X射线射线)()(24. 1minnmkVV eVhc min min 据此式，若测出外加据此式，若测出外加高压则可精确地测出高压则可精确地测出hK K态（击走态（击走K K电子）电子）L L态（击走态（击走L L电子）电子）M M态（击走态（击走M M电子）电子）N N态（击走态（击走N N电子）电子）击走价电子击走价电子中性原子中性原子原原子子的的能能量量电子冲击阳级靶电子冲击阳级靶X X射线射出射线射出原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线K K态（击走态（击走K K电子）电子）L L态（击走态（击走L L电子）电子）M M态（击走态（击走M M电子）电子）N N态（击走态（击走

5、N N电子）电子）击走价电子击走价电子中性原子中性原子原原子子的的能能量量K K激发激发 L L激发激发K Ka a辐射辐射K K辐射辐射L L辐射辐射原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线莫塞莱（英）定律反映的是各元素莫塞莱（英）定律反映的是各元素标识谱的频率与标识谱的频率与Z Z的近似关系。的近似关系。第一次提供了精确测量第一次提供了精确测量Z的方法的方法1)(6 .1343)2111()1()1(10248. 0222216 bbZZRhcEZKK屏蔽常数 玻尔于玻尔于19131913年发表了三篇文章提出关于原子的量子学说，这直接启发了莫年发

6、表了三篇文章提出关于原子的量子学说，这直接启发了莫塞莱，他发现他的经验公式可从玻尔理论导出塞莱，他发现他的经验公式可从玻尔理论导出原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线1020304050607080901.41.21.00.80.60.40.2Z X X射线线系射线线系的莫塞莱图的莫塞莱图以波数的平方以波数的平方根为纵坐标根为纵坐标. .对对于重元素于重元素, ,这些这些图基本为直线图基本为直线; ;对于轻元素会对于轻元素会有所偏离有所偏离. .原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线产生特征产生特征X X射线的电子射线的电子跃迁服从的选择定则跃迁服从的选择定则 1,010jln (K

7、) (L) (M)010112011223 ln 原子态原子态)(keVE712.26019. 4727. 3538. 3781. 0666. 0632. 0423. 0420. 02/122/122/122/322/122/122/322/322/52 SSPPSPPDDK线系线系 KKKKL线系线系原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线电子跃迁电子跃迁还可诱发还可诱发核的激发核的激发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）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）)(LK MLKeE 原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线原子物理

8、学原子物理学第六章第六章X射线射线X 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 X射线的光栅也要在射线的光栅也要在的数量级才行。的数量级才行。晶体有规范的原子排列，且原子间距也在晶体有规范的原子排列，且原子间距也在的数量级。是的数量级。是天然的三维光栅天然的三维光栅。劳厄想到了这一点，但普朗克对他的想法不予支持。后来去找正在攻读劳厄想到了这一点，但普朗克对他的想法不予支持。后来去找正在攻读博士的索末菲，经两次实验后终于成功进行了博士的索末菲，经两次实验后终于成功进行了X X射线的衍射实验。射线的衍射实验。X X射线衍射实验演示射线衍射实验演示- -K +A 铅板铅板感光胶片感光

9、胶片p p晶片晶片原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线劳厄实验劳厄实验(1912)晶片光栅晶片光栅nm1 . 0dnm1 . 0 X X射线源射线源劳厄斑劳厄斑晶晶体体的的三三维维光光栅栅Lane.德德(1879-1960 年）年）原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线19131913年布喇格父子年布喇格父子建立了布喇格公式建立了布喇格公式. .不但能解释劳厄斑不但能解释劳厄斑点点, ,而且能用于对而且能用于对晶体结构的研究。晶体结构的研究。原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线BraggBragg父子（英）父子（英）当能量很高的当能量很高的X X射线射到晶体各层面射线射到晶体各

10、层面的原子时的原子时, ,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从而向周围发射同频率的电磁波波, ,即产生了电磁波的散射即产生了电磁波的散射, , 而每个而每个原子则是散射的子波波源原子则是散射的子波波源. .劳厄斑正劳厄斑正是散射的电磁波的叠加是散射的电磁波的叠加. .2原子受迫振动原子受迫振动发出电磁波发出电磁波1 21)cos(cos210 d)2 , 1 , 0(0 kk 如图所示如图所示, ,设晶面上设晶面上两原子间距为两原子间距为d,d,两条两条衍射线的光程差为衍射线的光程差为: :相干叠加的极大值条件是相干叠加的极大值条件是: :可证

11、明可证明, ,一个晶面的高级次的极大一个晶面的高级次的极大, ,正好相当于另一晶面的正好相当于另一晶面的零级极大零级极大, ,因而因而, ,为简化问题为简化问题, ,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，掠射角可不加脚标，直接用因此在分析问题时，掠射角可不加脚标，直接用表示。表示。原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线2)相邻晶相邻晶面间的子面间的子波的叠加波的叠加 d12hd3aADabbCB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

12、叠加极大值条件：3 , 2 , 1,sin2 kkd X X射线的波长射线的波长晶晶格常数格常数布喇格晶体衍射公式布喇格晶体衍射公式原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线X射线摄谱仪示意图射线摄谱仪示意图PRK原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线德拜相德拜相X X射线衍射的应用实例射线衍射的应用实例已知已知X 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 X射线射线分析仪分析仪原理：原理：kdsin2？原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线19531953年英年英国的威尔金国的威尔金斯、沃森和斯、沃森和克里克利用克里克利用X X射线的结射线的结构分析得到构分

13、析得到了了遗传基因遗传基因脱氧核糖核脱氧核糖核酸（酸（DNA) DNA) 的双螺旋结的双螺旋结构构, ,获获19621962年诺贝尔生年诺贝尔生物和医学奖。物和医学奖。 原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线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. .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

14、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

15、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. .原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线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

16、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2km原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线1 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，原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线 原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线北京同步辐射装置北京同步辐射装置(BSRF)是利用同步辐射光源进行科学研

17、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、软以紫外、软X X射线为主。可产

18、生射线为主。可产生12keV12keV以下的硬以下的硬X X射线。射线。原子物理学原子物理学第六章第六章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原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线A.H.ComptonA.H.Compton美美,(1892-1962,(1892-1962）获获1927年度年度诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖X X射光管射光管- -+光阑光阑散射晶体散射晶体探

19、测器探测器00 0 0 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 0 0 、 0 随散射角随散射角 的增大而增大的增大而增大原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线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。1 1）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 原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线外层外层电子电子受原子核束缚较弱受原子核束缚较弱 动能光子能量动

20、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 20mch 20222220,1EcpEmcEmm 康普顿康普顿散射公式散射公式经改写经改写后可得后可得上式表明上式表明: :散射光子的能量是入射光子能量的函数。散射光子的能量是入射光子能量的函数。反冲电子的最大能量和光子的最小能量反冲电子的最大能量和光子的最小能量利用：利用：原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线经整理后得经整理后得散射光子的散射光子的能量公式能量公式 2

21、120max, hEk 21)(0min hh2 2） X X射线光子和原子内层电子相互作用射线光子和原子内层电子相互作用光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。内层电子被紧紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。内层电子被紧紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。光子光子内层电子内层电子外层电子外层电子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原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线00202426. 011. 54 .12AkeVkeVAcmhce eeeecrrcm137 原子物理学原子物理学第六章第六章

22、X射线射线02049. 02Acmhe 康普顿散射提供了：康普顿散射提供了：1 1）独立测定）独立测定h h的方法！的方法！2 2）测定光子能量）测定光子能量hh的的方法！方法！0 0 =0.02nm=0.02nm的的X 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, , 若从与入射若从与入射线成线成90900 0的方向观察散射线，求散射线的波长的方向观察散射线，求散射线的波长。能量守恒，反冲电子动能量守恒，反冲电子动能等于光子能量之差能等于光子能量之差解：动量守恒解：动量守恒hhEk0hchc022011hpe eekmpmE22122vhep根据动能、动量关系根据动能、动量关系nm

23、022. 0波长为波长为0h原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线例例原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线吴有训（吴有训（1897-1897-19771977），我国近代），我国近代物理学奠基人之一。物理学奠基人之一。以系统、精湛的实以系统、精湛的实验为康普顿效应的验为康普顿效应的确立做出了重要贡确立做出了重要贡献。其实验结果见献。其实验结果见右图。右图。原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线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原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线热能热能

24、透射透射X X射线衰减后的强度射线衰减后的强度I I0 0散射散射X X射线射线电子电子荧光荧光X X射线射线相干的相干的非相干的非相干的反冲电子反冲电子俄歇电子俄歇电子光电子光电子康普顿效应康普顿效应俄歇效应俄歇效应 光电效应光电效应原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线1 cm12 mgcm xxeIIeII 00原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线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 232/12/12/12/321121221LKKLKKaaSPSPKK 波波数数为为：特特征征线线为为：原子物理学原子物理学第六章第六章X射线射线李杨于李杨于19561956年提出弱相年提出弱相互作用下宇称不守恒原互作用下宇称不守恒原理，次年为吴健雄等通理，次年为吴健雄等通过过衰变的实验确证，衰变的实验确证，于于19571957年同获诺贝尔物年同获诺贝尔物理学奖。理学奖。杨振宁杨振宁(1922-)安徽合肥安徽合肥李政道李政道(1926-)上海上海吴健雄（吴健雄（1912-1997）苏州）苏州