原子物理学第六X射线教案.ppt

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1、原子物理学第六X射线 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线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(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

2、电磁波谱波长波长（cm）频率频率（Hz）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2 2原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线18951895年，物理学已经有了相当的发展，它的几个主要部门年，物理学已经有了相当的发展，它的几个主要部门-牛顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建立牛顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶了，以后的任务无非是在细节上遍认为，物理学已经发展

3、到顶了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正而已，没有太多的事好做了。作些补充和修正而已，没有太多的事好做了。然而然而,X,X射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，引发了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔引发了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。3 3原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线第六章第六章X射线射线W.K.W.K.伦琴，德（伦琴，德（1845-19231845-1923）第一张诺贝尔物理学奖奖状第一张诺贝尔物理学奖奖状

4、18791879年年,在物理学大师亥姆霍兹在物理学大师亥姆霍兹和基尔霍夫等人的推荐下和基尔霍夫等人的推荐下,伦琴担伦琴担任吉森大学物理学教授和物理研任吉森大学物理学教授和物理研究所所长究所所长.于于18941894年任该校校长年任该校校长.在其就职演说中指出在其就职演说中指出：“实验是最有力可靠的手段实验是最有力可靠的手段,能使我们能使我们揭开自然界的奥秘揭开自然界的奥秘;实验也是判断假说应实验也是判断假说应当保留还是应当放弃的最后鉴定当保留还是应当放弃的最后鉴定.”.”获获 1 1 9 9 0 0 1 1年年 首首 届届诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖0.01110()硬硬X射线软射线软X射线射

5、线X射线波长范围及其大致分类射线波长范围及其大致分类硬硬X X射线射线:波长较短波长较短,能量能量较高较高,穿透力较强穿透力较强,适用于金适用于金属的无损探伤及相关分析属的无损探伤及相关分析.软软X X射线射线伦琴无条件地把伦琴无条件地把X X射线的发现奉献给人类射线的发现奉献给人类,没有申请专利没有申请专利.4 4原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线5 56-1X射线及其波性射线及其波性一、一、一、一、X X射线的发现射线的发现射线的发现射线的发现原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线1895.11.81895.11.8，伦琴在暗室中做，伦琴在暗室中做阴极射线管气体放电实验阴极射线

6、管气体放电实验时时,为避免紫外线与可见光的影响为避免紫外线与可见光的影响,特用黑纸将射线管包住特用黑纸将射线管包住,但偶然发现与之相距一段距离的荧光屏上会发微光但偶然发现与之相距一段距离的荧光屏上会发微光.伦琴伦琴认定这是一种来自射线管但不是阴极射线的神秘射线认定这是一种来自射线管但不是阴极射线的神秘射线.穿透性及直进性，在电磁场中不偏转，穿透性及直进性，在电磁场中不偏转，能使能使某些物质发荧光，使底片感光，使空气电离某些物质发荧光，使底片感光，使空气电离因对其本质的不确定性因对其本质的不确定性,称其为称其为X X射线射线.后来证实后来证实后来证实后来证实X X X X射线是核外电子产生的短波

7、电磁辐射射线是核外电子产生的短波电磁辐射射线是核外电子产生的短波电磁辐射射线是核外电子产生的短波电磁辐射.在伦琴之前有人在操作阴极射线管时发现此特异现象，但未深究。在伦琴之前有人在操作阴极射线管时发现此特异现象，但未深究。（“当真理碰到鼻尖的时候还是没有得到真理当真理碰到鼻尖的时候还是没有得到真理”）第一张人手第一张人手(伦琴夫人的手伦琴夫人的手)X照片照片6 6原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线二、二、二、二、X X射线的产生机制：射线的产生机制：射线的产生机制：射线的产生机制：1 1）X X射线管射线管射线管射线管:X X射线可用高速电子流轰击阳极靶射线可用高速电子流轰击阳极靶A

8、A而获得而获得,或由或由Z Z1010的原子内壳层跃迁而产生的原子内壳层跃迁而产生.高速电子流与靶相撞时高速电子流与靶相撞时,电子因受阻失去动能电子因受阻失去动能,中约中约1%1%转变为转变为X X射线，大部分转变为热能。射线，大部分转变为热能。K+A 阳极（靶）阳极（靶）A A：电子突然减速电子突然减速和发射和发射X X射线处射线处靶材由用途靶材由用途决定决定7 7原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线封闭式封闭式封闭式封闭式X X射线管实质上射线管实质上射线管实质上射线管实质上是一个大的真空二极管是一个大的真空二极管是一个大的真空二极管是一个大的真空二极管X X射线管的阴极射线管的阴极

9、8 8原子物理学第六章原子物理学第六章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金属属靶靶X X射线射线X X射线射线电子流电子流冷却水冷却水“X射线管剖面示意图”演示：9 92 2）X X射线谱（射线谱（射线谱（射线谱（发射谱）发射谱）发射谱）发射谱）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第六章原子物理学第六章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

10、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）钼靶的标识谱钼靶的标识谱叠加在连续谱上叠加在连续谱上121086420相对相对强度强度0.020.040.060.081.00/nm/nm20kV30kV40kV50kV35kV1010原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线连续谱：由轫致辐射导致连续谱连续谱：由轫致辐射导致连续谱连续谱：由轫致辐射导致连续谱连续谱：由轫

11、致辐射导致连续谱高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用而速度骤减而速度骤减而速度骤减而速度骤减(连续变化连续变化连续变化连续变化)时产生的辐射。时产生的辐射。时产生的辐射。时产生的辐射。连续谱的特点：有一明显极限连续谱的特点：有一明显极限连续谱的特点：有一明显极限连续谱的特点：有一明显极限(短波波长短波波长短波波长短波波长):):一个电子在电场中得到动能一个电子在电场中得到动能一个电子在电场中得到动能一个电子在电场中得到动能eV,eV,eV,eV,当它到达靶核时动能当它到达

12、靶核时动能当它到达靶核时动能当它到达靶核时动能全部转化为辐射能全部转化为辐射能全部转化为辐射能全部转化为辐射能,由此发出的光波长最短由此发出的光波长最短由此发出的光波长最短由此发出的光波长最短,为为为为 代入常数后即得上式（称为量子极限）代入常数后即得上式（称为量子极限）代入常数后即得上式（称为量子极限）代入常数后即得上式（称为量子极限）由电子内壳的跃迁导致标识谱由电子内壳的跃迁导致标识谱由电子内壳的跃迁导致标识谱由电子内壳的跃迁导致标识谱,其波长极短其波长极短其波长极短其波长极短(约约约约0.1nm0.1nm0.1nm0.1nm左右左右左右左右).).).).各元素的特征谱有相似的结构各元素

13、的特征谱有相似的结构各元素的特征谱有相似的结构各元素的特征谱有相似的结构,但其能量值不同但其能量值不同但其能量值不同但其能量值不同.故视为元素故视为元素故视为元素故视为元素的的的的“指纹指纹指纹指纹”,可作为分析元素的工具可作为分析元素的工具可作为分析元素的工具可作为分析元素的工具.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h1111K 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

14、冲击阳级靶X X射线射出射线射出“连续X射线产生过程”演示原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线1212K 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“标识X射线产生过程”演示原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线K K K K层电子被击出时层电子被击出时层电子被击出时层电子被击出时,原子系统能量由基态原子系统能量由基态原子系统能量由基态原子

15、系统能量由基态升到升到升到升到K K K K激发态激发态激发态激发态,高能级高能级高能级高能级电子向电子向电子向电子向K K K K层空位填充层空位填充层空位填充层空位填充时产生时产生时产生时产生K K K K系辐射系辐射系辐射系辐射.L.L.L.L层层层层电子填充空位时电子填充空位时电子填充空位时电子填充空位时,产产产产生生生生K K K K辐射辐射辐射辐射;M;M;M;M层电子填层电子填层电子填层电子填充空位时产生充空位时产生充空位时产生充空位时产生K K K K辐射辐射辐射辐射.K K K K系激发机理系激发机理系激发机理系激发机理由能级可知由能级可知由能级可知由能级可知KKKK辐辐辐辐

16、射的光子能量大于射的光子能量大于射的光子能量大于射的光子能量大于KKKK的能量的能量的能量的能量,但但但但K K K K层与层与层与层与L L L L层为相邻能级层为相邻能级层为相邻能级层为相邻能级,L,L,L,L层电层电层电层电子填充几率大子填充几率大子填充几率大子填充几率大,所以所以所以所以KKKK的强度约为的强度约为的强度约为的强度约为KKKK的的的的5 5 5 5倍倍倍倍.1313原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线(1913)(1913)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

17、次提供了精确测量Z的方法的方法激发电子的屏蔽常数激发电子的屏蔽常数激发电子的屏蔽常数激发电子的屏蔽常数b b b b与电子所在壳层与电子所在壳层与电子所在壳层与电子所在壳层n n n n有关。有关。有关。有关。3/43/43/43/4表示表示表示表示n=2n=2n=2n=2到到到到n=1n=1n=1n=1的内层跃迁的内层跃迁的内层跃迁的内层跃迁,表示跃迁的电子受到表示跃迁的电子受到表示跃迁的电子受到表示跃迁的电子受到（Z-1Z-1Z-1Z-1）个电荷的作用。）个电荷的作用。）个电荷的作用。）个电荷的作用。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表了

18、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14144)产生特征辐射的前提条件：产生特征辐射的前提条件：原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线必须先使内层电子必须先使内层电子必须先使内层电子必须先使内层电子电离而产生电离而产生电离而产生电离而产生“空穴空穴空穴空穴”有多种有多种有多种有多种,如用高能电子束、质子束、如用高能电子束、质子束、如用高能电子束、质子束、如用高能电子束、质子束、X X X X射线等轰击原子内层电子射线等轰击原子内层电子射线等轰击原子内层电子射线等轰击原子内层电子当原子内层产生空穴后，较

19、外层电子立即自发地填充空穴，同时以辐射当原子内层产生空穴后，较外层电子立即自发地填充空穴，同时以辐射当原子内层产生空穴后，较外层电子立即自发地填充空穴，同时以辐射当原子内层产生空穴后，较外层电子立即自发地填充空穴，同时以辐射光子的方式释放多余的能量，即发射光子的方式释放多余的能量，即发射光子的方式释放多余的能量，即发射光子的方式释放多余的能量，即发射X X射线。射线。射线。射线。1020304050607080901.41.21.00.80.60.40.2ZX 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

20、直线;对于轻元素会对于轻元素会有所偏离有所偏离.1515原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线原子态原子态K线系线系L线系线系XX射线因电子跃迁方式不射线因电子跃迁方式不射线因电子跃迁方式不射线因电子跃迁方式不同而分为几个线系。同而分为几个线系。同而分为几个线系。同而分为几个线系。同一线同一线同一线同一线系中又以初态的不同再用脚系中又以初态的不同再用脚系中又以初态的不同再用脚系中又以初态的不同再用脚码码码码等标注不同的谱线。等标注不同的谱线。等标注不同的谱线。等标注不同的谱线。因能级的精细结构，因能级的精细结构，因能级的精细结构，因能级的精细结构，K K 又分为又分为又分为又分为K K 1

21、 1和和和和K K 2 2。1616原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线5)俄歇电子俄歇电子（19231923，由法国物理学家俄歇发现），由法国物理学家俄歇发现），由法国物理学家俄歇发现），由法国物理学家俄歇发现）设设设设K K K K层有一个空穴层有一个空穴层有一个空穴层有一个空穴,L,L,L,L层的一个电子跃迁到层的一个电子跃迁到层的一个电子跃迁到层的一个电子跃迁到K K K K层并释放层并释放层并释放层并释放X X X X射线射线射线射线,也可能不释放也可能不释放也可能不释放也可能不释放X X X X射线而将多余能量传递给另一层（例如射线而将多余能量传递给另一层（例如射线而将多余能

22、量传递给另一层（例如射线而将多余能量传递给另一层（例如M M M M层）的一个电子而使这一电子脱层）的一个电子而使这一电子脱层）的一个电子而使这一电子脱层）的一个电子而使这一电子脱离原子（离原子（离原子（离原子（“二次电离效应二次电离效应二次电离效应二次电离效应”）,此电子称为俄歇电子此电子称为俄歇电子此电子称为俄歇电子此电子称为俄歇电子.原子内壳层产生原子内壳层产生原子内壳层产生原子内壳层产生空穴后释放能量空穴后释放能量空穴后释放能量空穴后释放能量的两种途径的两种途径的两种途径的两种途径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

23、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）设设设设为相应层的结合能为相应层的结合能为相应层的结合能为相应层的结合能,电子由电子由电子由电子由L L L L向向向向K K K K跃迁释放能跃迁释放能跃迁释放能跃迁释放能量，如这部量，如这部量，如这部量，如这部分能量被分能量被分能量被分能量被M M M M层中的一个电层中的一个电层中的一个电层中的一个电子获得，则从子获得，则从子获得，则从子获得，则从M M M M层发出的层发出的层发出的层发出的俄歇电子的动能为：俄歇电子的动能为：俄歇电子的动能为：俄歇电子的动能为：完全取决于元素自身完全取决于元素自身完全取决于元素

24、自身完全取决于元素自身，可作为分析元素的手段可作为分析元素的手段可作为分析元素的手段可作为分析元素的手段17173.X射线的波动性射线的波动性原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线由经典动力学知，加速或减速的带电粒子能辐射电磁波。由经典动力学知，加速或减速的带电粒子能辐射电磁波。由经典动力学知，加速或减速的带电粒子能辐射电磁波。由经典动力学知，加速或减速的带电粒子能辐射电磁波。因此当高速电子流在靶上受阻而停止时必将产生电磁波。因此当高速电子流在靶上受阻而停止时必将产生电磁波。因此当高速电子流在靶上受阻而停止时必将产生电磁波。因此当高速电子流在靶上受阻而停止时必将产生电磁波。伦琴当初误认为伦

25、琴当初误认为伦琴当初误认为伦琴当初误认为X X X X射线与光无关，直到射线与光无关，直到射线与光无关，直到射线与光无关，直到1906190619061906年巴拉克年巴拉克年巴拉克年巴拉克(英英英英)才显示了才显示了才显示了才显示了X X X X射线的偏振，证明了射线的偏振，证明了射线的偏振，证明了射线的偏振，证明了X X X X射线的波动性。但很多人并射线的波动性。但很多人并射线的波动性。但很多人并射线的波动性。但很多人并不相信这一结果。不相信这一结果。不相信这一结果。不相信这一结果。19211921年冯年冯年冯年冯.劳厄劳厄劳厄劳厄(德德德德)设想设想设想设想X X射线是波长很短的电磁波

26、，可射线是波长很短的电磁波，可射线是波长很短的电磁波，可射线是波长很短的电磁波，可在原子规则排列的晶体上发生衍射，后来由弗里特里克和奈在原子规则排列的晶体上发生衍射，后来由弗里特里克和奈在原子规则排列的晶体上发生衍射，后来由弗里特里克和奈在原子规则排列的晶体上发生衍射，后来由弗里特里克和奈平通过实验确证了平通过实验确证了平通过实验确证了平通过实验确证了X X射线的波动性，并测量了它的波长。射线的波动性，并测量了它的波长。射线的波动性，并测量了它的波长。射线的波动性，并测量了它的波长。X X射线的偏振实验进一步证明射线的偏振实验进一步证明射线的偏振实验进一步证明射线的偏振实验进一步证明X X射线

27、是横波射线是横波射线是横波射线是横波(此略此略此略此略)。1818原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线4.X射线的衍射射线的衍射(提供提供提供提供X X射线波长测量方法射线波长测量方法射线波长测量方法射线波长测量方法)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

28、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射线衍射射线衍射实验演示实验演示-K+A 铅板铅板感光胶片感光胶片p p晶片晶片1919X X X X射线衍射与散射光束线和实验站射线衍射与散射光束线和实验站射线衍射与散射光束线和实验站射线衍射与散射光束线和实验站原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线2020晶片光栅晶片光栅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）原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线212119131913年布喇格父子年布喇格父子建立

29、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。原子物理学第六章原子物理学第六章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.22221 1）同一晶面内子波的叠加）同

30、一晶面内子波的叠加原子受迫振动原子受迫振动发出电磁波发出电磁波如图所示如图所示,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。原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线2323原子物理学第六章原子物理学第六章X

31、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不同晶面间距不同不同晶面间距不同不同晶面间距不同不同晶面间距不同.一定波长的入射线一定波长的入射线一定波长的入射线一定波长的入射线,对于不同晶面有不同对于不同晶面有不同对于不同晶面有不同对于不同晶面有不同的掠射角的掠射角的掠射角的掠射角,在满足布喇格晶体衍射公式的方向产生衍射极大在满足布喇格晶体衍射公式的方向产生衍射极大在满足布喇格晶体衍射公式的方向产生衍射极大在满足布喇格晶体衍射公式的方向产生衍射极大.若入射线中有几种波长的射线若入射线中有几种波长的射线若入射线中有几种波长的射线若入射线中有几种波长的射线,则产生的衍射极大就有几个则产生

32、的衍射极大就有几个则产生的衍射极大就有几个则产生的衍射极大就有几个,所有这些衍射极大所有这些衍射极大所有这些衍射极大所有这些衍射极大,在屏上给出各自的亮点形成了劳厄斑在屏上给出各自的亮点形成了劳厄斑在屏上给出各自的亮点形成了劳厄斑在屏上给出各自的亮点形成了劳厄斑.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：相干叠加极大值条件：相干叠加极大值条件：利用布喇格衍射公式利用布喇格衍射公式利用布喇格衍射公式利用布喇格衍射公式可测量可测量可测量可测量X X射线的波长射线的波长.也可测未知晶体的也可测未知晶体的也可测未知晶体的也可测未知晶体的晶晶格常

33、数格常数.晶体结构分析晶体结构分析晶体结构分析晶体结构分析布喇格晶体衍射公式布喇格晶体衍射公式24245.旋转式旋转式X射线的摄谱仪简介射线的摄谱仪简介因晶体可绕竖直轴转动，因晶体可绕竖直轴转动，因晶体可绕竖直轴转动，因晶体可绕竖直轴转动，所以可得到与不同波长对应所以可得到与不同波长对应所以可得到与不同波长对应所以可得到与不同波长对应的条纹，即不同波长的的条纹，即不同波长的的条纹，即不同波长的的条纹，即不同波长的X X X X射射射射线谱线。由晶体晶格常数与线谱线。由晶体晶格常数与线谱线。由晶体晶格常数与线谱线。由晶体晶格常数与谱线位置谱线位置谱线位置谱线位置(与掠射角对应与掠射角对应与掠射角

34、对应与掠射角对应)，可算出各条谱线的波长可算出各条谱线的波长可算出各条谱线的波长可算出各条谱线的波长.而而而而底片的黑度则对应于该波长底片的黑度则对应于该波长底片的黑度则对应于该波长底片的黑度则对应于该波长X X X X射线的强度。射线的强度。射线的强度。射线的强度。原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线经由铝经由铝经由铝经由铝(或铅或铅或铅或铅)制成的狭缝后的制成的狭缝后的制成的狭缝后的制成的狭缝后的X X X X射线束射线束射线束射线束,射到单晶体射到单晶体射到单晶体射到单晶体K K K K上（上（上（上（K K K K可绕竖直轴旋转）可绕竖直轴旋转）可绕竖直轴旋转）可绕竖直轴旋转）,

35、以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片.当掠射角正好满足布喇格公式时当掠射角正好满足布喇格公式时当掠射角正好满足布喇格公式时当掠射角正好满足布喇格公式时,在反射方向上得到该波在反射方向上得到该波在反射方向上得到该波在反射方向上得到该波长长长长X X X X射线的衍射极大，在底片上形成一条细黑条纹。射线的衍射极大，在底片上形成一条细黑条纹。射线的衍射极大，在底片上形成一条细黑条纹。射线的衍射极大，在底片上形成一条细黑条纹。X射线摄谱仪示意图射线摄谱仪示意图PRK25256.粉末法（德拜）：粉

36、末法（德拜）：晶体粉末对晶体粉末对晶体粉末对晶体粉末对X X射线的衍射射线的衍射射线的衍射射线的衍射在底片上形成的圆弧形谱线称为德拜线，在底片上形成的圆弧形谱线称为德拜线，在底片上形成的圆弧形谱线称为德拜线，在底片上形成的圆弧形谱线称为德拜线，每一条谱线对应于某一晶面的衍射极大，每一条谱线对应于某一晶面的衍射极大，每一条谱线对应于某一晶面的衍射极大，每一条谱线对应于某一晶面的衍射极大，由由由由X X X X射线的波长及谱线位置可确定晶体的晶射线的波长及谱线位置可确定晶体的晶射线的波长及谱线位置可确定晶体的晶射线的波长及谱线位置可确定晶体的晶格常数，从而确定晶体的空间结构。所以格常数，从而确定晶

37、体的空间结构。所以格常数，从而确定晶体的空间结构。所以格常数，从而确定晶体的空间结构。所以这种这种这种这种X X X X射线晶体粉末衍射摄谱仪学用于射线晶体粉末衍射摄谱仪学用于射线晶体粉末衍射摄谱仪学用于射线晶体粉末衍射摄谱仪学用于X X X X射射射射线晶体结构分析中。线晶体结构分析中。线晶体结构分析中。线晶体结构分析中。原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线德拜（荷兰）利用晶体粉末（压成圆柱形）对德拜（荷兰）利用晶体粉末（压成圆柱形）对德拜（荷兰）利用晶体粉末（压成圆柱形）对德拜（荷兰）利用晶体粉末（压成圆柱形）对X X射线的衍射线的衍射线的衍射线的衍射作实验，其装置与上页图示相似。射

38、作实验，其装置与上页图示相似。射作实验，其装置与上页图示相似。射作实验，其装置与上页图示相似。粉末中有大量排列杂乱的微小晶体，实验时总有一些晶体粉末中有大量排列杂乱的微小晶体，实验时总有一些晶体粉末中有大量排列杂乱的微小晶体，实验时总有一些晶体粉末中有大量排列杂乱的微小晶体，实验时总有一些晶体的晶面满足的晶面满足的晶面满足的晶面满足布喇格公式而产生衍射极大，这些衍射极大形成布喇格公式而产生衍射极大，这些衍射极大形成布喇格公式而产生衍射极大，这些衍射极大形成布喇格公式而产生衍射极大，这些衍射极大形成一个顶角为一个顶角为一个顶角为一个顶角为2 2 2 20 0 0 0的圆锥面。的圆锥面。的圆锥面。

39、的圆锥面。德拜相德拜相2626X 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：？原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线272719531953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。原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线2828原子物理学第六章原子物理学第六章X

40、射线射线7.7.同步辐射及其特点同步辐射及其特点以近光速作圆周运动的电子在轨道切线方向以近光速作圆周运动的电子在轨道切线方向以近光速作圆周运动的电子在轨道切线方向以近光速作圆周运动的电子在轨道切线方向发出的光辐射。（产生高强度发出的光辐射。（产生高强度发出的光辐射。（产生高强度发出的光辐射。（产生高强度X X X X射线的手段）射线的手段）射线的手段）射线的手段）1997 1997 1997 1997年美国年美国年美国年美国7GeV7GeV7GeV7GeV同步辐同步辐同步辐同步辐射源的建成运转，被称为射源的建成运转，被称为射源的建成运转，被称为射源的建成运转，被称为当年继多利羊、登陆火星当年继

41、多利羊、登陆火星当年继多利羊、登陆火星当年继多利羊、登陆火星后的十大发明之第三。后的十大发明之第三。后的十大发明之第三。后的十大发明之第三。同步辐射源是人类历史同步辐射源是人类历史同步辐射源是人类历史同步辐射源是人类历史上继电光源、上继电光源、上继电光源、上继电光源、X X光源、激光光源、激光光源、激光光源、激光源之后的第源之后的第源之后的第源之后的第4 4个革命性光源。个革命性光源。个革命性光源。个革命性光源。同步辐射源示意图同步辐射源示意图同步辐射源示意图同步辐射源示意图2929原子物理学第六章原子物理学第六章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

42、,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射线功率在射线功率在10W的量级的量级,而普通的而普通的1GeV同步加速同步加速器的功率在器的功率在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,总功率总功率可达可达1500kw.1 1）高强度）高强度）高强度）高强度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

43、；B(kGs):磁感强度。磁感强度。强度强度10001001010.10.01nm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2 2）宽频谱。能谱连续可调）宽频谱。能谱连续可调）宽频谱。能谱连续可调）宽频谱。能谱连续可调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,较单一较单一.3030原子物理学第六章原子物

44、理学第六章X射线射线3 3）小发散。方向性好）小发散。方向性好）小发散。方向性好）小发散。方向性好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（实线）同步辐射（实线）X光管辐射（虚线）比较光管辐射（虚线）比较IEIt4 4）偏振性好。为完全的平面偏振波）偏振性好。为完全的平面偏振波）偏振性好。为完全的平面偏振波）偏振性好。为完全的平面偏振波5 5）时间结构好。脉冲宽度窄，脉冲间隔较长且可调，有

45、利）时间结构好。脉冲宽度窄，脉冲间隔较长且可调，有利）时间结构好。脉冲宽度窄，脉冲间隔较长且可调，有利）时间结构好。脉冲宽度窄，脉冲间隔较长且可调，有利 于观测与时间有关的现象。于观测与时间有关的现象。于观测与时间有关的现象。于观测与时间有关的现象。3131芝加哥城外费米实验室的同步加速器主环，直径达2km原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线3232中国：中国：中国：中国：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

46、步辐射时间专用同步辐射时间 2-3 2-3月月/年，年，原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线3333原子物理学第六章原子物理学第六章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究的装置，对社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、生命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。下图为目科学、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前已建成若干条光束线和

47、实验站的同步辐射装置布局3434 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。原子物理学第六章原子物理学第六章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3535原子物理学第六章原子

48、物理学第六章X射线射线6-3康普顿散射康普顿散射（证明（证明（证明（证明X X射线的粒子性）射线的粒子性）射线的粒子性）射线的粒子性）（19231923）A.H.ComptonA.H.Compton美美,(1892-1962,(1892-1962）X X X X射线与物质作用时，被散射的射线与物质作用时，被散射的射线与物质作用时，被散射的射线与物质作用时，被散射的X X X X射线射线射线射线中有波长增长（频率减小）的成分出中有波长增长（频率减小）的成分出中有波长增长（频率减小）的成分出中有波长增长（频率减小）的成分出现，并且波长的增长量随着散射角的现，并且波长的增长量随着散射角的现，并且波长

49、的增长量随着散射角的现，并且波长的增长量随着散射角的增大而增大增大而增大增大而增大增大而增大,和散射材料无关。和散射材料无关。和散射材料无关。和散射材料无关。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-+光光阑阑散射晶体散射晶体探测器探测器 0 0 散射线中有两种波长散射线中有两种波长 0 0 、随散射角随散射角 的增大而增大的增大而增大3636原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线散射晶体散射晶体受迫振动受迫振动 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

50、明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射。康普顿散射。37371 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 原子物理学第六章原子物理学第六章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3838必须考虑相对论效应必须考虑相对论效应必须考虑相对论效应必须考虑相对论效应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。利用：利用：原子物理学第六章原子物理学第六章X射线射线经整理后得经整