第六章原子物理.优秀PPT.ppt

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1、原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线第六章 X射线原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线主要内容：主要内容：2 2、X X射线的产朝气制射线的产朝气制3 3、康普顿散射、康普顿散射4 4、X X射线的吸取射线的吸取1 1、X X射线的发觉及其特性射线的发觉及其特性原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线重重 点：点：1、X射线的产朝气制射线的产朝气制2、康普顿散射、康普顿散射原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics

2、)第六章 X射线6.1、X射线的发觉及其波性射线的发觉及其波性威廉威廉伦琴伦琴(Rontgen,W.K.)（18451923）X射线也被称为伦琴射线，是德国物理学家伦琴于射线也被称为伦琴射线，是德国物理学家伦琴于1895年发觉的。当时他正在探讨阴极射线，偶然发觉放在阴极射年发觉的。当时他正在探讨阴极射线，偶然发觉放在阴极射线管旁边的荧光屏上发出了荧光。经过查找，证明是阴极射线管旁边的荧光屏上发出了荧光。经过查找，证明是阴极射线管壁发出的新射线使荧光屏发光的。他把这种射线命名为线管壁发出的新射线使荧光屏发光的。他把这种射线命名为X射线。后来探讨表明射线。后来探讨表明X射线是一种波长很短的电磁波，

3、其波长射线是一种波长很短的电磁波，其波长范围为范围为0.001nm10.0nm。The Nobel Prize in Physics 1901发觉发觉X X射线射线原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线 这个发觉成为这个发觉成为1919世纪世纪9090年头物理学上的三大年头物理学上的三大发觉之一。发觉之一。19011901年，伦琴因为发觉年，伦琴因为发觉X X射线成为了射线成为了诺贝尔物理学奖的第一个获得者。诺贝尔物理学奖的第一个获得者。这种射线具有几个特点：这种射线具有几个特点：它具有很强的穿透性，能透过纸板、薄铝板和人体等它具有很强的穿透性

4、，能透过纸板、薄铝板和人体等 它以直线传播，不因电磁场作用而偏转它以直线传播，不因电磁场作用而偏转 它能使照相底片感光，使气体电离它能使照相底片感光，使气体电离原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线一、一、X射线的发觉射线的发觉 X射线的发觉，开创射线的发觉，开创了人类探究物质世界的新了人类探究物质世界的新纪元。伦琴因发觉纪元。伦琴因发觉X射线射线而揭开了而揭开了20世纪物理学革世纪物理学革命的序幕，成为命的序幕，成为20世纪最世纪最宏大的物理学家之一。宏大的物理学家之一。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics

5、)第六章 X射线原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线二、二、X射线管射线管 凡是以高速运动的电子遇凡是以高速运动的电子遇到任何障碍物，都能产生到任何障碍物，都能产生X射射线。线。因此为了获得因此为了获得X射线，必需有一这样的仪器，它可以：射线，必需有一这样的仪器，它可以：（1）用某种方法得到确定量的自由电子；）用某种方法得到确定量的自由电子；（2）迫使这些电子在确定的方向上以很大的速度运动；）迫使这些电子在确定的方向上以很大的速度运动；（3）在电子运动的路途上设且一个急剧阻挡电子的障）在电子运动的路途上设且一个急剧阻挡电子的障碍物（靶）。碍物

6、（靶）。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线 产生产生X射线最常用的方法是让加速的电子轰击靶子射线最常用的方法是让加速的电子轰击靶子（通常用高熔点的金属材料制成），从而发出（通常用高熔点的金属材料制成），从而发出X射线。射线。在一个真空管里装有灯丝电极在一个真空管里装有灯丝电极（阴极）（阴极）K和靶子（阳极，或对和靶子（阳极，或对阴极）阴极）P。灯丝通电加热后打到。灯丝通电加热后打到阳极上，就能产生阳极上，就能产生X射线。由于射线。由于电子打在靶子上面使其温度上升电子打在靶子上面使其温度上升很大，所以一般的靶子都是用高很大，所以一般的靶子都是

7、用高熔点的金属制成。熔点的金属制成。能量足够高的光子照射物质材料能量足够高的光子照射物质材料原子核在发生自发转变时原子核在发生自发转变时高速运动的带电粒子也会产生电磁辐射（同步辐射）高速运动的带电粒子也会产生电磁辐射（同步辐射）其他方法：其他方法：原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线三、三、X射线的波性射线的波性波动性：波动性：衍射、干涉、偏振衍射、干涉、偏振等。等。1906年，巴克拉用试验证明白年，巴克拉用试验证明白X射线的偏振特性。射线的偏振特性。1912年，劳厄提出了年，劳厄提出了X射线的衍射试验并被证明。射线的衍射试验并被证明。原子物

8、理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线四、四、X射线的偏振射线的偏振1、偏振、偏振横波横波是质点振动方向与传播方向垂直的机械波。是质点振动方向与传播方向垂直的机械波。纵波是质点的振动方向与传播方向一样的波。纵波是质点的振动方向与传播方向一样的波。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线机械横波的检验机械横波的检验若振动方向平行若振动方向平行AB 通通若把若把AB旋旋900 则则 不通不通只有横波有偏振现象，而纵波无偏振问题只有横波有偏振现象，而纵波无偏振问题偏振偏振:波波的振动方向相对传播方向的不对称性

9、。的振动方向相对传播方向的不对称性。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线腰横别扁担进不了城门腰横别扁担进不了城门形象说明偏振片的原理形象说明偏振片的原理原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线线偏振光线偏振光在纸面内振动在纸面内振动垂直纸面的振动垂直纸面的振动光波的振动方向只有一个光波的振动方向只有一个线偏振光的检测线偏振光的检测检偏器旋转一周，光强检偏器旋转一周，光强两强两弱两强两弱，能够，能够消光消光。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线起

10、偏和检偏起偏和检偏原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线2、X射线的偏振射线的偏振原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线五、五、X射线的衍射射线的衍射 X射线的本质和光一样，是一种电磁波，但它的波长比射线的本质和光一样，是一种电磁波，但它的波长比可见光短得多。因此它也具有反射、折射、干涉、衍射、可见光短得多。因此它也具有反射、折射、干涉、衍射、偏振等波动的特性。偏振等波动的特性。发觉晶体的发觉晶体的X射线衍射。射线衍射。The Nobel Prize in Physics 1914M.V.Lau

11、e(1879 1960)晶体由原子的规则排列构成，晶体中两个相邻原子的晶体由原子的规则排列构成，晶体中两个相邻原子的间隔约为间隔约为0.1nm的数量级，这与的数量级，这与X射线波长数量级相同，射线波长数量级相同，因此，晶体对因此，晶体对X射线来说可以作为自然的光栅。射线来说可以作为自然的光栅。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线19121912年，德国物理学家劳厄（年，德国物理学家劳厄（M.V.Laue)M.V.Laue)设想：自设想：自然晶体可以看作是光栅常数很小的空间三维衍射光栅，然晶体可以看作是光栅常数很小的空间三维衍射光栅，适合于适合

12、于X X射线的衍射。射线的衍射。劳厄试验：在乳胶板上形成对称分布的若干衍射劳厄试验：在乳胶板上形成对称分布的若干衍射劳厄试验：在乳胶板上形成对称分布的若干衍射劳厄试验：在乳胶板上形成对称分布的若干衍射斑点，称为劳厄斑证明白斑点，称为劳厄斑证明白斑点，称为劳厄斑证明白斑点，称为劳厄斑证明白X X X X射线的波动性。射线的波动性。射线的波动性。射线的波动性。X X射线射线准直缝准直缝天然晶体天然晶体劳厄斑劳厄斑乳胶板乳胶板原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线劳厄相劳厄相 1912年，弗里德里克年，弗里德里克和厄平在劳厄的建议下，和厄平在劳厄的建

13、议下，做了做了X射线对单晶的衍射试射线对单晶的衍射试验。得到了劳厄相片。验。得到了劳厄相片。单晶，连续波长入射单晶，连续波长入射德拜相德拜相 利用单色利用单色X射线入射多晶粉末射线入射多晶粉末原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线布拉格（布拉格（Bragg）公式）公式 图中所示的两条射线，图中所示的两条射线，它们经过晶体衍射后的路径它们经过晶体衍射后的路径会不同，两条路径的长度差会不同，两条路径的长度差为为 ，衍射产生干涉极大值的条件就是衍射产生干涉极大值的条件就是 这就是布拉格公式。这就是布拉格公式。原子物理学(Atomic Physics)

14、(Atomic Physics)第六章 X射线6.2、X射线产生的机制射线产生的机制一、一、X射线的放射谱射线的放射谱X射线测谱仪射线测谱仪 右图所示的装置中可以测右图所示的装置中可以测量量X射线的射线的强度强度以及以及波长波长。试验测量发觉，试验测量发觉，X射线的放射谱线由两个部分构成，射线的放射谱线由两个部分构成，一部分是波长连续变更的连续谱，用不同动能的电子轰击一部分是波长连续变更的连续谱，用不同动能的电子轰击不同材料的靶子时，所产生的连续谱具有相像的形态，都不同材料的靶子时，所产生的连续谱具有相像的形态，都有确定的最短波长，连续有确定的最短波长，连续X射线谱与靶金属的性质无关；射线谱与

15、靶金属的性质无关；另一部分是具有分立波长的线状谱，这些谱线的波长只取另一部分是具有分立波长的线状谱，这些谱线的波长只取决于靶材料的化学元素，因此又称为标识谱。决于靶材料的化学元素，因此又称为标识谱。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线二、连续谱二、连续谱轫致辐射轫致辐射 连续谱的一个显著特点就是对于连续谱的一个显著特点就是对于确定的工作电压确定的工作电压V，存在一个波长的，存在一个波长的最小值最小值 ，它和阳极材料的性质无，它和阳极材料的性质无关，只取决于工作电压关，只取决于工作电压V。实验表明，。实验表明，和工作电压和工作电压V有如下关系有

16、如下关系 或或这里的这里的 也就是连续谱的最高频率。也就是连续谱的最高频率。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线 连续谱是电子在靶上被减速而产生的；高速电子到了连续谱是电子在靶上被减速而产生的；高速电子到了靶上，受靶中原子的作用而速度骤减，电子的动能转化成靶上，受靶中原子的作用而速度骤减，电子的动能转化成辐射能，就有射线放出，这样的辐射称为辐射能，就有射线放出，这样的辐射称为轫致辐射轫致辐射。将常数带入后，最短波长还可以表示为将常数带入后，最短波长还可以表示为 可见，如果在实验中测得了可见，如果在实验中测得了 和和V，就可以由此算出，就可以由

17、此算出普朗克常数，这也是早期测定普朗克常数的一种有效普朗克常数，这也是早期测定普朗克常数的一种有效方法。方法。量子极限量子极限原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线轫致辐射的强度：轫致辐射的强度：与入射带电粒子的质量平方成反比与入射带电粒子的质量平方成反比与靶核电荷数的平方成正比与靶核电荷数的平方成正比因此，医学、工业上运用的因此，医学、工业上运用的X射线多接受钨靶。射线多接受钨靶。X射线的产生过程可以看成光电效应的逆过程。射线的产生过程可以看成光电效应的逆过程。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章

18、X射线三、特征辐射（标识辐射）三、特征辐射（标识辐射）标识谱线最早被巴克拉（标识谱线最早被巴克拉（Barkla）于）于1906年发觉，它是叠加在连续谱上的细锐年发觉，它是叠加在连续谱上的细锐的线状谱，只有当工作电压超过某一临界的线状谱，只有当工作电压超过某一临界值时才会出现。它与阳极材料有关。值时才会出现。它与阳极材料有关。同种元素，无论它是单质，还是存在于化合物中，同种元素，无论它是单质，还是存在于化合物中，其标识谱都是相同的，不同元素的标识谱不同。其标识谱都是相同的，不同元素的标识谱不同。随着元素原子序数的增大，标识谱线的波长单调随着元素原子序数的增大，标识谱线的波长单调地减小，而并不像光

19、学谱那样出现周期性变更。地减小，而并不像光学谱那样出现周期性变更。标识谱线的数目通常比光学光谱要少，结构也较简标识谱线的数目通常比光学光谱要少，结构也较简洁。它们也分成几个线系。洁。它们也分成几个线系。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线莫塞莱定律莫塞莱定律 英国物理学家莫塞莱（英国物理学家莫塞莱（Moseley）在研究了从铝到金的）在研究了从铝到金的38种元素的种元素的X射线标识谱线波长后，于射线标识谱线波长后，于1913年总结出了一年总结出了一个规律：个规律：标识谱标识谱K线系的频率线系的频率 近似地正比于产生该谱线的近似地正比于产生该谱

20、线的元素的原子序数元素的原子序数Z的平方的平方。这一规律被称为。这一规律被称为莫塞莱定律莫塞莱定律。他给出了他给出了 线波数的经验公式线波数的经验公式 是是K壳层的屏蔽因子，有壳层的屏蔽因子，有，因此也可以写为，因此也可以写为 原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线 后来，人们对后来，人们对L线系也作了研究，发现有和线系也作了研究，发现有和K线系线系类似的近似关系，只是其中的屏蔽因子和前面的数值系类似的近似关系，只是其中的屏蔽因子和前面的数值系数有所不同，如对数有所不同，如对 线有线有莫塞莱的实验第一次提供了精确测量原子序数莫塞莱的实验第一次提

21、供了精确测量原子序数Z的方法，的方法，历史上就是用莫塞莱公式定出了元素的原子序数历史上就是用莫塞莱公式定出了元素的原子序数Z，并纠，并纠正了正了 和和 在周期表上的次序。在周期表上的次序。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线X射线射线K线系的莫塞莱图线系的莫塞莱图原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线几种原子的几种原子的K线系线系原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线经过人们的探讨，得出了标识谱的一些特性经过人们的探讨，得出了标识谱的一些特性

22、各种元素的标识谱有相像的结构，不同于可见光的各种元素的标识谱有相像的结构，不同于可见光的光谱彼此相差可以很大。光谱彼此相差可以很大。按原子序数的次序比较各元素的标识谱，谱线的按原子序数的次序比较各元素的标识谱，谱线的波长依次变动，不具有周期性。波长依次变动，不具有周期性。K线系甚至线系甚至L线系的结构与化学成分无关。线系的结构与化学成分无关。X射线须要加几万伏的电压才能激发出某些线系。射线须要加几万伏的电压才能激发出某些线系。X射射线的光子能量比可见光的光子能量大得多。线的光子能量比可见光的光子能量大得多。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线

23、 X射线的标识谱是靶子中的原子发出的，但是射线的标识谱是靶子中的原子发出的，但是它不显示出周期性的变更，与化学成分无关，且光它不显示出周期性的变更，与化学成分无关，且光子能量很大，因此可以认为这是原子内层电子跃迁子能量很大，因此可以认为这是原子内层电子跃迁的结果。各元素原子的内层电子填满后，壳层的结的结果。各元素原子的内层电子填满后，壳层的结构是相同的，不同的只是对应于各层的能量的数值。构是相同的，不同的只是对应于各层的能量的数值。周期性的变更和化学性质也是外层电子的性质。周期性的变更和化学性质也是外层电子的性质。X射线既然没有这些性质，足见是由内层电子跃迁所射线既然没有这些性质，足见是由内层

24、电子跃迁所发出的。发出的。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线 我们还可以看到，前面这些式子与玻尔氢原子的公我们还可以看到，前面这些式子与玻尔氢原子的公式特别相像，也可以用玻尔理论来说明，式特别相像，也可以用玻尔理论来说明，例如对于例如对于 线系，是电子在线系，是电子在n=2和和n=1之间跃迁所发之间跃迁所发出的辐射，但不同的是用（出的辐射，但不同的是用（Z-1）代替了）代替了Z，这是因为，这是因为对多电子原子的内壳层对多电子原子的内壳层n=1层出现空位时，考虑到电层出现空位时，考虑到电子的屏蔽效应，在子的屏蔽效应，在n=2层中的电子感受到的

25、是（层中的电子感受到的是（Z=1）个正电荷的库仑作用，所以个正电荷的库仑作用，所以X射线的射线的 线系的波数具线系的波数具有有 的形式。的形式。同理，可以将同理，可以将 线系解释为对应于内层电子在线系解释为对应于内层电子在n=3和和n=2之间的跃迁。这些都说明之间的跃迁。这些都说明X射线标识谱是由原射线标识谱是由原子中内层电子的跃迁产生的。子中内层电子的跃迁产生的。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线 探讨表明，探讨表明，K线系是最内层（线系是最内层（n=1）以外各层的电子）以外各层的电子跃迁到最内层的结果，跃迁到最内层的结果，L线系是其次层

26、（线系是其次层（n=2）以外各层）以外各层的电子跃迁到其次层的结果，的电子跃迁到其次层的结果，M线系是第三层（线系是第三层（n=3）以）以外各层电子跃迁到第三层的结果。外各层电子跃迁到第三层的结果。K线系中的线系中的 线，波长最长，强度最大，是第二层电线，波长最长，强度最大，是第二层电子跃迁到第一层时所发射的；而子跃迁到第一层时所发射的；而 线则是第三层电子跃线则是第三层电子跃迁到第一层时所发射的，波长较短；强度最弱的迁到第一层时所发射的，波长较短；强度最弱的 线是线是第四层电子跃迁到第一层时所发射的。其余各线类似。第四层电子跃迁到第一层时所发射的。其余各线类似。可见，标识谱反映了原子内层结构

27、的状况。谱线波长可见，标识谱反映了原子内层结构的状况。谱线波长代表能级的间隔，谱线的精细结构显示能级的精细结构。代表能级的间隔，谱线的精细结构显示能级的精细结构。所以所以X射线标识谱对探讨原子结构具有重要的意义。射线标识谱对探讨原子结构具有重要的意义。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线以以X射线为分析手段的方法，以产生空位的方法命名：射线为分析手段的方法，以产生空位的方法命名：e-X，用电子束产生空位，称为电子，用电子束产生空位，称为电子X荧光分析；荧光分析；p-X，用质子束产生空位，称为质子，用质子束产生空位，称为质子X荧光分析；荧光分析

28、；I-X，用离子束产生空位，称为离子，用离子束产生空位，称为离子X荧光分析；荧光分析；X-X，用，用X射线产生空位，称为射线产生空位，称为X荧光分析；荧光分析；原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线电子内壳层的跃迁电子内壳层的跃迁K X射线射线L X射线射线M X射线射线对于对于K线系线系K X射线射线K X射线射线K X射线射线四、特征辐射的标记方法四、特征辐射的标记方法原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线镉镉原原子子的的X射射线线能能级级图图原子物理学(Atomic Physics)(At

29、omic Physics)第六章 X射线 把原子中各层电子电离出去所需的能量是不同的。最把原子中各层电子电离出去所需的能量是不同的。最内层电子在原子中的能量最低，其次层较高，第三层更高，内层电子在原子中的能量最低，其次层较高，第三层更高，依次类推。所以要使最内层的电子电离，须要供应的能量依次类推。所以要使最内层的电子电离，须要供应的能量最大（约为最大（约为104eV），其次是其次层，依次类推。），其次是其次层，依次类推。因此，标识谱线的结构取决于原子内层的电子壳层结构。因此，标识谱线的结构取决于原子内层的电子壳层结构。只有在较重的元素中，其只有在较重的元素中，其M壳层、壳层、N壳层才可能是闭合

30、的内壳层才可能是闭合的内壳层，也才有可能产生壳层，也才有可能产生M线系、线系、N线系的标识谱线。线系的标识谱线。不同元素的原子具有相像的内层结构，只是各壳层的不同元素的原子具有相像的内层结构，只是各壳层的能量不同，因而它们的标识谱线都有相像的成分，只是波能量不同，因而它们的标识谱线都有相像的成分，只是波长不同而不显示周期性。长不同而不显示周期性。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线五、俄歇电子五、俄歇电子 另一种非辐射过程，通过库仑相互作用将能量转移给另一

31、种非辐射过程，通过库仑相互作用将能量转移给另一外层电子。非辐射效应如图所示，称为俄歇效应，所另一外层电子。非辐射效应如图所示，称为俄歇效应，所放射出的电子在放射出的电子在1925年由法国物理学家俄歇（年由法国物理学家俄歇（Auger）首）首先发觉的。先发觉的。俄歇电子俄歇电子 俄歇电子的能量确定于原子内层俄歇电子的能量确定于原子内层能级的结构，因此对俄歇电子的能量能级的结构，因此对俄歇电子的能量和强度的探讨能使我们得到关于原子和强度的探讨能使我们得到关于原子的结合能、状态量子数信息。测量固的结合能、状态量子数信息。测量固体材料俄歇电子谱可以用来分析材料，体材料俄歇电子谱可以用来分析材料，特殊是

32、关于表面的一些组成和结构的特殊是关于表面的一些组成和结构的状况。状况。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线 对于对于Z小的原子，外层电子跃迁入内层空位小的原子，外层电子跃迁入内层空位通过俄歇效应的几率比放射通过俄歇效应的几率比放射X射线的几率大。当射线的几率大。当Z超过超过35时，放射时，放射X射线的几率将超过俄歇效应。射线的几率将超过俄歇效应。在原子放射俄歇电子后，原子中将出现两个空位，在原子放射俄歇电子后，原子中将出现两个空位，它往往通过放射它往往通过放射X射线而退激发，因此俄歇效应射线而退激发，因此俄歇效应常伴随有常伴随有X射线的放射。

33、射线的放射。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线六、电子跃迁诱发原子核激发六、电子跃迁诱发原子核激发 当原子壳层中有电子空位时，可以放射当原子壳层中有电子空位时，可以放射X射线，射线，也可以放射俄歇电子，还可以使原子核激发。也可以放射俄歇电子，还可以使原子核激发。1973年，日本大阪高校森田正人从理论上建年，日本大阪高校森田正人从理论上建议这种新的能量转移机制，并为试验所证明。议这种新的能量转移机制，并为试验所证明。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线七、同步辐射七、同步辐射这是一种新型的产

34、生这是一种新型的产生X射线的手段。射线的手段。同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时同步辐射是速度接近光速的带电粒子在作曲线运动时沿切线方向发出的电磁辐射沿切线方向发出的电磁辐射 也叫同步光。这种光是也叫同步光。这种光是1947年在美国通用电器公司的一台年在美国通用电器公司的一台70Mev的同步加速器的同步加速器中首次视察到的，被命名为同步辐射。中首次视察到的，被命名为同步辐射。接近光速运动着的电子或正电子在变更运动方向时接近光速运动着的电子或正电子在变更运动方向时放出的电磁波叫做辐射波，因为这一现象是在同步加速放出的电磁波叫做辐射波，因为这一现象是在同步加速器上发觉的，所以称为同步辐

35、射。这种电子的自发辐射，器上发觉的，所以称为同步辐射。这种电子的自发辐射，强度高、覆盖的频谱范围广，可以随意选择所须要的波强度高、覆盖的频谱范围广，可以随意选择所须要的波长且连续可调，因此成为一种科学探讨的新光源。长且连续可调，因此成为一种科学探讨的新光源。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线 在雨中快速转动雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞在雨中快速转动雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。利用弯转磁铁可以强迫高能电子束团在出一簇簇水珠。利用弯转磁铁可以强迫高能电子束团在环形的同步加速器以接近于光速作回旋运动，在切线方环形的同步加速器以接

36、近于光速作回旋运动，在切线方向会有电磁波放射出来。向会有电磁波放射出来。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线1、直线加速器、直线加速器 2、回旋加速器和电子感应加速器、回旋加速器和电子感应加速器3、同步加速器、同步加速器 同步辐射的类型同步辐射的类型 另外还有印度、巴另外还有印度、巴西、西班牙、加拿大、西、西班牙、加拿大、荷兰、瑞士、泰国、荷兰、瑞士、泰国、新加坡等国家均建有新加坡等国家均建有同步辐射光源试验室。同步辐射光源试验室。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线我国的同步辐射事业我国的

37、同步辐射事业 从从20世纪世纪70年头末北京正负电子对撞机（年头末北京正负电子对撞机（BEPC）的）的建立起先。建立起先。第一代：第一代：北京同步辐射装北京同步辐射装置（置（BSRF）。）。2.2Gev 其次代：国家同步辐射试验其次代：国家同步辐射试验室（室（NSRL）。）。800Mev 第三代：第三代：上海（上海（SSRF）。）。3.5Gev 原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线同步辐射光的特点同步辐射光的特点 1、高强度、高强度 如用如用X光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常须要光机拍摄一幅晶体缺陷照片，通常须要7-15天的天的感光时间，而利用

38、同步辐射光源只须要十几秒或几分钟，感光时间，而利用同步辐射光源只须要十几秒或几分钟，工作效率提高了几万倍。高亮度的特性确定了同步辐射光工作效率提高了几万倍。高亮度的特性确定了同步辐射光源可以用来做很多常规广源所无法进行的工作。源可以用来做很多常规广源所无法进行的工作。2、能谱宽、能谱宽 同步辐射从红外线、可见光、同步辐射从红外线、可见光、真空紫外、软真空紫外、软X射线始终延长到射线始终延长到硬硬X射线（如图），是目前唯一射线（如图），是目前唯一能覆盖这样宽的频谱范围又能得能覆盖这样宽的频谱范围又能得到高亮度的光源。利用单色器可到高亮度的光源。利用单色器可以随意选择所须要的波长，进行以随意选择所

39、须要的波长，进行单色光的试验。单色光的试验。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线3、方向性好、方向性好 利用同步辐射光学元件引出的同步辐射光源具有高利用同步辐射光学元件引出的同步辐射光源具有高度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行度的准直性，经过聚焦，可大大提高光的亮度，可进行微小样品和材料中微量元素的探讨。微小样品和材料中微量元素的探讨。4、脉冲性、脉冲性 同步辐射光是由储存环中周期运动的电子束团辐射同步辐射光是由储存环中周期运动的电子束团辐射发出的，具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。利用这种特发出的，具有纳秒至微秒的时间脉冲结构。利

40、用这种特性，可探讨与时间有关的化学反应、物理激发过程、生性，可探讨与时间有关的化学反应、物理激发过程、生物细胞的变更等。物细胞的变更等。与可见光一样，储存环发出的同步辐射光依据视察与可见光一样，储存环发出的同步辐射光依据视察者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来探讨样品者的角度可具有线偏振性或圆偏振性，可用来探讨样品中特定参数的取向问题。中特定参数的取向问题。5、偏振性、偏振性原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线同步辐射的应用同步辐射的应用 同步辐射光是一个连续的波谱，从而为相关科学探讨同步辐射光是一个连续的波谱，从而为相关科学探讨供应高亮

41、度、高准直性的优质光源。对于同步辐射的应用供应高亮度、高准直性的优质光源。对于同步辐射的应用有以下几个大方面的应用。有以下几个大方面的应用。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线6.3、康普顿散射、康普顿散射ArthurHolyCompton（18921962）康普顿效应康普顿效应 The Nobel Prize in Physics 1927 对于对于X射线通过物质时渐渐减弱是由于两种过程：吸取射线通过物质时渐渐减弱是由于两种过程：吸取和散射。这里先探讨散射问题。和散射。这里先探讨散射问题。早在早在1912年，就有人发觉年，就有人发觉X射线被

42、物质散射后波长有射线被物质散射后波长有变长的现象。变长的现象。1922年康普顿作了大量试验证明白这种试年康普顿作了大量试验证明白这种试验现象，发觉散射光除了有波长不变更的部特别，还有波验现象，发觉散射光除了有波长不变更的部特别，还有波长变长的部分。后人把这个现象称作康普顿效应。长变长的部分。后人把这个现象称作康普顿效应。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线一、经典考虑一、经典考虑晶体晶体 光阑光阑X 射线管射线管探探测测器器X 射线谱仪射线谱仪 石墨体石墨体(散射物质散射物质)j 0散射波长散射波长 原子物理学(Atomic Physics)

43、(Atomic Physics)第六章 X射线o（A）0.7000.7000.7500.750波长波长=45Oj.=0Oj=90Oj=135Oj试验结果：试验结果：对于不同的散射角，除了有原对于不同的散射角，除了有原波长外，都出现了波长增加的谱波长外，都出现了波长增加的谱线；线；波长差随散射角而变更，与原波波长差随散射角而变更，与原波长无关；长无关；对于不同的元素，相同的散射角对于不同的元素，相同的散射角方向上，波长差与散射物无关；方向上，波长差与散射物无关；原波长谱线的强度随散射物原原波长谱线的强度随散射物原子序数的增加而增加，新增的谱线子序数的增加而增加，新增的谱线强度随原子序数的增加而减

44、小。强度随原子序数的增加而减小。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线 经典理论又一次遇到困难经典理论又一次遇到困难 经典散射理论：经典散射理论：当波长当波长 0 0的射线入射后，使电偶极子受迫振的射线入射后，使电偶极子受迫振动动 发出散射波的波长在各方均是发出散射波的波长在各方均是 0 0。无法说明波长变更和散射角的关系。无法说明波长变更和散射角的关系。康普顿接受了爱因斯坦的光量子假说康普顿接受了爱因斯坦的光量子假说 成功地说明白试验现象，成功地说明白试验现象，进一步证明白光量子假说的正确性。进一步证明白光量子假说的正确性。原子物理学(Ato

45、mic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线二、量子说明二、量子说明 光子理论认为康普顿效应是高能光子和低能自由电子光子理论认为康普顿效应是高能光子和低能自由电子作弹性碰撞的结果，具体说明如下：作弹性碰撞的结果，具体说明如下：n 若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电若光子和外层电子相碰撞，光子有一部分能量传给电子子,散射光子的能量削减，于是散射光的波长大于入射光散射光子的能量削减，于是散射光的波长大于入射光的波长，频率变低。的波长，频率变低。n 若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个若光子和束缚很紧的内层电子相碰撞，光子将与整个原子交换能量原子交换能

46、量,由于光子质量远小于原子质量，依据碰撞由于光子质量远小于原子质量，依据碰撞理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。理论，碰撞前后光子能量几乎不变，波长不变。n 因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长因为碰撞中交换的能量和碰撞的角度有关，所以波长变更和散射角有关。变更和散射角有关。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线yex电子电子静止静止yx散射散射光子光子反冲反冲电子电子原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线 康普顿康普顿假设假设:碰撞过程碰撞过程 遵守遵守能量守恒定律能量守恒定律

47、和和动量守恒定律动量守恒定律 利用相对论能量与动量关系利用相对论能量与动量关系 得出结果得出结果反冲电子反冲电子散射光子散射光子原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线反冲电子反冲电子散射光子散射光子 康普顿散射公式康普顿散射公式 上式说明：波长变更与散射物质无关，仅确定于散射角；上式说明：波长变更与散射物质无关，仅确定于散射角；波长变更随散射角增大而增加。波长变更随散射角增大而增加。由以上探讨可知，散射光波长的增加是由于碰撞时入射由以上探讨可知，散射光波长的增加是由于碰撞时入射光子将部分能量给了电子的结果，假如电子被原子束缚得很光子将部分能量给

48、了电子的结果，假如电子被原子束缚得很紧，不能从光子处获得能量，那么散射光的波长也不会发生紧，不能从光子处获得能量，那么散射光的波长也不会发生变更。变更。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线三、物理意义三、物理意义1、电子的康普顿波长、电子的康普顿波长当散射角为当散射角为90度时，得到度时，得到 电子的康普顿波长电子的康普顿波长 其物理含义是，其物理含义是，入射光子的能量与电子的静止能量入射光子的能量与电子的静止能量相等时所对应的光子的波长相等时所对应的光子的波长。折合电子康普顿波长折合电子康普顿波长约为约为经典电子半径的经典电子半径的137倍

49、。倍。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线2、只决定于只决定于 ，而与，而与 无关。无关。波长改变最大波长改变最大这就是康普顿散射引起的这就是康普顿散射引起的最大位移最大位移，即入射波长能够增，即入射波长能够增长的最大数值。长的最大数值。3、与与 紧密相关。紧密相关。散射光子的能量随入射光子的能量增大而增大，散射光子的能量随入射光子的能量增大而增大，但除了但除了 以外。以外。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线4、相干散射、相干散射 在康普顿散射中总是伴随着在康普顿散射中总是伴随着 的散射，

50、称为的散射，称为相干散射相干散射。假如光子与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生假如光子与石墨中被原子核束缚得很紧的电子发生碰撞（内层电子）相当于光子和整个原子碰撞（碰撞（内层电子）相当于光子和整个原子碰撞（m0是原是原子质量）子质量）这样，散射光的能量这样，散射光的能量(波长波长)几乎不变更从而散射线中几乎不变更从而散射线中还有与原波长相同的射线。原子序数愈大的散射体原波还有与原波长相同的射线。原子序数愈大的散射体原波长的成分愈多。长的成分愈多。原子物理学(Atomic Physics)(Atomic Physics)第六章 X射线四、康普顿散射与基本常量四、康普顿散射与基本常量 依据康普顿位