第六章X射线01.ppt

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1、1第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学第六章第六章 X射线射线 （讲授（讲授4学时）学时）2第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学教学内容教学内容 28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性29 X射线产生的机制射线产生的机制30 康普顿散射康普顿散射31 X射线的吸收射线的吸收3第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学基本要求基本要求1.了解了解X射线发现的实验事实、产生方法，掌握射线发现的实验事实、产生方法，掌握X射线的连续谱与标识谱的特征和产生的机制、射线的连续谱与标识谱的特征和产生的机制、康普顿效应产生的原因。康普顿效应产生的原因。2.理解同理解同X射线

2、有关的原子能级产生的原因、光射线有关的原子能级产生的原因、光子与物质的相互作用。子与物质的相互作用。3.了解了解X射线在晶体中的衍射的规律和射线在晶体中的衍射的规律和X射线吸收射线吸收的规律。的规律。4第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学重重 点点vX射线连续谱与标识谱及产生机制射线连续谱与标识谱及产生机制v莫塞莱定律莫塞莱定律v康普顿散射康普顿散射 难难 点点vX射线的连续谱与标识谱产生机制射线的连续谱与标识谱产生机制v莫塞莱定律莫塞莱定律v康普顿散射康普顿散射5第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性6第六章第六章 X 射射

3、线线原子物原子物理学理学光学光谱光学光谱:原子受激发原子受激发,价电子跃迁所获得的谱。价电子跃迁所获得的谱。(从红外线从红外线-可见光可见光-紫外线：紫外线：10-310-9米）米）电磁波谱电磁波谱原子原子光谱光谱X射线光谱：射线光谱：原子内壳层电子跃迁所获得的谱。原子内壳层电子跃迁所获得的谱。（波长范围：（波长范围：0.001nm 1nm或更长一点。）或更长一点。）28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性当当0.1nm时，时，称称软软X射线。射线。7第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学电电 磁磁 波波 谱谱28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性8第六章第六章 X 射射

4、线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性一、一、X射线的发现射线的发现在在18951895年以前，由阴极射线管产生的年以前，由阴极射线管产生的X X射线在实射线在实验里已经存在了验里已经存在了3030多年，在射线发现前，不断有人抱多年，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。怨，放在阴极射线管附近的照相底片模糊或感光。如如18791879年的克鲁克斯，年的克鲁克斯，18901890年的古德斯比德等人年的古德斯比德等人但发现但发现 X X 射线的却是伦琴。射线的却是伦琴。18691869年在苏黎世大学获博士学位。年在苏黎世大学获博士学位。1

5、8451845年出生于德国的一个商人家庭，年出生于德国的一个商人家庭，伦琴伦琴9第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性他用黑纸板将管子包起来，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结晶物质的屏幕发出了荧光伦琴马上意识到伦琴马上意识到,这可能是一种前所未有的新射线，这可能是一种前所未有的新射线，经检查发现经检查发现,射线来自阴极射线管管壁。射线来自阴极射线管管壁。令人惊奇的是令人惊奇的是当用木头等不透明物质挡住这种射线时，荧当用木头等不透明物质挡住

6、这种射线时，荧光屏仍然发光，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。被电磁场偏转。10第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线的本质，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因此赋予它一个神秘的名字-X-X射线。射线。18951895年年1212月月2828日，伦琴向德国物理学医学会递日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于交了第一篇关于X X射线的论文，射线的论文，论新的射线论新的射线，并公布了他夫人

7、的并公布了他夫人的X X射线手骨照片。射线手骨照片。伦琴的发现引起了极大的轰动，以致于在全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世界范围内掀起了X X射线研究热，射线研究热，18961896年关于年关于X X射射线的研究论文高达线的研究论文高达10001000多篇多篇.11第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学 该照片在医学上具有划时代意义。该照片在医学上具有划时代意义。1901年获第一年获第一个诺贝尔物理奖。个诺贝尔物理奖。12第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性对对X X射线的公布，促使法国物理学家贝克勒尔射

8、线的公布，促使法国物理学家贝克勒尔也投入到这一研究领域之中，为了弄清也投入到这一研究领域之中，为了弄清X X射线产生射线产生的机制。的机制。他想，如果把荧光物质放在强光下照时，是否他想，如果把荧光物质放在强光下照时，是否在发荧光的同时，也能放出在发荧光的同时，也能放出X X射线呢？射线呢？于是他把一块荧光物质（铀的化合物于是他把一块荧光物质（铀的化合物-钾铀酰钾铀酰硫酸盐晶体）放在用黑纸包住的照相底片上，然后硫酸盐晶体）放在用黑纸包住的照相底片上，然后放在太阳下晒，结果在底片上果然发现了与荧光物放在太阳下晒，结果在底片上果然发现了与荧光物质形状相同的质形状相同的“像像”。13第六章第六章 X

9、射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性一次偶然的机会使他发现，未经太阳曝晒的一次偶然的机会使他发现，未经太阳曝晒的底片冲出来后，出现了很深的感光黑影，这使他底片冲出来后，出现了很深的感光黑影，这使他非常吃惊。是什么使底片感光呢？跟荧光物质是非常吃惊。是什么使底片感光呢？跟荧光物质是否有关呢？否有关呢？他进一步用不发荧光的铀化合物进行实验，他进一步用不发荧光的铀化合物进行实验，同样使底片感光；可见铀化合物能发出一种肉眼同样使底片感光；可见铀化合物能发出一种肉眼看不见的射线，与荧光无关。看不见的射线，与荧光无关。18961896年年3 3月月2 2日，他向法国科

10、学院报告了这一日，他向法国科学院报告了这一惊人的发现，从此打开了一个新的研究领域。惊人的发现，从此打开了一个新的研究领域。14第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性放射线的发现看似偶然，但正如杨振宁先放射线的发现看似偶然，但正如杨振宁先生在评价这一故事时所说的那样，生在评价这一故事时所说的那样，“科学家的科学家的灵感灵感对科学家的发现对科学家的发现非常重要非常重要；这种；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。灵感必源于他的丰富的实践和经验。”15第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性X射线

11、管射线管 16第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性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可见射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；光的荧光；5 5）X X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、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。折射、衍射、偏振等性质。二、二、X射线的射线的特点特点 17第六章第

12、六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学三、三、X射线的偏振射线的偏振 X射线是电磁波，故它一定是横波。巴克拉用如射线是电磁波，故它一定是横波。巴克拉用如图所示的双散射体实验图所示的双散射体实验证明了证明了X射线的横波性。射线的横波性。28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性18第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学 实际上，该试验是将实际上，该试验是将“自然自然”X光通过一个光通过一个用作起偏器的散射体成线偏振的用作起偏器的散射体成线偏振的X光，然后再用光，然后再用另一个散射体作检偏器，检验其偏振性。具体地另一个散射体作检偏器，检验其偏振性。具体地说，若说，若X射线是横波，当它

13、沿射线是横波，当它沿z方向传播并经第一方向传播并经第一个散射体散射后，沿个散射体散射后，沿z方向不会有振动；沿方向不会有振动；沿x方向方向传播的传播的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方向方向的振动。因此在的振动。因此在xz平面可观察到平面可观察到y方向的线偏振方向的线偏振光。在光。在y方向观察不到方向观察不到X射线。射线。返8.119第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学四、四、X射线的衍射射线的衍射 直到直到1912年，劳厄指出年，劳厄指出X射线是波长很短的电射线是波长很短的电磁波。他借助晶体天然光栅观察磁波。他借助晶体天然光栅观察X射线的衍射。射线的衍

14、射。证明了证明了X光的波动性。劳厄因研究晶体的光的波动性。劳厄因研究晶体的X射线获射线获1941年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性20第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性21第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性22第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性23第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学布布 拉拉 格格 反反 射射入射波入射波散射波散射波衍射角衍射角晶格常数晶格常数d相邻两

15、个晶面反射的两相邻两个晶面反射的两X射线干涉加强的条件射线干涉加强的条件 布拉格公式布拉格公式在在方向衍射的方向衍射的X光将得到加强，出现了光将得到加强，出现了劳厄光斑。劳厄光斑。28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性24第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性25第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学28 X射线的发现及其波性射线的发现及其波性26第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学衍射的应用衍射的应用 a.已知晶体的晶格常数已知晶体的晶格常数d和入射方向与衍射方向和入射方向与衍射方向的夹角，可得波长；的夹角，可

16、得波长；b.已知入射波长和入射方向与衍射方向的夹已知入射波长和入射方向与衍射方向的夹角，可得晶体的晶格常数角，可得晶体的晶格常数d；c.如果三者都知道：入射波长、入射方向与衍如果三者都知道：入射波长、入射方向与衍射方向的夹角、晶体的晶格常数射方向的夹角、晶体的晶格常数d，则可以，则可以测定阿伏伽德罗常数测定阿伏伽德罗常数NA。29 X射线产生的机制射线产生的机制 布拉格公式布拉格公式27第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学d与与NA的关系为：的关系为：28第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学例题：例题：已知入射射线的波长为已知入射射线的波长为0.54nm，在与入射，在与

17、入射射线偏离射线偏离120的方向，观测到一级衍射极大，求的方向，观测到一级衍射极大，求晶面的间距。晶面的间距。解：解：由题意知：入射线与晶面夹角为由题意知：入射线与晶面夹角为60，由，由布喇格公式：布喇格公式：2dsin=n有有d=10.54nm/(2sin60)=0.31nm。这就是晶面的间距。这就是晶面的间距。29第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学29 X射线产生的机制射线产生的机制29 X射线产生的机制射线产生的机制30第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学一、一、X射线的发射谱射线的发射谱 X射线光谱不对称的，并且由两部分组成射线光谱不对称的，并且由两部分组成(

18、1)连续谱：连续谱：波长连续变化的部分。波长连续变化的部分。29 X射线产生的机制射线产生的机制1.X射线的组成射线的组成原因是带电粒子与原子碰撞过程发生骤然减原因是带电粒子与原子碰撞过程发生骤然减速时速时，能量发生变化引起。，能量发生变化引起。若在阳极上受到阻止电子的能量不超过一若在阳极上受到阻止电子的能量不超过一定限定限度时，度时，只发射连续光谱的辐射。称为只发射连续光谱的辐射。称为轫致辐射轫致辐射或刹车辐射。或刹车辐射。31第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学(2)线状谱或标识谱：线状谱或标识谱：具有分立波长的谱线具有分立波长的谱线29 X射线产生的机制射线产生的机制标识谱标

19、识谱具有识别材料特征的功能。具有识别材料特征的功能。若电子能量超过若电子能量超过定的临界值时所发射的辐定的临界值时所发射的辐射，除了连续谱外，还有线状光谱重迭在连射，除了连续谱外，还有线状光谱重迭在连续谱上，发射这种线状光谱辐射称续谱上，发射这种线状光谱辐射称标识辐射标识辐射，或叫特征辐射或叫特征辐射32第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学2实验装置实验装置 29 X射线产生的机制射线产生的机制33第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学3应用：应用：农业：处理种子农业：处理种子 连续谱连续谱 工业：探伤工业：探伤 连续谱连续谱 医学：诊断疾病医学：诊断疾病 连续谱连续谱

20、物质结构分析：物质结构分析：标识谱和衍射特性标识谱和衍射特性 29 X射线产生的机制射线产生的机制34第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学二、连续谱二、连续谱轫致辐射轫致辐射轫致辐射：轫致辐射：带电粒子与原子发生碰撞时带电粒子与原子发生碰撞时，受到，受到原子核的库仑作用，引起带电粒子的骤然减速原子核的库仑作用，引起带电粒子的骤然减速而产生的辐射现象。而产生的辐射现象。带电粒子到达靶核时，在靶核的库仑场的作用下，带电粒子到达靶核时，在靶核的库仑场的作用下，带电粒子的速度连续变化，因此辐射的带电粒子的速度连续变化，因此辐射的X射线具射线具有连续谱的性质。有连续谱的性质。2.产生机制产生

21、机制29 X射线产生的机制射线产生的机制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 。35第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学a.强度随波长变化，强度随波长变化，在一定波长处有一极大值在一定波长处有一极大值在长波方面强度降落较缓慢，在短波方面降在长波方面强度降落较缓慢，在短波方面降落较快且有明显极限，所以不对称。落较快且有明显极限，所以不对称。b.短波极限与靶物质无关短波极限与靶物质无关3.特点：连续谱的强度与碰撞特点：连续谱的强度与碰撞 29 X射线产生的机制射线产生的机制c.最小最小波长和电子速度（即所加电压

22、）有关：波长和电子速度（即所加电压）有关：电子速度越大最小波长越短电子速度越大最小波长越短；最小波长与电压的经验公式（杜安和亨特）最小波长与电压的经验公式（杜安和亨特）：36第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学理论理论推导推导该式物理意义是：电子的动能全部转化为辐射能时，该式物理意义是：电子的动能全部转化为辐射能时，辐射出的光子的波长最短。辐射出的光子的波长最短。29 X射线产生的机制射线产生的机制量子极限量子极限电子的最大动能电子的最大动能37第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学38第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学例子：例子：某某X光机的高压为光机的高

23、压为10万伏，问发射光子的万伏，问发射光子的最大能量为多大？求发射的最大能量为多大？求发射的X光的最短波长。光的最短波长。解：解：29 X射线产生的机制射线产生的机制39第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学三、特征辐射三、特征辐射(标识辐射标识辐射)电子内壳层的跃迁电子内壳层的跃迁标识辐射：标识辐射：带电粒子与靶核碰撞时，把能带电粒子与靶核碰撞时，把能量传递给靶内的原子，原子得到能量后发量传递给靶内的原子，原子得到能量后发生受激而发生的辐射现象。生受激而发生的辐射现象。2.产生机制产生机制29 X射线产生的机制射线产生的机制1.产生条件产生条件:仅当电子的能量超过某一临界值仅当电子

24、的能量超过某一临界值时时,除了发射连续谱外，还有除了发射连续谱外，还有是迭加在连续谱是迭加在连续谱上的分立谱线。上的分立谱线。40第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学从阴极发出的高速电子打到阳极上从阴极发出的高速电子打到阳极上,由于电子能量由于电子能量很高很高,它能深入到原子的内层它能深入到原子的内层,将内壳层电子之一将内壳层电子之一击出原子之外击出原子之外,使原子电离使原子电离,并在内壳层出现一个并在内壳层出现一个空穴空穴,当邻近内壳层的电子跃迁到这个空穴时当邻近内壳层的电子跃迁到这个空穴时,就就发射出波长很短的发射出波长很短的 X 射线，由于内壳层能级分立，射线，由于内壳层能级

25、分立，所以产生所以产生X 射线的线状谱，原子序数较大的元素，射线的线状谱，原子序数较大的元素，内壳层能级间隔就越大，发出的内壳层能级间隔就越大，发出的X 射线的光子能射线的光子能量高，波长就短，所以波长依次变化，不具有周量高，波长就短，所以波长依次变化，不具有周期性。期性。29 X射线产生的机制射线产生的机制41第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学波长很短，约波长很短，约1埃，频率很大。埃，频率很大。(1)线状谱产生于原子内层电子的跃迁。线状谱产生于原子内层电子的跃迁。3.特点：特点：29 X射线产生的机制射线产生的机制(2)产生线状谱的条件是：产生线状谱的条件是：a.在原子的内层

26、能级上有电子空位；在原子的内层能级上有电子空位；b.其他壳层上电子向空位跃迁。其他壳层上电子向空位跃迁。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.故可作为元素的故可作为元素的“指纹指纹”,作为分析元素的工具作为分析元素的工具.42第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学4.内壳层电子的光谱项内壳层电子的光谱项莫塞莱定律莫塞莱定律 29 X射线产生的机制射线产生的机制在线状伦琴光谱学中，常取如下的记号：与在线状伦琴光谱学中，常取如下的记号：与n=1,2,3,对应的项，对应的项，分别分别叫做叫做K,L,M,项。项。从较高的能级跃迁到从较高的能级跃迁

27、到K能级时发生的线系，能级时发生的线系，叫做叫做K线系；线系；K线系中的第一、二条谱线叫做线系中的第一、二条谱线叫做K、K线；跃迁到线；跃迁到L能级时发生的谱线叫做能级时发生的谱线叫做L系；依此类推。系；依此类推。1913年年,莫塞莱（英）发现各元素的标识谱的莫塞莱（英）发现各元素的标识谱的频率与原子序数呈近似关系频率与原子序数呈近似关系.43第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学 X射线各线系的产生射线各线系的产生K KK系线M MM系线L L L系线MLK44第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学或用能量表示为或用能量表示为:对于对于K线线,莫塞莱经验公式为莫塞莱经验公

28、式为:29 X射线产生的机制射线产生的机制物理意义物理意义:3/4表示表示内层跃迁内层跃迁(n=2到到n=1)；13.6eV是里德伯常是里德伯常量相应的能量；量相应的能量；(Z-1)2表示跃迁的电子受到表示跃迁的电子受到(Z-1)个电荷的作用；个电荷的作用；b称为屏蔽常数。称为屏蔽常数。45第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学莫塞莱实验第一次提供了精确测量莫塞莱实验第一次提供了精确测量Z的方法。的方法。历史上就是用莫塞莱公式定出了元素的历史上就是用莫塞莱公式定出了元素的Z，并，并纠正了纠正了27Co和和28Ni在周期表的上次序。在周期表的上次序。29 X射线产生的机制射线产生的机制

29、46第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学47第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学产生特征辐射的前提条件产生特征辐射的前提条件:必须先使内层电子电离必须先使内层电子电离而产生而产生“空穴空穴”.产生空穴的方法原子有多种，如用高能电子束、产生空穴的方法原子有多种，如用高能电子束、质子束、质子束、X射线作为轰击原子内层电子的炮弹。射线作为轰击原子内层电子的炮弹。当原子内层产生空穴后，较外层电子立即自发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，即发射的能量，即发射X射线。射线。29 X射线产生

30、的机制射线产生的机制48第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学根据产生空穴方法不同可将利用根据产生空穴方法不同可将利用X射线分析射线分析的各种研究方法分为以下几类：的各种研究方法分为以下几类：a 电子电子X荧光分析：荧光分析：e-X法法 b 质子质子X荧光分析：荧光分析：p-X法法 c 离子离子X荧光分析：荧光分析：I-X法法 d X荧光分析：荧光分析：X-X法法 29 X射线产生的机制射线产生的机制49第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学四、四、特征辐射的标记方法特征辐射的标记方法 29 X射线产生的机制射线产生的机制 从较高的能级跃迁到从较高的能级跃迁到K能级时发生的

31、线系，能级时发生的线系，叫做叫做K线系；线系；K线系中的第一、二条谱线叫做线系中的第一、二条谱线叫做K、K线；跃迁到线；跃迁到L能级时发生的谱线叫做能级时发生的谱线叫做L系；依此类推。系；依此类推。产生特征产生特征X射线的电子跃迁服从的选择定则射线的电子跃迁服从的选择定则:50第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学29 X射线产生的机制射线产生的机制51第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学29 X射线产生的机制射线产生的机制52第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学五、俄歇电子五、俄歇电子（法（法,1925年发现）年发现）29 X射线产生的机制射线产生的机制原子

32、内壳层产生空穴后，释放能量的另一种原子内壳层产生空穴后，释放能量的另一种途径是发射俄歇电子。途径是发射俄歇电子。设设K壳层有一个空穴，壳层有一个空穴，L层的一个电子跃层的一个电子跃迁到迁到K层，发出的能量不产生层，发出的能量不产生X射线，而是将射线，而是将能量传递给能量传递给K层的另一个电子而使这一电子层的另一个电子而使这一电子可以脱离原子从而发生电离，这样产生的电可以脱离原子从而发生电离，这样产生的电子称为子称为俄歇电子俄歇电子。俄歇电子的动能完全取决于元素自身，俄歇电子的动能完全取决于元素自身，因此它可作为分析元素的手段。因此它可作为分析元素的手段。53第六章第六章 X 射射 线线原子物原

33、子物理学理学定义定义K层的荧光产额层的荧光产额若用若用K KL LM M分别表示分别表示K、L、M层电子的结合能层电子的结合能(对应电离能；吸收限对应电离能；吸收限)。当。当L层电子向层电子向K层层(空穴空穴)跃迁时，使跃迁时，使M层电子电离，发射的俄歇电子的动层电子电离，发射的俄歇电子的动能为能为 一般轻元素发射俄歇电子几率较大，重元素发一般轻元素发射俄歇电子几率较大，重元素发射射X射线的几率较大。射线的几率较大。29 X射线产生的机制射线产生的机制54第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学29 X射线产生的机制射线产生的机制55第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学六、

34、电子跃迁诱发原子核激发六、电子跃迁诱发原子核激发 金属靶原子被外界能量轰击后，内壳层电子获得金属靶原子被外界能量轰击后，内壳层电子获得能量离开壳层，将在原子的内壳层产生空穴，此能量离开壳层，将在原子的内壳层产生空穴，此后原子发生的变化，将与外界能量再没有关系，后原子发生的变化，将与外界能量再没有关系，完全取决于元素本身的原子序数完全取决于元素本身的原子序数Z。总变化是：总变化是：空穴的产生导致电子的填充。空穴的产生导致电子的填充。1发射发射X射线。射线。在一个壳层上产生空穴后，比它高在一个壳层上产生空穴后，比它高的壳层电子跃迁到这个空穴时，减少的能量以的壳层电子跃迁到这个空穴时，减少的能量以辐

35、射形式释放出来，发出辐射形式释放出来，发出X射线；（射线；（1895年发现）年发现）29 X射线产生的机制射线产生的机制56第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学2产生俄歇电子。产生俄歇电子。减少的能量被别的某一个电子减少的能量被别的某一个电子吸收，并且得以脱离原子的束缚，成为具有一吸收，并且得以脱离原子的束缚，成为具有一定动能（可以为零，取决于各电子的结合能）定动能（可以为零，取决于各电子的结合能）的电离电子，该电子也称俄歇电子；（的电离电子，该电子也称俄歇电子；（1923年年发现）发现）3使原子核激发使原子核激发。减少的能量被原子核本身。减少的能量被原子核本身吸收，而处于激发态。

36、（吸收，而处于激发态。（1973年发现）年发现）发生几率：完全取决于元素本身。发生几率：完全取决于元素本身。29 X射线产生的机制射线产生的机制57第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学一般来说，使原子核激发的几率最小，数量级一般来说，使原子核激发的几率最小，数量级为为-5-十几，甚至更少；对轻元素，产生俄歇电十几，甚至更少；对轻元素，产生俄歇电子的几率比产生子的几率比产生X射线几率大；对重元素，产生射线几率大；对重元素，产生俄歇电子的几率比产生俄歇电子的几率比产生X射线几率小，正因为这射线几率小，正因为这样，我们在作轰击重金属靶实验时，观察到的样，我们在作轰击重金属靶实验时，观察到

37、的现象主要是现象主要是X射线。射线。七、七、同步辐射同步辐射产生产生X射线的新方法射线的新方法（自学）（自学）当电子在同步回旋加速器中作圆周运动时产当电子在同步回旋加速器中作圆周运动时产生的辐射，统称生的辐射，统称同步辐射同步辐射，于，于1947年发现。年发现。这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。的一种表现。29 X射线产生的机制射线产生的机制58第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学29 X射线产生的机制射线产生的机制 同步辐射同步辐射的特点：的特点：1）功率大）功率大 2）能谱宽）能谱宽 同步辐射的能谱是连续谱同步辐射的能谱是连

38、续谱,随电子能量的不同随电子能量的不同而呈不同的分布而呈不同的分布,其波长连续可调其波长连续可调,最短波长最短波长取决于电子的能量取决于电子的能量.3）方向性好）方向性好 同步辐射的角分布依赖于电子的速度同步辐射的角分布依赖于电子的速度,当电子当电子速度接近光速时速度接近光速时,同步辐射几乎全集中在电子同步辐射几乎全集中在电子运动的切线方向上运动的切线方向上.59第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学30 康普顿散射康普顿散射60第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学30 康普顿散射康普顿散射1923年，美国物理学家康普顿在研究年，美国物理学家康普顿在研究X射线通过实物射线

39、通过实物物质发生散射的物质发生散射的实验实验时，发现了一个新的现象时，发现了一个新的现象:康谱顿效应证明了爱因斯坦的康谱顿效应证明了爱因斯坦的光子说光子说。康普顿效应康普顿效应(compton effect)：X射线通过实物物质射线通过实物物质发生散射时，散射光中除了有原波长发生散射时，散射光中除了有原波长0的的X光外，还光外，还产生了波长产生了波长0 的的X光，其波长的增量随散射角的光，其波长的增量随散射角的不同而变化。不同而变化。61第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学30 康普顿散射康普顿散射一、康普顿效应实验规律一、康普顿效应实验规律 62第六章第六章 X 射射 线线原子物

40、原子物理学理学实验结果：实验结果：(1)散射光谱中除了有原入射光的散射光谱中除了有原入射光的0成分外，还有成分外，还有0的成分。的成分。(3)散射物质的原子量越小，康普顿效应越显散射物质的原子量越小，康普顿效应越显著，即散射光中波长改变成分的强度越大。著，即散射光中波长改变成分的强度越大。(2)波长偏移量波长偏移量=-0随散射角的增大而增随散射角的增大而增大。大。康普顿方程康普顿方程康普顿波长康普顿波长30 康普顿散射康普顿散射63第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学30 康普顿散射康普顿散射二、二、量子解释量子解释 康普顿把观察到的现象理解为康普顿把观察到的现象理解为光子与自由电

41、光子与自由电子碰撞的结果子碰撞的结果光子的波长满足公式光子的波长满足公式光子的动量满足公式光子的动量满足公式康普顿假定，康普顿假定，X射线由光子组成射线由光子组成。64第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学30 康普顿散射康普顿散射波长为波长为的光子与原子中质量为的光子与原子中质量为m0的静止自由电子的静止自由电子碰撞后碰撞后,在与入射方向成在与入射方向成的方向散射（波长为的方向散射（波长为）；）；碰撞后电子在与入射方向成的碰撞后电子在与入射方向成的 方向射出（如图示）方向射出（如图示）.65第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学30 康普顿散射康普顿散射体系的能量和动量均

42、守恒体系的能量和动量均守恒 66第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学30 康普顿散射康普顿散射 其中，其中，电子静止能量电子静止能量 光子碰撞前后的动量光子碰撞前后的动量由于光子是以光速运动的粒子，必须利用相对由于光子是以光速运动的粒子，必须利用相对论关系式论关系式 经整理后得经整理后得康普顿散射公式康普顿散射公式:67第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学30 康普顿散射康普顿散射康普顿散射经改写后可得康普顿散射经改写后可得散射光子的能量公式散射光子的能量公式:式中式中 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.反冲电子可得到的最大能量反冲电

43、子可得到的最大能量:（=）光子的最小能量光子的最小能量:68第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学30 康普顿散射康普顿散射三、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:理解：理解：在在=90o时入射波与散射波的波长之差时入射波与散射波的波长之差.折合康普顿波长（定义）折合康普顿波长（定义）:（re为经典电子半径）为经典电子半径）69第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学30 康普顿散射康普顿散射 2）只决定于只决定于而与而与无关无关 当散射角当散射角=时时,这是康普顿散射引起的最大位移这是康普顿散射引起的最大位移,即入射波即入射波的波长能够增长的最大值

44、的波长能够增长的最大值.对实际测量来说对实际测量来说,有意义的是相对比值有意义的是相对比值/70第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学30 康普顿散射康普顿散射71第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学30 康普顿散射康普顿散射 3）散射光的能量）散射光的能量E与入射光波长与入射光波长密切相关密切相关根据康普顿散射公式改写为根据康普顿散射公式改写为所以所以,E随随E 的增大程度是受到一定限制的的增大程度是受到一定限制的.例如例如,=90o时，时，E1S1/2)的波数为的波数为:K2特征线特征线(2P1/21S1/2)的波数为的波数为:85第六章第六章 X 射射 线线原子物原

45、子物理学理学31 X射线的吸收射线的吸收2.2.吸收限的应用吸收限的应用(1)运用运用“通带通带”过滤片，选通某些光强的过滤片，选通某些光强的X射线射线.原理：原理：产生产生KX射线的阈能总要大于该元素本身射线的阈能总要大于该元素本身KX射线的能量。而某物质的射线的能量。而某物质的KX线的阈能正是该线的阈能正是该物质物质E图上图上K吸收限的能量。吸收限的能量。因此因此，该物质的，该物质的KX射线的能量位置，必定在射线的能量位置，必定在K吸收限的左边，并且靠近吸收限的附近。吸收限的左边，并且靠近吸收限的附近。根据这个原理，我们用该元素成一个薄片，根据这个原理，我们用该元素成一个薄片，放在放在X射

46、线的光路上，就可以使射线的光路上，就可以使KX线顺利通过，线顺利通过，而其它频率成分被大量吸收，从而起到选通某些而其它频率成分被大量吸收，从而起到选通某些频率频率X射线的作用。射线的作用。86第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学 比如黄铜是铜和锌的混合物，当射线打到黄铜比如黄铜是铜和锌的混合物，当射线打到黄铜上时，会同时出现上时，会同时出现CuCu和和ZnZn的特征的特征K射线，两者相差射线，两者相差不大，我们可以用镍做成过滤片，不大，我们可以用镍做成过滤片，由于由于(Cu(Cu)的能量比镍的能量比镍的吸收限低，所以可以顺利的吸收限低，所以可以顺利通过，通过，而而(Zn)的能量比它

47、的能量比它高，将会被吸收。高，将会被吸收。铅的铅的K、L吸收限吸收限87第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学(2)在心血管造影术上的应用在心血管造影术上的应用 心血管阻塞是严重的心血管病变，治疗的第一心血管阻塞是严重的心血管病变，治疗的第一步是查出阻塞的地点。常用的方法是心血管造影。步是查出阻塞的地点。常用的方法是心血管造影。在血管中注入造影剂碘（在血管中注入造影剂碘（131131I I）；）；I对对X射线吸射线吸收要比肌肉、骨骼对收要比肌肉、骨骼对X射线吸收强得多。射线吸收强得多。因此，在因此，在X光照射下，哪里血管有阻塞，光照射下，哪里血管有阻塞，I无法达无法达到，哪里就能被显

48、示出来。到，哪里就能被显示出来。它的原理是：它的原理是：88第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学 但这种方法要求有较大浓度才能造影，但这种方法要求有较大浓度才能造影，所以早所以早期是将很细的导管插入人体股动脉，在导管中注入期是将很细的导管插入人体股动脉，在导管中注入碘再造影，病人痛苦而且有一定危险。碘再造影，病人痛苦而且有一定危险。新的造影术利用碘的新的造影术利用碘的K吸收限，在碘的浓度不是吸收限，在碘的浓度不是很大时，用两种能量很大时，用两种能量E1,E2的的X射线分别造影；射线分别造影；E1,E2分别在分别在K吸收限的上下端，相差很小，则吸收限的上下端，相差很小，则E1吸吸收系

49、数很小，收系数很小，E2吸收系数很大，对两次造影的吸收系数很大，对两次造影的进进行数值处理并相减，以消除肌肉和骨骼的影响。行数值处理并相减，以消除肌肉和骨骼的影响。89第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学 两次造影时，肌肉、骨两次造影时，肌肉、骨骼对的贡献是几乎相同的。骼对的贡献是几乎相同的。剩下的仅是碘对剩下的仅是碘对射线吸收的射线吸收的贡献。如果某一个部位两次贡献。如果某一个部位两次造影值相减后几乎为零，说造影值相减后几乎为零，说明没有碘的贡献，这就很容明没有碘的贡献，这就很容易查出血管阻塞处。易查出血管阻塞处。采用这种方法，碘通过静脉注入血管，在全身采用这种方法，碘通过静脉注入血管，在全身扩散后，尽管浓度不大，也能达到很好的造影效果。扩散后，尽管浓度不大，也能达到很好的造影效果。90第六章第六章 X 射射 线线原子物原子物理学理学