第八章 原子物理学 x射线.ppt

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1、第八章：第八章：X射线射线X X射线的发现及其波性射线的发现及其波性 X X射线产生的机制射线产生的机制康普顿散射康普顿散射X X射线的吸收射线的吸收硬硬X射线射线0.001nm0.1nm软软X射线射线0.1nm1nmX X射线的性质射线的性质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射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；可见光的荧光；5 5）X X射线本质上是一种电磁波，同此它具有射

2、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。反射、折射、衍射、偏振等性质。18361836年年，英英国国科科学学家家迈迈克克尔尔.法法拉拉第第（Michael Michael FaradayFaraday，1791-18671791-1867）发发现现，在在稀稀薄薄气气体体中中放放电电时时会会产产生生一一种种绚绚丽丽的的辉辉光光。后后来来，物物理理学学家家把把这这种种辉辉光光称称为为“阴阴极极射射线线”，因因为为它它是由阴极发出的。是由阴极发出的。18611861年年，英英国国科科学学家家威威廉廉.克克鲁鲁克克斯斯（William William CrookesCrookes

3、，1832-1832-19191919）（右右图图）发发现现通通电电的的阴阴极极射射线线管管在在放放电电时时会会产产生生亮亮光光，于于是是就就把把它它拍拍下下来来，可可是是显显影影后后发发现现整整张张干干版版上上什什么么也也没没照照上上，一一片片模模糊糊。他他以以为为干干版版旧旧了了，又又用用新新干干版版连连续续照照了了三三次次，依依然然如如此此。克克鲁鲁克克斯斯的的实实验验室室非非常常简简陋陋，他他认认为为是是干干版版有有毛毛病病，退退给给了了厂厂家家。他他也也曾曾发发现现抽抽屉屉里里保保存存在在暗暗盒盒里里的的胶胶卷卷莫莫名名其其妙妙地地感感光光报报废废了了，他他找找到到胶胶片片厂厂商商，

4、指指斥斥其其产产品品低低劣劣。一一个个伟伟大大的的发发现现与与他他失失之之交交臂，直到伦琴发现了臂，直到伦琴发现了X X光，克鲁克斯才恍然大悟。光，克鲁克斯才恍然大悟。在在伦伦琴琴发发现现X X光光的的五五年年前前，美美国国科科学学家家古古德德斯斯柏柏德德在在实实验验室室里里偶偶然然洗洗出出了了一一张张X X射射线线的的透透视视底底片片。但但他他归归因因于于照照片片的的冲冲洗洗药药水水或或冲洗技术，便把这一冲洗技术，便把这一“偶然偶然”弃之于垃圾堆中。弃之于垃圾堆中。伦伦琴琴出出生生在在德德国国伦伦内内普普(Lennep(Lennep；现现在在属属于于雷雷姆姆沙沙伊伊德德的的一一部部分分)的的

5、一一个个纺纺织织商商人人家家庭庭.18651865年年，伦伦琴琴进进入入乌乌得得勒勒支支大大学学读读书书，随随后后在在苏苏黎黎世世联联邦邦理理工工学学院院学学习习机机械械工工程程。18691869年年获获苏苏黎黎世世大大学学物物理理学学博博士士学学位位。18741874年年伦伦琴琴任任斯斯特特拉拉斯斯堡堡大大学学讲讲师师。18751875年年成成为为霍霍恩恩海海姆姆 (Hohenheim)(Hohenheim)农农业业学学院院教教授授。18761876年年他他返返回回斯斯特特拉拉斯斯堡堡大大学学做做物物理理学学教教授授，18791879年年任任吉吉森森大大学学物物理理系系主主任任。188818

6、88年年他他就就任任维维尔尔茨茨堡堡大大学学物物理理系系主主任任。19001900年年，在在巴巴伐伐利利亚亚政政府府一一再再请请求求下下担担任任慕慕尼尼黑黑大大学学物理系主任。物理系主任。19011901年年，首首届届诺诺贝贝尔尔奖奖颁颁发发，伦伦琴琴获获得得诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖。伦伦琴琴的的发发现现不不仅仅对对医医学学诊诊断断有有重重大大影影响响，同同时时也也影影响响了了2020世世纪纪许许多多重重大大科科学学成成就就的的出出现现。受受伦伦琴琴的的影影响响，18961896年年亨亨利利贝贝克克勒勒尔尔在在发发光光材材料料的的试试验验中中偶偶然然发发现现了了一一种种新新射射线线的的穿穿

7、透透性性。这这样样伦伦琴琴的的发发现现间间接接地地影影响响了了放放射射性性的的发发现现。因因为为该该发发现现19031903年年贝贝克克勒勒尔尔和和居居里夫人里夫人被共同授予被共同授予诺贝尔奖诺贝尔奖。为为了了纪纪念念伦伦琴琴的的成成就就，X X射射线线在在许许多多国国家家被被称称为为伦伦琴琴射射线线。另另外外第第111111号号化化学学元元素素錀錀（Roentgenium Roentgenium(Rg)(Rg)）也也以以伦伦琴琴命命名名。在在伦伦琴琴的的祖祖国国，德德国国有有许许多多以以伦伦琴琴命命名名为为学学校校，街街道道和和广广场场。由由于于伦伦琴琴在在物物理理学学的的杰杰出出成成就就，

8、在在德德国国的的吉吉森森市市，柏柏林林市市和和伦伦琴琴的的出生地伦内普出生地伦内普(Lennep(Lennep）（）（雷姆沙伊德雷姆沙伊德）都建有伦琴纪念碑。）都建有伦琴纪念碑。X X射线管射线管A A是阳极（金属），是阳极（金属），K K是阴极，是阴极，阴极和阳极电压为几万阴极和阳极电压为几万 十几万伏十几万伏管内压强管内压强1010-6-6mmHg10mmHg10-8-8mmHgmmHgX X射线的波性射线的波性查尔斯查尔斯格洛弗格洛弗巴克拉（巴克拉（18771877年年6 6月月2727日日19441944年年1010月月2626日），英国物理学家。任教于剑桥大学、爱丁堡大学的日），英国

9、物理学家。任教于剑桥大学、爱丁堡大学的他，致力于基础物理研究。他，致力于基础物理研究。19171917年，他因发现元素的次年，他因发现元素的次级级X X射线标识谱而获奖获得了诺贝尔物理学奖的殊荣。射线标识谱而获奖获得了诺贝尔物理学奖的殊荣。马马克克斯斯冯冯劳劳厄厄（Max Max von von LaueLaue，18791879年年1010月月9 9日日科科布布伦伦茨茨19601960年年4 4月月2424日日柏柏林林），德德国国物物理理学学家家，因因发发现现晶晶体体中中X X射射线线的的衍衍射射现现象象而而获获得得19141914年年诺诺贝贝尔尔物物理学奖理学奖。X射线是电磁波，故它一定是

10、横波。巴克拉用如图所示的双散射体实验证明了X射线的横波性。X X射线的偏振射线的偏振 实实际际上上，该该实实验验是是将将“自自然然”X X光光通通过过一一个个用用作作起起偏偏器器的的散散射射体体成成线线偏偏振振的的X X光光，然然后后再再用用另另一一个个散散射射体体作作检检偏偏器器，检检验验其其偏偏振振性性。具具体体地地说说，若若X X射射线线是是横横波波，当当它它沿沿z z方方向向传传播播并并经经第第一一个个散散射射体体散散射射后后，沿沿z z方方向向不不会会有有振振动动；沿沿x x方方向向传传播播的的X X光光再再经经第第二二个个散散射射体体后后，则则只只有有y y方方向向的的振振动动。因

11、因此此在在xzxz平平面面可可观观察察到到y y方向的线偏振光。在方向的线偏振光。在y y方向观察不到方向观察不到X X射线。射线。X X射线的衍射射线的衍射 X X射射线线究究竟竟是是微微小小的的质质点点束束，还还是是像像光光一一样样的的波波状状辐辐射射，一一直直悬悬而而未未决决。有有一一种种鉴鉴定定方方法法就就是是看看X X射射线线能能否否借借助助含含有有一一系系列列细细线线的的衍衍射射光光栅栅而而衍衍射射（即即改改变变射射线线方方向向）。要要想想得得到到适适当当的的衍衍射射，这这些些细细线线的的间间距距必必须须大大致致与与辐辐射射线线的的波波长长大大小小相相等等。由由X X射射线线的的穿

12、穿透透力力得得知知，若若X X射射线线像像波波一一样样，则则其其波波长长要要短短得得多多可可能能只只有有可可见见光光波波长长的的千千分分之之一一。制制作作如如此此精精细细的的光栅完全是不可能的。光栅完全是不可能的。德德国国物物理理学学家家劳劳厄厄想想到到，如如果果人人工工做做不不出出这这样样的的光光栅栅，自自然然界界中中的的晶晶体体也也许许能能行行。晶晶体体是是一一种种几几何何形形状状整整齐齐的的固固体体，而而在在固固体体平平面面之之间间有有特特定定的的角角度度，并并且且有有特特定定的的对对称称性性。这这种种规规律律是是构构成成晶晶体体结结构构的的原原子子有有次次序序地地排排列列的的结结果果。

13、一一层层原原子子和和另另一一层层原原子子之之间间的的距距离离大大约约是是X X射射线线波波长长的的大大小小。如如果果这这样样，晶晶体体应应能能使使X X射射线线衍衍射射。把把一一束束光光射射向向硫硫化化锌锌晶晶体体，在在感感光光版版上上捕捕捉捉到到了了散散射射现现象象，即即后后来来所所称称的的劳劳厄厄相相片片。感感光光版版冲冲洗洗出出来来之之后后，他他们们发发现现了了圆圆形形排排列列的的亮亮点点和和暗暗点点衍衍射射图图。劳劳厄厄证证明明了了光光具具有有波波的的性性质质。自自然然杂杂志志把把这这一一发发现现称称为为“我我们们时时代代最最伟伟大大、意意义义最最深深远远的的发发现现”。劳劳厄厄证证明

14、明了了X X射射线线的的波波动动性性和和晶晶体体内内部部结结构构的的周周期期性性，发发表表了了X X射射线线的的干干涉涉现现象象一一文文。两两年年后后，也也就就是是19141914年年，这这一一发发现现为为劳劳厄厄赢赢得得了了诺诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖 。晶体晶体底底片片铅铅屏屏X 射射线线管管劳劳厄厄斑斑点点X X射线的衍射射线的衍射-劳厄实验劳厄实验 晶体可看作三维晶体可看作三维立体光栅。立体光栅。根据劳厄斑点的根据劳厄斑点的分布可算出晶面间距，分布可算出晶面间距，掌握晶体点阵结构。掌握晶体点阵结构。蛋白质的劳厄衍射图蛋白质的劳厄衍射图X X射线的衍射射线的衍射-劳厄实验劳厄实验红宝石的

15、劳红宝石的劳厄衍射图厄衍射图硅单晶的劳硅单晶的劳厄衍射图厄衍射图多多晶晶粉粉末末法法（德德拜拜和和谢谢勒勒首首先先发发明明的的，德德拜拜因因利利用用偶偶极极矩矩、X射射线线和和电电子子衍衍射射法法测测定定分分子子结结构构的的成成就就而而获获1936年年诺诺贝贝尔尔化学奖化学奖）上图是氧化锆粉末得到的衍射相片。）上图是氧化锆粉末得到的衍射相片。它的好处是样品的制备大为简化。相片上每一同心圆对应一它的好处是样品的制备大为简化。相片上每一同心圆对应一组晶面，不同的圆环代表不同的晶面阵，环的强弱反映了晶组晶面，不同的圆环代表不同的晶面阵，环的强弱反映了晶面上原子密度的大小。面上原子密度的大小。布拉格公

16、式布拉格公式 劳劳厄厄的的文文章章发发表表不不久久，引引起起了了英英国国布布拉拉格格父父子子的的关关注注，当当时时老老布布拉拉格格，即即亨亨利利.布布拉拉格格（William William Henry Henry Bragg Bragg 1862-19421862-1942）已已是是利利兹兹大大学学的的物物理理学学教教授授，而而小小布布拉拉格格，即即劳劳伦伦斯斯布布拉拉格格（William William Lawrence Lawrence BraggBragg，1890-19711890-1971）刚刚从从剑剑桥桥大大学学毕毕业业，在在卡卡文文迪迪许许实实验验室室工工作作。由由于于都都是是

17、X X射射线线微微粒粒论论者者，两两人人都都试试图图用用X X射射线线的的微微粒粒理理论论来来解解释释劳劳厄厄的的照照片片，但但他他们们的的尝尝试试未未能能取得成功。取得成功。后后来来小小布布拉拉格格成成功功地地解解释释了了劳劳厄厄的的实实验验事事实实，解解释释了了X X射射线线晶晶体体衍衍射射的的形形成成，并并提提出出著著名名的的布布拉拉格格公公式式：2dsin=n2dsin=n。这这一一结结果果不不仅仅证证明明了了小小布布拉拉格格的的解解释释的的正正确确性性，更更重重要要的的是是证证明明了了能能够够用用X X射射线线来来获获取取关关于于晶晶体体结构的信息。结构的信息。小小布布拉拉格格在在用

18、用特特征征X X射射线线分分析析了了一一些些碱碱金金属属卤卤化化物物的的晶晶体体结结构构之之后后，与与其其父父亲亲合合作作，成成功功地地测测定定出出了了金金刚刚石石的的晶晶体体结结构构，并并用用劳劳厄厄法法进进行行了了验验证证。布布拉拉格格父父子子因因在在用用X X射射线线研研究究晶晶体体结结构构方方面面所所作作出出的的杰杰出出贡贡献献分分享享了了19151915年的诺贝尔物理学奖年的诺贝尔物理学奖 AO.C.BdACCBd晶格常数晶格常数晶面间距晶面间距)(掠射角掠射角d2sinn=光程差光程差 :+干涉加强条件（布喇格公式）：干涉加强条件（布喇格公式）：d2sin=n=1,2,.布布喇喇格

19、格父父子子认认为为当当能能量量很很高高的的X X射射线线射射到到晶晶体体各各层层面面的的原原子子时时，原原子子中中的的电电子子将将发发生生强强迫迫振振荡荡，从从而而向向周周围围发发射射同同频频率率的的电电磁磁波波，即即产产生生了了电电磁磁波波的的散散射射，而而每每个个原原子子则则是是散散射射的的子子波波源；劳厄斑正是散射的电磁波的叠加。波波源；劳厄斑正是散射的电磁波的叠加。在 方向衍射的X光将得到加强，出现了劳厄光斑。该式称布喇格公式。用布喇格公式可以计算晶面距。反之，若已知d，还可以确定X射线的波长。晶体可形成许多不同取向的晶面。X射线经晶面距为d 的晶面反射时，凡光程满足X射线管激光等离子

20、体同步辐射X射线激光当当高高强强度度(1014(10141015 1015 W/cm2)W/cm2)激激光光脉脉冲冲聚聚焦焦打打在在固固体体靶靶上上时时，靶靶的的表表面面迅迅速速离离化化形形成成高高温温高高密密度度的的等等离离子子体体，进进而而发发射射X X射射线线。它它是是一一种种具具有有足足够够辐辐射射强强度度的的独独立立点点光光源源，所所用用泵泵浦浦激激光光器器主主要要有有Nd:YAGNd:YAG，钕玻璃等。钕玻璃等。拥有近拥有近70条光束线条光束线的美国阿贡实验室的美国阿贡实验室同步辐射光源同步辐射光源设计有设计有30个光引出个光引出口的英国口的英国DIAMOND同步辐射光源同步辐射光

21、源德德国国DESY（电电子子同同步步加加速速器器研研究究所所）自自由由电电子子激激光光器器的的波荡器波荡器北北京京自自由由电电子子激光装置激光装置X X射线的发射谱射线的发射谱产生产生X射线射线测得测得X射线的波长射线的波长X射线的强度射线的强度波波长长连连续续变变化化的的部部分分，称称为为连连续续谱谱，它它的的最最小小波长和外加电压有关。波长和外加电压有关。具具有有分分立立波波长长的的谱谱线线，一一旦旦出出现现，它它们们的的峰峰值值位位置置完完全全决决定定于于靶靶材材料，称为特征谱（标识谱）料，称为特征谱（标识谱）X射线连续谱-轫致辐射（刹车辐射）高高速速电电子子与与靶靶原原子子发发生生碰碰

22、撞撞，在在靶靶原原子子的的库库仑仑场场的的作作用下发生散射并损失能量。用下发生散射并损失能量。从量子的观点看：从量子的观点看：设入射电子在碰撞前的动能为设入射电子在碰撞前的动能为T T，电电子子和和原原子子核核经经一一次次碰碰撞撞后后的的动动能能为为T T，相相当当于于从从一一个连续态到另外一个连续态的跃迁，并辐射一个光子个连续态到另外一个连续态的跃迁，并辐射一个光子入入射射电电子子经经过过一一次次碰碰撞撞损损失失的的能能量量，可可以以是是0 0到到T T的的任任意意值值，因而得到是连续谱。因而得到是连续谱。在轫致辐射过程辐射的强度：在轫致辐射过程辐射的强度：1 1、反比于带电粒子质量的平方、

23、反比于带电粒子质量的平方2 2、正比于靶核的质子数。、正比于靶核的质子数。3 3、正比于带电粒子电荷的四次方、正比于带电粒子电荷的四次方当当X X射射线线管管所所加加的的电电压压一一定定时时，连连续续谱谱存存在在一一个个最最短短波波长长，其其数数值值和和靶靶材材料无关，只与料无关，只与x x射线管上的电压有关。射线管上的电压有关。如如果果入入射射电电子子经经过过一一次次碰碰撞撞损损失失全全部部的动能，并转换为辐射光子的能量的动能，并转换为辐射光子的能量19151915年年，杜杜安安和和亨亨利利利利用用此此办办法法测测得得普朗克常数。普朗克常数。1.1.产产生生条条件件:仅仅当当电电子子的的能能

24、量量不不超超过过某某一一限限度度时时,才只发射连续谱才只发射连续谱 。2.2.特特征征：强强度度随随波波长长变变化化,在在某某一一波波长长处处,强强度度有有极极值值在在长长波波方方向向强强度度降降落落缓缓慢慢，在在短短波波方方向向轻轻度度降降落落较较快快，且且有有明明显显的的极极值值，最最短短波波长长 极极小小 。极极小小 与与材材料料无无关关,只只与与加加速速电电压压有有关关,当加速电压增高时当加速电压增高时 极小极小减小。减小。3.3.产产生生机机制制:快快速速电电子子射射到到阳阳极极上上,受受到到阳阳极极中中原原子子核核的的库库仑仑场场作作用用就就会会骤骤然然减减速速;由由此此伴伴随随产

25、生的辐射产生的辐射 称称之为轫致辐射。之为轫致辐射。4.4.由于电子速度连续变化，所以由于电子速度连续变化，所以产生连续谱。产生连续谱。X射线连续谱-轫致辐射（刹车辐射）X射线特征谱是巴拉克于1906年发现的。当加速电压大于一定值时，他观察到连续谱上出现一系列分立谱线，其波长与加速电压无关，只和靶材料有关。原因是电子轰击靶核，使靶原子的一个内层电子电离（出现空穴），外层电子向空穴跃迁的能量差导致。按辐射的硬度（贯穿能力）递减的次序用K、L、M字母标识，在K系列中有含有KKK等，在L系中也有类似情况。X射线特征谱X射线特征谱亨利亨利莫塞莱莫塞莱Henry Gwyn Jeffreys Mosele

26、y(*1887Henry Gwyn Jeffreys Moseley(*1887年年1111月月2323日生于日生于英格兰英格兰的的WeymouthWeymouth;卒于卒于19151915年年土土耳其耳其加里波利加里波利,英国英国物理学家物理学家，原子序数原子序数的发现者。的发现者。19061906年年莫塞莱进入莫塞莱进入牛津大学牛津大学的的三一学院三一学院（Trinity Trinity College(Oxford)College(Oxford)）。毕业后与）。毕业后与欧内斯特欧内斯特卢瑟福卢瑟福共共同工作于同工作于曼彻斯特大学曼彻斯特大学。第一年他主要致力于教。第一年他主要致力于教学工

27、作，几年后完成教学任务的莫塞莱全力投身学工作，几年后完成教学任务的莫塞莱全力投身于科研。于科研。19131913年年莫塞莱在研究元素的莫塞莱在研究元素的X-X-射线射线标识谱时发现，以不同元素材料作为标识谱时发现，以不同元素材料作为产生产生X-X-射线的靶实验时，所产生的特征射线的靶实验时，所产生的特征X-X-射线的射线的波长波长不同。他把测得五不同。他把测得五十多个元素所产生的特征十多个元素所产生的特征X-X-射线按波长排列后，发现其次序与射线按波长排列后，发现其次序与元素周期元素周期表表中的次序一致，他称这个次序为中的次序一致，他称这个次序为原子序数原子序数，原子序数就是原子核的正，原子序

28、数就是原子核的正电荷数，认为元素性质是其原子序数的电荷数，认为元素性质是其原子序数的周期函数周期函数，证明了，证明了元素元素的主要特的主要特性由其性由其原子序数原子序数决定，而不是由决定，而不是由原子量原子量决定，确立了原子序数与决定，确立了原子序数与原子核原子核电荷电荷之间的关系。关于原子序数的发现被称为之间的关系。关于原子序数的发现被称为莫塞莱定律莫塞莱定律。19141914年年他离开了他离开了曼彻斯特曼彻斯特，回到，回到牛津牛津继续他的研究。在继续他的研究。在第一次世界大战第一次世界大战爆爆发后，他参加了发后，他参加了皇家工程师皇家工程师（Royal EngineersRoyal Eng

29、ineers），死于），死于加里波利半岛加里波利半岛达达达达尼尔海峡尼尔海峡的的加里波利之战加里波利之战，阵亡时年仅，阵亡时年仅2727岁。岁。1913年，莫塞莱在测量了铝到金38种元素的光谱之后发现，各元素的x射线的频率的平方根对原子序数成线性关系。原子光谱是原子最外层电子跃迁的结果，外层电子组态的周期性决定了元素性质的周期性。X射线是内层电子的跃迁的结果。频率的平方根随Z呈线性关系(见图)。说明它受外层电子影响很小，只受原子核的影响。莫塞莱图提供了从实验测定原子序数Z的一种有效方法。历史上正是他首次纠正了27Co，28Ni在周期表的次序。KX射线的频率可写成玻尔理论（类氢光谱公式）导出原因

30、原因当n=1层中出现空穴时，考虑到电子屏蔽效应，在n=2层中电子感受到的是（Z-1）个正电荷的吸引，所以当n=2层的电子向内层跃迁时发出的辐射频率是：这表明KX射线是内层电子从n2到n=1跃迁产生的。因子（Z-1）理解为当n=1(K)壳层中一个电子被电离后，n=2(L)壳层电子感受到（Z-1）核电荷库仑作用。它也指出要发射KX射线，必须从n=1壳层事先电离出一个电子成电离状态，其电离能或阈能是从n=1移去一个电子所需的能量。而KX射线的能量是电子从n1到n2层的能量差值。入射电子入射电子K壳层中电壳层中电离的电子离的电子KLMKK根根据据泡泡利利原原理理，发发生生跃跃迁迁的的前前提提n=1n=

31、1壳壳层层中中出出现现空空穴穴，电电子子n=2n=2态向态向n=1n=1态跃迁。态跃迁。空穴的存在是产生特征辐射的条件，采用的方法：电子束、质子束、离子束以及X射线产生。特征谱产生的其它效应特征谱产生的其它效应1 1）俄歇俄歇(Auger)(Auger)电子电子 当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生X X射射线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称Auger LAuger L电子。电子。比如，比如，L L电子向电子向K K层跃迁所产生能量将层跃迁所产生能量将MM电子电离，则相应的俄电

32、子电离，则相应的俄歇电子动能为：歇电子动能为：其中其中 分分别别是是K K、L L、MM壳壳层层中中电电子子的的结结合合能能，而而这这些些能能量量是是由由元元素素本本性性决决定定的的，所所以以 也也是是由由元元素素本本性性决决定定的的，它它可可以以作作为元素的标识。为元素的标识。、2 2）核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，使原子核跃迁到激发态。传给原子核，使原子核跃迁到激发态。以上两个效应，分别是法国物理学家以上两个效应，分别是法国物理学家AugerAuger和日本和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。物理学家森田正一提出的，并分别

33、被实验所证实。电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产生的辐射。称同步辐射，这实质上是带电粒子加生的辐射。称同步辐射，这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。速运动时辐射电磁波的一种表现。同步辐射同步辐射特征谱产生的其它效应特征谱产生的其它效应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

34、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

35、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

36、率可达率可达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；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

37、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,较单一较单一.3 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

38、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,偏振面处于电子回旋轨偏振面处于电子回旋轨偏振面处于电子回旋轨偏振面处于电子回旋轨道平面内道平面内道平面内道平面内.5 5）时间结构好）时间结构好）时间结构好）时间结构好(电子流并非连续的电子流并非连续的电子流并非连续的电子流并非连续的)。脉冲宽度窄，脉冲间。脉冲宽度窄，脉冲间。脉冲宽度窄，脉冲间。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。隔较长且可调，有利于观测与时间有关的现象。隔较长且可调，有利于观测与时间有关的现象。隔较长且可调，有利于观测与时间有关的现象。芝加哥城外费米

39、实验室的同步加速器主环，直径达2km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,专用同步辐射时间专用同步辐射时间 2-32-3月月/年，年，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

40、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。可产生射线为主。可产生12keV12keV以下的硬以下的硬X 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2

41、0042004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 3 3、上海在、上海在20092009年底建成新一代的年底建成新一代的3.5GeV3.5GeV同步辐射装置。周长同步辐射装置。周长432m,432m,单簇电子单簇电子电流大于电流大于5mA,5mA,可产生从可见光到可产生从可见光到40Kev40Kev的硬的硬X X射线射线.普朗克普朗克(黑体辐射黑体辐射)19001900年年1212月月1414日：日：正常光谱中能量分布律的理论正常光谱中能量分布律的理论提出能量子概念，量子力学诞生，提出能量子概念，量子力学诞生，19181918年诺贝尔奖

42、。年诺贝尔奖。爱因斯坦（光电效应）爱因斯坦（光电效应）19051905年：年：关于光的产生和转化的一个试探性观点关于光的产生和转化的一个试探性观点假说，假说，19211921年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。后被密立根的实验所验证（后被密立根的实验所验证（19231923年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）康普顿效应康普顿效应（19271927年诺贝尔奖）年诺贝尔奖）19231923年年5 5月：月：X X射线受轻元素散射的量子理论射线受轻元素散射的量子理论并用并用光量子解释。光量子解释。阿阿瑟瑟霍霍利利康康普普顿顿（Arthur Arthur Holly Holly ComptonCompton，18921892

43、年年9 9月月1010日日19621962年年3 3月月1515日日），美美国国物物理理学学家家，19271927年年诺诺贝贝尔尔物物理理学学奖奖获获得得者者11，曾曾任任圣圣路路易易斯斯华华盛盛顿顿大大学学校校长长 。康康普普顿顿19131913年年取取得得伍伍斯斯特特大大学学学学士士学学位位，19141914年年和和19161916年年分分别别取取得得普普林林斯斯顿顿大大学学的的硕硕士士和和博博士士学学位位。毕毕业业后后，康康普普顿顿先先后后在在明明尼尼苏苏达达大大学学短短暂暂执执教教一一年年、到到匹匹兹兹堡堡一一家家公公司司当当工工程程师师两两年年、到到剑剑桥桥大大学学当当研研究究员员一

44、一年年。19201920年年，他他成成为为圣圣路路易易斯斯华华盛盛顿顿大大学学的物理教授，的物理教授，19231923年转到年转到芝加哥大学芝加哥大学。康康普普顿顿19181918年年开开始始研研究究X X射射线线的的散散射射。19221922年年，他他发发现现X X射射线线对对自自由由电电子子发发生生散散射射时时，光光子子的的能能量量减减少少，而而波波长长变变大大。这这一一发发现现被被称称为为“康康普普顿顿效效应应”或或“康康普普顿顿散散射射”，后后来来又又被被他他的的研研究究生生吴吴有有训训进进一一步步证证实实。由由于于这这项项成成就就，康康普普顿顿被被授授予予19271927年年诺诺贝贝

45、尔尔物物理理学学奖奖。除除了了诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖以以外外，康康普普顿顿还还先先后后获获得得过过拉拉姆姆福福德德奖奖（19261926年年）、休休斯斯奖奖章章（19401940年年）和和富富兰兰克克林林奖奖章章（19401940年年）等等奖奖项项。为为纪纪念念这这位位物物理理学学家家，有有多多项项事事物物以以其其名名字字命命名名。月月球球上上的的康康普普顿顿环环形形山山的的命命名名是是为为了了纪纪念念阿阿瑟瑟康康普普顿顿和和他他的的兄兄长长卡卡尔尔康康普普顿顿。圣圣路路易易斯斯华华盛盛顿顿大大学学的的物物理理研研究究大大楼楼也也以以其其名名字字命命名名。芝芝加加哥哥大大学学有有学学生生宿宿

46、舍舍楼楼被被称称为为康康普普顿顿宿宿舍舍。康康普普顿顿在在芝芝加加哥哥的的旧旧居居被被列列入入美美国国国国家家历历史史古古迹迹。美美国国国国家家航航空空航航天天局局把把大大型型轨轨道道天天文文台台计计划划中中的的伽伽玛玛射射线线天天文文卫卫星星命名为命名为康普顿伽玛射线天文台康普顿伽玛射线天文台。康普顿散射的实验装置康普顿散射的实验装置 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射线中有波长增长（频率射线中有波长增长（频率射线中有波长增长（频率射线中有波长增长（频率减小）的成分出现，并且波长的增长量随着散

47、射角的增大而增减小）的成分出现，并且波长的增长量随着散射角的增大而增减小）的成分出现，并且波长的增长量随着散射角的增大而增减小）的成分出现，并且波长的增长量随着散射角的增大而增大大大大,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。X X射光管射光管-+光光阑阑散射晶体散射晶体 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康普顿散射与散射角的关系康普顿散射与散射角的关系相相对对强强度度0.700 0.750()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

48、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。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 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、动量守恒入射能量入射能量20Kev,远远超过所远远超过所有元素外层电子的束缚能有元素外层电子的束缚能考虑相对论效应考虑相对论效应考虑相对论效应考虑相对论效应康普顿散射公式康普顿散射公式康普顿散射公式康普顿散射公式上式表明上式表明上式表明上式表明:散射光子的能

49、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。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。散射光子的能量公式散射光子的能量公式散射光子的能量公式散射光子的能量公式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物理意义物理意义入射光子的能量与电子静止能入射光子的能量与电子静止能入射光子的能量与电子静止能入射光子的能量与电子静止能量相等时，相应的光子波长量相等时，相应的光子波长量相等时，相应的光子波长量相等时，相应的光子波长.可理解为可理解为可理解为可理解为:在在在在

50、/2/2/2/2时，时，时，时，入射波与散射波的波长之差入射波与散射波的波长之差入射波与散射波的波长之差入射波与散射波的波长之差.1 1 1 1）电子的康普顿波长：）电子的康普顿波长：）电子的康普顿波长：）电子的康普顿波长：物理意义物理意义2 2 2 2）只决定于只决定于只决定于只决定于而与而与而与而与无关无关无关无关入射波波长的最大增值入射波波长的最大增值入射波波长的最大增值入射波波长的最大增值当当当当 时得到康普顿散射引起的最大位移时得到康普顿散射引起的最大位移时得到康普顿散射引起的最大位移时得到康普顿散射引起的最大位移对对对对1 1 的的的的X X射线才能使射线才能使射线才能使射线才能使