x射线衍射分析-前言.ppt

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1、Chap.1 XChap.1 X射线物理学基础射线物理学基础-前言前言Page 1厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新前前 言言 简单的回顾简单的回顾 1895年，物理学已经有了相当的发展，它的几个主要部年，物理学已经有了相当的发展，它的几个主要部门门-牛顿力学牛顿力学、热力学热力学和和分子运动论分子运动论、电磁学电磁学和和光学光学，都已经建立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。都已经建立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶了，以后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作些补充和修正而已，没有太多的任务无非是在细节上作

2、些补充和修正而已，没有太多的事好做了。的事好做了。然而然而,X射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。因射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。因伦琴伦琴发发现现X射线射线，引发了一系列重大发现，把人们的注意力引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，从而揭开了向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命现代物理学革命的序幕。的序幕。2厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新这一章这一章,主要介绍主要介绍X X射线发展史中几位重要的历史人物。射线发展史中几位重要的历史人物。伦琴伦琴R R ntgenntgen劳厄劳厄LaueLaue布拉格父子布拉格父子BraggBragg莫塞莱莫塞莱Mos

3、eleyMoseley3厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新1.1.伦琴发现伦琴发现X X射线射线伦琴Wilhelm Konrad Rntgen1845-1923 德国维尔茨堡大学实验德国维尔茨堡大学实验物理学家物理学家X射线的发现者射线的发现者1901年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖4厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新18451845年年3 3月月2727日生于德国莱茵省的雷内普（日生于德国莱茵省的雷内普（LennepLennep）。）。18681868年年伦伦琴琴毕毕业业于于瑞瑞士士苏苏黎黎世世联联邦邦工工程程学学院院，成成为为一一名机械工程师。名机械工程师。18691869年，获哲学博士学

4、位。年，获哲学博士学位。18891889-18931893年任耶拿大学和乌德勒兹两大学的教授。年任耶拿大学和乌德勒兹两大学的教授。18941894-19001900年年任任维维尔尔茨茨堡堡大大学学校校长长和和慕慕尼尼黑黑物物理理研研究究所所所长。他是柏林和慕尼黑科学院的通讯院士。所长。他是柏林和慕尼黑科学院的通讯院士。19231923年年2 2月月1010日因癌症在慕尼黑去世，享年日因癌症在慕尼黑去世，享年7878岁。岁。5厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新伦伦琴琴对对科科学学作作出出的的最最大大贡贡献献是是在在18951895年年从从实实验验中中发发现现了了X X射射线线，并并随随后后对对其

5、其性性质质进进行行了了深深入入研研究究，从从而而为为多多种种科科学学领领域域提提供供了了一一种种有有效效的的研研究究手手段段。他他还还有有一一项项意意义义重重大大的的发发现现，就就是是所所谓谓的的伦伦琴琴电电流流。此此外外，他他还还在在弹弹性性、液液体体的的毛毛细细作作用用、气气体体比比热热、热热在在晶晶体体中中的的传传导导、压压电电效应以及偏振光的磁致旋转等方面也都有研究。效应以及偏振光的磁致旋转等方面也都有研究。伦伦琴琴对对科科学学有有崇崇高高的的献献身身精精神神。他他无无条条件件地地把把X X射射线线的的发现奉献给全人类，自己没有申请专利。发现奉献给全人类，自己没有申请专利。6厚积薄发厚

6、积薄发 学而知新学而知新2.X2.X射线的发现过程射线的发现过程18951895年年，伦伦琴琴已已经经是是五五十十岁岁的的人人了了，当当时时他他正正担担任任维维尔尔茨茨堡堡大大学学校校长长和和该该校校物物理理研研究究所所所所长长。18951895年年1111月月8 8日日，正正当当伦伦琴琴继继续续在在实实验验室室里里从从事事阴阴极极射射线线的的实实验验工工作作，一一个个偶偶然然事事件件吸吸引引了了他他的的注注意意。当当时时，房房间间一一片片漆漆黑黑，放放电电管管用用黑黑纸纸包包严严。他他突突然然发发现现在在不不超超过过一一米米远远的的小小桌桌上上有有一一块块亚亚铂铂氰氰化化钡钡做做成成的的荧荧

7、屏屏发发出出闪闪光光。他他很很奇奇怪怪，就就移移远远荧荧光光屏屏继继续续试试验验。只只见见荧荧光光屏屏的的闪闪光光，仍仍随随放放电电过过程程的的节节拍拍断断续续出出现现。他他取取来来各各种种不不同同的的物物品品，包包括括书书本本、木木板板、铝铝片片等等等等，放放在在放放电电管管和和荧荧光光屏屏之之间间，发发现现不不同同的的物物品品效效果果很很不不一一样样。有有的的挡挡不不住住，有有的的起起到到一一定定的的阻阻挡作用。挡作用。7厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新伦伦琴琴意意识识到到这这可可能能是是某某种种特特殊殊的的射射线线，它它具具有有特特别别强强的的穿穿透透力力，从从来来没没有有观观察察到到

8、过过。于于是是立立刻刻集集中中全全部部精精力力进进行行彻彻底底的的研研究究。他他一一连连许许多多天天把把自自己己关关在在实实验验室室里里，连连自自己己的的助手和家人都不告知。助手和家人都不告知。他他把把密密封封在在木木盒盒中中的的砝砝码码放放在在这这一一射射线线的的照照射射下下拍拍照照，得得到到了了模模糊糊的的砝砝码码照照片片；他他把把指指南南针针拿拿来来拍拍照照，得得到到金金属属边边框框的的深深迹迹；他他把把金金属属片片拿拿来来拍拍照照，拍拍出出了了金金属属片片内内部部不不均均匀匀的的情情况况。他他深深深深地地沉沉浸浸在在这这一一新新奇奇现现象象的的探探讨讨中中，达达到到了废寝忘食的地步。了

9、废寝忘食的地步。8厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新平时一直帮他工作的伦琴夫平时一直帮他工作的伦琴夫人感到他举止反常，以为他人感到他举止反常，以为他有什么事情瞒着自己，甚至有什么事情瞒着自己，甚至产生了怀疑。六个星期过去产生了怀疑。六个星期过去了，伦琴已经确认这是一种了，伦琴已经确认这是一种新的射线。才告诉自己的亲新的射线。才告诉自己的亲人。人。18951895年年1212月月2222日，他邀日，他邀请夫人来到实验室，用他夫请夫人来到实验室，用他夫人的手拍下了第一张人手人的手拍下了第一张人手X X射线照片（如图）。射线照片（如图）。9厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新18951895年年底，他

10、以通信方式将这一发现公之于众。题为年年底，他以通信方式将这一发现公之于众。题为一种新射线一种新射线。伦琴在一开始并没弄清楚伦琴在一开始并没弄清楚X X射线的本质。因为当时电子还射线的本质。因为当时电子还未发现，阴极射线的本质还没有搞清楚。因此伦琴把这未发现，阴极射线的本质还没有搞清楚。因此伦琴把这种新发现的射线取名为种新发现的射线取名为X X射线。射线。在伦琴之前，就有人在研究阴极射线的过程中发现了在伦琴之前，就有人在研究阴极射线的过程中发现了X射射线，但没有得出正确的认识。而伦琴经过长期磨炼，掌线，但没有得出正确的认识。而伦琴经过长期磨炼，掌握了完美的实验艺术，摆脱了任何偏见，在研究中一贯握

11、了完美的实验艺术，摆脱了任何偏见，在研究中一贯严谨自觉，才抓住机遇作出别人作不出的新发现。正如严谨自觉，才抓住机遇作出别人作不出的新发现。正如法国微生物学家巴斯德的名言：法国微生物学家巴斯德的名言：“机遇偏爱有准备的头机遇偏爱有准备的头脑脑。”10厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新1910年第一张诺贝尔物理学奖授予年第一张诺贝尔物理学奖授予w.k.伦琴伦琴 11厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新对x射线本质的争论，焦点集中在它是：粒子流？电磁波？认为x射线是物质粒子流的科学家中有w.h.布拉格。他的儿子w.l.布拉格则对x射线的波动性进行了深入的研究，并给出了著名的布拉格方程。2、x 射线的本

12、质射线的本质 12厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新3.3.布拉格定律布拉格定律19131913年年，W.L.BraggW.L.Bragg父父子子即即对对这这些些劳劳埃埃斑斑点点进进行行了了深深入入的的研研究究，证证明明劳劳埃埃衍衍射射花花样样中中的的各各个个斑斑点点可可以以认认为为是是由由晶晶体体中中原原子子较较密密集集的的一一些些晶晶面面反反射射而而得得出出的的，由由此此得得出出著名的著名的布拉格公式：布拉格公式：n=2d sinn=2d sin（=波长波长 =入射角入射角 d=d=晶面间距）。晶面间距）。X X射线衍射分析的基础射线衍射分析的基础13厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新19

13、12年，劳厄是德国慕尼黑大学非正式聘请的教授。一天著名物理学家索末菲的一名研究生厄瓦耳向他请教关于光在晶体中散射的数学分析问题。在讨论中劳厄想到了一个问题，就问厄瓦耳，如波长比晶体中原子的间距比小，会发生什么情形？厄瓦耳说，他的公式应当包括这种情形，并将公式抄了一份给劳厄。讨论时，劳厄若有所思4.4.劳埃劳埃发展了发展了X X射线的衍射理论射线的衍射理论14厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新4.4.劳埃劳埃发展了发展了X X射线的衍射理论射线的衍射理论因此他用一束因此他用一束X X光束射向一块硫酸铜晶体并且光束射向一块硫酸铜晶体并且尝试着用一个显像板来收集被散射的射线。尝试着用一个显像板来收集

14、被散射的射线。实验得到了理想的结果，得到了透射衍射花实验得到了理想的结果，得到了透射衍射花样的照片（如下图），如果将试样转动，照样的照片（如下图），如果将试样转动，照片上的花样点（称之为劳埃点）也作相应变片上的花样点（称之为劳埃点）也作相应变化，证明这些花样点是由于衍射击而产生。化，证明这些花样点是由于衍射击而产生。接着用接着用SnSSnS、PbSPbS、NaClNaCl等对称性较高的晶体等对称性较高的晶体做实验，相应地也得到了对称性良好的衍射做实验，相应地也得到了对称性良好的衍射花样。很快人们就清楚任何晶体都具有这种花样。很快人们就清楚任何晶体都具有这种类似的现象，而点花样又和晶体的原子晶格

15、类似的现象，而点花样又和晶体的原子晶格结构有着密切关系。结构有着密切关系。15厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新劳劳厄厄斑斑点点 根据劳厄斑点的根据劳厄斑点的 晶体可看作三维晶体可看作三维晶体晶体底底片片铅铅屏屏X 射射线线管管立体光栅立体光栅掌握晶体点阵结构掌握晶体点阵结构分布可算出晶面间距分布可算出晶面间距16厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新德国物理学家德国物理学家劳厄劳厄M.von.Laue(1879-1960)劳埃实验的成功可劳埃实验的成功可以认为是凝聚态物以认为是凝聚态物理学发展史上的一理学发展史上的一个里程碑，奠定了个里程碑，奠定了劳埃作为射线衍射劳埃作为射线衍射学的开拓者的历史

16、学的开拓者的历史地位。地位。17厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新爱因期坦称，劳厄的实验“物理学最美的实验”。它一箭双雕地解决了x射线的波动性和晶体的结构的周期性。18厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新5.5.莫塞莱定律莫塞莱定律19141914年年也也是是X X射射线线物物理理学学进进展展的的重重要要一一年年，莫莫塞塞莱莱（Henry Henry Gwyn-JeffreysGwyn-Jeffreys MoseleyMoseley）对对X X射射线线轰轰击击不不同同靶靶金金属属后后所所产产生生的的特特征征谱谱线线进进行行了了一一系系统统研研究究 ，证证明明如如给给各各元元素素指指定定一一定定序

17、序号号Z（后后来来称称之之为为原原子子序序数数），任任何何元元素素X射射线线谱谱线线的的频频率率的的平平方方根根是是原原子子序序数数的的函函数数即即:(1/(1/)1/21/2=Q(Z-Q(Z-)X X射线荧光分析的基础射线荧光分析的基础19厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新6 19436 1943年：科学家获得年：科学家获得DNADNA的的X X射线衍射图射线衍射图20厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新英国科学家威廉英国科学家威廉阿斯伯里先从细胞中提取出阿斯伯里先从细胞中提取出DNA，然然后将针扎入有粘性的后将针扎入有粘性的DNA溶液中，针在抽出时带出由溶液中，针在抽出时带出由DNA分子组成

18、的多股分子线，每根分子线大致相互平行。分子组成的多股分子线，每根分子线大致相互平行。对对 DNA多股分子线进行多股分子线进行X射线照射，阿斯伯里在射线照射，阿斯伯里在1943年年获得了首张获得了首张 DNA的的X射线衍射图。衍射图显示射线衍射图。衍射图显示DNA具有具有规律性、周期性的结构。阿斯伯里提出核苷酸的碱基对规律性、周期性的结构。阿斯伯里提出核苷酸的碱基对“如同便士（英国的硬币）一样如同便士（英国的硬币）一样”一个压一个摞在一起一个压一个摞在一起。DNA的的X射线衍射图为最终揭示其结构奠定了基础。射线衍射图为最终揭示其结构奠定了基础。21厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新X X射线的发

19、现和广泛应用是廿世纪科学发展射线的发现和广泛应用是廿世纪科学发展中最伟大成就之一中最伟大成就之一围绕围绕X射线射线发现、发展发现、发展和应用而进和应用而进行科研工作行科研工作的科学家获的科学家获诺贝尔奖的诺贝尔奖的就有近卅人就有近卅人之多之多19011901年年 伦琴伦琴(德德)发现发现X X射线射线19141914年年 劳埃劳埃(德德)X X射线衍射实验射线衍射实验19151915年年 布拉格父子布拉格父子(英英)X X射线衍射技术射线衍射技术1 1917917年年 C.C.巴克拉（英）元素的特征巴克拉（英）元素的特征X X射线射线19241924年年 卡尔卡尔.赛格班赛格班 X X射线光谱学射线光谱学19271927年年 A.A.康普顿（英）康普顿效应康普顿（英）康普顿效应19361936年年 德拜（荷兰）德拜（荷兰）X X射线衍射研究分子结构射线衍射研究分子结构19461946年年 马勒（美）马勒（美）X X射线诱导基因突变射线诱导基因突变19621962年年 奥森等奥森等3 3人人 DNADNA测定测定1964年年 霍奇金霍奇金(英英)测定维生素的结构测定维生素的结构19851985年年 豪普特曼等豪普特曼等2 2人人 直接法解析结构直接法解析结构 22厚积薄发厚积薄发 学而知新学而知新END23