(精品)第6章　X射线.ppt

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1、 在前面的学习中，我们发现原子的能级和光谱都由原子的在前面的学习中，我们发现原子的能级和光谱都由原子的外层电子决定的，那么内层的电子是否能发生跃迁而产生光谱外层电子决定的，那么内层的电子是否能发生跃迁而产生光谱呢？这正是下面我们要讨论的问题。呢？这正是下面我们要讨论的问题。18071807年，英国物理学家道年，英国物理学家道尔顿依据实验提出：尔顿依据实验提出：“气体，液体和固体都是由该物质的不可气体，液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成。分割的原子组成。”他还认为，他还认为，“同种元素的原子，其大小、同种元素的原子，其大小、质量及各种性质都是相同的。质量及各种性质都是相同的。”从而把哲学

2、意义上的原子论推从而把哲学意义上的原子论推广到科学的原子论。那么广到科学的原子论。那么,线度大约在线度大约在 的原子是否真的不的原子是否真的不可再分割了？十九世纪末，连续三年的三大发现，首开了人们可再分割了？十九世纪末，连续三年的三大发现，首开了人们向微观世界进军的先河。它们是：向微观世界进军的先河。它们是：（1 1）18951895年德国的年德国的 RontgenRontgen（伦琴）发现（伦琴）发现X X射线；射线；（2 2）18961896年，法国的年，法国的 BecguerelBecguerel（贝克勒尔）发现了放射性；（贝克勒尔）发现了放射性；（3 3）18971897年，英国的年，

3、英国的 ThomsonThomson（汤姆逊）发现了电子。（汤姆逊）发现了电子。6X射线射线X 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射线在实验里已经存射线在实验里已经存在了在了3030多年，在射线发现前，不断有人抱怨，放在阴极射线管多年，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。如附近的照相底片模糊或感光。如18791879年的克鲁克斯，年的克鲁克斯，18901890年的年的古德斯比德等人，但发现古德斯比德等人，但发现 X X 射线的却是伦琴。射线的却是伦琴。伦琴，伦琴，18451845年出生于德国的一个

4、商人家庭，年出生于德国的一个商人家庭，18691869年在苏黎世年在苏黎世大学获博士学位。大学获博士学位。18951895年年1111月月8 8日傍晚，伦琴在研究阴极射线日傍晚，伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，他用黑纸管中气体放电实验时，为了避免杂光对实验的影响，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酸钡 结晶物质的屏幕发出了荧光，伦琴马上意识到结晶物质的屏幕发出了荧光，伦琴马上意识到,这可能是一种前所未有的新射线，经检查发现这可能是一种前所未有的新射线，经检查发现,射线来自阴极射

5、线来自阴极射线管管壁。射线管管壁。如图，在真空管如图，在真空管 两两阴极和阳极之间加高压，阳极选用不同阴极和阳极之间加高压，阳极选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到可得到X X射线，其波长因高太的不同而射线，其波长因高太的不同而异。当异。当 称硬称硬X X射线；射线；称软称软X X射线。射线。X 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

6、能使某些物质发出可见光的荧光；射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；5 5）X X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质质。令人惊奇的是，当用木头等不透明物质挡住这种射线时，荧令人惊奇的是，当用木头等不透明物质挡住这种射线时，荧光屏仍然发光，而且这种射线能使黑纸包住的照相底片感光，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，不被电磁场偏转。经过一个多月的研究，他未能搞清这种射线不被电磁场偏转。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的本质，因此赋予它一个神秘的名

7、字-X-X射线。射线。18951895年年1212月月2828日，日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于X X射线的论文，射线的论文，论论新的射线新的射线，并公布了他夫人的，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，以致于在全世界范围内掀起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了X X射线研究热，射线研究热，18961896年关于年关于X X射线的研究论文高达射线的研究论文高达10001000多篇多篇.对对X X射线的公布，促使法国物理学家贝克勒尔也投入到这一研究领射线的公布，促使法国物理学家贝克勒尔

8、也投入到这一研究领域之中，为了弄清域之中，为了弄清X X射线产生的机制。他想，如果把荧光物质放射线产生的机制。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，也能放出在强光下照时，是否在发荧光的同时，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-钾铀酰硫酸盐晶体）钾铀酰硫酸盐晶体）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质形状相同的片上果然发现了与荧光物质形状相同的“像像”。一次偶然的机。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

9、深的感会使他发现，未经太阳曝晒的底片冲出来后，出现了很深的感光黑影，这使他非常吃惊。是什么使底片感光呢？跟荧光物质光黑影，这使他非常吃惊。是什么使底片感光呢？跟荧光物质是否有关呢？他进一步用不发荧光的铀化合物进行实验，同样是否有关呢？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看不见的射线，与使底片感光；可见铀化合物能发出一种肉眼看不见的射线，与荧光无关。荧光无关。18961896年年3 3月月2 2日，他向法国科学院报告了这一惊人的日，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。发现，从此打开了一个新的研究领域。放射线的发现看似偶然，但

10、正如杨振宁先生在评价这一故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，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非常重要重要；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。”一、一、X射线的发现及特性射线的发现及特性（一）（一）X射线的发现射线的发现1895年年11月月8日，伦琴发现。日，伦琴发现。X射线是波长极短的电磁波，射线是波长极短的电磁波，它不会被磁场偏转，具有很强它不会被磁场偏转，具有很强的穿透力，而且波长越短，穿的穿透力，而且波长越短，穿透力越强。透力越强。0.1nm：软：软X射线。射线。（二）若（二

11、）若X射线的波动性和粒子性射线的波动性和粒子性波动性波动性 X射线在晶体的衍射射线在晶体的衍射.布喇格公式布喇格公式2.劳厄照片劳厄照片 每每个个亮亮点点为为劳劳厄厄斑斑点点,对对应应于于一一组组晶晶面面.斑斑点点的的位位置置反反映映了了对对应应晶晶面面的的方方向向.由由这这样样一一张张照照片片就就可可以以推推断断晶晶体体的的结结构构(连连续续谱谱的的X射线射线)3 3晶体粉末法晶体粉末法(单波长的射线单波长的射线)每一同心园对应一组晶面每一同心园对应一组晶面,不同的园环代表不同的园环代表不同的晶面阵不同的晶面阵,环的强弱反映了晶面上原子的环的强弱反映了晶面上原子的密度大小密度大小4(1)(1

12、)X射线的衍射是研究晶体结构有效方法射线的衍射是研究晶体结构有效方法-晶体晶体衍射图就可以确定晶体内部的原子（或分子）间的距衍射图就可以确定晶体内部的原子（或分子）间的距离和排列离和排列-1915-1915年布拉格父子因此获诺贝尔物理奖年布拉格父子因此获诺贝尔物理奖 (2)X(2)X射线分析可用来研究高分子的结构射线分析可用来研究高分子的结构 (a)Eu(DBM)3PhenPMMA的广角的广角X射线衍射图射线衍射图 (b)Eu(DBM)3Phen的的X射线衍射图射线衍射图粒子性粒子性-康普顿效应康普顿效应(1927诺贝尔奖诺贝尔奖)实实验验结结果果-除除原原来来谱谱线线外外,出出现现波波长长变

13、变长长的的另另一条线一条线.波波长长改改变变的的数数值值与与散散射射角角有有关关,随随角角度度的的增增加加而而增增强强;且且随随着着散散射射角角的的增增大大,新新谱谱线线增增强强,原原谱谱线减弱线减弱.Compton散射散射 Compton Compton 散射散射 Compton Compton 认为，认为，X X射线在物质表面的射线在物质表面的散射实际上是光子与电子的碰撞过程。散射实际上是光子与电子的碰撞过程。碰撞中能量和动量守恒。设入射光子碰撞中能量和动量守恒。设入射光子能量为能量为hvhv，动量，动量 ，散射光子，散射光子能量为能量为 动量动量 ；初时电子静止，散射后质量；初时电子静止

14、，散射后质量m m，动量，动量则守恒关系为：则守恒关系为：其中其中写成标量式后，上式化为：写成标量式后，上式化为：理论解释理论解释X射线的光子同电子碰撞射线的光子同电子碰撞的结果的结果康普顿散射公式康普顿散射公式-康普顿散射中射线波长的改变与原康普顿散射中射线波长的改变与原波长无关波长无关,只与散射角有关只与散射角有关二、二、X射线的产生机制射线的产生机制(一一)X射线射线的产生的产生X射线由高速电子打在物射线由高速电子打在物体上产生。体上产生。实验表明，X射线由两部分构成，一部分波长连续变化，称为连续谱；另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，所以称为标识谱，又叫特征谱-它迭

15、加在连续谱上。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。X射线的产生机制连续谱连续谱轫致辐射轫致辐射1 1、连续谱的特征、连续谱的特征在上述产生在上述产生X X射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波长连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。长连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。1 1）连续谱与管压的关系（靶不变）连续谱与管压的关系（靶不变）前图表示以钨作阳极材料加不同电太时，以前图表示以钨作阳极材料加不同电太时，以为横轴，辐为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长强度分布曲线。强度分布曲线

16、。由图可见，当阳极材料不变时，由图可见，当阳极材料不变时，和和 随管压随管压V V的升高都的升高都向短波方向移动。向短波方向移动。2 2）连续谱与阳极材料的关系（电压不变）连续谱与阳极材料的关系（电压不变）前图表示管压为前图表示管压为35KV35KV时，用钼和钨作靶材料时的时，用钼和钨作靶材料时的I I曲曲线。由图可见线。由图可见 与靶无关。是由管压与靶无关。是由管压V V决定的。决定的。连续谱产生的微观机制连续谱产生的微观机制通过上面对连续谱特征的分析，我们很容易想到，连续谱不通过上面对连续谱特征的分析，我们很容易想到，连续谱不应该是原子光谱，而应该是电子在靶上减速而产生的。可以想应该是原子

17、光谱，而应该是电子在靶上减速而产生的。可以想象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度，象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度，其速率从其速率从 骤减为骤减为0 0，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生X X射线连续谱的原因，射线连续谱的原因，用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。设电子入射速度设电子入射速度 ，在靶上减速而损失的能量为，在靶上减速而损失的能量为 ；减；减速过程中的能量差为速过程中的能量差

18、为 ，则，则根据上面的分析，根据上面的分析，将以光子的形式向外辐射；由于将以光子的形式向外辐射；由于 是连是连续变化的，而续变化的，而 是一定的，所以是一定的，所以 连续变化连续变化.2 2）核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，）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。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和日本物理学和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。家森田正一提出的，并分别被实验所证实。同步辐射：同步辐射：电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产生的辐射。电子在同步回旋

19、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速运动时辐射电磁波称同步辐射，这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。的一种表现。X射线由两部分构成，一是波长连续变化的连续射线由两部分构成，一是波长连续变化的连续谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分是具谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分是具有分立波长的线状谱，波长取决于靶材料，称为标识有分立波长的线状谱，波长取决于靶材料，称为标识谱、特征谱。谱、特征谱。连续谱，钨靶，不同的电压 标识谱：钨靶和钼靶，相同的电压。二二.X射线的产生机制射线的产生机制(一一)、X射线连续谱射线连续谱 波长连续变化的连续谱，它

20、的最波长连续变化的连续谱，它的最小波长只与外加电压有关小波长只与外加电压有关轫致辐射：轫致辐射：高速电子打到靶上，高速电子打到靶上，受靶的作用而突然减速，其一部受靶的作用而突然减速，其一部分动能转化为辐射能放出射线。分动能转化为辐射能放出射线。最小波长只依赖于外加电压最小波长只依赖于外加电压V，V越大，越大，越小，与靶材料无关。越小，与靶材料无关。(二二)、X射线的标识谱射线的标识谱1、特点、特点K线系：线系：K：LK；K：MK；K：NK；L线系：线系：L：ML；L：NL；L：OL；X射线由内层电子的跃射线由内层电子的跃迁所产生。迁所产生。2.同同X射线有关的原子能级。射线有关的原子能级。3.

21、产生产生X射线标识谱的跃迁射线标识谱的跃迁的选择定则的选择定则3.3.莫塞莱定律莫塞莱定律及原子序数的测定及原子序数的测定 根据元素根据元素X X射线在图上的位置射线在图上的位置,就就可定出该元素的原子序数可定出该元素的原子序数X射线的吸收射线的吸收1.吸收限 在E图中，在某一个能量E处，发声突变，称之为吸收限。产生吸 收限的原因是：当X射线的能量恰能将吸收体某一内层电子电离，从而引起原子的共振吸收。2.吸收限的应用应用1：运用“通带”过滤片，选通某些光强的X射线.原理：我们知道，产生KX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KX线的阈能正是该物质E图上K吸收限的能量。因此，该

22、物质的KX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。根据这个原理，我们用该元素制成根据这个原理，我们用该元素制成一个薄片，放在一个薄片，放在X X射线的光路上，就可射线的光路上，就可使使KXKX线顺利通过，而其它频率成份被线顺利通过，而其它频率成份被大量吸收，从而起到选通某些频率大量吸收，从而起到选通某些频率X X射射线的作用。比如黄铜是铜和锌的混合线的作用。比如黄铜是铜和锌的混合物，当射线打到黄铜上时，会同时出物，当射线打到黄铜上时，会同时出现现CuCu和和ZnZn的特征的特征 射线，两者相差不射线，两者相差不大，我们可以用镍做成过滤片，由于大，我们可以用镍做成过滤片，由于

23、(Cu)(Cu)的能量比镍的吸收限低，所以的能量比镍的吸收限低，所以可以顺利通过，而可以顺利通过，而(Zn)(Zn)的能量比它的能量比它高，将会被吸收。高，将会被吸收。应用应用2.2.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，治疗的第一步是查出阻塞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。它的原理是，在血管中注的地点。常用的方法是心血管造影。它的原理是，在血管中注入造影剂碘（入造影剂碘（）；）；I I对对X X射线吸收要比肌肉、骨骼对射线吸收要比肌肉、骨骼对X X射线吸射线吸收强得多。因此，在收强得多。因此，在X X光照

24、射下，哪里血管有阻塞，光照射下，哪里血管有阻塞，I I无法达到，无法达到，哪里就能被显示出来。但这种方法要求有较大浓度才能造影，哪里就能被显示出来。但这种方法要求有较大浓度才能造影，所以早期是将很细的导管插入人体股动脉，在导管中注入碘再所以早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，新的造影术利用碘的造影。病人痛苦而且有一定危险，新的造影术利用碘的K K吸收限，吸收限，在碘的浓度不是很大时，用两种能量在碘的浓度不是很大时，用两种能量 的的X X射线分别造影；射线分别造影；分别在分别在K 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 吸收系数很小

25、，吸收系数很小，吸吸收系数很大，对两次造影的收系数很大，对两次造影的进行数值处理并相减，以消除肌进行数值处理并相减，以消除肌肉和骨骼的影响。肉和骨骼的影响。两次造影时，肌肉、骨骼对的两次造影时，肌肉、骨骼对的贡献是几乎相同的。剩下的仅是贡献是几乎相同的。剩下的仅是碘对碘对射线吸收的贡献。如果某一射线吸收的贡献。如果某一个部位两次造影值相减后几乎为个部位两次造影值相减后几乎为零，说明没有碘的贡献，这就很零，说明没有碘的贡献，这就很容易查出血管阻塞处。采用这种容易查出血管阻塞处。采用这种方法，碘通过静脉注入血管，在方法，碘通过静脉注入血管，在全身扩散后，尽管浓度不大，也全身扩散后，尽管浓度不大，也

26、能达到很好的造影效果。能达到很好的造影效果。三、三、X射线的吸收射线的吸收 小小,则吸收小则吸收小,贯穿能力强贯穿能力强;Z大则吸收强大则吸收强5.4 元素周期表元素周期表一元素周期表一元素周期表将将元元素素按按核核电电荷荷数数的的大大小小排排列列起起来来，其其物物理理、化化学学性性质质将将出出现现明明显显的周期性。的周期性。同族元素的性质基本相同。同族元素的性质基本相同。玻玻尔尔：原原子子内内的的电电子子按按一一定定的的壳壳层层排排列列，每每一一壳壳层层内内的的电电子子都都有有相相同同的的主主量量子子数数，每每一一个个新新的的周周期期是是从从电电子子填填充充新新的的主主壳壳层层开开始始，元元素的物理、化学性质取决于原子最外层的电子即价电子的数目。素的物理、化学性质取决于原子最外层的电子即价电子的数目。