1、5.6 X射线,一. X射线的发现及其波性,内部真空10-6到10-8mmHg,1mmHg=133Pa，靶可用钨钼铂铬铁铜，高压一般是几万伏到十几万伏,X射线的波特性,1906年巴克拉(C.G. Barkla)显示了双散射实验X射线偏振特性。,1912年劳厄(M.T.F. von Laue)提出用晶体来研究X射线的衍射被证，首次测量了X射线的波长。,劳厄斑(点),1916年, 德拜和谢勒(氧化锆),每个圆环对于一个晶面，测出圆环对应的角度，可求出晶面距离d,X射线的衍射,布喇格(Bragg)公式,测量X射线的波长l，或晶体的晶格常数d，或NA 。,5.6.1 X射线谱,X射线的发射谱,光谱仪包
2、括三部分：射线产生器 ( X射线管，相当于光源 )；分光计 ( 晶体，相当于光栅) ； 记录仪。,X射线谱由两部分构成，一是波长连续变化的连续谱( 相应的辐射为轫致辐射) ，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，称为标识谱（又称特征谱）。,X射线谱,X射线的发射谱,山丘上的宝塔,连续谱 轫致辐射,轫致辐射(刹车辐射)：高速电子打到靶上，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。,轫致辐射强度反比于入射带电粒子的质量平方；正比于靶核电荷的平方。连续谱中用钨靶很多,经典困难,实验表明：连续谱的面积的确随靶核的原子序数增大而增大，但连续谱的形状
3、却与靶材料无关。存在最小波长min，其数值只与外加电压有关，而与原子序数 Z 无关。,杜安和亨特首先从分析大量实验结果得到：,若加速电子到达靶核时，全部能量转成辐射能，则发射光子可能具有的最大能量,代入数值，得,min 量子极限，其存在是量子 论正确的又一证明。,精密测量min 和 V，就可准确地推算出 h。,1915年杜安和亨特首次用该方法测得的 h 值与光电效应得到的 h 值完全一致。说明了h 的普适性。,1920年叶企孙也进行了这一工作。,标识谱 电子内层的跃迁,特征X射线谱由巴克拉于1906年首先发现。,按辐射的硬度(贯穿能力)递减的次序可以标以K、L、等等字母。后又发现，在 K 系列
4、中又含有Ka、Kb， L 系列中含有La、Lb 、Lg ，,铑Z45,特征辐射的产生机制,K-X射线,考虑到支壳层,产生X射线标识谱的跃迁的选择定则,内层电子被撞出，留下空穴其他内层电子往空穴的跃迁,镉48原子的X射线能级（电离能级）,1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s2,莫塞莱定律及原子序数的测定,标识谱有这样一些性质：,各种元素的标识谱有相似的结构。,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。没有周期性变化。,K 线系甚至 L 线系的结构与化学成份无关。,预言了周期表中的7个空位，原子序数Z分别为43、61、72、75、85、87和91，后陆续被发
5、现，43锝Tc和61钷Pm都是人造元素,以X射线为分析手段的各种方法，一般依产生空穴的方法差异分为：,e-X，用电子束产生空穴，称这为电子X荧光分析；,p-X，用质子束产生空穴，称这为质子X荧光分析；古文物鉴定（越王勾践剑1965出土）、伪钞、大气污染分析等,I-X，用离子束产生空穴，称这为离子X荧光分析；,X-X，用X射线产生空穴，称这为X荧光分析。,例如，Co和Ni两元素ka波长为0.179nm和0.166nm，确定Z分别为27和28,Co在Ni前，但从质量看Ni在前面58.93u,58.69u；52号碲Te和53号碘I，90号钍Th和91号镤Pa,1923年法物理学家俄歇(P. Auge
6、r)首先发现,俄歇电子（AES）,E,俄歇电子的能量,K层的荧光产额,表示原子中K层有了空穴后产生KX射线的几率，1wK 表示产生俄歇电子的几率。,一般地，对轻元素发射俄歇电子的几率较大；对重元素发射X射线的几率较大。,在原子壳层产生空穴后，除了发射X射线、俄歇电子来释放能量外，电子跃迁也可诱发原子核激发。,5.6.2 康普顿散射效应的实验规律,两种波长 0 和 ，且 D = -0 随散射角 的增大而增大。 与散射物无关,探测器,X 光管,光阑,散射物体石墨,(实验装置),散射物不同，0 和 的强度比不同。轻物质 的强度较大。,1923年美国物理学家康普顿(A.H. Compton),钼Ka
7、0.0711nm,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,电子受迫振动,同频率散射线,发射,单色电磁波,q,说明,受迫振动v0,照射,散射物体,经典物理的解释,能量、动量守恒,(1) 入射光子与原子外层电子弹性碰撞,外层电子,近似自由,近似静止,静止、自由的电子,不足1MeV 几十MeV,光子理论解释,康普顿波长,(2) X 射线光子和原子内层电子相互作用,光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。,自由电子,内层电子被紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。,光子,内层电子,外层电子,波长变大的散射线,波长不变的散射线,(1) 波长变化,结论,原子,(2) 强度变化,入
8、射波,散射波,银的 Ka 线被各种元素散射的X能谱图，散射角q =120o。,吴有训实验结果（1926年发表）,l0 = 0.02nm 的X射线与静止的自由电子碰撞, 若从与入射线成900的方向观察散射线。,解,(1) 散射线的波长l:,(2) 反冲电子的动能:,求,(1) 散射线的波长l; (2) 反冲电子的动能；(3) 反冲电子的动量。,例,动量守恒,(3) 反冲电子的动量：,可见光能否产生Compton效应？,x,dx,I0,C,I,x,O,吸收系数:,吸收长度:,5.6.3 X射线的吸收,Lamber-Beer定律,吸收长度是吸收系数的倒数。表示透射粒子数为入射粒子数的1/e时对应的吸
9、收体厚度。,1. 质量衰减系数,质量衰减系数:,物理意义：X射线经过单位面积、具有单位质量的一层物质后减弱的百分数。,2. 光子与物质的相互作用,X射线由低能光子组成，一般地,但光子同整个原子的弹性散射（称相干散射，又称瑞利散射）需考虑，因散射导致光子离开原来的前进方向，不能被放在正前方的光强探测器测出，也应算作被“吸收”了。,质量吸收系数与入射光子能量的关系,光子能量越大（波长越短）的X射线，吸收系数小，表明穿透力越强。,吸收限（吸收边缘）,K吸收限 1S,LI吸收限 2S,LII吸收限 2P1/2.,3. 吸收限（吸收边缘）,试比较下列三种能量的大小。,例,(1) 类氢离子B4+ (Z=5
10、) 从 n=2 能级跃迁至 n=1 能级的辐射能量；,(2) 中性B原子 Ka 线的辐射能量；,(3) 中性B原子K 吸收限能量EK 。,解,(1),(2) 由莫塞莱公式,中性B原子K 吸收限的实验值为188eV。,(3) 忽略外层电子对K壳层电子的屏蔽作用,Nobel Prize (About X-ray),1914年 发现晶体的X射线衍射 ,M. von Laue (1879-1960), 1901年 1895年发现X射线,W. L. Bragg (1890-1971),W. H. Bragg (1862-1942), 1915年 利用X射线研究晶体结构,W. K. Rtgen (1845
11、 -1923),1917年 发现元素的标识伦X线 ,C. G. Barkla (1877-1944),Nobel Prize (About X-ray), 1924年 X射线光谱学领域的发现与研究,M. Siegbahn(1886-1978),1927年 发现以他名字命名的效应,A. H. Compton(1892-1962), 因发现X射线层析图像技术(CT)获1979年的诺贝尔医学奖。,A. M. Cormack(1924 -1998),G. N. Hounsfield(1919 - ),X射线天文学获2002年诺贝尔物理奖,X射线,X射线的产生,X射线谱,连续谱 轫致辐射,只与V 有关，而与Z 无关,标识谱 电子内层的跃迁,俄歇电子,Moseley定律,吸收系数:,Lamber-Beer定律,质量衰减系数:,吸收限（吸收边缘）,X射线的吸收,X射线的Compton效应,
