1、第六章：X射线,X射线的发现及其波动性,X射线产生的机制,康普顿散射,X射线的吸收,硬X射线0.001nm0.1nm软X射线0.1nm1nm,X射线的性质,1）X射线能使照相底片感光；,2）X射线有很大的贯穿本领；,3）X射线能使某些物质的原子、分子电离；,4）X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；,5）X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。,11901年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于发现X射线而获得了诺贝尔物理学奖。21914年，劳厄由于利用X射线通过晶体时的衍射，证明了晶体的原子点阵结构而获得诺贝尔物理学奖。31915年，布拉格父子因在用X射线研究
2、晶体结构方面所作出的杰出贡献分享了诺贝尔物理学奖。41917年，巴克拉由于发现标识X射线获得诺贝尔物理学奖。51924年，西格班因在X射线光谱学方面的贡献获得了诺贝尔物理学奖。61927年，康普顿与威尔逊因发现X射线的粒子特性同获诺贝尔物理学奖。71936年，德拜因利用偶极矩、X射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获诺贝尔化学奖。81946年，缪勒因发现X射线能人为地诱发遗传突变而获诺贝尔生理学.医学奖。91954年，鲍林由于在化学键的研究以及用化学键的理论阐明复杂的物质结构而获得诺贝尔化学奖（他的成就与X射线衍射研究密不可分）。101962年，沃森、克里克、威尔金斯因发现核酸的分子结构及其对
3、生命物质信息传递的重要性分享了诺贝尔生理学.医学奖（他们的研究成果是在X射线衍射实验的基础上得到的）。111962年，佩鲁茨和肯德鲁用X射线衍射分析法首次精确地测定了蛋白质晶体结构而分享了诺贝尔化学奖。121964年，霍奇金因在运用X射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构取得的重大成果获诺贝尔化学奖。,从1901年获诺贝尔物理奖的伦琴开始，一个多世纪以来，因研究X射线技术、以及使用X射线进行研究、与X射线有关的研究而获得诺贝尔奖的已有多人，可见X射线在科技发展中占有的重要地位。以下统计可能不完全（物理8次，生理学医学3次，化学14次）：,131969年，哈塞尔与巴顿因提出“构象分析”的原理
4、和方法，并应用在有机化学研究而同获诺贝尔化学奖（他们用X射线衍射分析法开展研究）。141973年，威尔金森与费歇尔因对有机金属化学的研究卓有成效而共获诺贝尔化学奖。151976年，利普斯科姆因用低温X射线衍射和核磁共振等方法研究硼化合物的结构及成键规律的重大贡献获得诺贝尔化学奖。161979年，诺贝尔生理.医学奖破例地授给了对X射线断层成像仪（CT）作出特殊贡献的豪斯菲尔德和科马克这两位没有专门医学经历的科学家。171980年，桑格借助于X射线分析法与吉尔伯特、伯格因确定了胰岛素分子结构和DNA核苷酸顺序以及基因结构而共获诺贝尔化学奖。181981年，凯.西格班由于在电子能谱学方面的开创性工作
5、获得了诺贝尔物理学奖的一半。191982年，克卢格因在测定生物物质的结构方面的突出贡献而获诺贝尔化学奖。201985年，豪普特曼与卡尔勒因发明晶体结构直接计算法，为探索新的分子结构和化学反应作出开创性的贡献而分享了诺贝尔化学奖。211988年，戴森霍弗、胡伯尔、米歇尔因用X射线晶体分析法确定了光合成中能量转换反应的反应中心复合物的立体结构，共享了诺贝尔化学奖。221997年，斯科与博耶和沃克因籍助同步辐射装置的X射线，在人体细胞内离子传输酶方面的研究成就而共获诺贝尔化学奖。232002年，贾科尼因发现宇宙X射线源，与戴维斯、小柴昌俊共同分享了诺贝尔物理学奖。242003年，阿格雷和麦金农因发现
6、细胞膜水通道，以及对细胞膜离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献被授予诺贝尔化学奖（他们的成果用射线晶体成像技术获得）。252006年，科恩伯格被授予诺贝尔化学奖，以奖励他在“真核转录的分子基础”研究领域作出的贡献（他将X射线衍射技术结合放射自显影技术开展研究）。,X射线的发现及其波动性,X射线产生的机制,康普顿散射,X射线的吸收,第六章：X射线,1836年，英国科学家迈克尔.法拉第（Michael Faraday，1791-1867）发现，在稀薄气体中放电时会产生一种绚丽的辉光。 后来，物理学家把这种辉光称为“阴极射线”，因为它是由阴极发出的。,1861年，英国科学家威廉.克鲁克斯（Will
7、iam Crookes，1832-1919）发现通电的阴极射线管在放电时会产生亮光，于是就把它拍下来，可是显影后发现整张干版上什么也没照上，一片模糊。他以为干版旧了，又用新干版连续照了三次，依然如此。克鲁克斯的实验室非常简陋，他认为是干版有毛病，退给了厂家。他也曾发现抽屉里保存在暗盒里的胶卷莫名其妙地感光报废了，他找到胶片厂商，指斥其产品低劣。一个伟大的发现与他失之交臂，直到伦琴发现了X光，克鲁克斯才恍然大悟。,在伦琴发现X光的五年前，美国科学家古德斯柏德在实验室里偶然洗出了一张X射线的透视底片。但他归因于照片的冲洗药水或冲洗技术，便把这一“偶然”弃之于垃圾堆中。,伦琴出生在德国伦内普(Len
8、nep；现在属于雷姆沙伊德的一部分)的一个纺织商人家庭. 1865年，伦琴进入乌得勒支大学读书，随后在苏黎世联邦理工学院学习机械工程。1869年获苏黎世大学物理学博士学位。1874年伦琴任斯特拉斯堡大学讲师。1875年成为霍恩海姆 (Hohenheim)农业学院教授。1876年他返回斯特拉斯堡大学做物理学教授，1879年任吉森大学物理系主任。1888年他就任维尔茨堡大学物理系主任。1900年，在巴伐利亚政府一再请求下担任慕尼黑大学物理系主任。,1901年，首届诺贝尔奖颁发，伦琴获得诺贝尔物理学奖。伦琴的发现不仅对医学诊断有重大影响，同时也影响了20世纪许多重大科学成就的出现。受伦琴的影响，18
9、96年亨利贝克勒尔在发光材料的试验中偶然发现了一种新射线的穿透性。这样伦琴的发现间接地影响了放射性的发现。因为该发现1903年贝克勒尔和居里夫人被共同授予诺贝尔奖。 为了纪念伦琴的成就，X射线在许多国家被称为伦琴射线。另外第111号化学元素錀（Roentgenium (Rg)）也以伦琴命名。在伦琴的祖国，德国有许多以伦琴命名为学校，街道和广场。由于伦琴在物理学的杰出成就，在德国的吉森市，柏林市和伦琴的出生地伦内普(Lennep）（雷姆沙伊德）都建有伦琴纪念碑。,X射线管,A是阳极（金属），K是阴极，阴极和阳极电压为几万十几万伏管内压强10-6mmHg10-8mmHg,X射线的波性,查尔斯格洛弗
10、巴克拉（1877年6月27日1944年10月26日），英国物理学家。任教于剑桥大学、爱丁堡大学的他，致力于基础物理研究。1917年，他因发现元素的次级X射线标识谱而获奖获得了诺贝尔物理学奖。首次用实验显示了X射线的偏振。,马克斯冯劳厄（Max von Laue，1879年10月9日科布伦茨1960年4月24日柏林），德国物理学家，因发现晶体中X射线的衍射现象而获得1914年诺贝尔物理学奖。 提出X射线是一种波长很短的电磁波。,X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证明了X射线的横波性。,X射线的偏振,实际上，该实验是将“自然”X光通过一个用作起偏器的散射体变成线偏振的X
11、光，然后再用另一个散射体作检偏器，检验其偏振性。具体地说，若X射线是横波，当它沿z方向传播并经第一个散射体散射后，沿z方向不会有振动；沿x方向传播的X光（振动方向只在y轴）再经第二个散射体后，则只有y方向的振动。因此在z方向可观察到线偏振光（振动方向y轴），而在y方向观察不到X射线。,X射线的衍射,X射线究竟是微小的质点束，还是像光一样的波状辐射，一直悬而未决。有一种鉴定方法就是看X射线能否借助含有一系列细线的衍射光栅而衍射（即改变射线方向）。要想得到适当的衍射，这些细线的间距必须大致与辐射线的波长大小相等。由X射线的穿透力得知，若X射线像波一样，则其波长要短得多可能只有可见光波长的千分之一。
12、制作如此精细的光栅完全是不可能的。,德国物理学家劳厄想到，如果人工做不出这样的光栅，自然界中的晶体也许能行。晶体是一种几何形状整齐的固体，而在固体平面之间有特定的角度，并且有特定的对称性。这种规律是构成晶体结构的原子有次序地排列的结果。一层原子和另一层原子之间的距离大约是X射线波长的大小。如果这样，晶体应能使X射线衍射。把一束光射向硫化锌晶体，在感光版上捕捉到了散射现象，即后来所称的劳厄相片。感光版冲洗出来之后，他们发现了圆形排列的亮点和暗点衍射图。劳厄证明了光具有波的性质。自然杂志把这一发现称为“我们时代最伟大、意义最深远的发现”。劳厄证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了X射线
13、的干涉现象一文。两年后，也就是1914年，这一发现为劳厄赢得了诺贝尔物理学奖 。,晶体,底片,铅屏,X 射线管,劳厄斑点,X射线的衍射-劳厄实验,晶体可看作三维立体光栅。,根据劳厄斑点的分布可算出晶面间距，掌握晶体点阵结构。,蛋白质的劳厄衍射图,X射线的衍射-劳厄实验,红宝石的劳厄衍射图,硅单晶的劳厄衍射图,多晶粉末法（德拜和谢勒首先发明的，德拜因利用偶极矩、X射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获1936年诺贝尔化学奖 ）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。,布拉格公式,劳
14、厄的文章发表不久，引起了英国布拉格父子的关注，当时老布拉格，即亨利.布拉格（William Henry Bragg 1862-1942）已是利兹大学的物理学教授，而小布拉格，即劳伦斯布拉格（William Lawrence Bragg，1890-1971）刚从剑桥大学毕业，在卡文迪许实验室工作。由于都是X射线微粒论者，两人都试图用X射线的微粒理论来解释劳厄的照片，但他们的尝试未能取得成功。,后来小布拉格成功地解释了劳厄的实验事实，解释了X射线晶体衍射的形成，并提出著名的布拉格公式：2dsin=n。这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性，更重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息。
15、小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后，与其父亲合作，成功地测定出了金刚石的晶体结构，并用劳厄法进行了验证。布拉格父子因在用X射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡献分享了1915年的诺贝尔物理学奖,电子的戴维孙-革末实验,布喇格父子认为当能量很高的X射线射到晶体各层面的原子时，原子中的电子将发生强迫振荡，从而向周围发射同频率的电磁波，即产生了电磁波的散射，而每个原子则是散射的子波波源；劳厄斑正是散射的电磁波的叠加。,A,O,.,.,.,C,.,B,d,AC,CB,d,晶面间距,掠射角,d,2,sin,n,=,=,光程差 :,+,干涉加强条件（布喇格公式）：,d,2,sin,=
16、,n,= 1,2,.,在 方向衍射的X光将得到加强，出现了劳厄光斑。该式称布拉格公式。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射线经距离为d 的晶面反射时，凡光程满足,第六章：X射线,X射线的发现及其波性,X射线产生的机制,康普顿散射,X射线的吸收,X射线的发射谱,产生X射线,测得X射线的波长,X射线的强度,如何测量？布拉格公式,波长连续变化的部分，称为连续谱，它的最小波长和外加电压有关。,具有分立波长的谱线，一旦出现，它们的峰值位置完全决定于靶材料，称为特征谱（标识谱）,连续谱,连续谱,特征谱,产生条件: 高速运动的电子在路径上
17、被靶子突然减速或停止特征：强度随波长变化,在某一波长处,强度有极值在长波方向强度降落缓慢，在短波方向轻度降落较快，存在最短波长。min 与材料无关,只与加速电压有关,当加速电压增高时min减小。产生机制: 快速电子射到阳极上,受到阳极中原子核的库仑场作用就会骤然减速;由此伴随产生的辐射 称之为轫致辐射。由于电子速度连续变化，所以产生连续谱。,X射线连续谱-轫致辐射（刹车辐射）,X射线连续谱-轫致辐射（刹车辐射）,高速电子与靶原子发生碰撞，在靶原子的库仑场的作用下骤然减速，以光波辐射的形式损失能量。从量子的观点看：设入射电子在碰撞前的动能为T， 电子和原子核经一次碰撞后的动能为T，相当于从一个连
18、续态到另外一个连续态的跃迁，并辐射一个光子,入射电子经过一次碰撞损失的能量，可以是0到T的任意值，因而得到是连续谱。,当X射线管所加的电压一定时，连续谱存在一个最短波长，其数值和靶材料无关，只与x射线管上的电压有关。,如果入射电子经过一次碰撞损失全部的动能，并转换为辐射光子的能量,1915年，杜安和亨利利用此办法测得普朗克常数。,在轫致辐射过程辐射的强度：1、反比于带电粒子质量的平方2、正比于靶核电荷的平方,具有分立波长的谱线，一旦出现，它们的峰值位置完全决定于靶材料，称为特征谱（标识谱）,特征谱,X射线特征谱,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
19、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。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,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。,X射线特征谱,亨利莫塞莱Henry Gwyn Jeffreys Moseley (* 1887年11月23日生于英格兰的Weymouth; 卒于1915年土耳其加里波利, 英国物理学家，原子序数的发现者。1906年莫塞莱进入牛津大学的三一学院（Trinity College (Oxford)）。毕业后与欧内斯特卢瑟福共同工作于曼
20、彻斯特大学。第一年他主要致力于教学工作，几年后完成教学任务的莫塞莱全力投身于科研。,1913年莫塞莱在研究元素的X-射线标识谱时发现，以不同元素材料作为产生X-射线的靶实验时，所产生的特征X-射线的波长不同。他把测得五十多个元素所产生的特征X-射线按波长排列后，发现其次序与元素周期表中的次序一致，他称这个次序为原子序数，原子序数就是原子核的正电荷数，认为元素性质是其原子序数的周期函数，证明了元素的主要特性由其原子序数决定，而不是由原子量决定，确立了原子序数与原子核电荷之间的关系。关于原子序数的发现被称为莫塞莱定律。1914年他离开了曼彻斯特，回到牛津继续他的研究。在第一次世界大战爆发后，他参加
21、了皇家工程师（Royal Engineers），死于加里波利半岛达达尼尔海峡的加里波利之战，阵亡时年仅27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。,莫塞莱KX射线频率的经验公式：,玻尔理论（类氢光谱公式）导出,原因,当n=1
22、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：,屏蔽效应(Shielding effect) 由于其他电子对某一电子的排斥作用而抵消了一部分核电荷，从而引起有效核电荷的降低，削弱了核电荷对该电子的吸引,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n
23、1到n2层的能量差值。,入射电子,K壳层中电离的电子,K,L,M,K,K,根据泡利原理，发生跃迁的前提n=1壳层中出现空穴，电子n=2态向n=1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,1）俄歇(Auger)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X射线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称Auger L电子。,比如，L电子向K层跃迁所产生能量将M电子电离，则相应的俄歇电子动能为：,其中,分别是K、L、M壳层中电子的结合能，而这些能量是由元素本性决定的，所以 也是由元素本性决定的，它可以作为元素的标识
24、。,、,、,2）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。,以上两个效应，分别是法国物理学家Auger和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。,电子在同步回旋加速器（加速周期相同）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的一种表现。,同步辐射-产生X射线的有力手段,特征谱产生的其它效应,同步辐射（1947年发现）,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X射线的手段）,1997年美国7GeV同步辐射源的建成运转，被称为当年继多利羊、登陆火星后的十大发明之第三。,同步辐射源是人类历史上继电光源、X
25、光源、激光源之后的第4个革命性光源。,同步辐射源示意图,同步辐射的特点,对高能物理来说,同步辐射阻碍粒子加速,是 一种损耗.但同步辐射却是可利用的新型X光源.由以下特性可知其价值所在.,目前超大X光管(50kV)所产生的X射线功率在10W的量级,而普通的1GeV同步加速器的功率在10kW的量级.现阶段最大的20GeV同步加速器 (西德)R192m,总功率可达1500kw.,1）高强度,P(kw):总功率；R(m):电子曲率半径；E(GeV):电子能量；I(A):电流强度； B(kGs):磁感强度。,7.5GeV,2）宽频谱。能谱连续可调,同步辐射的能谱是连续谱， 所以X射线的波长连续可调。,同
26、步辐射的最短波长取决于电子的能量。,而X射线管发出的X光强度主要集中在靶材所对应的特征辐射附近,较单一.,2GeV,1GeV,4GeV,3）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。,4）偏振性好。为完全的平面偏振波,偏振面处于电子回旋轨道平面内.,5）时间结构好(电子流并非连续的)。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。,芝加哥城外费米实验室的同步加速器主环，直径达2km,中国：1、BSRF：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（BEPC）共用一个环，2.2
27、GeV, 专用同步辐射时间 2-3月/年，,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,2、NSRL：建在安徽合肥科技大学内，为第二代专用光源。0.8GeV，低能环，以紫外、软X射线为主。可产生12keV以下的硬X射线。,一期工程投资0.8亿,于1991年完成;二期工程投资1.2亿,于2004年完成.系开放型的国家同步辐射室.,实验室外景鸟瞰,3、上海在2009年底建成新一代的3.5GeV同步辐
28、射装置。周长432m,单簇电子电流大于5mA,可产生从可见光到40Kev的硬X射线.,同步辐射应用,同步辐射与物质的相互作用： 吸收，散射，二次粒子发射空间分辨实验 - X光显微术： 物质的形态研究，结构研究，成分研究时间分辨实验： 分子间的振动，有序-无序的转变，酶作用，蛋白-蛋 白相互作用，质子/电子迁移效应在应用领域的研究： 石油，塑料，金属，建筑，微电子，化妆品，制药， 食品等下面着重举两个领域的例子,同步辐射应用: 生命科学,探索生物大分子(蛋白质)的结构了解生命过程,从结构研究进入到功能研究的领域。 蛋白质动力学的不少领域的时间尺度是落在第三代同步辐射光源的时间分辨领域中的，如：分
29、子间振动（fs-us）、有序-无序转变（ns-ms）、酶作用（ms）、蛋白质-蛋白质相互作用（ps-ms）、质子/电子迁移反应（ps-ms）、金属-配合基（ligand）结合（ps-ms）,在欧洲同步辐射中心（ESRF），有45的实验申请来自生命科学家。,同步辐射应用: 生命科学,例:用同步辐射显微术研究头发和皮肤,同步辐射应用: LIGA,LIGA是德文Lithogrsphie（光刻）、 Galvanoformung（电铸成型）和Abformung（塑铸成型）三个字的字头，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤。由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使
30、LIGA技术能够制造出高宽比达到500、厚度大于1500 m、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构。这是其它微制造技术所无法实现的。LIGA技术被视为微纳米制造技术中最有生命力、最有前途的加工技术。利用LIGA技术，不仅可制造微纳尺度结构，而且还能加工尺度为毫米级的Meso结构。,同步辐射应用: LIGA,同步辐射提供立体的光刻。 - 要增加刻蚀深度，必须使用波长比紫外光短得多的X光。如果要做几十到几百微米深度的光刻，所使用的光应是波长在2-10埃之间的X光。 - 除了波长之外，还有两个重要的因素，就是光的功率密度和准直性。微马达和微照明灯具已被应用于非剖开性的人体 内部外科手
31、术. - 用LIGA技术生产出可植入人体的微型电机，其直径只约为1mm，厚度为1.9mm，重量为0.1g，转速为10万转，直径细如发丝的齿轮的精度达微米的量级。,美国宇航局（NASA）一台用于研究远距离星系和黑洞的高能望远镜拍下了太阳迄今最清晰的照片。2012年发射升空的“核分光望远镜阵列”（NuSTAR）利用高能量X射线来观测星体,第六章：X射线,X射线的发现及其波动性,X射线产生的机制,康普顿散射,X射线的吸收,两类相互作用,1）多次小相互作用:（典型实例:粒子在空气中的运动）,进入吸收体之前是单能的、准直的粒子束，穿过吸收体后，粒子的能量降低，且不是单能，有一个弥散。,在方向上，有一个角
32、度的扩展。,当吸收体厚到一定程度时，粒子无法透出物体，这个厚度称为带点粒子在该物质中的射程。（平均射程R0：穿过吸收体的粒子数为原来一半是对应的厚度。）,2）全或无相互作用:(典型实例:光电效应),光子要么不受相互作用,要么经一次相互作用后就从射线中束中消失。,两类相互作用,假设一束粒子强度为I0，通过厚度为dx的吸收体之后，由于在吸收体内收到相互作用，强度必然较少，减少量dI正比于吸收体的厚度dx、束流的强度I，,朗伯-比尔吸收定律,吸收系数,取ux=1时，x为吸收长度，是吸收系数的倒数，表示透射粒子为入射粒子的1/e(37%)使对应的吸收体厚度。,代表吸收体的厚度，称为质量厚度,质量吸收系
33、数，不依赖于吸收体的物理状态，更能反应吸收的本质，测量也方便。,两类相互作用,当光子能量大于电子静止能量的两倍（即1.02MeV）时，光子在原子核附近转化为一对正负电子。,光电效应为主,康普顿效应为主,电子偶效应为主,光子与物质的相互作用,光子与束缚电子的相互作用。,光子和“静止”自由电子的作用,三种相互作用影响因素因素1：光子的能量因素2：吸收体的原子序数,光与物质作用基本属于“全或无相互作用”,X射线的吸收,X射线是由低能光子组成（小于150keV），不考虑电子偶效应，但相干散射（散射波长与入射波长相同，但角度发生变化）在某些情况下重要。,吸收限（边缘吸收）,1、吸收系数随E变化的趋势，随
34、x光子的能量增加吸收系数下降（x光子的能量越高，它的贯穿能力越强）。2、K吸收限表示光子的能量足以使一个1s的电子脱离原子，从而引起原子的共振吸收，使吸收系数突然增加。3、L吸收限中，L吸收限表示光子的能量足以使一个2s的电子脱离原子，L、 L吸收限分别表示光子的能量足以使一个2p1/2、 2p3/2的电子脱离原子。4、吸收限的出现，再一次有力地证明了原子中电子壳层的实在性。,X射线过滤片,例如：产生K-X射线的阈值能量（产生K空穴的能量）总大于该元素本身的K-X射线的能量。导致：在吸收系数u-X射线能量E的图中，K-X射线的位置在峰值位置左侧，对应的吸收系数较小。因此，可以用该元素的薄片做成
35、一个过滤片，使的该元素的K-X射线穿过，吸收掉其它频率的X射线。,X射线过滤片,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。,在血管中注入造影剂碘（131I）；I对X射线吸收要比肌肉、骨骼对X射线吸收强得多。因此，在X光照射下，哪里血管有阻塞，I无法达到，哪里就能被显示出来。,它的原理是：,四、吸收限的应用,在心血管造影术上的应用,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，在导管中注入碘再造影，病人痛苦而且有一定危险。,新的造影术利用碘的K吸收限，在碘的浓度不是很大时，用两种能量E1、E2的X射线分别造影； E1、E2分别在
36、K吸收限的上下端，相差很小，则E1吸收系数很小，E2吸收系数很大，对两次造影的进行数值处理并相减，以消除肌肉和骨骼的影响。,两次造影时，肌肉、骨骼对的贡献是几乎相同的。剩下的仅是碘对射线吸收的贡献。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。,第六章：X射线,X射线的发现及其波动性,X射线产生的机制,康普顿散射,X射线的吸收,阿瑟霍利康普顿（Arthur Holly Compton，1892年9月10日1962年3月15日），美国物理学家，1927年诺贝尔物理学奖获得
37、者1，曾任圣路易斯华盛顿大学校长 。康普顿1913年取得伍斯特大学学士学位，1914年和1916年分别取得普林斯顿大学的硕士和博士学位。毕业后，康普顿先后在明尼苏达大学短暂执教一年、到匹兹堡一家公司当工程师两年、到剑桥大学当研究员一年。1920年，他成为圣路易斯华盛顿大学的物理教授，1923年转到芝加哥大学。,康普顿1918年开始研究X射线的散射。1922年，他发现X射线对自由电子发生散射时，光子的能量减少，而波长变大。这一发现被称为“康普顿效应”或“康普顿散射”，后来又被他的研究生吴有训进一步证实。由于这项成就，康普顿被授予1927年诺贝尔物理学奖。除了诺贝尔物理奖以外，康普顿还先后获得过拉
38、姆福德奖（1926年）、休斯奖章（1940年）和富兰克林奖章（1940年）等奖项。为纪念这位物理学家，有多项事物以其名字命名。月球上的康普顿环形山的命名是为了纪念阿瑟康普顿和他的兄长卡尔康普顿。圣路易斯华盛顿大学的物理研究大楼也以其名字命名。芝加哥大学有学生宿舍楼被称为康普顿宿舍。康普顿在芝加哥的旧居被列入美国国家历史古迹。美国国家航空航天局把大型轨道天文台计划中的伽玛射线天文卫星命名为康普顿伽玛射线天文台。,普朗克(黑体辐射)1900年12月14日：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，1918年诺贝尔奖。爱因斯坦（光电效应）1905年：关于光的产生和转化的一个试探性观点假
39、说，1921年诺贝尔奖。后被密立根的实验所验证（1923年诺贝尔奖）康普顿效应（1927年诺贝尔奖）1923年5月：X射线受轻元素散射的量子理论并用光量子解释。,X射线管,A是阳极（金属），K是阴极，阴极和阳极电压为几万十几万伏管内压强10-6mmHg10-8mmHg,X射线的发射谱,产生X射线,测得X射线的波长,X射线的强度,康普顿散射实验,康普顿散射的实验装置,X射线与物质作用时，被散射的X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射角的增大而增大,和散射材料无关。,散射线中有两种波长0 、,随散射角 的增大而增大,康普顿散射的实验结果,经典物理解释,散射晶体,受迫振动
40、,单色电磁波,电子受迫振动,同频率散射线,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。,入射光子与外层电子弹性碰撞,量子解释可以吗？,体系的能量、动量守恒,入射能量20Kev,远远超过所有元素外层电子的束缚能,利用相对论质量关系：,整理得到康普顿散射公式：,康普顿散射公式,上式表明:散射光子的能量是入射光子能量和角度的函数。,散射光子的能量公式,反冲电子的最大能量,例 波长 的X射线与静止的自由电子碰撞，在与入射角成90度角的方向上观察，,（2）反冲电子得到多少动能？,（1）散射波长的改变量 为多少？,物理意义,物理意义：入射光子的能量与电子静止能量相等时光子对应的波长.,可理
41、解为:在/2时，入射波与散射波的波长之差.,电子的折合康普顿波长：,1）电子的康普顿波长：,re=2.8fm, 是经典电子半径,物理意义,2）只决定于而与无关,当180度时，得到康普顿散射引起的最大位移,？为什么在X射线发现以前没有观察到康普顿效应,对实际测量来说，有意义的是/,例题：比较用x光（1=0.05nm）和紫光（ 2=400nm ）入射，=是的康普顿散射情况。,解：波长改变量相同，均为,紫光,康普顿散射与散射角的关系,3）相干散射,3）相干散射,波长变大的散射线,波长不变的散射线（相干散射）,内层电子被紧紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞光子质量远小于原子，碰撞时光子几乎不损失能量
42、，波长不变。,物理意义,0.700,0.750,预测：相干散射的比值随原子序数的增加而增加。,吴有训（1897-1977），我国近代物理学奠基人之一。以系统、精湛的实验为康普顿效应的确立做出了重要贡献。其实验结果见右图。,4)、康普顿散射与基本常数,在康普顿散射公式中，h和c都起关键作用。若h0，c，则0，即回到经典物理。,上述理论结果与实验相符，故康普顿散射有力地支持了光的粒子性和狭义相对论。,康普顿散射提供了：1）独立测定h的方法！2）测定光子能量h的方法！,* 电子偶效应,条件：,2. 正负电子相遇时湮灭、产生两个光子,实验：,能量守恒：,证明：对于自由电子,无法产生光电效应.,证明：对于自由光子,无法产生电子偶效应.,P1,P2,hv/c,?,
