1、X射线波性的实验。,本章主要内容,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呢？这正是下面我们要讨论的问题。1807年，英国物理学家道尔顿依据实验提出：“气体，液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成。”他还认为，“同种元素的原子，其大小、质量及各种性质都是相同的。”从而把哲学意义上的原子论推广到科学的原子论。那么,线度大约在 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，首开了人们向微观世界进军的先河。它们是：（1）1895年德国的 Rontgen（伦琴）发现X射线；（2）1896年，法国的 Becguerel（贝
2、克勒尔）发现了放射性；（3）1897年，英国的 Thomson（汤姆逊）发现了电子。,8-1 X射线的发现及其波性在1895年以前，由阴极射线管产生的X射线在实验里已经存在了30多年，在X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1879年的克鲁克斯，1890年的古德斯比德等人，但发现 X 射线的却是伦琴。伦琴，1845年出生于德国的一个商人家庭，1869年在苏黎世大学获博士学位。1895年11月8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 结晶物质的屏幕发出了荧光，伦琴马
3、上意识到,这可能是一种前所未有的新射线，经检查发现,射线来自阴极射线管管壁。,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，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-X射线。1895年12月28日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于X射线的论文，论新的射线，并公布了他夫人的X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了X射线研究热，1896年关于X射线的研究论文高达1000多篇.对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域之中，为了弄清X射线产生
4、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X射线呢？,于是他把一块荧光物质（铀的化合物-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，结果在底片上果然发现了与荧光物质形状相同的“像”。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？跟荧光物质是否有关呢？他进一步用不发荧光的铀化合物进行实验，同使底片感光；可见铀化合物能发出一种肉眼看不见的射线，与荧光无关。1896年3月2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。 放射线的发现看似偶然，但正如杨振宁先生在评价这
5、一故事时所说的那样，“科学家的灵感对科学家的发现非常重要；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。”,一、X射线的发现及特性,（一） X射线的发现,1895年11月8日，伦琴发现。,X射线是波长极短的电磁波，它不会被磁场偏转，具有很强的穿透力，而且波长越短，穿透力越强。0.1nm：软X射线。,如图，在真空管 两阴极和阳极之间加高压，阳极选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到X射线，其波长因高太的不同而异。当 称硬X射线； 称软X射线。,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
6、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。,（二）若X射线的波动性和粒子性,波动性 X射线在晶体的衍射,.布喇格公式,2.劳厄照片,每个亮点为劳厄斑点,对应于一组晶面. 斑点的位置反映了对应晶面的方向.由这样一张照片就可以推断晶体的结构(连续谱的X射线),3晶体粉末法(单波长的射线),每一同心园对应一组晶面,不同的园环代表不同的晶面阵,环的强弱反映了晶面上原子的密度大小,4(1) X射线的衍射是研究晶体结构有效方法-晶体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-1915年布拉格父子因此获诺贝尔物理奖,(2)X射线分析可用来研究高分子的
7、结构,(a) Eu(DBM)3PhenPMMA的广角X射线衍射图 (b) Eu(DBM)3Phen的X射线衍射图,威廉亨利布拉格（Sir William Henry Bragg ，18621942），英国物理学家，现代固体物理学的奠基人之一。他早年在剑桥三一学院学习数学，曾任澳大利亚阿德莱德大学及英国利兹大学、伦敦大学教授，1940年出任皇家学会会长。同时，他还作为一名杰出的社会活动家，在20世纪二三十年代是英国公共事务中的风云人物。,威廉亨利布拉格与其子威廉劳伦斯布拉格通过对X射线谱的研究，提出晶体衍射理论，建立了布拉格公式（布拉格定律），并改进了X射线分光计。1915年诺贝尔物理学奖授予英
8、国伦敦大学的亨利布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯布拉格，以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。布拉格这个名字几乎是现代结晶学的同义词。,威廉布拉格1862年出生于英国威格顿。他先后在Market Harborough文法学校和马恩岛的威廉国王学院学习，完成大学之前的教育。1881年，他获得奖学金入读剑桥大学三一学院，在著名教师爱德华约翰劳思的指导下学习数学。1884年6月，他在优等生数学考试中名列第一部分第三，1885年初进入第二部分学习，同年有一段时间在卡文迪许实验室学习物理。,1885年，威廉布拉格被澳大利亚阿德莱德大学聘为数学物理教授，于1886年初正式上任。此
9、前他的物理知识并不多，在阿德莱德他才大量学习物理知识，但真正涉及到重要研究已经是40岁之后了。1904年，在但尼丁召开的一次澳大拉西亚科学促进会的会议上，他担任所在小组的主席，并发表了论文Some Recent Advances in the Theory of the Ionization of Gases（气体电离理论的新发展）。,后来他在这篇论文的基础上，继续开展研究，于1912年出版了他的第一本著作Studies in Radioactivity（放射能研究）。1904年那次会议后不久，他得到一些溴化镭，并进行相关研究，当年年底在Philosophical Magazine（哲学杂志）
10、上发表了关于镭射线的研究论文。1907年，他当选英国皇家学会会士。1908年底，他从阿德莱德大学辞职。他在这所大学的23年间，见证了其学生数的数倍增长，对其理学院的发展也尽到了最大的贡献。,1909年，威廉布拉格到利兹大学担任卡文迪许物理教授。他在这里继续X射线研究，并大获成功。他发明了X射线分光计，并与他的儿子威廉劳伦斯布拉格创立了用X射线分析晶体结构的新学术领域。这项技术的应用为稍后DNA双螺旋结构的发现奠定了基础。正是由于这项成就，1915年父子两人一同被授予诺贝尔物理学奖。,1915年，威廉布拉格被伦敦大学学院聘为奎恩物理教授，但受第一次世界大战的影响，他直到战争结束后才开始工作。战争
11、期间，他主要为英国政府服务，进行潜艇探测的研究。1918年，他回到伦敦，担任海军司令部的顾问。恢复在大学的工作后，他主要从事的研究仍然是晶体结构分析。 1923年起，他成为皇家研究所的富勒里安化学教授和戴维法拉第研究实验室（Davy Faraday Research Laboratory）的主任。在他的领导下，实验室发表了大量有价值的论文。1935年，他当选为英国皇家学会的会长。,粒子性- 康普顿效应(1927诺贝尔奖),实验结果-除原来谱线外, 出现波长变长的另一条线.,波长改变的数值与散射角有关, 随角度的增加而增强; 且随着散射角的增大, 新谱线增强,原谱线减弱.,1、康普顿效应,（1）
12、康普顿散射当单色X射线被物质散射时，散射线中除了有波长与入射线相同的成分外，还有波长较长的成分，这种波长变长的散射称为康普顿散射或康普顿效应。,（2）实验装置X光管发出一定波长的X射线，通过光阑后成为一束狭窄的X射线，投射到散射物质上，用摄谱仪可以测不同方向上散射光波长及相对强度。,康普顿效应,（3）实验现象,0,正常散射,波长变长的散射称为康普顿散射,对一定的散射角 ，既有与入射线相同的波长l ，又有比入射光线更长的波长l，而且Dl=l -l 随角 的增加而增大，但与X射线的波长l 和散射物质无关。,4、经典物理学的困难：,经典电磁理论只能说明有正常散射存在，即散射光的频率与入射光频率相等；
13、而无法解释Dl 的存在及其所存在的康普顿效应的实验规律。,实验规律（吴有训）,（1）散射的X射线中，有波长不变的成分，还有波长变长的部分。（2）波长改变的数值与散射角有关，随散射角的增加而增加。（3）随散射角的增加，波长变长部分的谱线增强，原谱线减弱。（4）波长改变量的大小与散射物质无关。（5）当散射物质的原子序数增大时，原谱线强度增加，波长变长部分的谱线强度降低。,(1)定性解释,2、康普顿效应的解释,康普顿效应是X射线单光子与物质中受原子核束缚较弱的电子相互作用的结果。假设在碰撞过程中，动量与能量都是守恒的，电子带走一部分能量与动量，因而散射出去的光量子的能量与动量都相应地减小，即X射线的
14、波长变长。,(2)定量计算,光子：,电子：,碰撞后,系统能量守恒：,系统动量守恒,（1) 2 (2) c2 得出,将（4）带入（3）式：,（5）,称为康普顿波长,康普顿散射进一步证实了光子论证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象性证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。,波长的改变与散射物质无关，仅取决于散射角，而且关系式中包含了普朗克常量，因此它是经典物理学无法解释的。,对于可见光，微波等，散射现象不明显X光 散射现象明显, =0时，波长不变； 增加时，波长变长； =p时，Dl 最大。,3、康普顿效应的物理意义,（1）电子的Compton波长,入射光子的能量与电
15、子的静止能量相等时所相应的光子的波长。,折合电子Compton波长：,为什么只在X光的散射实验中，我们才观察到了compton effect，而在可见光的散射中（如光电效应）没有观察到Compton效应。,虽然以波长的compton位移与入射光的波长（或能量）无关，但以能量表示的Compton位移E却与入射光的波长（或能量）紧密相关。,实验中，在测量条件相同时,散射光子的能量,随入射光子的能量增大而增大。,二、 X射线的产生机制,(一)X射线的产生,X射线由高速电子打在物体上产生。,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
16、标识，所以称为标识谱，又叫特征谱-它迭加在连续谱上。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。,（二）连续谱轫致辐射1、连续谱的特征在上述产生X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。(1)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压时，以为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长强度分布曲线。由图可见，当阳极材料不变时， 和 随管压V的升高都向短波方向移动。(2)连续谱与阳极材料的关系（电压不变）前图表示管压为35KV时，用钼和钨作靶材料时的I曲线。由图可见 与靶无关。是由管压V决定的。,连续谱产生的微观机制通过上面对
17、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 骤减为0，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X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。 设电子入射速度 ，在靶上减速而损失的能量为 ；减速过程中的能量差为 ，则根据上面的分析， 将以光子的形式向外辐射；由于 是连续变化的，而 是一定的，所以 连续变化.,轫致辐射的强度反比于入射带电粒子的质量平方，因此，质子等重带电粒子轫致辐射比起电子产生的几乎可以忽略不计。轫致辐射的强度正
18、比于靶核电荷的平方（Z2)。由于医学、工业上使用的X射线往往主要依靠连续谱的那一部分，因此，在X射线管内用得最多的阳极靶是钨靶。因为它的原子序数大，能输出高强度的X射线，而且钨的熔点高，导热性好，并易于加工。,原子序数 Z无关。,理论解释,从阴极逸出的电子被电场加速，加速后的动能为,当它到达阳极靶上时，它的全部能量就转成辐射能，由此发出的光子可能有的最大能量为,可作为精确测量普朗克常数的一个方法。,上式与光电效应中的公式是一样的（金属的脱出功很小，仅为电子伏特级，在此可忽略），故X射线的产生可视为光电效应之逆。,（三）特征辐射（标识辐射）电子内壳层的跃迁,标识辐射-线状谱，是迭加在连续谱上的分
19、立谱线。,1、线状谱的特征,（1）不同元素线状谱的波长是不同的，从而成为我们识别某种元素的标准，故得名为标识谱，但是他们的线系结构是相似的，都分为K,L,M等线系；且谱线具有精细结构，K系分为,;L系分为,(2)改变靶物质时，随Z的增大，同一线系的线状谱波长向短波方向移动，但没有周期性变化；,(3)某元素的标识谱与它的化合状态无关；,（4）对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外界电压有一个临界值。,2、线状谱产生的机制,通过对上述特点的分析、归纳、总结、我们可得到如下几点结论：,（1）线状谱产生于原子内层电子的跃迁。,从它不显示周期性变化，同化学成分无关和光子能量很大来看，可以知道这是原子内层电子
20、跃迁所发的。各元素原子的内层电子填满后，壳层的结构是相同的，所不同的只是对应于各层的能量数值。周期性的变化和化学性质是外层电子的问题。X射线标识谱既然不显示这些情况，足见是内层电子所发。,(2）产生线状谱的条件是：,a.在原子的内层能级上有电子空位；,b.其他壳层上电子向空位跃迁。,事实上，当外界提供足够大的能量时，使原子内层电子电离，从而使原子内层出现空位，外层电子向内层补充，放出的能量便形成了X射线的标识谱。,(3)定律-线状谱的定量计算,1913年，英国物理学家Moseley通过对不同元素（不同Z)的X射线标识谱加以分析（共分析了从钴到金的38种元素,发现一个规律：,对同一线系的某条谱线
21、来说，不同元素的X射线频率的平方根与原子序数Z成线性关系，即,比喻对K线， Moseley得到一个经验公式,事实上，这个公式可以从玻尔理论得到，根据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中n能级的状态相似，所以n能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：,式中反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子感受到的有效电荷是(Z-),这样当n=2上的电子向n=1跃迁产生K线时，我们有,实验表明1，将其余常数代入得，,（4）线状谱的标记方法,前面提到，X射线标识谱分为K,L,M 等线系，每一系的谱线也分为, 等。但是，能级并不只与主量子数n有关，还与l,j有关，所以谱线被标记为,产生
22、X射线标识谱的跃迁的选择定则,（5）标识谱产生的其他效应,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，这样产生的电子称俄歇(Auger)电子,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。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。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。,X射线的吸收,1.吸收限 在E图中，在某一个能量E处，发生突变，称之为吸收限。产生吸 收限的原因是：当
23、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，我们用该元素制成一个薄片，放在X射线的光路上，就可使KX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X射线的作用。比如黄铜是铜和锌的混合物，当射线打到黄铜上时，会同时出现Cu和Zn的特征X射线，两者相差不大，我们可以用镍做成过滤片，由于
24、(Cu)的能量比镍的吸收限低，所以可以顺利通过，而(Zn)的能量比它高，将会被吸收。,应用2.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（ ）；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。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 的X射线分别造影； 分别在K吸收限的上下端，相差很小，则 吸收系数很小， 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。,三、X射线的吸收,小,则吸收小,贯穿能力强; Z大则吸收强,
