原子物理学ch6

X射线第六章X-rayofHomer'shead2X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：硬X射线，0.1nm：软X射线.§28X射线的发现及其波性（1）X射线的发现在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。))((6CNBaPt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？1896年，法国的Becguerel（贝克勒尔）发现了放射性；1897年，英国的Thomson（汤姆逊）发现了电子。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。”WilhelmK.Roentgen,1895年，发现X-射线,1901年诺贝尔奖伦琴从小就性格倔强，从不轻易改变自己的主张。品德高尚，对荣誉和金钱极为淡漠.50岁任沃兹堡大学校长时发现了X射线。领取首届诺贝尔物理学奖时，他不仅拒绝在授奖典礼上发表演讲，而且谢绝了各种盛情邀请，将奖金全部献给沃兹堡大学作为科研费用。许多商人想用高价购买Ｘ射线的专利权，牟取暴利，巴伐利亚的王子甚至以贵族爵位来笼络伦琴，都被一概予以拒绝。伦琴将Ｘ射线的专利权毫无保留地公诸于世，让它为全人类服务。(2)X射线管X射线由高速电子打在物体上产生。（3）X射线的波性1.X射线•折射,反射？•衍射？•1906，Barkla,偏振2.在晶体的衍射•1912,Laue设想•W.Friedrich,andP.Knipping实现RefractionandReflection1895年,伦琴:X-射线1912年，劳厄、弗里德里希、克里平衣瓦德(Ewald)的遗憾机遇、不迷信权威LaueX-射线衍射的发明一箭双雕伟大发现:X-射线具有波动性–开创光谱学晶体结构具有周期性–奠定固体物理基础LaueX-射线衍射的发明TheNobelPrizeinPhysics1914forhisdiscoveryofthediffractionofX-raysbycrystals劳厄为人正直，无意于政治活动，但当科学研究自由受到威胁时，他总是义正辞严地起来捍卫它。劳厄和普朗克在纳粹统治时期为维护学术尊严和科学自由的行为备受赞扬，称他们是真正的人和真正的科学家。1957年法国授予劳厄荣誉军团勋章以表彰他捍卫人的尊严和自由的功绩。（4）X射线的偏振Scatteringgeometry:svs.pBACd布拉格公式：kdsin2,3,2,1k布拉格公式是X射线极大值满足的方程，与光栅方程相当。但有所不同：α：掠射角d:晶面间距（5）X射线的衍射2dsinqnd布拉格父子布拉格公式与光栅方程的不同对于普通可见光的一维光栅，只有一个光栅方程。而对X射线，晶体光栅是三维光栅。以立方单晶为例，其中有许多不同取向的原子层（晶面），他们的晶面间距不同，因此X射线有一系列的布拉格公式任意波长的单色可见光射到一维光栅上，总可以在某一方向上得到光栅衍射的极大值，它满足光栅方程。对于X射线，入射方向和晶体的位置确定后，则α和各个d也就确定了，任意一个X射线波长就不一定恰能满足布拉格公式，因此也就没有X射线的衍射极大值LatticeplaneandMillerindex观察X射线衍射的两种方法即怎样才能满足布拉格公式？(a)劳厄法：用连续谱的X射线照射单晶（这时，相当于d与α定，而λ任意）(b)德拜法：用单一波长的X射线照射多晶或旋转的单晶（这时，相当于d与λ定，而α任意）kdsin2布拉格公式劳厄照片LiCu2O2的劳厄相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)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2sin,12ndnq，，，Powderdiffraction（6）Bragg公式的进一步推导Example:DNAXRD可用来研究高分子的结构DNAresultsPulsedLauePatternfromaProtein§29X射线的产生机制(1)连续谱波长连续变化的连续谱，它的最小波长只与外加电压有关0hcVe0hvVe012398.10V埃轫致辐射：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。最小波长只依赖于外加电压V，V越大，越小，与靶材料无关。min连续谱，钨靶，不同的电压X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。(2)X射线的标识谱标识谱：钨靶和钼靶，相同的电压。K线系：K：LK；K：MK；K：NK；L线系：L：ML；L：NL；L：OL；（3）X射线由内层电子的跃迁所产生。2.同X射线有关的原子能级。3.产生X射线标识谱的跃迁的选择定则01J，Seep.261Fig.29.3,p.262-263Fig.29.4,莫塞莱定律及原子序数的测定)2111()1(~222ZRK)3121()4.7(~222ZRL)11()(~222nmbZRmn根据元素X射线在图上的位置,就可定出该元素的原子序数，Moseley公式提供了一个测量Z的方法不同元素标识谱不随着Z周期变化，因为是内层能级跃迁，和化学性质无关，可以用来作为元素分析的工具。产生空穴的方法1.e-X2.p-X3.Ion-X4.X-X（5）Auger电子（6）电子跃迁诱发原子核激发电子在填充空穴时把能量传递给了原子核，使得核跃迁到其激发态能级几率非常小～10-9（7）ModernX-raysourceSynchrotronP.267BendingmagnetInsertiondeviceFreeelectronlaser§30康普顿散射康普顿(A.H.Compton)除光电效应外，光波的量子性还表现在光散射的康普顿效应。该效应是光显示出其粒子性的又一著名实验。1927诺贝尔物理学奖得主1922-1923年，康普顿研究了X射线在石墨上的散射，在散射的X射线中不但存在与入射线波长相同的射线，同时还存在波长大于入射线波长的射线成份——康普顿效应。康普顿正在测晶体对X射线的散射1925-26年吴有训在该方面也做出了贡献一、康普顿散射的实验装置光阑X射线谱仪石墨体(散射物质)X射线源j0散射波长晶体探测器二、实验规律1.散射光除原波长0外，还出现了波长大于0的新的散射波长。2.波长差Δ=-0随散射角的增大而增大。3.新波长的谱线强度随散射角q的增加而增加，但原波长的谱线强度降低。4.对不同的散射物质，只要在同一个散射角下，波长的改变量-0都相同，与散射物质无关！经典理论的困难：经典电磁理论预言，散射辐射具有和入射辐射一样的频率.经典理论无法解释波长变化.000vxy光子电子电子反冲速度很大，需用相对论力学来处理.（1）物理模型入射光子（X射线或射线）能量大.固体表面电子束缚较弱，可视为近自由电子.(2)量子解释qxyj电子光子电子热运动能量，可近似为静止电子.heV10~1054hE范围为：qcos2202222220222chchchmv（2）理论分析xy00echechvme0eqj2200mchcmhv能量守恒vmechech00动量守恒)(2)cos1(2)1(020024202242qhcmhcmccmv电子的康普顿波长nm1043.2m1043.23120Ccmh)cos1(00qcmhcc)(2)cos1(2)1(020024202242qhcmhcmccmv2/1220)/1(cmmv2sin2)cos1(200qqcmhcmh康普顿公式0散射光波长的改变量仅与有关q0,0qCmax2)(,πq散射光子能量减小00,)cos1()cos1(C0qqcmh康普顿公式（3）结论xy00echechvme0eqj（4）讨论与的关系与物质无关，是光子与近自由电子q间的相互作用.)cos1()cos1(C0qqcmh康普顿公式•X射线光子与原子“外层电子”的弹性碰撞外层电子与核结合较弱（几个eV）——与X光子相比，这些电子近似看成为“静止”的“自由”电子——光子与电子的弹性碰撞—光子失去部分能量，频率，波长——康普顿效应。（5）物理意义光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性.微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律.康普顿的成功也不是一帆风顺的，在他早期的几篇论文中，一直认为散射光频率的改变是由于“混进来了某种荧光辐射”；在计算中起先只考虑能量守恒，后来才认识到还要用动量守恒。提供了一个独立测量普朗克常数的方法。解（1）)cos1(CqCC)90cos1(eV295)1(000202khchchccmmcE例波长的X射线与静止的自由电子作弹性碰撞,在与入射角成角的方向上观察,问m101.00-10090（2）反冲电子得到多少动能？（1）散射波长的改变量为多少？（3）在碰撞中，光子的能量损失了多少？m1043.212（2）反冲电子的动能（3）光子损失的能量＝反冲电子的动能康普顿波长为普适常量，与物质种类无关！理论和实验结果符合得很好。说明：若则,可见光观察不到康普顿效应.C002sin2)cos1(2c00jjcmhA024262.00ccmh•只有当入射波长0与c可比拟时，康普顿效应才显著，因此要用X射线才能观察到康普顿散射，用可见光观察不到康普顿散射。对可见光来讲，不可能观测到康普顿效应6~5010~能量改变与入射光子能量相关•康普顿效应