第八章X射线

短波限 λ
0
与加在射线管上的电压V的关系： 与加在射线管上的电压V的关系： hc = Ve λ0
短波限的物理意义：快速电子的动能全部转成电磁辐射能。 短波限的物理意义：快速电子的动能全部转成电磁辐射能。
1.24 hc ⇒ λ0 = = nm eV V (kV)
二、X射线的标识（特征）谱 射线的标识（特征）
晶体可形成许多不同取向的晶面。X射线经不同晶面反射 晶体可形成许多不同取向的晶面。 凡光程满足布喇格公式, 方向衍射的X 时，凡光程满足布喇格公式,在 θ 方向衍射的X光将得到加 出现了劳厄光斑。 强，出现了劳厄光斑。
劳厄单晶 劳厄单晶照像 单晶照像
每个亮点为劳厄斑点, 每个亮点为劳厄斑点,对应于一 组晶面. 组晶面 . 斑点的位置反映了对 应晶面的方向. 应晶面的方向 . 由这样一张照 片就可以推断晶体的结构. 片就可以推断晶体的结构.
3 Z 2e2 hvKα = 4 4πε0 ⋅ 2a0
⇒ vKα = 0.246 ×1016 Z 2 Hz
指明K 线系的产生：入射的电子把原子中最内层n=1 指明Kα线系的产生：入射的电子把原子中最内层n=1上的 n=1上的 电子击出，n=2壳层上的一个电子落入n=1壳层上的空位而 壳层上的一个电子落入n=1 电子击出，n=2壳层上的一个电子落入n=1壳层上的空位而 产生。 是由于n=2壳层电子感受到的有效核电荷 n=2壳层电子感受到的有效核电荷。 产生。 (Z −1) 是由于n=2壳层电子感受到的有效核电荷。
1.标识谱 1.标识谱 当电子的能量(加速电压) 超过某一临界值时, 当电子的能量(加速电压) 超过某一临界值时,在连续谱的背景 线状谱。 上迭加一些线状谱 上迭加一些线状谱。
Rh(铑 Rh(铑）K系标识谱精细结构
2.标识谱的特点 2.标识谱的特点 ☆对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外加电压有一个临界值。 对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外加电压有一个临界值。 ☆标识谱线的位置与外加电压无关，而只与靶材元素有关，因 标识谱线的位置与外加电压无关，而只与靶材元素有关， 标识。 而这些线状谱可作为元素的标识 而这些线状谱可作为元素的标识。但是他们的线系结构是相 似的，都分为K,L,M, K,L,M,……等线系 且谱线具有精细结构， 等线系； 似的，都分为K,L,M,……等线系；且谱线具有精细结构，K 系分为 Kα , K β , Kγ ,…… L系分为 Lα , Lβ , Lλ , …… 等； ； ☆改变靶物质时，随Z的增大，同一线系的线状谱波长向短波 改变靶物质时， 的增大， 方向移动，但没有周期性变化； 方向移动，但没有周期性变化； 3.莫塞莱定律--标识谱的定量化 3.莫塞莱定律--标识谱的定量化 莫塞莱定律-1912-13年 英国物理学家Moseley通过对不同元素（ 1912-13年，英国物理学家Moseley通过对不同元素（不 Moseley通过对不同元素 射线标识谱加以分析（共分析了从钴到金的38 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： 种元素）,发现一个规律：
8.1 X射线的产生与波性 射线的产生与波性 一.X射线的产生 .X射线的产生
二.Βιβλιοθήκη Baidu射线的性质 .X射线的性质
1）X射线能使照相底片感光； 射线能使照相底片感光； 射线有很大的贯穿本领； 2）X射线有很大的贯穿本领； 射线能使某些物质的原子、分子电离； 3）X射线能使某些物质的原子、分子电离； 射线是不可见光，它能使某些物质发出可见的荧光； 4）X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见的荧光； 射线本质上是一种（波长极短0.01 0.01电磁波，具有反射、折射、 5）X射线本质上是一种（波长极短0.01-1nm 的）电磁波，具有反射、折射、衍 偏振等波动性质。 射、偏振等波动性质。
一、X射线的连续谱
1.连续谱产生机制 1.连续谱产生机制—轫致辐射 连续谱产生机制— 当高速电子击中靶，与靶原子相互作用（碰撞）而速度骤减。 当高速电子击中靶，与靶原子相互作用（碰撞）而速度骤减。 电子的速度（动能）减小是连续的， 电子的速度（动能）减小是连续的，与之伴随的电磁辐射因 而是连续的。常称为轫致辐射。 而是连续的。常称为轫致辐射。 •轫致辐射的强度正比于靶核电荷平方。 轫致辐射的强度正比于靶核电荷平方。 通常用钨作靶（阳极）。 通常用钨作靶（阳极）。 •医学和工业上使用的X射线主要 医学和工业上使用的X 是连续谱部分。 是连续谱部分。 2.连续谱的短波限 2.连续谱的短波限 连续谱上存在一短波限（最短波长）。 连续谱上存在一短波限（最短波长）。 与加在射线管上的电压有关， 与加在射线管上的电压有关，而与靶 材无关。 材无关。
对Kα线系，拟合公式为： 线系，拟合公式为： 1 2 1 ν = R ( Z − b) 2 − 2 b ≈1 1 2 = (0.248 × 1016 ( Z − b) 2 Hz 1913年 玻尔理论发表。 1913年，玻尔理论发表。莫塞莱 线由电子从n=2 n=2能级向 假定 Kα 线由电子从n=2能级向 n=1能级跃迁所产生 能级跃迁所产生， n=1能级跃迁所产生，则谱线频 率由氢原子能级公式得： 率由氢原子能级公式得：
类似， 线系的产生：n=3壳层上的一个电子落入n=1壳 壳层上的一个电子落入n=1 类似， Kβ 线系的产生：n=3壳层上的一个电子落入n=1壳 层上的空位而产生。 层上的空位而产生。 线系的产生：n=4壳层上的一个电子落入n=1壳 壳层上的一个电子落入n=1 Kγ 线系的产生：n=4壳层上的一个电子落入n=1壳 层上的空位而产生。 层上的空位而产生。 X射线标识谱的线系公式，一般为： v = R ( Z − b ) 2 ( 射线标识谱的线系公式，一般为： ɶ 光谱项： 光谱项：
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 代表不同的晶面阵, 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。 面上原子的密度大小。
德拜-谢乐多晶 德拜-谢乐多晶粉末法照像 多晶粉末法照像
8.2 X射线的发射谱 射线的发射谱
单一元素制成的靶，受到能量足够高的电子轰击，所产生的 单一元素制成的靶，受到能量足够高的电子轰击， 射线发射谱图示： X射线发射谱图示： 两部分构成： 两部分构成： 连续谱：波长连续变化的 连续谱： 部分； 部分； 标识谱（特征谱）：叠加 ）：叠加 标识谱（特征谱）： 在连续谱上的线状谱。 在连续谱上的线状谱。
☆ X射线标识谱反映了原子内层结构的信息； 射线标识谱反映了原子内层结构的信息； 光学光谱则反映的是原子外层价电子的结构信息。 光学光谱则反映的是原子外层价电子的结构信息。 ☆ 产生KX射线的阈能大于KX射线本身的能量。 产生KX射线的阈能大于KX射线本身的能量。 射线的阈能大于KX射线本身的能量 ☆ 莫塞莱定律提供了从实验测定原子序数Z 的一种有效方 历史上正是他首次纠正了27Co 28Ni在周期表的次 27Co， 法。历史上正是他首次纠正了27Co，28Ni在周期表的次 序。
T (n) = R (Z − b)2 n2
1 1 − 2) 2 n1 n2
Z：原子序数。 原子序数。
b : 对K系， b
≈ 1 对L系， ≈ 7.4 b
4.标识谱的产生机制 4.标识谱的产生机制 当高速电子使重元素原子的内层电子电离，形成空位，在外 当高速电子使重元素原子的内层电子电离，形成空位， 壳层上的电子跃迁到这空位时，就形成了X射线的标识谱。 壳层上的电子跃迁到这空位时，就形成了X射线的标识谱。当 外层电子向K层空位跃迁就形成K线系。 外层电子向K层空位跃迁就形成K线系。
其实，在1895年以前，由阴极射线管产生的X射线在实验里已 其实， 1895年以前，由阴极射线管产生的X 年以前 经存在了30多年，在射线发现前，不断有人抱怨， 30多年 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。 1879年的克鲁克斯 年的克鲁克斯， 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，但他们都是“ 年的古德斯比德等人，但他们都是“当真理碰到鼻尖上还让其 溜走了”的人。 溜走了”的人。 伦琴的发现引起了极大的轰动， 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 射线研究热，1896年关于 射线的研究论文高达1000多篇. 年关于X 1000多篇 X射线研究热，1896年关于X射线的研究论文高达1000多篇.之 后十几年，主要工作有： 后十几年，主要工作有： 1906年 巴克拉通过偏振现象证实X射线是电磁波；1917年因 1906年，巴克拉通过偏振现象证实X射线是电磁波；1917年因 特征X射线获诺奖； 特征X射线获诺奖； 1912年 劳厄证实X射线干涉、衍射波动性，1914年诺贝尔奖； 1912年，劳厄证实X射线干涉、衍射波动性，1914年诺贝尔奖； 年诺贝尔奖 1912-1913年间，布喇格父子用晶体衍射测出X射线波长， 1912-1913年间，布喇格父子用晶体衍射测出X射线波长，1915 年间 年诺奖。 年诺奖。 1922-23年间，康普顿证实X射线的粒子性，1927年诺奖。 1922-23年间，康普顿证实X射线的粒子性，1927年诺奖。 年间 年诺奖 1979年 科马克、洪斯菲尔德因X 1979年，科马克、洪斯菲尔德因X射线层析图像技术获诺贝 尔生理医学奖。 尔生理医学奖。
λ<0.1nm：硬X射线，λ>0.1nm：软X射线。 <0.1nm： 射线， >0.1nm： 射线。
1.X射线是 1.X射线是 电磁波 横波） （横波）
2.X射线的 2.X射线的 衍射（ 衍射（波 长测量） 长测量）
波动性－ 射线在晶体的衍射 波动性－ X射线在晶体的衍射 利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长， 利用X射线在晶体的衍射可以测定它的波长， 晶体作为立体光栅，一束X射线射入晶体， 晶体作为立体光栅，一束X射线射入晶体，发生 衍射时，从任何一晶面上， 衍射时，从任何一晶面上，那些出射方向对平 面的倾角与入射线的倾角相等的X射线， 面的倾角与入射线的倾角相等的X射线，满足布 拉格公式 =2dsinθ n=1、 nλ=2dsinθ n=1、2、….. .. 出射线就会加强。 出射线就会加强。
第八章 X射线
X射线是德国物理学家伦琴发现的。1845年出生于德国的 射线是德国物理学家伦琴发现的。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 年在苏黎世大学获博士学位。 一个商人家庭，1869年在苏黎世大学获博士学位。1895年11 日傍晚，伦琴在研究阴极射线管中气体放电实验时， 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， 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， 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。 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， 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， 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 不被电磁场偏转。经过一个多月的研究， 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-- 射线。 --X 种射线的本质，因此赋予它一个神秘的名字--X射线。1895 12月28日 伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于X 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 射线的论文， 论新的射线》 并公布了他夫人的X 照片。1901年 他成为诺贝尔物理学奖第一人。 照片。1901年，他成为诺贝尔物理学奖第一人。