原子物理学 X射线 (6.1.1)--X射线的发现及其波动性

布拉格公式→ X X 射线片黑度→
射X 射线线波强长度X谱射线
发射
测量装 置
射线发生器（ X 射线管）
分光计（晶体，相当于光 记栅录）仪 （ 与 光 谱 仪 相 当 ）
X 射线谱由两部分组成：波长连续变化 的连续谱和由分立谱组成的特征谱或 称标识谱。
X 射线 谱
连续谱（最小波长只与外加电压有
关）
轫致辐射的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。
电子
离 子
光子
图 轫致辐射
连续谱的面积随靶核的原子序数增 大而增大，但连续谱的形状与靶子材料 无关。
最小波长 λ( 或最高频率 ν ），其数
值只依赖于外加电压 V, 而与原子序数 Z
无关 。min

hc eV

1.24 V (kV)
nm
物理含义：如果一个电子在电场中得
到的动能 Ek=e*V, 当它到达靶子时，
它全部能量转化成辐射能
则由此发射的光子可能有的最大能量
为：
Ek
1e �V

hvmax

hc
min
代入数值便得到 min

hc eV

1.24 V (kV)
nm
该 公 式 可 用 来 精 确 测 定 普 朗 克 常 数h
h 6.561034 J S

h
原理：
利 的
用 波
长X射，Ph线晶 在体mh晶作体为的立衍体射光可栅以，测一定束它X
射线射入晶体发生衍射时，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，满足
布拉格公式
n=2dsin ，…

n=11 ，v22/ c2
实际上，该试验是将“自然” X 光通过一个用作起偏器的散射体成线偏 振的 X 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 光再经第二个散射体后，则只有
y 方向的振动。因此在 xz 平面可观察 到 y 方向的线偏振光。在 y 方向观察不
1912 年德国物理学家冯 - 劳厄提出： X 射线是波长很短的电磁波，晶体中各原 子的规则排列可使 X 射线发生衍射。之后 又用实验证明了其波动性并首次测量了 X 射线19的14波年长冯。- 劳厄获诺贝尔物理奖
。
四、 X 射线的偏振
X 射线是电磁波，故它一定是横波。巴克拉用 如图所示的双散射实验证明了 X 射线的横波性 。
出射线就会加强。
晶体可形成许多不同取向的晶面。
X 射线经晶面距为 d 的晶面反
射时，凡光程满足 n=2dsin n=1 ， 2 ，…
在 θ 方向衍射的 X 光将得到加强，
出
现
了 m劳hv 厄
光h 斑
2em
。1
U

12.3 U
A
用布拉格公式可以计2 算 0晶.12面3A 距 。
反之，若已知 d ，还可以确定
标识谱是原子中内层电子的跃 迁产生的。
第六章
X 射线
§28 X 射线的发现及其波 动性
一、 X 射线的发现 二、 X 射线管 三、 X 射线的波动性 四、 X 射线的偏振 五、 X 射线的衍射
一、 X 射线的发现
克鲁克斯设计了高真空的阴极射线管，后人 称克鲁克斯管。 1879 年他证明了阴极射线是带 电的粒子流 ( 后汤姆孙进一步确认为是电子 ) 。 他还同时抱怨阴极射线管附近使照片发生莫名其 妙的感光一事。
§29 X 射线产生的机制
一、 X 射线的发射谱
二、连续谱—轫致辐射
三 壳
、层的特跃征Ph 迁辐mh射
（ 6标.06.30识11辐03003射4
）—电子内
m 2.211034
四、特征辐射的标记方法
五、俄歇电子
六、电子跃迁诱发原子核激发
七、同步辐射
一、 X 射线的发射谱
min 称为量子极限
三、特征辐射（标识辐 射） --- 电子內壳层的跃迁
特征 X 射线谱是巴克拉于 1906 年发 现的。他观察到连续谱上出现一系列分立 谱线，并用 K 、 L 、 M… 字母标识，因特 征谱的发现使他获 1917 年的诺贝尔物理 奖。
1913 年莫塞莱测量了从 Al 到 Au 共 38 种元素的 X 射线，发现各元素发射 X 射 线频率的平方根与原子序wenku.baidu.com Z 成线性关系 。
到 X 射线。
五、 X 射线的衍射
光波通过狭缝产生衍射，因此狭缝 的大小必须与光波的波长同数量级 或更小。而对于 X 射线，由于它的 波长在 0.1nm 量级，要观察其衍射 相当困难。
晶格的间距正好与 x 射线的波长同 数量级，冯 - 劳厄提出用晶体这个 天然光栅来研究 X 射线的衍射。
E h p
电 磁 波 谱
二、 X 射线管
电极 K 是阴极， A 是阳极（靶子）。由旁 热式加热的阴极发射的电子在电场作用下 飞向阳极，形成 X 射线。
三、 X 射线的波动性
加速（或减速）的带电粒子能辐射出 电磁波，因此人们猜想 X 射线是电磁波的 一种。
1906 年，英国物理学家巴克拉首次用 实验证实了 X 射线的波动性。
1895 年，伦琴用黑纸把阴极射线管包起来 ，发现 1m 远处的荧光屏上发出微弱的荧光，甚 至将屏移出 2m 之外还有荧光出现。
这种射线走直线，不反射、不折射，也不受 磁场偏折。所以他称未知的射线为 X 射线。但它 的穿透性很强，可穿透他夫人的手显示出手骨骼 图象。
该照片在医学上具有划时代意 义。 1895 年 12 月 28 日，伦琴宣读了 “论新的射线”； 1901 年获第一个诺贝
特征谱（标识谱 )( 重叠在连续谱
上）
二、连续谱 --- 轫致辐 概 念射： 当 带 电 粒 子 与 原 子 （ 原 子 核 ） 相 碰 撞
，发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射称 为轫致辐射，又称刹车辐射。
性质： 在核靶的库仑场作用下，带电粒子到达靶 子时的速度是连续的，这决定了辐射的 X 射 线具有 连续谱的性质。
例如 1(g)NaCl(A=58.5) ，其密度
ρ=2.163(g/cm3) ，
所以分子数密度为n
N A
A
原子间距由 1
d3

2n

2 6.02 1023 2.163 58.5
给出， d=0.282nm 。从而在给定
θ 下可确定 X 射线的波长 λ
测定强度：由谱线的深浅程度可以 测出相对强度。