X射线物理学基础PPT课件
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❖ X射线光谱学
通过研究X射线光谱，可研究物质的原子构造，如电子能级 分布等；通过研究物质发出的X射线的波长可确定物质的元 素成分，这方面应用的例子是X射线荧光光谱分析和电子探 针。
6
三、X射线的性质
1、本质：波长极短的电磁波（波长：0.01～10nm）
1912年劳厄指导的衍射实验证实
7
Hale Waihona Puke 2、分类：9➢ 描述波动性参量：频率ν、波长λ
描述粒子性参量：能量ε、动量Ρ
关系： h hc
p h
普朗克常数h=6.625×10-34J.s
当X射线与其它元素的原子或电子交换能量时只能 一份一份地以最小能量单位（hν）被原子或电子吸收。
10
四、X射线的产生
1、产生原理 高速运动的电子与物体碰撞时，发生
1kX=1.0020772±0.000053 Å（1973年值）
8
4、波粒二象性 X射线的客观属性
➢ 波动性
场合：X射线之间相互作用时
表现：以一定的频率和波长在空间传播（干涉、衍射 等）。反映物质运动的连续性。
➢ 粒子性 （突出）
场合：X射线与电子、原子间相互作用时
表现：它是由大量的不连续粒子流构成的，这些粒子 流称为光子。X射线以光子的形式辐射和吸收时具有质 量、能量和动量。在与物质相互作用时交换能量，如光 电效应等。反映物质运动的分立性。
4
二、X射线的应用
❖ 在X射线发现后几个月 医生就用它来为病人服务
❖ 右图是纪念伦琴发现 X射线100周年发行的 纪念封
5
X射线在工业和科学技术中的应用主要分三方面：
❖ X射线透射学
通过X射线的透射情况来研究人体或物体的内部情况，包括 医学上的诊断和X射线工业探伤。
❖ X射线衍射学
又称“X射线晶体学”，是目前应用最广的一个方面，根据 X射线照射晶体后所产生的衍射线方向和强度来确定晶体结 构，研究与结构和结构变化相关的各种问题。
力等大部分性质 ➢ 1901年伦琴获诺贝尔奖 ➢ 1912年，德国物理学家劳厄发现了X射线在晶体（硫酸
铜单晶）中的衍射现象，奠定了“X射线衍射学”基础 ➢ 1912年，英国物理学家Brag父子利用X射线衍射测定了
NaCl晶体的结构，开创了X射线晶体结构分析的历史
3
与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
1937 物理
戴维森Clinton Joseph Davisson 汤姆孙George Paget Thomson
1954 化学
鲍林Linus Carl Panling
1962 化学
肯德鲁John Charles Kendrew 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz
1962
生理医学
Francis Maurice
16
❖ 窗口：X射线从管内出射的地方， 常开设2或4个。
窗口材料要有足够强度并尽可能 少地吸收X射线，常用铍或硼酸 铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与 靶面常成6o的斜角。
朝阳极靶方向加速运动； ❖ 将阴、阳极封闭在＞10-3Pa的高真空中，保持两级
纯洁，促使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。
12
3、过程演示
冷却水 金 属 靶
铍窗口
X射线 电子
X射线
玻璃 钨灯丝
接变压器
金属聚灯罩
13
五、X射线管
封闭电子式X射线管实物图
14
结构示意图
15
电子式X射线管实质上是一个真空二极管（10-3～104Pa），其结构为：
布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 沙尔 C.G.Shull
内容 X射线的发现 晶体的X射线衍射 晶体结构的X射线分析 元素的特征X射线 X射线光谱学 电子衍射 化学键的本质 蛋白质的结构测定
脱氧核糖核酸DNA测定 青霉素、B12生物晶体测定 直接法解析结构 电子显微镜 扫描隧道显微镜
中子谱学 中子衍射
❖ 阴极：发射电子的灯丝，W丝 ❖ 阳极：又称靶，使电子突然减速和发射X射线。
常用靶材： Cu 、Fe、Co、Ni、 Cr 、Mo、Ag、W等 高速运动电子的动能仅1％左右转变成X射线，99％转变成 热能，为避免烧熔靶面，常通水冷却。 ❖ 聚焦罩：聚焦电子束，灯丝外设置，其电位较阴极低100～ 400V，用高熔点金属钼或钽制造。 ❖ 焦点：阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发 射出X射线。焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一。 焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点。 较小的焦点，可以提高分辩率。
年份 学科
得奖者
1901 物理
伦琴Wilhelm Conral Rontgen
1914 物理
劳埃Max von Laue
1915 物理
亨利.布拉格Henry Bragg 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg.
1917 物理
巴克拉Charles Glover Barkla
1924 物理
卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn
H.C.Crick、JAMES h.f.Wilkins
d.Watson、
1964 化学
Dorothy Crowfoot Hodgkin
1985 化学
霍普特曼Herbert Hauptman 卡尔Jerome Karle
鲁斯卡E.Ruska
1986 物理
宾尼希G.Binnig
罗雷尔H.Rohrer
1994 物理
第一章 X射线物理学基础
❖第一节 X射线简介 ❖第二节 X射线谱 ❖第三节 X射线与物质的相互作用
1
第一节 X射线简介
一、X射线发展史 二、X射线的应用 三、X射线的性质 四、X射线的产生 五、X射线管
2
一、X射线发展史
➢ 1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线 ➢ 1895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透
能量转换，电子的运动受阻失去动能，其 中一小部分（1％左右）能量转变为X射线， 而绝大部分（99％左右）能量转变成热能 使物体温度升高。
11
2、产生条件
❖ 产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子； ❖ 设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用以产生X射
线; ❖ 施加在阴极和阳极之间的高压，用以加速自由电子
➢ 硬X射线：波长短的X射线，如：X射线衍射分析常用波 长约0.05～0.25nm，金属材料透视检验的波 长更短，约0.005～0.1nm。
➢ 软X射线：波长长的X射线，如用于医学透射的X射线。 硬软程度表示穿透能力的强弱，波长越短，穿透力越强。
3、单位： Å、 nm 、 kX（晶体学单位） 1nm=10Å=10-9m
通过研究X射线光谱，可研究物质的原子构造，如电子能级 分布等；通过研究物质发出的X射线的波长可确定物质的元 素成分，这方面应用的例子是X射线荧光光谱分析和电子探 针。
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三、X射线的性质
1、本质：波长极短的电磁波（波长：0.01～10nm）
1912年劳厄指导的衍射实验证实
7
Hale Waihona Puke 2、分类：9➢ 描述波动性参量：频率ν、波长λ
描述粒子性参量：能量ε、动量Ρ
关系： h hc
p h
普朗克常数h=6.625×10-34J.s
当X射线与其它元素的原子或电子交换能量时只能 一份一份地以最小能量单位（hν）被原子或电子吸收。
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四、X射线的产生
1、产生原理 高速运动的电子与物体碰撞时，发生
1kX=1.0020772±0.000053 Å（1973年值）
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4、波粒二象性 X射线的客观属性
➢ 波动性
场合：X射线之间相互作用时
表现：以一定的频率和波长在空间传播（干涉、衍射 等）。反映物质运动的连续性。
➢ 粒子性 （突出）
场合：X射线与电子、原子间相互作用时
表现：它是由大量的不连续粒子流构成的，这些粒子 流称为光子。X射线以光子的形式辐射和吸收时具有质 量、能量和动量。在与物质相互作用时交换能量，如光 电效应等。反映物质运动的分立性。
4
二、X射线的应用
❖ 在X射线发现后几个月 医生就用它来为病人服务
❖ 右图是纪念伦琴发现 X射线100周年发行的 纪念封
5
X射线在工业和科学技术中的应用主要分三方面：
❖ X射线透射学
通过X射线的透射情况来研究人体或物体的内部情况，包括 医学上的诊断和X射线工业探伤。
❖ X射线衍射学
又称“X射线晶体学”，是目前应用最广的一个方面，根据 X射线照射晶体后所产生的衍射线方向和强度来确定晶体结 构，研究与结构和结构变化相关的各种问题。
力等大部分性质 ➢ 1901年伦琴获诺贝尔奖 ➢ 1912年，德国物理学家劳厄发现了X射线在晶体（硫酸
铜单晶）中的衍射现象，奠定了“X射线衍射学”基础 ➢ 1912年，英国物理学家Brag父子利用X射线衍射测定了
NaCl晶体的结构，开创了X射线晶体结构分析的历史
3
与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
1937 物理
戴维森Clinton Joseph Davisson 汤姆孙George Paget Thomson
1954 化学
鲍林Linus Carl Panling
1962 化学
肯德鲁John Charles Kendrew 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz
1962
生理医学
Francis Maurice
16
❖ 窗口：X射线从管内出射的地方， 常开设2或4个。
窗口材料要有足够强度并尽可能 少地吸收X射线，常用铍或硼酸 铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与 靶面常成6o的斜角。
朝阳极靶方向加速运动； ❖ 将阴、阳极封闭在＞10-3Pa的高真空中，保持两级
纯洁，促使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。
12
3、过程演示
冷却水 金 属 靶
铍窗口
X射线 电子
X射线
玻璃 钨灯丝
接变压器
金属聚灯罩
13
五、X射线管
封闭电子式X射线管实物图
14
结构示意图
15
电子式X射线管实质上是一个真空二极管（10-3～104Pa），其结构为：
布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 沙尔 C.G.Shull
内容 X射线的发现 晶体的X射线衍射 晶体结构的X射线分析 元素的特征X射线 X射线光谱学 电子衍射 化学键的本质 蛋白质的结构测定
脱氧核糖核酸DNA测定 青霉素、B12生物晶体测定 直接法解析结构 电子显微镜 扫描隧道显微镜
中子谱学 中子衍射
❖ 阴极：发射电子的灯丝，W丝 ❖ 阳极：又称靶，使电子突然减速和发射X射线。
常用靶材： Cu 、Fe、Co、Ni、 Cr 、Mo、Ag、W等 高速运动电子的动能仅1％左右转变成X射线，99％转变成 热能，为避免烧熔靶面，常通水冷却。 ❖ 聚焦罩：聚焦电子束，灯丝外设置，其电位较阴极低100～ 400V，用高熔点金属钼或钽制造。 ❖ 焦点：阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发 射出X射线。焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一。 焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点。 较小的焦点，可以提高分辩率。
年份 学科
得奖者
1901 物理
伦琴Wilhelm Conral Rontgen
1914 物理
劳埃Max von Laue
1915 物理
亨利.布拉格Henry Bragg 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg.
1917 物理
巴克拉Charles Glover Barkla
1924 物理
卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn
H.C.Crick、JAMES h.f.Wilkins
d.Watson、
1964 化学
Dorothy Crowfoot Hodgkin
1985 化学
霍普特曼Herbert Hauptman 卡尔Jerome Karle
鲁斯卡E.Ruska
1986 物理
宾尼希G.Binnig
罗雷尔H.Rohrer
1994 物理
第一章 X射线物理学基础
❖第一节 X射线简介 ❖第二节 X射线谱 ❖第三节 X射线与物质的相互作用
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第一节 X射线简介
一、X射线发展史 二、X射线的应用 三、X射线的性质 四、X射线的产生 五、X射线管
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一、X射线发展史
➢ 1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线 ➢ 1895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透
能量转换，电子的运动受阻失去动能，其 中一小部分（1％左右）能量转变为X射线， 而绝大部分（99％左右）能量转变成热能 使物体温度升高。
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2、产生条件
❖ 产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子； ❖ 设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用以产生X射
线; ❖ 施加在阴极和阳极之间的高压，用以加速自由电子
➢ 硬X射线：波长短的X射线，如：X射线衍射分析常用波 长约0.05～0.25nm，金属材料透视检验的波 长更短，约0.005～0.1nm。
➢ 软X射线：波长长的X射线，如用于医学透射的X射线。 硬软程度表示穿透能力的强弱，波长越短，穿透力越强。
3、单位： Å、 nm 、 kX（晶体学单位） 1nm=10Å=10-9m