第六章射線詳解演示文稿

第六章射線詳解演示文稿目前一頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點優(yōu)選第六章射線目前二頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點目前三頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點倫琴夫人的手骨X光照片X射線的發(fā)現(xiàn)，開始了物理學的新時期，與放射性及電子的發(fā)現(xiàn)一起，揭開了近代物理的序幕。倫琴1900年獲諾貝爾物理學獎，成為第一個獲獎?wù)?。目前四頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點目前五頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點光學光譜：原子受激發(fā),價電子躍遷獲得的譜。(紅外線---可見光---紫外線:λ=10-3~10-9米）5.電磁波譜:原子光譜X射線光譜：原子內(nèi)殼層電子躍遷所獲得的譜（λ=10-9~10-11米）。目前六頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點電磁波譜目前七頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點陰極電子真空管X射線圖5.6X

射線管示意圖（一）X射線的產(chǎn)生最常用的方法是利用高能電子束轟擊金屬靶：X射線管目前八頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點（二）X射線的波動性和粒子性波動性－

X射線在晶體的衍射１.布喇格公式2.勞厄照片目前九頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點1912年，M.T.F.vonLaue與W.FriedrichX射線的波動性目前十頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點目前十一頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點每個亮點為勞厄斑點,對應于一組晶面.斑點的位置反映了對應晶面的方向.—由這樣一張照片就可以推斷晶體的結(jié)構(gòu)(連續(xù)譜的X射線)目前十二頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點3．晶體粉末法(單波長的射線)

每一同心園對應一組晶面,不同的園環(huán)代表不同的晶面陣,環(huán)的強弱反映了晶面上原子的密度大小目前十三頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點4．(1)X射線的衍射是研究晶體結(jié)構(gòu)有效方法-晶體衍射圖就可以確定晶體內(nèi)部的原子（或分子）間的距離和排列-1915年布拉格父子因此獲諾貝爾物理獎(2)X射線分析可用來研究高分子的結(jié)構(gòu)

(a)Eu(DBM)3Phen－PMMA的廣角X－射線衍射圖

(b)Eu(DBM)3Phen的X－射線衍射圖目前十四頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點粒子性-康普頓效應(1927諾貝爾獎)實驗結(jié)果--除原來譜線外,出現(xiàn)波長變長的另一條線.

波長改變的數(shù)值與散射角有關(guān),隨角度的增加而增強;且隨著散射角的增大,新譜線增強,原譜線減弱.目前十五頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點理論解釋X射線的光子同電子碰撞的結(jié)果康普頓散射公式--康普頓散射中射線波長的改變與原波長無關(guān),只與散射角有關(guān)。目前十六頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點內(nèi)層電子受原子核的束縛較為緊密，可以利用高能的電子束、質(zhì)子束、離子束和X射線來激發(fā)內(nèi)層電子，使之躍遷到外層未被占據(jù)的能態(tài)甚至電離，從而在內(nèi)殼層中留下“空位”。

較高殼層的電子再向這個“空位”躍遷，就可以產(chǎn)生X射線。E=1~100keV,λ=0.01~1.0nm.§6.2X射線的產(chǎn)生機制內(nèi)層電子的躍遷目前十七頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點一、X射線的產(chǎn)生機制X射線由高速電子打在物體上產(chǎn)生。目前十八頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點

X射線由兩部分構(gòu)成，一是波長連續(xù)變化的連續(xù)譜，它的最小波長只與外加電壓有關(guān)；另一部分是具有分立波長的線狀譜，波長取決于靶材料，稱為標識譜、特征譜。

連續(xù)譜，鎢靶，不同的電壓

標識譜：鎢靶和鉬靶，相同的電壓。目前十九頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點(一)、X射線連續(xù)譜波長連續(xù)變化的連續(xù)譜，它的最小波長只與外加電壓有關(guān)。軔致輻射：高速電子打到靶上，受靶原子的作用而突然減速，其一部分動能轉(zhuǎn)化為輻射能放出射線。最小波長只依賴于外加電壓V，V越大，越小，與靶材料無關(guān)。

目前二十頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點電子速度驟減離子X光子軔致輻射示意圖Ek=eV=hνmaxhc/λmin=eV,故當加速電壓V增高時λmin=λ0減小。軔致輻射（軔：1.剎車減速;2.阻礙車輪轉(zhuǎn)動的木頭）目前二十一頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點短波限λ0=λmin

當加速電壓V增高時短波限減小.λ0與陽極材料無關(guān),只與加速電壓U有關(guān)。標識譜連續(xù)譜連續(xù)譜目前二十二頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點(二)、X射線的標識譜1.產(chǎn)生條件:當電子的能量超過某一閾值(如加速電壓高于幾十千伏,使內(nèi)殼層電子電離)時,除有連續(xù)譜外,還在連續(xù)譜的背景上迭加一些線狀譜。參見圖中的虛線。

每種元素都有一特定波長的線狀光譜,這種特定的X射線譜成為該元素的標識。

目前二十三頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點砷As33硒Se34溴Br35銣Rb37鍶Sr38鈮Nb41銠Rh45圖8.8幾種元素的K線系譜，按原子序數(shù)的次序上下排列直進射線向右波長增加目前二十四頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點2.產(chǎn)生機制:

從陰極發(fā)出的高速電子打到陽極上，由于電子能量很高，它能深入到原子的內(nèi)層，將內(nèi)殼層某個電子擊出原子之外，使原子電離，并在內(nèi)殼層出現(xiàn)一個空穴。當鄰近內(nèi)殼層的電子躍遷到這個空穴時,就發(fā)射出波長很短的X射線，由于內(nèi)殼層能級分立，所以產(chǎn)生X射線的線狀譜。原子序數(shù)越大的元素,內(nèi)殼層能級間隔就越大，發(fā)出X射線光子的能量就越高，波長就越短。所以波長依Z變大而變短，不具有周期性。目前二十五頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點K線系：K：LK；K：MK；

K：NK；L線系：L：ML；L：NL；L：OL；

4.X射線有關(guān)的原子能級3.產(chǎn)生X射線標識譜的躍遷的選擇定則目前二十六頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點返回K

K

Kγ…K線系MM…

M線系X射線各線系的產(chǎn)生LL

…

L線系K1:LIII→K,K2:LII→K，

橫線表示具有“空位”的各電離能態(tài)Kβ:M→K

選擇定則：?L=±1,

?J=0,±1

LI:22S1/2(2s)M(n=3)L(n=2)K(n=1):12S1/2N(n=4)O(n=5)P(n=6)(1s)LII:22P1/2LIII:22P3/2(2p5)(2p5)K3:LI→K?目前二十七頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點莫塞萊定律莫塞萊研究了一系列元素的K線系,發(fā)現(xiàn)各元素的K線系的光譜項的平方根與原子序數(shù)Z成線性關(guān)系。Kβ線:

Kβ

=cR(Ｚ-σKβ)2(1/12-1/32)M→KK線:

Kα

=cR(Ｚ-1)2(1/12-1/22)L→KKγ線:

Kγ

=cR(Ｚ-σKγ)2(1/12-1/42)N→KσKα

≈1目前二十八頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點9080706050403020100

圖8．9X射線K線系的莫塞萊圖210102030405060708090Z目前二十九頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點目前三十頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點

L、M線系與K線系的莫塞萊圖比較322824201612840102030405060708090LMKZL線:

L/(Rc)=(Ｚ-7.4)2(1/22-1/32)Kβ線:

Kβ/(cR)=(Ｚ-1)2(1/12-1/32)目前三十一頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點Moseley定律的意義1913年Moseley測量了從鋁到金總共38種元素的標識譜，并繪制了Moseley圖Moseley首先發(fā)現(xiàn)了圖中各元素旁邊的整數(shù)就是原子序數(shù)Z,這是理解元素周期律的重要里程碑，也是X射線光譜學的開始。Moseley實驗第一次提供了精確測量Z的方法。不同元素的標識譜不僅不顯示周期性變化，而且與元素的化合狀態(tài)基本無關(guān)，證明了元素的周期律是外層電子組態(tài)周期性變化的反映，元素的化學性質(zhì)及化學組合僅與外層電子有關(guān)。目前三十二頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點目前三十三頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點5.俄歇（Auger）電子

1923，俄歇發(fā)現(xiàn)，K層中有一個空穴時，L殼層中的電子躍遷到K殼層，需要釋放能量。該能量可以以X射線的形式放出，也可以不釋放X射線，而將能量傳遞給另一層（如M殼層）中的電子，該層中的電子可以脫離原子——俄歇電子。俄歇電子的動能一般情況下，較輕的元素，發(fā)射俄歇電子的幾率較大；較重的元素，發(fā)射X射線的幾率較大。目前三十四頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點6.電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā)原子殼層中有空穴時，可以發(fā)生特征X射線，也可以發(fā)生俄歇電子。是否還有其他過程？1973年，森田正人（日本）提出新的能量轉(zhuǎn)移機制：電子填充空穴時，能量傳遞到原子核，使原子核躍遷到激發(fā)態(tài)。目前三十五頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點7.同步輻射近年來產(chǎn)生X射線的新手段。任何帶電粒子的加速運動都會產(chǎn)生電磁輻射。電動力學計算表明：帶電粒子在圓周運動中運動時產(chǎn)生的輻射遠強于直線運動產(chǎn)生的輻射。輻射功率：R：圓形軌道半徑；E、m：粒子的能量和質(zhì)量。電子在同步回旋加速器中作圓周運動中運動時產(chǎn)生的輻射統(tǒng)稱為同步輻射由上式可知，對于相同能量的電子和質(zhì)子，電子輻射的能量比質(zhì)子的大1013倍。目前三十六頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點1947年，在電子同步加速器上被觀察到――同步輻射；1963年，美國國家標準局首次使用同步輻射作為光源來研究氣體的吸收光譜，并取得重要的研究成果。同步輻射成為新光源。目前多采用電子儲存環(huán)作為同步輻射光源。能量范圍：1—8GeV.北京高能物理所：1.5—2.8GeV.中國科大同步輻射國家重點試驗室：800MeV上海同步輻射：3.5GeV目前三十七頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點同步輻射光源的特點：①光的強度大；②光譜頻率寬：0.01--103nm；③方向性好；④偏振性好；⑤時間結(jié)構(gòu)好：脈沖寬度很窄：10-10s.應用：精微機械制造；高精微、高集成度傳感器；醫(yī)學上的連接器；光刻技術(shù)等。目前三十八頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點§6.3

X射線的吸收X射線的吸收：X射線通過物質(zhì)時，與物質(zhì)發(fā)生相互作用，導致強度減弱.一、兩類相互作用準直的單能粒子束（或射線）通過平板介質(zhì)，透射束的性質(zhì)依賴于束的性質(zhì)和介質(zhì)的性質(zhì)，可以產(chǎn)生兩類極端情況。1、多次小相互作用粒子束通過物質(zhì)時，發(fā)生多次小相互作用，以小角度散射，產(chǎn)生能量損失和方向偏轉(zhuǎn)。最終的能量損失和方向偏轉(zhuǎn)為各次的統(tǒng)計疊加。結(jié)果：①穿過吸收體后，粒子的能量降低，不再是單能的，有一個能量的分布（彌撒）；②在方向上為非準直的，有一定的角度擴展。目前三十九頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點射程：粒子穿入吸收體的最大厚度。平均射程：穿過吸收體的粒子數(shù)為原來一半所相應的厚度。2、全或無相互作用即粒子完全被物質(zhì)吸收，或者完全不被物質(zhì)吸收――光電效應。結(jié)果：完全不被吸收的粒子出射后仍保持單能性和準直性。目前四十頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點設(shè)一束粒子強度為I，通過吸收體的dx厚度后，強度減少量為dI，則有Lambert—Beer定律μ為吸收系數(shù)。

：吸收長度x0：μx0=1,記μx為，ρ是吸收體的密度，xρ代表吸收體的厚度，μ/ρ稱之為質(zhì)量吸收系數(shù)。，目前四十一頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點二、光子與物質(zhì)相互作用類型：①光電效應――光子與束縛電子的相互作用；②康普頓散射――光子與自由電子的散射；③電子偶效應――光子能量大于電子靜止質(zhì)量的2倍（1.02MeV）,光子在原子核附近能轉(zhuǎn)化為一對正、負電子。對自由電子，無法產(chǎn)生光電效應；對自由光子，也不能產(chǎn)生電子偶效應。――違反能量、動量守恒定律目前四十二頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點三種效應地重要性與吸收體和光子的能量相關(guān)。當時，主要貢獻為光電效應和康普頓效應。光電效應、電子偶效應――全或無相互作用?？灯疹D效應：歸屬于第二類相互作用測量裝置的有效角度范圍一般很有限，不包括4π立體角。散射的效果等于在束流中移去了入射粒子。

光與物質(zhì)的相互作用基本屬于“全或無相互作用”，經(jīng)過吸收體后的強度目前四十三頁\總數(shù)四十九頁\編于十七點三、X射線的吸收X射線由低能光子組成（），其吸收規(guī)律為

對X射線，電子偶效應可以不必考慮，但在某些情況下須考慮相干散射（瑞利散射）幾種物質(zhì)（碳、鋁、鐵、鉛）的吸收系數(shù)及各分量隨X射線