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1、X射线波性的实验。,本章主要内容,在前面的学习中，我们发现原子的能级和光谱都由原子的外层电子决定的，那么内层的电子是否能发生跃迁而产生光谱呢？这正是下面我们要讨论的问题。1807年，英国物理学家道尔顿依据实验提出：“气体，液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成。”他还认为，“同种元素的原子，其大小、质量及各种性质都是相同的。”从而把哲学意义上的原子论推广到科学的原子论。那么,线度大约在 的原子是否真的不可再分割了？十九世纪末，连续三年的三大发现，首开了人们向微观世界进军的先河。它们是：（1）1895年德国的 Rontgen（伦琴）发现X射线；（2）1896年，法国的 Becguerel（贝
2、克勒尔）发现了放射性；（3）1897年，英国的 Thomson（汤姆逊）发现了电子。,8-1 X射线的发现及其波性在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X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
3、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。,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
4、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？,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
5、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。”,一、X射线的发现及特性,（一）X射线的发现,1895年11月8日，伦琴发现。,X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：软X射线。,如图，在真空管 两阴极和阳极之间加高压，阳极选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到X射线，其波长因高太的不同而异。当 称硬X射线；称软X射线。,X射线的性质：1）X射线能使照相底片感光；2）X射线有很大的贯穿本领；3）X射线能使某些物质的原子、分子电离；4）X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧
6、光；5）X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、偏振等性质。,（二）若X射线的波动性和粒子性,波动性 X射线在晶体的衍射,.布喇格公式,2.劳厄照片,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),3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,4(1)X射线的衍射是研究晶体结构有效方法-晶体衍射图就可以确定晶体内部的原子（或分子）间的距离和排列-1915年布拉格父子因此获诺贝尔物理奖,(2)X射线分析可用来研究高分子的结构,(a)Eu(
7、DBM)3PhenPMMA的广角X射线衍射图(b)Eu(DBM)3Phen的X射线衍射图,威廉亨利布拉格（Sir William Henry Bragg，18621942），英国物理学家，现代固体物理学的奠基人之一。他早年在剑桥三一学院学习数学，曾任澳大利亚阿德莱德大学及英国利兹大学、伦敦大学教授，1940年出任皇家学会会长。同时，他还作为一名杰出的社会活动家，在20世纪二三十年代是英国公共事务中的风云人物。,威廉亨利布拉格与其子威廉劳伦斯布拉格通过对X射线谱的研究，提出晶体衍射理论，建立了布拉格公式（布拉格定律），并改进了X射线分光计。1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利布拉格和他
8、的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯布拉格，以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。布拉格这个名字几乎是现代结晶学的同义词。,威廉布拉格1862年出生于英国威格顿。他先后在Market Harborough文法学校和马恩岛的威廉国王学院学习，完成大学之前的教育。1881年，他获得奖学金入读剑桥大学三一学院，在著名教师爱德华约翰劳思的指导下学习数学。1884年6月，他在优等生数学考试中名列第一部分第三，1885年初进入第二部分学习，同年有一段时间在卡文迪许实验室学习物理。,1885年，威廉布拉格被澳大利亚阿德莱德大学聘为数学物理教授，于1886年初正式上任。此前他的物理知识并不多，在阿
9、德莱德他才大量学习物理知识，但真正涉及到重要研究已经是40岁之后了。1904年，在但尼丁召开的一次澳大拉西亚科学促进会的会议上，他担任所在小组的主席，并发表了论文Some Recent Advances in the Theory of the Ionization of Gases（气体电离理论的新发展）。,后来他在这篇论文的基础上，继续开展研究，于1912年出版了他的第一本著作Studies in Radioactivity（放射能研究）。1904年那次会议后不久，他得到一些溴化镭，并进行相关研究，当年年底在Philosophical Magazine（哲学杂志）上发表了关于镭射线的研究论
10、文。1907年，他当选英国皇家学会会士。1908年底，他从阿德莱德大学辞职。他在这所大学的23年间，见证了其学生数的数倍增长，对其理学院的发展也尽到了最大的贡献。,1909年，威廉布拉格到利兹大学担任卡文迪许物理教授。他在这里继续X射线研究，并大获成功。他发明了X射线分光计，并与他的儿子威廉劳伦斯布拉格创立了用X射线分析晶体结构的新学术领域。这项技术的应用为稍后DNA双螺旋结构的发现奠定了基础。正是由于这项成就，1915年父子两人一同被授予诺贝尔物理学奖。,1915年，威廉布拉格被伦敦大学学院聘为奎恩物理教授，但受第一次世界大战的影响，他直到战争结束后才开始工作。战争期间，他主要为英国政府服务
11、，进行潜艇探测的研究。1918年，他回到伦敦，担任海军司令部的顾问。恢复在大学的工作后，他主要从事的研究仍然是晶体结构分析。1923年起，他成为皇家研究所的富勒里安化学教授和戴维法拉第研究实验室（Davy Faraday Research Laboratory）的主任。在他的领导下，实验室发表了大量有价值的论文。1935年，他当选为英国皇家学会的会长。,粒子性-康普顿效应(1927诺贝尔奖),实验结果-除原来谱线外,出现波长变长的另一条线.,波长改变的数值与散射角有关,随角度的增加而增强;且随着散射角的增大,新谱线增强,原谱线减弱.,1、康普顿效应,（1）康普顿散射当单色X射线被物质散射时，散
12、射线中除了有波长与入射线相同的成分外，还有波长较长的成分，这种波长变长的散射称为康普顿散射或康普顿效应。,（2）实验装置X光管发出一定波长的X射线，通过光阑后成为一束狭窄的X射线，投射到散射物质上，用摄谱仪可以测不同方向上散射光波长及相对强度。,康普顿效应,（3）实验现象,0,正常散射,波长变长的散射称为康普顿散射,对一定的散射角，既有与入射线相同的波长l，又有比入射光线更长的波长l，而且Dl=l-l 随角 的增加而增大，但与X射线的波长l 和散射物质无关。,4、经典物理学的困难：,经典电磁理论只能说明有正常散射存在，即散射光的频率与入射光频率相等；而无法解释Dl 的存在及其所存在的康普顿效应
13、的实验规律。,实验规律（吴有训）,（1）散射的X射线中，有波长不变的成分，还有波长变长的部分。（2）波长改变的数值与散射角有关，随散射角的增加而增加。（3）随散射角的增加，波长变长部分的谱线增强，原谱线减弱。（4）波长改变量的大小与散射物质无关。（5）当散射物质的原子序数增大时，原谱线强度增加，波长变长部分的谱线强度降低。,(1)定性解释,2、康普顿效应的解释,康普顿效应是X射线单光子与物质中受原子核束缚较弱的电子相互作用的结果。假设在碰撞过程中，动量与能量都是守恒的，电子带走一部分能量与动量，因而散射出去的光量子的能量与动量都相应地减小，即X射线的波长变长。,(2)定量计算,光子：,电子：,
14、碰撞后,系统能量守恒：,系统动量守恒,（1)2(2)c2 得出,将（4）带入（3）式：,（5）,称为康普顿波长,康普顿散射进一步证实了光子论证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒两象性证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。,波长的改变与散射物质无关，仅取决于散射角，而且关系式中包含了普朗克常量，因此它是经典物理学无法解释的。,对于可见光，微波等，散射现象不明显X光 散射现象明显,=0时，波长不变；增加时，波长变长；=p时，Dl 最大。,3、康普顿效应的物理意义,（1）电子的Compton波长,入射光子的能量与电子的静止能量相等时所相应的光子的波长。,折合电子Comp
15、ton波长：,为什么只在X光的散射实验中，我们才观察到了compton effect，而在可见光的散射中（如光电效应）没有观察到Compton效应。,虽然以波长的compton位移与入射光的波长（或能量）无关，但以能量表示的Compton位移E却与入射光的波长（或能量）紧密相关。,实验中，在测量条件相同时,散射光子的能量,随入射光子的能量增大而增大。,二、X射线的产生机制,(一)X射线的产生,X射线由高速电子打在物体上产生。,实验表明，X射线由两部分构成，一部分波长连续变化，称为连续谱；另一部分波长是分立的，与靶材料有关，成为某种材料的标识，所以称为标识谱，又叫特征谱-它迭加在连续谱上。下面对
16、这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。,（二）连续谱轫致辐射1、连续谱的特征在上述产生X射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波长连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。(1)连续谱与管压的关系（靶不变）前图表示以钨作阳极材料加不同电压时，以为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长强度分布曲线。由图可见，当阳极材料不变时，和 随管压V的升高都向短波方向移动。(2)连续谱与阳极材料的关系（电压不变）前图表示管压为35KV时，用钼和钨作靶材料时的I曲线。由图可见 与靶无关。是由管压V决定的。,连续谱产生的微观机制通过上面对连续谱特征的分析，我们很容易想到，连续谱不应该是原子光谱，而
17、应该是电子在靶上减速而产生的。可以想象到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的深度，其速率从 骤减为0，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加速运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生X射线连续谱的原因，用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。设电子入射速度，在靶上减速而损失的能量为；减速过程中的能量差为，则根据上面的分析，将以光子的形式向外辐射；由于 是连续变化的，而 是一定的，所以 连续变化.,轫致辐射的强度反比于入射带电粒子的质量平方，因此，质子等重带电粒子轫致辐射比起电子产生的几乎可以忽略不计。轫致辐射的强度正比于靶核电荷的平方（Z2)。由于医学、工业上使用的X射线往往主要依靠连
18、续谱的那一部分，因此，在X射线管内用得最多的阳极靶是钨靶。因为它的原子序数大，能输出高强度的X射线，而且钨的熔点高，导热性好，并易于加工。,原子序数 Z无关。,理论解释,从阴极逸出的电子被电场加速，加速后的动能为,当它到达阳极靶上时，它的全部能量就转成辐射能，由此发出的光子可能有的最大能量为,可作为精确测量普朗克常数的一个方法。,上式与光电效应中的公式是一样的（金属的脱出功很小，仅为电子伏特级，在此可忽略），故X射线的产生可视为光电效应之逆。,（三）特征辐射（标识辐射）电子内壳层的跃迁,标识辐射-线状谱，是迭加在连续谱上的分立谱线。,1、线状谱的特征,（1）不同元素线状谱的波长是不同的，从而成
19、为我们识别某种元素的标准，故得名为标识谱，但是他们的线系结构是相似的，都分为K,L,M等线系；且谱线具有精细结构，K系分为,;L系分为,(2)改变靶物质时，随Z的增大，同一线系的线状谱波长向短波方向移动，但没有周期性变化；,(3)某元素的标识谱与它的化合状态无关；,（4）对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外界电压有一个临界值。,2、线状谱产生的机制,通过对上述特点的分析、归纳、总结、我们可得到如下几点结论：,（1）线状谱产生于原子内层电子的跃迁。,从它不显示周期性变化，同化学成分无关和光子能量很大来看，可以知道这是原子内层电子跃迁所发的。各元素原子的内层电子填满后，壳层的结构是相同的，所不同的只
20、是对应于各层的能量数值。周期性的变化和化学性质是外层电子的问题。X射线标识谱既然不显示这些情况，足见是内层电子所发。,(2）产生线状谱的条件是：,a.在原子的内层能级上有电子空位；,b.其他壳层上电子向空位跃迁。,事实上，当外界提供足够大的能量时，使原子内层电子电离，从而使原子内层出现空位，外层电子向内层补充，放出的能量便形成了X射线的标识谱。,(3)定律-线状谱的定量计算,1913年，英国物理学家Moseley通过对不同元素（不同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：,对同一线系的某条谱线来说，不同元素的X射线频率的平方根与原子序数Z成线性关系，即,比喻对K
21、线，Moseley得到一个经验公式,事实上，这个公式可以从玻尔理论得到，根据玻尔理论，内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中n能级的状态相似，所以n能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：,式中反映了跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁电子感受到的有效电荷是(Z-),这样当n=2上的电子向n=1跃迁产生K线时，我们有,实验表明1，将其余常数代入得，,（4）线状谱的标记方法,前面提到，X射线标识谱分为K,L,M 等线系，每一系的谱线也分为,等。但是，能级并不只与主量子数n有关，还与l,j有关，所以谱线被标记为,产生X射线标识谱的跃迁的选择定则,（5）标识谱产生的其他效应,1)俄歇(Aug
22、er)电子,当内壳层有空穴时，外层电子向内层跃迁发出的能量不产生X射线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称俄歇(Auger)电子,2）核激发效应：内层电子间的跃迁，将能量传给原子核，使原子核跃迁到激发态。以上两个效应，分别是法国物理学家Auger和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。同步辐射：电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产生的辐射。称同步辐射，这实质上是带电粒子加速运动时辐射电磁波的一种表现。,X射线的吸收,1.吸收限 在E图中，在某一个能量E处，发生突变，称之为吸收限。产生吸 收限的原因是：当X射线的能量恰能将吸收体某一内层电子电离，从而引起原子的共振吸收。2.吸收限
23、的应用应用1：运用“通带”过滤片，选通某些光强的X射线.原理：我们知道，产生KX射线的阈能总要大于该元素本身KX射线的能量。而某物质的KX线的阈能正是该物质E图上K吸收限的能量。因此，该物质的KX射线的能量位置，必定在K吸收限的左边，并且靠近吸收限的附近。,根据这个原理，我们用该元素制成一个薄片，放在X射线的光路上，就可使KX线顺利通过，而其它频率成份被大量吸收，从而起到选通某些频率X射线的作用。比如黄铜是铜和锌的混合物，当射线打到黄铜上时，会同时出现Cu和Zn的特征X射线，两者相差不大，我们可以用镍做成过滤片，由于(Cu)的能量比镍的吸收限低，所以可以顺利通过，而(Zn)的能量比它高，将会被
24、吸收。,应用2.在心血管造影术上的应用心血管阻塞是严重的心血管病变，治疗的第一步是查出阻塞的地点。常用的方法是心血管造影。它的原理是，在血管中注入造影剂碘（）；I对X射线吸收要比肌肉、骨骼对X射线吸收强得多。因此，在X光照射下，哪里血管有阻塞，I无法达到，哪里就能被显示出来。但这种方法要求有较大浓度才能造影，所以早期是将很细的导管插入人体股动脉，在导管中注入碘再造影。病人痛苦而且有一定危险，新的造影术利用碘的K吸收限，在碘的浓度不是很大时，用两种能量 的X射线分别造影；分别在K吸收限的上下端，相差很小，则 吸收系数很小，吸收系数很大，对两次造影的进行数值处理并相减，以消除肌肉和骨骼的影响。,两次造影时，肌肉、骨骼对的贡献是几乎相同的。剩下的仅是碘对射线吸收的贡献。如果某一个部位两次造影值相减后几乎为零，说明没有碘的贡献，这就很容易查出血管阻塞处。采用这种方法，碘通过静脉注入血管，在全身扩散后，尽管浓度不大，也能达到很好的造影效果。,三、X射线的吸收,小,则吸收小,贯穿能力强;Z大则吸收强,
