介绍X射线在物质中的吸收课件.ppt

1、（1 1）介绍）介绍X射线的发现，以及用衍射、偏振显示射线的发现，以及用衍射、偏振显示X X射线波性的实验。射线波性的实验。（4 4）介绍）介绍 X射线在物质中的吸收。射线在物质中的吸收。本章主要内容 X射线的两种主要机制。射线的两种主要机制。X射线的发射谱，阐明射线的发射谱，阐明（3 3）介绍）介绍X（2 2）介绍）介绍ComptonCompton散射，依此显示散射，依此显示射线的粒子性。射线的粒子性。X射线射线Chapter 8 Chapter 8 在前面的学习中，我们发现原子的能级和光谱都由原子的在前面的学习中，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

2、迁而产生光谱外层电子决定的，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。呢？这正是下面我们要讨论的问题。18071807年，英国物理学家道年，英国物理学家道尔顿依据实验提出：尔顿依据实验提出：“气体，液体和固体都是由该物质的不可气体，液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成。分割的原子组成。”他还认为，他还认为，“同种元素的原子，其大小、同种元素的原子，其大小、质量及各种性质都是相同的。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从而把哲学意义上的原子论推广到科学的原子论。那么广到科学的原子论。那么, ,线度大约在线度大约在 的原子是否真的不的原子是否真的

3、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：向微观世界进军的先河。它们是：（1 1）18951895年德国的年德国的 RontgenRontgen（伦琴）发现（伦琴）发现X X射线；射线；（2 2）18961896年，法国的年，法国的 BecguerelBecguerel（贝克勒尔）发现了放射性；（贝克勒尔）发现了放射性；（3 3）18971897年，英国的年，英国的 ThomsonThomson（汤姆逊）发现了电子。（汤姆逊）发现了电子。m10108-1 X8-1 X射线的发现及其波性射线的发现及

4、其波性在在18951895年以前，由阴极射线管产生的年以前，由阴极射线管产生的X X射线在实验里已经存射线在实验里已经存在了在了3030多年，在多年，在X X射线发现前，不断有人抱怨，放在阴极射线射线发现前，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。如管附近的照相底片模糊或感光。如18791879年的克鲁克斯，年的克鲁克斯，18901890年年的古德斯比德等人，但发现的古德斯比德等人，但发现 X X 射线的却是伦琴。射线的却是伦琴。伦琴，伦琴，18451845年出生于德国的一个商人家庭，年出生于德国的一个商人家庭，18691869年在苏黎世年在苏黎世大学获博士学位。大学获博士学位。

5、18951895年年1111月月8 8日傍晚，伦琴在研究阴极射线日傍晚，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酸钡 结晶物质的屏幕发出了荧光，伦琴马上意识到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，经检查发现这可能是一种前所未有的新射线，经检查发现, ,射线来自阴极射线来自阴极射线管管壁。射线管管壁。)(6CNBaPt令人惊奇的是，当用木头等不透明物质挡住这种射线

6、时，荧令人惊奇的是，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，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的本质，因此赋予它一个神秘的名字-X-X射线。射线。18951895年年1212月月2828日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于日，伦琴向德国物理学医学会递交了第一篇关于X X射线的论文，射线的论文，论新的射线论新的射线，并公布了他夫人的，并公布了他夫人的X X射线手骨照片。射线手骨照片

7、。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了X X射线研究热，射线研究热，18961896年关于年关于X X射线的研究论文高达射线的研究论文高达10001000多篇多篇. .对对X 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，为了弄清究领域之中，为了弄清X X射线产生的机制。他想，如果把荧光射线产生的机制。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，也能放出物质放在强光下照时，是否在发荧光的同时，也能放出X X射线射线呢？呢？于是他把一块荧光物质（

8、铀的化合物于是他把一块荧光物质（铀的化合物-钾铀酰硫酸盐晶体）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片上果然发现了与荧光物质形状相同的“像像”。一次偶然的机。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，同使是否有关呢？他进一步用不发荧光的铀化合

9、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。光无关。18961896年年3 3月月2 2日，他向法国科学院报告了这一惊人的发日，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。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故放射线的发现看似偶然，但正如杨振宁先生在评价这一故事时所说的那样，事时所说的那样，“科学家的科学家的灵感灵感对科学家的发现对科学家的发现非常非常重要重要；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。；这种灵感必源于他的丰富的实践和经验。” 一、

10、一、X射线的发现及特性射线的发现及特性（一）（一） X射线的发现射线的发现1895年年11月月8日，伦琴发现。日，伦琴发现。 X射线是波长极短的电磁波，射线是波长极短的电磁波，它不会被磁场偏转，具有很强它不会被磁场偏转，具有很强的穿透力，而且波长越短，穿的穿透力，而且波长越短，穿透力越强。透力越强。 0.1nm：软：软X射线。射线。如图，在真空管如图，在真空管 两阴极和阳极之间加高压，阳极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，电选用不同的重金属材料制成，电子打在阳极上便可得到子打在阳极上便可得到X X射线，射线，其波长因高太的不同而异。当其波长因高太的不同而异。当 称硬称硬X

11、X射线；射线； 称软称软X X射线。射线。X X射线的性质：射线的性质： 1 1）X X射线能使照相底片感光；射线能使照相底片感光； 2 2）X X射线有很大的贯穿本领；射线有很大的贯穿本领； 3 3）X X射线能使某些物质的原子、分子电离；射线能使某些物质的原子、分子电离； 4 4）X X射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；射线是不可见光，它能使某些物质发出可见光的荧光；5 5）X X射线本质上是一种电磁波，同此它具有反射、折射、衍射、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。偏振等性质。)1010(86mmHgAnm11 . 0Anm11 . 0（二）若（

12、二）若X射线的波动性和粒子性射线的波动性和粒子性波动性波动性 X射线在晶体的衍射射线在晶体的衍射.布喇格公式布喇格公式2 sin ,12ndn， ， ， 2.劳厄照片劳厄照片 每个亮点为劳厄斑点每个亮点为劳厄斑点,对应于一组晶面对应于一组晶面. 斑点的位斑点的位置反映了对应晶面的方置反映了对应晶面的方向向.由这样一张照片就可由这样一张照片就可以推断晶体的结构以推断晶体的结构(连续谱连续谱的的X射线射线)3 3晶体粉末法晶体粉末法(单波长的射线单波长的射线) 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园环代表不同的晶面阵不同的晶面阵,环的强弱反映了晶面上原子的环的强弱反映

13、了晶面上原子的密度大小密度大小2 sin ,12ndn， ， ， 4(1) (1) X射线的衍射是研究晶体结构有效方法射线的衍射是研究晶体结构有效方法-晶体晶体衍射图就可以确定晶体内部的原子（或分子）间的距衍射图就可以确定晶体内部的原子（或分子）间的距离和排列离和排列-1915-1915年布拉格父子因此获诺贝尔物理奖年布拉格父子因此获诺贝尔物理奖 (2)X(2)X射线分析可用来研究高分子的结构射线分析可用来研究高分子的结构 2040200400600800100012001400(b)(a) (a) Eu(DBM)3PhenPMMA的广角的广角X射线衍射图射线衍射图 (b) Eu(DBM)3P

14、hen的的X射线衍射图射线衍射图威廉威廉亨利亨利布拉格布拉格（Sir William Sir William Henry Bragg Henry Bragg ，1862186219421942），英国），英国物物理学家理学家，现代固体物理学的奠基人之一，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。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任澳大利亚阿德莱德大学及英国利兹大学、学、伦敦大学伦敦大学教授，教授，19401940年出任皇家学年出任皇家学会会长。同时，他还作为一名杰出的社会会长。同时，他还作为一名杰出的社会活动家，在会活动家，在2020世纪二三

15、十年代是英国世纪二三十年代是英国公共事务中的风云人物。公共事务中的风云人物。 威廉威廉亨利亨利布拉格与其子布拉格与其子威廉威廉劳伦斯劳伦斯布拉格布拉格通过对通过对X X射线谱的研射线谱的研究，提出晶体衍射理论，建立了布拉格公式（布拉格定律），究，提出晶体衍射理论，建立了布拉格公式（布拉格定律），并改进了并改进了X X射线分光计。射线分光计。19151915年年诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大授予英国伦敦大学的亨利学的亨利布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯伦斯布拉格，以表彰他们用布拉格，以表彰他们用X X射线射线对晶体结构的

16、分析所作的贡献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。布拉格这个名字几乎是现代结晶学的同义词。 威廉威廉布拉格布拉格18621862年出生于英国威格顿。他先后在年出生于英国威格顿。他先后在Market Market HarboroughHarborough文法学校和马恩岛的威廉国王学院学习，完成大学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。之前的教育。18811881年，他获得奖学金入读剑桥大学三一学院，年，他获得奖学金入读剑桥大学三一学院，在著名教师爱德华在著名教师爱德华约翰约翰劳思的指导下学习数学。劳思的指导下学习数学。18841884年年6 6月

17、月，他在优等生数学考试中名列第一部分第三，他在优等生数学考试中名列第一部分第三，18851885年初进入第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。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 1885年，威廉年，威廉布拉格被澳大利亚阿德莱德大学聘为数学物布拉格被澳大利亚阿德莱德大学聘为数学物理教授，于理教授，于18861886年初正式上任。此前他的物理知识并不多，年初正式上任。此前他的物理知识并不多，在阿德莱德他才大量学习物理知识，但真正涉及到重要研究在阿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已经是4040岁之后了。岁之后了。190419

18、04年，在但尼丁召开的一次澳大拉西年，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，并发表了论文论文Some Recent Advances in the Theory of the Some Recent Advances in the Theory of the Ionization of GasesIonization of Gases（气体电离理论的新发展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，于后来他在这篇论文的基础上，继续开展研究，于19121912年出年出版了他的第一本著作版

19、了他的第一本著作Studies in RadioactivityStudies in Radioactivity（放射能放射能研究研究）。）。19041904年那次会议后不久，他得到一些溴化镭，并年那次会议后不久，他得到一些溴化镭，并进行相关研究，当年年底在进行相关研究，当年年底在Philosophical MagazinePhilosophical Magazine（哲哲学杂志学杂志）上发表了关于镭射线的研究论文。）上发表了关于镭射线的研究论文。19071907年，他当年，他当选英国皇家学会会士。选英国皇家学会会士。19081908年底，他从阿德莱德大学辞职。年底，他从阿德莱德大学辞职。他在

20、这所大学的他在这所大学的2323年间，见证了其学生数的数倍增长，对其年间，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。理学院的发展也尽到了最大的贡献。 1909 1909年，威廉年，威廉布拉格到利兹大学担任卡文迪许物理布拉格到利兹大学担任卡文迪许物理教授教授。他在这里继续。他在这里继续X X射线研究，并大获成功。他发明了射线研究，并大获成功。他发明了X X射线分射线分光计，并与他的儿子光计，并与他的儿子威廉威廉劳伦斯劳伦斯布拉格布拉格创立了用创立了用X X射线分析射线分析晶体结构的新学术领域。这项技术的应用为稍后晶体结构的新学术领域。这项技术的应用为稍后DNADNA双螺旋双螺

21、旋结构结构的发现奠定了基础。正是由于这项成就，的发现奠定了基础。正是由于这项成就，19151915年父子两年父子两人一同被授予诺贝尔物理学奖。人一同被授予诺贝尔物理学奖。 1915 1915年，威廉年，威廉布拉格被伦敦大学学院聘为奎恩物理教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，他主要为工作。战争期间，他主要为英国英国政府服务，进行潜艇探测的政府服务，进行潜艇探测的研究。研究。19181918年，他回到伦敦，担任海军司令部的顾问。恢复年，他回到伦敦，担任海军司令部的顾问。恢复在大学

22、的工作后，他主要从事的研究仍然是晶体结构分析。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 1923年起，他成为皇家研究所的富勒里安化学教授和年起，他成为皇家研究所的富勒里安化学教授和戴维戴维法拉第研究实验室（法拉第研究实验室（Davy Faraday Research Davy Faraday Research LaboratoryLaboratory）的主任。在他的领导下，实验室发表了大量有）的主任。在他的领导下，实验室发表了大量有价值的论文。价值的论文。19351935年，他当选为年，他当选为英国皇家学会英国皇家学会的会长。的会长。粒子性粒子性- 康普顿效应康普顿效应(

23、1927诺贝尔奖诺贝尔奖)实验结果实验结果-除原来谱线外除原来谱线外, 出现波长变长的另出现波长变长的另一条线一条线. 波长改变的数值与散射角有关波长改变的数值与散射角有关, 随角度的增加随角度的增加而增强而增强; 且随着散射角的增大且随着散射角的增大, 新谱线增强新谱线增强,原谱原谱线减弱线减弱.1、康普顿效应、康普顿效应（1）康普顿散射康普顿散射当单色当单色X射线被物质散射时，散射线中除了有波长与入射射线被物质散射时，散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散射称为康普顿散射康普顿散射或或康普顿效应

24、康普顿效应。（2）实验装置实验装置X光管发出一定波长的光管发出一定波长的X射射线，通过光阑后成为一束线，通过光阑后成为一束狭窄的狭窄的X射线，投射到散射线，投射到散射物质上，用摄谱仪可以射物质上，用摄谱仪可以测不同方向上散射光波长测不同方向上散射光波长及相对强度。及相对强度。AB1B2CDGR康普顿效应康普顿效应（3）实验现象）实验现象I =0o I =45oI =90oI =135o 0正常散射正常散射波长变长的散射波长变长的散射称为康普顿散射称为康普顿散射对一定的散射角对一定的散射角 ，既有与入射线相，既有与入射线相同的波长同的波长 ，又有比入射光线更长的，又有比入射光线更长的波长波长 ，

25、而且，而且DD= - 随角随角 的增加而的增加而增大，但与增大，但与X射线的波长射线的波长 和散射物质和散射物质无关。无关。4、经典物理学的困难：、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，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；而即散射光的频率与入射光频率相等；而无法解释无法解释D D 的存在及其所存在的康普顿的存在及其所存在的康普顿效应的实验规律。效应的实验规律。实验规律（吴有训）（1 1）散射的）散射的X X射线中，有波长不变的成分，还有波长变长射线中，有波长不变的成分，还有波长变长的部分。的部分。（2 2）波长改变的数值与散射角有关，随散射角的增

26、加而增）波长改变的数值与散射角有关，随散射角的增加而增加。加。（3 3）随散射角的增加，波长变长部分的谱线增强，原谱线）随散射角的增加，波长变长部分的谱线增强，原谱线减弱。减弱。（4 4）波长改变量的大小与散射物质无关。）波长改变量的大小与散射物质无关。（5 5）当散射物质的原子序数增大时，原谱线强度增加，波）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。长变长部分的谱线强度降低。(1)定性解释定性解释2、康普顿效应的解释、康普顿效应的解释 康普顿康普顿效应是效应是X射线单光子与物质中受原子核束缚较弱的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。电子相互作

27、用的结果。假设在碰撞过程中，动量与能量都是守假设在碰撞过程中，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，即能量与动量都相应地减小，即X射线的波长变长。射线的波长变长。(2)定量计算定量计算入射光子入射光子散射的光子散射的光子外层电子外层电子光子0电子碰撞前光子）电子碰撞后光子：光子：0hvchvhP0电子：电子：20cme碰 撞 前碰 撞 前hv光子：光子：hPc电子：电子：2mceePmv碰 撞 后碰 撞 后2200mchcmh 00 hheemvcc系统能量守恒：系统能量守恒：系统动量

28、守恒系统动量守恒ech 00ech vm(1) )(2002cmhmc 22200()()()2cos (2)hhhhmvcccc（1) 2 (2) c2 得出得出22 42 4220002(1)2(1 cos ) 2()evm cm chmc hc 022 (4)1/mmvc将将（4）带入带入（3）式：）式：)(2)cos1 (202002420420 hcmhcmcm（5）)cos1()(000 cmhc)cos1(00 cmhcc2sin2200 cmh m1043. 2120 cmhc 称为康普顿波长称为康普顿波长22sin2cD康普顿散射进一步证实了光子论康普顿散射进一步证实了光子论

29、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。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。中包含了普朗克常量，因此它是经典物理学无法解释的。22sin2cD对于可见光，微波等，散射现象不明显对于可见光，微波等，散射现象不明显X光光 散射现象明显散射现象明显 =0时，波长不变；时，波长不变； 增加时，波长变长；增加时

30、，波长变长； =p p时，时，D D 最大。最大。3、康普顿效应的物理意义、康普顿效应的物理意义（1 1）电子的）电子的ComptonCompton波长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。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。 00.0243ecohAm cComptonCompton波长波长 其物理意义是：其物理意义是：20.511cohm cMeV折合电子折合电子ComptonCompton波长：波长： ecom c2022041374eeceoocrerm cec mpp2004peem cr22002.84peerfmm c12ecera（2

31、2） D只取决于散射角只取决于散射角 而与入射光子的而与入射光子的 无关。无关。 对实测来说，更有意义的是对实测来说，更有意义的是 D。对。对 0.1nm的的X X射线，射线， 才能使才能使 D大到足以被观察的程度，而对于大到足以被观察的程度，而对于 500nm的可见光，的可见光， D仍旧那么大，仍旧那么大， D就小到无法被测量。这就是就小到无法被测量。这就是为什么只在为什么只在X X光的散射实验中，我们才观察到了光的散射实验中，我们才观察到了comptoncompton effecteffect，而在可见光的散射中（如光电效应）没有观察到，而在可见光的散射中（如光电效应）没有观察到Compt

32、onCompton效应。效应。（3 3） ED与与 密切相关密切相关 虽然以波长的虽然以波长的comptoncompton位移与入射光的波长（或能量）无关，但位移与入射光的波长（或能量）无关，但以能量表示的以能量表示的ComptonCompton位移位移E E却与入射光的波长（或能量）紧却与入射光的波长（或能量）紧密相关。密相关。1-cos-11-coskEhhhED实验中，在测量条件相同时实验中，在测量条件相同时, ,散射光子的能量散射光子的能量 h随入射光子的能量增大而增大。随入射光子的能量增大而增大。 11 coshh 二、二、 X射线的产生机制射线的产生机制(一一)X射线的产生射线的产

33、生X射线由高速电子打在物射线由高速电子打在物体上产生。体上产生。实验表明，实验表明，X X射线由两部分构成，一部分波长连续变化，称射线由两部分构成，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，又叫特征谱材料的标识，所以称为标识谱，又叫特征谱-它迭加在连续谱它迭加在连续谱上。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。上。下面对这两部分谱线的特点和产生机制进行详细分析。minmaxImin（二）连续谱（二）连续谱轫致辐射轫致辐射1 1、连续谱的特征、连续谱的特征在上述产生在上述产

34、生X X射线的装置中，电子打到阳极材料后，有波射线的装置中，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。长连续变化的光辐射产生，下面分两点研究辐射的特性。(1)(1)连续谱与管压的关系（靶不变）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，以前图表示以钨作阳极材料加不同电压时，以为横轴，辐为横轴，辐射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长射强度为纵轴；在不同管压下得到的波长强度分布曲线。强度分布曲线。由图可见，当阳极材料不变时，由图可见，当阳极材料不变时， 和和 随管压随管压V V的升高都的升高都向短波方向移动。向短波方向移动。(2)(2)连续谱与阳

35、极材料的关系（电压不变）连续谱与阳极材料的关系（电压不变）前图表示管压为前图表示管压为35KV35KV时，用钼和钨作靶材料时的时，用钼和钨作靶材料时的I I曲曲线。由图可见线。由图可见 与靶无关。是由管压与靶无关。是由管压V V决定的。决定的。连续谱产生的微观机制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，而应该是电子在靶上减速而产生的。可以想象该是原子光谱，而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，其到，被高压加速后的电子进入靶内，可以到达不同的

36、深度，其速率从速率从 骤减为骤减为0 0，有很大的加速度，而伴随着带电粒子的加速，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，这便是产生运动，必然有电磁辐射产生，这便是产生X X射线连续谱的原因，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。用光子的概念可以对连续谱的产生给出定量的分析。 设电子入射速度设电子入射速度 ，在靶上减速而损失的能量为，在靶上减速而损失的能量为 ；减；减速过程中的能量差为速过程中的能量差为 ，则，则根据上面的分析，根据上面的分析， 将以光子的形式向外辐射；由于将以光子的形式向外辐射；由于 是连是连续变化的，而续变化的，而 是一定的

37、，所以是一定的，所以 连续变化连续变化. .v损EvED损EmvED221ED损EvED 轫致辐射的强度反比于入射带电粒子的质量平方，因此，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。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（轫致辐射的强度正比于靶核电荷的平方（Z Z2 2) )。由于医学、工业。由于医学、工业上使用的上使用的X X射线往往主要依靠连续谱的那一部分，因此，在射线往往主要依靠连续谱的那一部分，因此，在X 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，能输射线管内

38、用得最多的阳极靶是钨靶。因为它的原子序数大，能输出高强度的出高强度的X X射线，而且钨的熔点高，导热性好，并易于加工。射线，而且钨的熔点高，导热性好，并易于加工。 连续谱的形状与靶子的材料毫无关系。它存在一个最小波长连续谱的形状与靶子的材料毫无关系。它存在一个最小波长 min（或最大频率（或最大频率 max），其数值只依赖于外加电压），其数值只依赖于外加电压 U U，而与，而与原子序数原子序数 Z Z无关。无关。理论解释理论解释 min从阴极逸出的电子被电场加速，加速后的动能为从阴极逸出的电子被电场加速，加速后的动能为 kEeU当它到达阳极靶上时，它的全部能量就转成辐射能，当它到达阳极靶上时，

39、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由此发出的光子可能有的最大能量为maxminkhchEeUmin1.241.24hcmmmeUU kVUminhceU可作为精确测量普朗克常数的一个方法。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），故电子伏特级，在此可忽略），故X X射线的产生可视为光电效应之逆。射线的产生可视为光电效应之逆。 （三）特征辐射（标识辐射）（三）特征辐射（标识辐射）电子内壳层的跃迁电子内壳层的跃迁标识辐射标识辐射-线状谱，是迭加在

40、连续谱上的分立谱线。线状谱，是迭加在连续谱上的分立谱线。1 1、线状谱的特征、线状谱的特征（1 1）不同元素线状谱的波长是不同的，从而成为我们识别某种）不同元素线状谱的波长是不同的，从而成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，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，都分为都分为K,L,MK,L,M等线系；且谱线具有精细结构，等线系；且谱线具有精细结构，K K系分为系分为,bKKK;L;L系分为系分为,bLLL(2)(2)改变靶物质时，随改变靶物质时，随Z Z的增大，同一线系的线状谱波长向短波的增大，同一线系的线状谱波长向短波方向移动，但方向移动，

41、但没有周期性变化没有周期性变化；(3)(3)某元素的标识谱与它的化合状态无关；某元素的标识谱与它的化合状态无关；（4 4）对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外界电压有一个）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。临界值。2 2、线状谱产生的机制、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：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 1）线状谱产生于原子内层电子的跃迁。）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

42、跃迁所发的。各元素原子的内层看，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，所不同的只是对应于各层的电子填满后，壳层的结构是相同的，所不同的只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。能量数值。周期性的变化和化学性质是外层电子的问题。X X射线射线标识谱既然不显示这些情况，足见是内层电子所发。标识谱既然不显示这些情况，足见是内层电子所发。 (2(2）产生线状谱的条件是：）产生线状谱的条件是：a.a.在原子的内层能级上有电子空位；在原子的内层能级上有电子空位；b.b.其他壳层上电子向空位跃迁。其他壳层上电子向空位跃迁。 事实上，当外界

43、提供足够大的能量时，使原子内层电子电离，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便形成了X X射线的标识谱。射线的标识谱。(3)(3)定律定律-线状谱的定量计算线状谱的定量计算 1913 1913年，英国物理学家年，英国物理学家MoseleyMoseley通过对不同元素（不同通过对不同元素（不同Z)Z)的的X X射线标识谱加以分析（共分析了从钴到金的射线标识谱加以分析（共分析了从钴到金的3838种元素种元素, ,发现一发现一个规律：个规律： 对同一线系的某条谱线来说

44、，不同元素的对同一线系的某条谱线来说，不同元素的X X射线频率的平方根射线频率的平方根与原子序数与原子序数Z Z成线性关系，即成线性关系，即bkZv比喻对比喻对K K线，线， MoseleyMoseley得到一个经验公式得到一个经验公式2160.248 101()KZHZ 事实上，这个公式可以从玻尔理论得到，根据玻尔理论，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内壳层中缺一个电子的状态与碱金属原子中n n能级的状态相似，能级的状态相似，所以所以n n能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：能级的状态能近似用碱金属原子能级公式表示：式中式中反映了

45、跃迁电子之外的电子对核的总屏蔽效应，即跃迁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电子感受到的有效电荷是(Z-(Z-),),这样当这样当n=2n=2上的电子向上的电子向n=1n=1跃迁跃迁产生产生K K线时，我们有线时，我们有22nZERhcn 221221112KhEERhc Z实验表明实验表明1 1，将其余常数代入得，将其余常数代入得，2160.248 101()KZHZ（4 4）线状谱的标记方法）线状谱的标记方法 前面提到，前面提到，X X射线标识谱分为射线标识谱分为K,L,M K,L,M 等线系，等线系，每一系的谱线也分为每一系的谱线也分为, , , ,

46、, 等。但是，等。但是，能级并不只与主量子数能级并不只与主量子数n n有关，还与有关，还与l,jl,j有关，所以谱有关，所以谱线被标记为线被标记为,iiKKb 产生产生X射线射线标识谱的跃标识谱的跃迁的选择定则迁的选择定则1LD 01JD ，（5 5）标识谱产生的其他效应）标识谱产生的其他效应1)俄歇俄歇(Auger)(Auger)电子电子当内壳层有空穴时，外层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，射线，而是将另一层电子电离，这样产生的电子称俄歇这样产生的电子称俄歇(Auger)电子电子2 2）核激发效应：内层电子间的跃

47、迁，将能量传）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。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以上两个效应，分别是法国物理学家AugerAuger和日和日本物理学家森田正一提出的，并分别被实验所证实。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：同步辐射： 电子在同步回旋加速器中，作圆周运动时产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。运动时辐射电磁波的一种表现。X射线的吸收射线的吸收1.吸收限 在E图中，在某一个能量E

48、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，我们用该元素制成根据这个原理，我们用该元素制成一个薄片，放在一个薄片，放在X X射线的光路上，就可射线的光路上，就可使使KXKX线顺利通过，而其它频率成份被线顺利通过，而其它频率成份被大量吸收，从而起

49、到选通某些频率大量吸收，从而起到选通某些频率X X射射线的作用。比如黄铜是铜和锌的混合线的作用。比如黄铜是铜和锌的混合物，当射线打到黄铜上时，会同时出物，当射线打到黄铜上时，会同时出现现CuCu和和ZnZn的特征的特征X X射线，两者相差不大，射线，两者相差不大，我们可以用镍做成过滤片，由于我们可以用镍做成过滤片，由于(Cu(Cu) )的能量比镍的吸收限低，所以可以顺的能量比镍的吸收限低，所以可以顺利通过，而利通过，而(Zn(Zn) )的能量比它高，将的能量比它高，将会被吸收。会被吸收。KI13121,EE21,EE1E2E应用应用2.2.在心血管造影术上的应用在心血管造影术上的应用心血管阻塞

50、是严重的心血管病变，治疗的第一步是查出阻塞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（入造影剂碘（ ）；）；I I对对X X射线吸收要比肌肉、骨骼对射线吸收要比肌肉、骨骼对X X射线吸射线吸收强得多。因此，在收强得多。因此，在X X光照射下，哪里血管有阻塞，光照射下，哪里血管有阻塞，I I无法达到，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，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