1、1 X射線射線2一、一、X射線的發(fā)射射線的發(fā)射(X-ray emission)K 陰極，陰極，A 陽(yáng)極陽(yáng)極(鉬、鎢、銅等金屬鉬、鎢、銅等金屬)，A K間加幾萬(wàn)伏高壓，以加速陰極發(fā)射的熱電子。間加幾萬(wàn)伏高壓，以加速陰極發(fā)射的熱電子。-KAX射線射線X X 射線管射線管+31895年底，倫琴發(fā)表了年底，倫琴發(fā)表了論新的射線論新的射線的報(bào)告，并展示了第一張的報(bào)告，并展示了第一張x射線的照片射線的照片 他的妻子的手指骨。他的妻子的手指骨。l895年德國(guó)物理學(xué)家年德國(guó)物理學(xué)家倫琴倫琴在作在作陰極射線管陰極射線管中氣體放電的實(shí)驗(yàn)研中氣體放電的實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了有一種使熒光屏上有微弱的熒光產(chǎn)生的看不究時(shí)

2、，偶然發(fā)現(xiàn)了有一種使熒光屏上有微弱的熒光產(chǎn)生的看不見(jiàn)的射線。見(jiàn)的射線。沿直線傳播沿直線傳播不被電磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)不被電磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)穿透性強(qiáng)穿透性強(qiáng)(不被物質(zhì)反射和折射不被物質(zhì)反射和折射)他把這種未知射線稱(chēng)為他把這種未知射線稱(chēng)為 x 射線射線。(1879年年克魯克斯克魯克斯曾抱怨放在他的陰極射線管附近的照相曾抱怨放在他的陰極射線管附近的照相底片老出現(xiàn)模糊的陰影底片老出現(xiàn)模糊的陰影)；(1890年年古德斯比德古德斯比德和和詹寧斯詹寧斯都發(fā)現(xiàn)他們陰極射線管后面都發(fā)現(xiàn)他們陰極射線管后面的照相底片特別發(fā)黑的照相底片特別發(fā)黑)。W.C. Rontgen, Science, 3(1896)227W.C. Rontgen

3、, Science, 3(1896)726X X射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn)4倫琴倫琴的發(fā)現(xiàn)引起了全世界物理學(xué)界和醫(yī)學(xué)界的強(qiáng)烈反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)引起了全世界物理學(xué)界和醫(yī)學(xué)界的強(qiáng)烈反應(yīng)倫琴的報(bào)告發(fā)表后僅三個(gè)倫琴的報(bào)告發(fā)表后僅三個(gè)月后，維也納的一家醫(yī)院月后，維也納的一家醫(yī)院就在外科檢查中使用了就在外科檢查中使用了x射射線拍片手段。線拍片手段。第二年第二年(1896年年)就有近千篇就有近千篇有關(guān)有關(guān)x 射線的研究和應(yīng)用的射線的研究和應(yīng)用的文章發(fā)表。文章發(fā)表。當(dāng)時(shí)人們以照當(dāng)時(shí)人們以照x射線像為時(shí)射線像為時(shí)髦髦1,500 scientific communications within first twelve mon

4、ths. US scientists repeated experiments within four weeks.5 柏林科學(xué)院在致倫琴的賀詞中說(shuō)到：柏林科學(xué)院在致倫琴的賀詞中說(shuō)到：“科學(xué)史告訴我們，科學(xué)史告訴我們，在每一項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)中，功勞和幸運(yùn)獨(dú)特地結(jié)合在一起；在這種在每一項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)中，功勞和幸運(yùn)獨(dú)特地結(jié)合在一起；在這種情況下，許多外行人也許認(rèn)為幸運(yùn)是主要的因素。但是，了解情況下，許多外行人也許認(rèn)為幸運(yùn)是主要的因素。但是，了解您的創(chuàng)造個(gè)性特點(diǎn)的人將會(huì)懂得，正是您，一位擺脫了一切成您的創(chuàng)造個(gè)性特點(diǎn)的人將會(huì)懂得，正是您，一位擺脫了一切成見(jiàn)的、把完善的實(shí)驗(yàn)藝術(shù)和最高的科學(xué)誠(chéng)意及注意力結(jié)合起來(lái)見(jiàn)的

5、、把完善的實(shí)驗(yàn)藝術(shù)和最高的科學(xué)誠(chéng)意及注意力結(jié)合起來(lái)的研究者，應(yīng)當(dāng)?shù)玫阶鞒鲞@一偉大發(fā)現(xiàn)的幸福。的研究者，應(yīng)當(dāng)?shù)玫阶鞒鲞@一偉大發(fā)現(xiàn)的幸福。” Nobel Prize, 1901“in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequently named after him”1901年獲得了首次頒發(fā)的年獲得了首次頒發(fā)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。倫琴 (德國(guó))18451923 Wilhelm Conrad Rontgen6x射線性質(zhì)射

6、線性質(zhì)： x 射線是一種高能光子射線是一種高能光子穿透性很強(qiáng)。穿透性很強(qiáng)。用普通光柵觀察不到衍射現(xiàn)象。用普通光柵觀察不到衍射現(xiàn)象。 x 射線是波長(zhǎng)很短的電磁波射線是波長(zhǎng)很短的電磁波(0.1 100 ) 衍射現(xiàn)象很小。衍射現(xiàn)象很小。 人的肉眼看不見(jiàn)人的肉眼看不見(jiàn)x射線，但射線，但x射線能使氣體電離，使照相底射線能使氣體電離，使照相底片感光，能穿過(guò)不透明的物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。片感光，能穿過(guò)不透明的物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。 x 射線呈直線傳播，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)穿過(guò)射線呈直線傳播，在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)穿過(guò)物體時(shí)僅部分被散射。物體時(shí)僅部分被散射。 x 射線對(duì)動(dòng)物有機(jī)體

7、射線對(duì)動(dòng)物有機(jī)體(其中包括對(duì)人體其中包括對(duì)人體)能產(chǎn)生巨大的生理上能產(chǎn)生巨大的生理上的影響，能殺傷生物細(xì)胞。的影響，能殺傷生物細(xì)胞。7發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)的X射線是什么呢？人們初步認(rèn)為是一種電磁波，于是想射線是什么呢？人們初步認(rèn)為是一種電磁波，于是想通過(guò)光柵來(lái)觀察它的衍射現(xiàn)象，但實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有看到衍射現(xiàn)象。通過(guò)光柵來(lái)觀察它的衍射現(xiàn)象，但實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有看到衍射現(xiàn)象。原因是原因是X射線的波長(zhǎng)太短，只有一埃射線的波長(zhǎng)太短，只有一埃(1)。一光柵一光柵d=3 104(每每mm333條刻痕條刻痕)，則第一級(jí)明紋滿足：，則第一級(jí)明紋滿足：kbasin)(sind41031sind=3.3 10-4rad 實(shí)際上是無(wú)法分

8、辯的。要分辯實(shí)際上是無(wú)法分辯的。要分辯X射線的光柵也要在埃的數(shù)射線的光柵也要在埃的數(shù)量級(jí)才行。量級(jí)才行。 人們想到了晶體。因?yàn)榫w有規(guī)范的原子排列，且原子間人們想到了晶體。因?yàn)榫w有規(guī)范的原子排列，且原子間距也在埃的數(shù)量級(jí)。是天然的三維光柵。距也在埃的數(shù)量級(jí)。是天然的三維光柵。0.002o81912年德國(guó)物理學(xué)家年德國(guó)物理學(xué)家勞厄勞厄想到了這一點(diǎn)，去找普朗克老師，沒(méi)想到了這一點(diǎn)，去找普朗克老師，沒(méi)得到支持后，去找正在攻讀博士的索末菲，兩次實(shí)驗(yàn)后終于做得到支持后，去找正在攻讀博士的索末菲，兩次實(shí)驗(yàn)后終于做出了出了X射線的衍射實(shí)驗(yàn)。射線的衍射實(shí)驗(yàn)。X-ray 晶體晶體crystalLaue spo

9、ts晶體的三維光柵晶體的三維光柵Three-dimensional “diffraction grating”Laue spots proves wave properties of X-ray9由于晶體的晶格常數(shù)約由于晶體的晶格常數(shù)約10nm，與，與X射線波長(zhǎng)接近，射線波長(zhǎng)接近，衍射現(xiàn)象明顯。衍射現(xiàn)象明顯。單晶片單晶片X X射線射線照相底片照相底片在照相底片上形成對(duì)稱(chēng)分布的若干衍射斑點(diǎn)，稱(chēng)為在照相底片上形成對(duì)稱(chēng)分布的若干衍射斑點(diǎn)，稱(chēng)為勞勞厄斑。厄斑。10勞厄 (德國(guó))Max von Laue 1879-1960,1914年諾貝爾物理獎(jiǎng)1912年通過(guò)讓X射線穿過(guò)硫化鋅水晶的試驗(yàn)，證明X射線是波

10、長(zhǎng)非常短的橫波。11 1913年英國(guó)的布拉格父子，提出了一種精確研究年英國(guó)的布拉格父子，提出了一種精確研究X射線的射線的方法，并作出了精確的定量計(jì)算。不但能解釋勞厄斑點(diǎn)，而且方法，并作出了精確的定量計(jì)算。不但能解釋勞厄斑點(diǎn)，而且能用于對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的研究。能用于對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的研究。由于父子二人在由于父子二人在X射線研究晶體結(jié)射線研究晶體結(jié)構(gòu)方面作出了巨大貢獻(xiàn)，于構(gòu)方面作出了巨大貢獻(xiàn)，于1915年共獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年共獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 晶體是由彼此相互平行的原子層構(gòu)成。這些原子層稱(chēng)作晶晶體是由彼此相互平行的原子層構(gòu)成。這些原子層稱(chēng)作晶面。面。X X射線會(huì)在不同的晶面上反射。射線會(huì)在不同的晶面上反射

11、。dABE晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：d d掠射角掠射角 : : X 射線射到晶射線射到晶面時(shí)與晶面夾角面時(shí)與晶面夾角。 衍射中心衍射中心 點(diǎn)間散射光的干涉點(diǎn)間散射光的干涉每個(gè)原子都是散射子波每個(gè)原子都是散射子波的子波源。的子波源。12即當(dāng)即當(dāng)2d sin =k 時(shí)各層面上的反射光相干加強(qiáng)，形成時(shí)各層面上的反射光相干加強(qiáng)，形成亮點(diǎn)，稱(chēng)為亮點(diǎn)，稱(chēng)為k 級(jí)干涉主極大。該式稱(chēng)為布喇格公式。級(jí)干涉主極大。該式稱(chēng)為布喇格公式。EBAE dABEsin2dkdsin2)2 , 1 , 0(k布拉格公式布拉格公式X射線經(jīng)射線經(jīng)兩晶面反射后，兩束光的光程差為兩晶面反射后，兩束光的光程差為： 已知已知 、 可測(cè)可測(cè)d

12、X射線晶體結(jié)構(gòu)分析射線晶體結(jié)構(gòu)分析。 已知已知 、d 可測(cè)可測(cè) X射線光譜分析。射線光譜分析。應(yīng)用應(yīng)用131913年，布拉格父子測(cè)定X射線的波長(zhǎng)1915年，共同獲諾貝爾物理獎(jiǎng)William Henry Bragg (18621942)William Lawrence Bragg (18901971)14 在醫(yī)學(xué)和分子生物學(xué)領(lǐng)域也不斷有新的突破。在醫(yī)學(xué)和分子生物學(xué)領(lǐng)域也不斷有新的突破。19531953年英國(guó)年英國(guó)的威爾金斯、沃森和克里克利用的威爾金斯、沃森和克里克利用X X射線的結(jié)構(gòu)分析得到了遺傳基射線的結(jié)構(gòu)分析得到了遺傳基因脫氧核糖核酸因脫氧核糖核酸( (DNA)DNA)的雙螺旋結(jié)構(gòu)，榮獲了的

13、雙螺旋結(jié)構(gòu)，榮獲了19621962年度諾貝爾生年度諾貝爾生物和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。物和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 x射線的應(yīng)用不僅開(kāi)創(chuàng)了研究晶體結(jié)構(gòu)的新領(lǐng)域，而且用射線的應(yīng)用不僅開(kāi)創(chuàng)了研究晶體結(jié)構(gòu)的新領(lǐng)域，而且用它可以作光譜分析，在科學(xué)研究和工程技術(shù)上有著廣泛的應(yīng)用。它可以作光譜分析，在科學(xué)研究和工程技術(shù)上有著廣泛的應(yīng)用。15X射線射線(光子光子)的能量范圍是從的能量范圍是從 100eV 到到 100,000eV。 這么大的能量表示這么大的能量表示X射線射線可以穿透人體可以穿透人體(甚至骨頭甚至骨頭)它的波長(zhǎng)是多少它的波長(zhǎng)是多少?0.01 nm 10 nmnm10eV100nmeV1240nm01. 0eV100000nm

14、eV1240EEhcnmeV124016X-Ray Production Black Body Radiation Would require temperature over 10 times hotter than surface of sun Excitation of outer electrons Typically have energy around 10 eV Radioactive Decays Hard to turn on/offHow do you produce 100 eV photons?1517The full electromagnetic spectrum

15、is called light18X 射線管抽成真空（射線管抽成真空（10-610-8 mmHg），），陰極陰極K是加熱的是加熱的,發(fā)射電子用發(fā)射電子用;陽(yáng)極陽(yáng)極A一般為鎢、鉬、鉑等重金屬一般為鎢、鉬、鉑等重金屬“靶靶”。利用晶體衍射的布利用晶體衍射的布喇格公式測(cè)定波長(zhǎng)喇格公式測(cè)定波長(zhǎng);按照記錄底片上按照記錄底片上的黑度測(cè)定強(qiáng)度。的黑度測(cè)定強(qiáng)度。在兩極間加上幾萬(wàn)伏高電壓，電子就在強(qiáng)電場(chǎng)在兩極間加上幾萬(wàn)伏高電壓，電子就在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下飛向陽(yáng)極，的作用下飛向陽(yáng)極，在陽(yáng)極在陽(yáng)極A上產(chǎn)生上產(chǎn)生 x 射線。射線。19實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)驗(yàn)表明，X X射線由兩部分構(gòu)成，一部分波長(zhǎng)連續(xù)變化，稱(chēng)射線由兩部分構(gòu)成，一部

16、分波長(zhǎng)連續(xù)變化，稱(chēng)為連續(xù)譜；另一部分波長(zhǎng)是分立的，與靶材料有關(guān)，成為某種為連續(xù)譜；另一部分波長(zhǎng)是分立的，與靶材料有關(guān)，成為某種材料的標(biāo)識(shí)，所以稱(chēng)為標(biāo)識(shí)譜，又叫特征譜材料的標(biāo)識(shí)，所以稱(chēng)為標(biāo)識(shí)譜，又叫特征譜它迭加在連續(xù)它迭加在連續(xù)譜上。下面對(duì)這兩部分譜線的特點(diǎn)和產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)分析。譜上。下面對(duì)這兩部分譜線的特點(diǎn)和產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)分析。20All Together Now.Brehmsstrahlung X-Rays and Characteristic X-Rays both occur at the same time. 0intensityKbKaintensityKbKaintensity

17、 034211.連續(xù)譜連續(xù)譜高速電子到達(dá)陽(yáng)極后與陽(yáng)極中的原子相撞，高速電子到達(dá)陽(yáng)極后與陽(yáng)極中的原子相撞，速度降下來(lái)，電子有了加速度而輻射的電磁波。速度降下來(lái)，電子有了加速度而輻射的電磁波。這種輻射稱(chēng)為這種輻射稱(chēng)為韌致輻射韌致輻射。22(1)為什么具有為什么具有連續(xù)譜連續(xù)譜的特征？的特征？(2)為什么連續(xù)譜的為什么連續(xù)譜的形狀形狀與陽(yáng)與陽(yáng)極的材料無(wú)關(guān)？極的材料無(wú)關(guān)？(3)為什么連續(xù)譜都有一個(gè)為什么連續(xù)譜都有一個(gè)截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)（或頻率）？（或頻率）？與陽(yáng)極的材料無(wú)關(guān)，僅與電壓有關(guān)！與陽(yáng)極的材料無(wú)關(guān)，僅與電壓有關(guān)！由于大量電子有各種大小的由于大量電子有各種大小的加速度，因此韌致輻射的加速度，因此韌

18、致輻射的 x 射線具有連續(xù)譜的特征；射線具有連續(xù)譜的特征；由于它只是由于它只是管中電子管中電子有加速度有加速度而輻射產(chǎn)生的；而輻射產(chǎn)生的；相相對(duì)對(duì)強(qiáng)強(qiáng)度度波長(zhǎng)（波長(zhǎng)（）截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng)35kV23電子被高壓加速所獲得的動(dòng)能為電子被高壓加速所獲得的動(dòng)能為 Ek = eU軔致輻射的軔致輻射的X射線中包含各種波長(zhǎng)成分，即連續(xù)譜。短波長(zhǎng)射線中包含各種波長(zhǎng)成分，即連續(xù)譜。短波長(zhǎng)(短波極限短波極限) 0 與電子全部動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾幽芰肯鄬?duì)應(yīng)，即與電子全部動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾幽芰肯鄬?duì)應(yīng)，即0.100.060.02106235 kV50 kV40 kV30 kV20 kVKK波長(zhǎng)波長(zhǎng)nm相對(duì)強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)度連續(xù)譜不應(yīng)該是

19、原子光譜，而應(yīng)該是電子在靶上減速而產(chǎn)生的。被高壓加速連續(xù)譜不應(yīng)該是原子光譜，而應(yīng)該是電子在靶上減速而產(chǎn)生的。被高壓加速后的電子進(jìn)入靶內(nèi)，可以到達(dá)不同的深度，其速率從后的電子進(jìn)入靶內(nèi)，可以到達(dá)不同的深度，其速率從 0 0驟減為驟減為0 0，有很大的，有很大的加速度，而伴隨著帶電粒子的加速運(yùn)動(dòng)，必然有電磁輻射產(chǎn)生，這便是產(chǎn)生加速度，而伴隨著帶電粒子的加速運(yùn)動(dòng)，必然有電磁輻射產(chǎn)生，這便是產(chǎn)生x射線連續(xù)譜的原因，用光子的概念可以對(duì)連續(xù)譜的產(chǎn)生給出定量的分析。射線連續(xù)譜的原因，用光子的概念可以對(duì)連續(xù)譜的產(chǎn)生給出定量的分析。0maxchheUEkUehc10 0的存在是的存在是量子論量子論正確性的又一例證

20、。正確性的又一例證。它與陽(yáng)極的材料無(wú)它與陽(yáng)極的材料無(wú)關(guān)，僅與電壓有關(guān)。關(guān)，僅與電壓有關(guān)。也可用它來(lái)測(cè)普朗克常數(shù)也可用它來(lái)測(cè)普朗克常數(shù) h 。右圖表示在不同加速電壓下鎢靶發(fā)出的右圖表示在不同加速電壓下鎢靶發(fā)出的X射射線連續(xù)譜線連續(xù)譜(實(shí)線實(shí)線)。 24短波長(zhǎng)短波長(zhǎng) 0 高壓加速動(dòng)能 一個(gè)電子經(jīng)過(guò)一個(gè)電子經(jīng)過(guò)50,000V高壓加速，當(dāng)它打在靶上產(chǎn)生的高壓加速，當(dāng)它打在靶上產(chǎn)生的x射線的射線的短波長(zhǎng)短波長(zhǎng) 0是多少？是多少？電子打在靶上損失電子打在靶上損失所有的能量所有的能量，同時(shí)發(fā)射出，同時(shí)發(fā)射出x射線射線intensity 0韌致輻射韌致輻射舉例舉例nm0248. 0eV000,50nmeV12

21、400EhcX射線連續(xù)譜可稱(chēng)為光電效應(yīng)的逆效應(yīng)！射線連續(xù)譜可稱(chēng)為光電效應(yīng)的逆效應(yīng)！25當(dāng)加速電壓比較高時(shí)，在當(dāng)加速電壓比較高時(shí)，在x射線連續(xù)譜的射線連續(xù)譜的“山丘山丘”上會(huì)出現(xiàn)上會(huì)出現(xiàn)一些一些“尖塔尖塔”。人的人的指紋指紋可作為某人的特征可作為某人的特征這些尖塔可以作為某種這些尖塔可以作為某種元素的元素的 “指紋指紋”尖塔的位置與陽(yáng)極尖塔的位置與陽(yáng)極 靶材料元素有關(guān)，與電壓靶材料元素有關(guān)，與電壓U無(wú)關(guān)。故稱(chēng)為無(wú)關(guān)。故稱(chēng)為特征譜特征譜。2.線狀譜線狀譜(特征譜、標(biāo)識(shí)譜特征譜、標(biāo)識(shí)譜)26特征譜產(chǎn)生的機(jī)制特征譜產(chǎn)生的機(jī)制能量比能量比“空位空位”能量高的電子就會(huì)躍遷下來(lái)到這空位，同時(shí)放能量高的電子就

22、會(huì)躍遷下來(lái)到這空位，同時(shí)放出電磁波，波長(zhǎng)當(dāng)然與此原子的特性有關(guān)，此即特征譜。出電磁波，波長(zhǎng)當(dāng)然與此原子的特性有關(guān)，此即特征譜。因?yàn)樵拥膬?nèi)層電子的能級(jí)差值較大，放出的光子的頻率較大，因?yàn)樵拥膬?nèi)層電子的能級(jí)差值較大，放出的光子的頻率較大，波長(zhǎng)就較短，屬于波長(zhǎng)就較短，屬于x射線波段。射線波段。高速粒子將能量給了靶原子的高速粒子將能量給了靶原子的內(nèi)層電子內(nèi)層電子，使內(nèi)層電子躍遷到能，使內(nèi)層電子躍遷到能量較高的最外層或完全脫離原子量較高的最外層或完全脫離原子(即電離即電離)，內(nèi)層留下了，內(nèi)層留下了“空空位位”。內(nèi)層電子躍遷內(nèi)層電子躍遷 E：103 eV 104 eV ：10-1 102特征譜的定量計(jì)

23、算特征譜的定量計(jì)算1913年，英國(guó)物理學(xué)家年，英國(guó)物理學(xué)家Moseley通過(guò)對(duì)不同元素通過(guò)對(duì)不同元素( (不同不同Z)的的X射線射線標(biāo)識(shí)譜加以分析標(biāo)識(shí)譜加以分析( (共分析了從鈷到金的共分析了從鈷到金的38種元素種元素) )，發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律：，發(fā)現(xiàn)一個(gè)規(guī)律：) 1( ZCf對(duì)對(duì)K Ka a線系，有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式線系，有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式71 25 10 HzC 27Moseley (1913) 畫(huà)出畫(huà)出X-ray特征譜的頻率圖發(fā)現(xiàn)特征譜的頻率圖發(fā)現(xiàn)) 1( ZCffZ常數(shù)常數(shù)C很好的符合玻爾理論計(jì)算的很好的符合玻爾理論計(jì)算的電子從電子從n=2到到n=1的躍遷過(guò)程的躍遷過(guò)程!heVC4/36 .13Mos

24、eley is credited withdiscovering the charge of the atomic nucleus (Z).為什么是為什么是Z-1?莫賽萊公式不只建立了原子序數(shù)是一個(gè)可測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)值，而且還給予原子序數(shù)一個(gè)物理含義，即原子序數(shù)是原子核的電荷數(shù)目(后來(lái)科學(xué)家發(fā)覺(jué)是質(zhì)子數(shù)目)。因?yàn)槟惾R對(duì)于X射線的研究成果，在周期表上可以依照原子序數(shù)來(lái)排列各個(gè)元素，而不是按照原子量。這個(gè)新的排列方法使得鎳元素(Z=28.587)與鈷元素(Z=27.589u)的排列位置相互對(duì)易。這一研究成果也使得科學(xué)家能夠計(jì)算出譜線的數(shù)值，核對(duì)半量子的玻爾模型。28事實(shí)上，這個(gè)公式可以從玻爾理論得到

25、，根據(jù)玻爾理論，內(nèi)殼層中缺一個(gè)電子的狀態(tài)與堿金屬原子中n能級(jí)的狀態(tài)相似，所以n能級(jí)的狀態(tài)能近似用堿金屬原子能級(jí)公式表示：式中反映了躍遷電子之外的電子對(duì)核的總屏蔽效應(yīng)，即躍遷電子感受到的有效電荷是Z-，這樣當(dāng)n=2上的電子向n=1躍遷產(chǎn)生Ka線時(shí)，有實(shí)驗(yàn)表明1，將其余常數(shù)代入得22nZRhcEn222122111aZRhcEEhvK Hz110246. 0216ZvfKa1fC Z71 24.97 10 HzC 29特征譜的標(biāo)記方法特征譜的標(biāo)記方法 X射線標(biāo)識(shí)譜分為K,L,M,等線系，每一系的譜線也分為a,b,等。所以譜線被標(biāo)記為Ka a，Kb b，K ZeKLM N OL系系K系系 b ba

26、aKKKK b ba aLLL-e-e產(chǎn)生空穴的方法：產(chǎn)生空穴的方法：e-X ；p-X ；I-X ；X-X 質(zhì)子熒光分析質(zhì)子熒光分析 p-X(PIXEProton Induced X-ray Emission)30估算從銀靶估算從銀靶(Z=47)上出射的上出射的Ka a X射線的能量射線的能量LKn=2n=1photon EL 13.6eV (47 1)2122 7. 2keV EK 13 . 6eV (47 1)2112 28 . 8keV E(Ka)ELEK 21 . 6 keV(實(shí)驗(yàn)值實(shí)驗(yàn)值 21.7KeV)Not bad!注意注意! En(13.6)Z2n2Ka a X射線出射表明在射

27、線出射表明在K層有一個(gè)電層有一個(gè)電子空穴被子空穴被L層電子補(bǔ)償，可以假設(shè)層電子補(bǔ)償，可以假設(shè)有有一個(gè)電子一個(gè)電子被原子核束縛，則銀被原子核束縛，則銀靶的有效電荷為靶的有效電荷為Z=(47-1)Ka a X射線計(jì)算舉例射線計(jì)算舉例intensityKa31The two plots correspond to X-ray tubes that are:1) Operating at different voltages2) Contain different elements3) Both4) NeitherX-Ray QuestionThe characteristic peaks (Ka a

28、nd Kb) are the same position, same element. 0 is ensityKaKb bintensityKaKb b32intensityintensityWhich graph corresponds to the tube being operated at the higher voltage?1) Top 2) BottomKaKb bContinuous spectrum of deceleration x-rays00Higher voltage means higher energy deceleration x-ra

29、y photon can be produced, or smaller maximum wavelength, 0. X-Ray Question33intensityintensityThe top spectrum comes from a tube with a silver target (Ag, 47). What is the bottom target?1) PB 462) Ag 473) Cd 48KaKb bX射線的連續(xù)譜射線的連續(xù)譜00X射線特征譜的能量與射線特征譜的能量與有效電荷有效電荷 (Z-1)成正比成正比 E增加增加 = Z增大增大X-Ray Question34

30、三三 . X射線應(yīng)用舉例射線應(yīng)用舉例 X光透視光透視(假彩色假彩色) CT(透明片透明片) 精密分析物質(zhì)的成分。精密分析物質(zhì)的成分。(所需樣品量小，所需樣品量小， 10g 足夠足夠, 無(wú)損傷，靈敏度高無(wú)損傷，靈敏度高) 例如例如 . 對(duì)珍貴出土文物的分析對(duì)珍貴出土文物的分析 1965年出土的年出土的 2500年前的年前的 越王勾踐寶劍越王勾踐寶劍的成分。的成分。 例如例如 . 對(duì)人的頭發(fā)中痕量元素分析對(duì)人的頭發(fā)中痕量元素分析 長(zhǎng)壽、疾病、弱智與痕量元素的關(guān)系。長(zhǎng)壽、疾病、弱智與痕量元素的關(guān)系。 例如例如 . 空氣采樣分析空氣采樣分析 (上海與拉薩上海與拉薩)35Radiation in Avi

31、ation Security X-ray ApplicationFrom: Heimann Systems, Wiesbaden, GermanyAdvanced Multi X-ray Energy Method36數(shù)碼數(shù)碼X光片展示魚(yú)類(lèi)內(nèi)部構(gòu)造光片展示魚(yú)類(lèi)內(nèi)部構(gòu)造2008年9月26日消息，據(jù)探索雜志報(bào)道，自隸屬美國(guó)史密森學(xué)會(huì)的國(guó)家自然歷史博物館從19世紀(jì)中期開(kāi)始收集海洋動(dòng)物標(biāo)本以來(lái)，魚(yú)類(lèi)標(biāo)本數(shù)量急劇增長(zhǎng)。美國(guó)國(guó)家魚(yú)類(lèi)收藏館如今擁有約350萬(wàn)魚(yú)類(lèi)標(biāo)本。史密森學(xué)會(huì)博物館的館長(zhǎng)們?cè)隰~(yú)類(lèi)構(gòu)造(Ichthyo: The Architecture of Fish)一書(shū)中展示了其標(biāo)本的數(shù)碼X光片。書(shū)中還

32、有海洋學(xué)家讓-米歇爾柯斯蒂、魚(yú)類(lèi)學(xué)家丹尼爾帕里、攝影藝術(shù)博物館主任黛博拉克羅切克和攝影研究人員斯蒂芬妮柯莫(Stephanie Comer)等專(zhuān)家學(xué)者所寫(xiě)的小短文。 圖片中顯示的是一種稱(chēng)為圖片中顯示的是一種稱(chēng)為“拜爾海鰻拜爾海鰻”(Bayers moray)的珍的珍稀海鰻，它們一般躲藏在東南亞和大洋洲海域的暗礁周?chē)Ｏ『ｖ牐鼈円话愣悴卦跂|南亞和大洋洲海域的暗礁周?chē)?7在攝影術(shù)問(wèn)世前，手工制作的圖示被用于記錄在攝影術(shù)問(wèn)世前，手工制作的圖示被用于記錄自然之美。柯莫和克羅切克在書(shū)中寫(xiě)道：自然之美。柯莫和克羅切克在書(shū)中寫(xiě)道：“1895年，年，X光的發(fā)現(xiàn)使得用膠卷捕捉這種動(dòng)光的發(fā)現(xiàn)使得用膠卷捕捉這種

33、動(dòng)物和物體細(xì)微內(nèi)部構(gòu)造的照片成為可能。物和物體細(xì)微內(nèi)部構(gòu)造的照片成為可能。”一一個(gè)多世紀(jì)過(guò)去了，個(gè)多世紀(jì)過(guò)去了，X光技術(shù)仍在不斷向我們提光技術(shù)仍在不斷向我們提供令人叫絕的照片，比如供令人叫絕的照片，比如黃貂魚(yú)黃貂魚(yú)的這張奇特照的這張奇特照片。片。X光照片使動(dòng)物看上去栩栩如生。魚(yú)類(lèi)研究者丹尼光照片使動(dòng)物看上去栩栩如生。魚(yú)類(lèi)研究者丹尼爾爾帕里在書(shū)中一片短文中寫(xiě)道：帕里在書(shū)中一片短文中寫(xiě)道：“我們會(huì)常常想起我們會(huì)常常想起這條魚(yú)的嘴，身體倒成了其次。這條魚(yú)的嘴，身體倒成了其次。”根據(jù)其牙齒或下顎根據(jù)其牙齒或下顎確定一種動(dòng)物如何進(jìn)食，經(jīng)常讓科學(xué)家傷透腦筋。但確定一種動(dòng)物如何進(jìn)食，經(jīng)常讓科學(xué)家傷透腦筋。但

34、是，有時(shí)是，有時(shí)X光會(huì)讓動(dòng)物最后一頓美餐清晰地展現(xiàn)在大光會(huì)讓動(dòng)物最后一頓美餐清晰地展現(xiàn)在大家的眼前，以這條家的眼前，以這條巨鯰巨鯰(shark catfish)為例，它的肚子為例，它的肚子中就有幾個(gè)蛤，巨鯰非常善于消化這種東西。中就有幾個(gè)蛤，巨鯰非常善于消化這種東西。國(guó)家魚(yú)類(lèi)收藏館成立之初從國(guó)家魚(yú)類(lèi)收藏館成立之初從“威爾克斯探險(xiǎn)威爾克斯探險(xiǎn)”(Wilkes Expedition)購(gòu)買(mǎi)魚(yú)類(lèi)標(biāo)本，購(gòu)買(mǎi)魚(yú)類(lèi)標(biāo)本，“威爾克斯探險(xiǎn)威爾克斯探險(xiǎn)”是一次從是一次從1838年至年至1842年環(huán)游南太平洋的任務(wù)。如今，魚(yú)類(lèi)研究人員每年仍會(huì)向收藏館提供數(shù)千種新魚(yú)類(lèi)。這些照片最初的目的年環(huán)游南太平洋的任務(wù)。如今，魚(yú)

35、類(lèi)研究人員每年仍會(huì)向收藏館提供數(shù)千種新魚(yú)類(lèi)。這些照片最初的目的是讓史密森學(xué)會(huì)的科學(xué)家去研究魚(yú)類(lèi)的內(nèi)部構(gòu)造，同時(shí)不必對(duì)它們進(jìn)行解剖。照片中的是讓史密森學(xué)會(huì)的科學(xué)家去研究魚(yú)類(lèi)的內(nèi)部構(gòu)造，同時(shí)不必對(duì)它們進(jìn)行解剖。照片中的尖嘴魚(yú)尖嘴魚(yú)是是1929年從菲律賓捕年從菲律賓捕撈的。撈的。38史密森學(xué)會(huì)照片圖書(shū)館如今收藏有約史密森學(xué)會(huì)照片圖書(shū)館如今收藏有約2萬(wàn)種不同魚(yú)類(lèi)萬(wàn)種不同魚(yú)類(lèi)的標(biāo)本，提供了堪稱(chēng)無(wú)價(jià)的海洋多樣性的記錄。這的標(biāo)本，提供了堪稱(chēng)無(wú)價(jià)的海洋多樣性的記錄。這些玻甲魚(yú)些玻甲魚(yú)(shrimpfish)屬于蝦魚(yú)科屬于蝦魚(yú)科(centriscidae)家族，家族，這個(gè)家族共有這個(gè)家族共有13種不同種類(lèi)。種不

36、同種類(lèi)。玻甲魚(yú)玻甲魚(yú)亦稱(chēng)亦稱(chēng)“剃刀剃刀魚(yú)魚(yú)”(razorfish)，因?yàn)樗鼈兊目诒遣考饧獾模L(zhǎng)度大，因?yàn)樗鼈兊目诒遣考饧獾模L(zhǎng)度大約達(dá)到約達(dá)到8英寸英寸(約合約合20厘米厘米)。黃麻鱸、刺河豚、河豚，還是刺猬魚(yú)黃麻鱸、刺河豚、河豚，還是刺猬魚(yú)(porcupine fish)，無(wú)論你怎么稱(chēng)呼這些水生動(dòng)物，它們均擁有對(duì)付捕食無(wú)論你怎么稱(chēng)呼這些水生動(dòng)物，它們均擁有對(duì)付捕食者的有力武器。這張者的有力武器。這張X光照片顯示的是處于防備狀態(tài)光照片顯示的是處于防備狀態(tài)的的刺猬魚(yú)刺猬魚(yú)(前面前面)，體內(nèi)充滿水和空氣，銳利的尖刺全，體內(nèi)充滿水和空氣，銳利的尖刺全部展開(kāi)，后面則是它處于正常、放松的狀態(tài)。一旦膨部展

37、開(kāi)，后面則是它處于正常、放松的狀態(tài)。一旦膨脹起來(lái)，刺猬魚(yú)的身長(zhǎng)將達(dá)到其正常身長(zhǎng)的兩倍，其脹起來(lái)，刺猬魚(yú)的身長(zhǎng)將達(dá)到其正常身長(zhǎng)的兩倍，其中一些種類(lèi)還有毒。如此一來(lái)，這些奇異的水生動(dòng)物中一些種類(lèi)還有毒。如此一來(lái)，這些奇異的水生動(dòng)物少有對(duì)手也就不足為奇了。少有對(duì)手也就不足為奇了。海洋學(xué)家兼電影導(dǎo)演讓海洋學(xué)家兼電影導(dǎo)演讓-米歇爾米歇爾柯斯蒂在書(shū)中寫(xiě)柯斯蒂在書(shū)中寫(xiě)道，道，“90%商業(yè)放養(yǎng)的大型魚(yú)類(lèi)因過(guò)度捕撈從商業(yè)放養(yǎng)的大型魚(yú)類(lèi)因過(guò)度捕撈從海洋消失了。我被迫得出這樣的結(jié)論，即我們海洋消失了。我被迫得出這樣的結(jié)論，即我們正正全力以赴全力以赴消滅海洋中的魚(yú)類(lèi)。消滅海洋中的魚(yú)類(lèi)。”多種海多種海馬處于危險(xiǎn)之中，包

38、括照片中所示的馬處于危險(xiǎn)之中，包括照片中所示的“侏儒小侏儒小海馬海馬”，它們已被列為，它們已被列為“易受威脅易受威脅”物種。物種。39四、俄歇電子和同步輻射四、俄歇電子和同步輻射 (Auger electron and synchrotron radiation ) 外層電子向空位躍遷時(shí)，可以不發(fā)射外層電子向空位躍遷時(shí)，可以不發(fā)射X射線，將射線，將能量傳給同層的其他電子或更外層的電子，這個(gè)電能量傳給同層的其他電子或更外層的電子，這個(gè)電子獲得能量而脫離原子，稱(chēng)為子獲得能量而脫離原子，稱(chēng)為俄歇俄歇(P.V.Auger)電子電子。 對(duì)于一個(gè)原子來(lái)說(shuō)對(duì)于一個(gè)原子來(lái)說(shuō)，激發(fā)態(tài)原子在釋放能量時(shí)只激發(fā)態(tài)原子

39、在釋放能量時(shí)只能進(jìn)行一種發(fā)射：特征能進(jìn)行一種發(fā)射：特征X射線或俄歇電子。原子序數(shù)射線或俄歇電子。原子序數(shù)大的元素，特征大的元素，特征X射線的發(fā)射幾率較大，原子序數(shù)小射線的發(fā)射幾率較大，原子序數(shù)小的元素，俄歇電子發(fā)射幾率較大，當(dāng)原子序數(shù)為的元素，俄歇電子發(fā)射幾率較大，當(dāng)原子序數(shù)為33時(shí)，時(shí)，兩種發(fā)射幾率大致相等。因此，俄歇電子能譜適用于兩種發(fā)射幾率大致相等。因此，俄歇電子能譜適用于輕元素的分析。輕元素的分析。40電磁場(chǎng)理論早就預(yù)言：在真空中以光速運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論帶電粒子在二極磁場(chǎng)電磁場(chǎng)理論早就預(yù)言：在真空中以光速運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論帶電粒子在二極磁場(chǎng)作用下偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)沿著偏轉(zhuǎn)軌道切線方向發(fā)射連續(xù)譜的電磁波。作

40、用下偏轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)沿著偏轉(zhuǎn)軌道切線方向發(fā)射連續(xù)譜的電磁波。http:/ 倍。倍。19471947年人類(lèi)在電子同步加速器上首次觀測(cè)到這種電磁波，通常是在電子同年人類(lèi)在電子同步加速器上首次觀測(cè)到這種電磁波，通常是在電子同步加速器上獲得這種輻射，故稱(chēng)步加速器上獲得這種輻射，故稱(chēng)同步輻射同步輻射，后來(lái)又稱(chēng)為同步輻射光，并稱(chēng)，后來(lái)又稱(chēng)為同步輻射光，并稱(chēng)產(chǎn)生和利用同步輻射光的科學(xué)裝置為同步輻射光源或裝置。產(chǎn)生和利用同步輻射光的科學(xué)裝置為同步輻射光源或裝置。3030多年來(lái)，同步輻射光源已經(jīng)歷了三代的發(fā)展，它的主體是一臺(tái)電子儲(chǔ)存多年來(lái)，同步輻射光源已經(jīng)歷了三代的發(fā)展，它的主體是一臺(tái)電子儲(chǔ)存環(huán)。第一代同步輻射光源的

41、電子儲(chǔ)存環(huán)是為高能物理實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，只是環(huán)。第一代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)是為高能物理實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，只是“寄生寄生”地利用從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射光，故又稱(chēng)地利用從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出的同步輻射光，故又稱(chēng)“兼用光源兼用光源”；第；第二代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)則是專(zhuān)門(mén)為使用同步輻射光而設(shè)計(jì)的，主二代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)則是專(zhuān)門(mén)為使用同步輻射光而設(shè)計(jì)的，主要從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出同步輻射光；第三代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)對(duì)電子要從偏轉(zhuǎn)磁鐵引出同步輻射光；第三代同步輻射光源的電子儲(chǔ)存環(huán)對(duì)電子束發(fā)射度和大量使用插入件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使電子束發(fā)射度比第二代小束發(fā)射度和大量使用插入件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使電子束發(fā)射度比

42、第二代小得多，因此同步輻射光的亮度大大提高，并可從波蕩器等插入件引出高亮得多，因此同步輻射光的亮度大大提高，并可從波蕩器等插入件引出高亮度、部分相干的準(zhǔn)單色光。第三代同步輻射光源根據(jù)其光子能量覆蓋區(qū)和度、部分相干的準(zhǔn)單色光。第三代同步輻射光源根據(jù)其光子能量覆蓋區(qū)和電子儲(chǔ)存環(huán)中電子束能量的不同，又可進(jìn)一步細(xì)分為高能光源、中能光源電子儲(chǔ)存環(huán)中電子束能量的不同，又可進(jìn)一步細(xì)分為高能光源、中能光源和低能光源。憑借優(yōu)良的光品質(zhì)和不可替代的作用，第三代同步輻射光源和低能光源。憑借優(yōu)良的光品質(zhì)和不可替代的作用，第三代同步輻射光源已成為當(dāng)今眾多學(xué)科基礎(chǔ)研究和高技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究的最佳光源。已成為當(dāng)今眾多學(xué)科基礎(chǔ)研究和高技術(shù)開(kāi)發(fā)應(yīng)用研究的最佳光源。 41 同步輻射光具有高度