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1、760nm400nm 可见光可见光 电 磁磁 波波 谱红外线红外线 紫外线紫外线 射射 线线X射线射线长波无线电波长波无线电波频率频率波长波长短波无线电波短波无线电波无线电波无线电波可见光可见光红外线红外线紫外光紫外光X射线射线 射线射线一、一、X射线的发现射线的发现 在在前前面面的的学学习习中中，我我们们发发现现原原子子的的能能级级和和光光谱谱都都由由原原子子的的外外层层电电子子决决定定的的，那那么么内内层层的的电电子子是是否否能能发发生生跃跃迁迁而而产生光谱呢？这正是下面我们要讨论的问题。产生光谱呢？这正是下面我们要讨论的问题。1807年年，英英国国物物理理学学家家道道尔尔顿顿依依据据实实
2、验验提提出出：“气气体体，液液体体和和固固体体都都是是由由该该物物质质的的不不可可分分割割的的原原子子组组成成。”他他还还认认为为，“同同种种元元素素的的原原子子，其其大大小小、质质量量及及各各种种性性质质都都是是相相同同的的。”从从而而把把哲哲学学意意义义上上的的原原子子论论推推广广到到科科学学的的原原子子论。论。X X射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量射线的产生及其波长和强度的测量 那那么么，线线度度大大约约在在10-10m的的原原子子是是否否真真的的不不可可再再分分割了？割了？十十九九世世纪纪末末，连连续续三三年年的的三三大大发发现
3、现，首首开开了了人人们们向向微观世界进军的先河。微观世界进军的先河。它们是：它们是：1895年德国的年德国的Rontgen（伦琴）发现（伦琴）发现X射线；射线；1896年年，法法国国的的Becguerel（贝贝克克勒勒尔尔）发发现现了了放放射射性；性；1897年，英国的年，英国的Thomson（汤姆逊）发现了电子。（汤姆逊）发现了电子。在在1895年年以以前前，由由阴阴极极射射线线管管产产生生的的X射射线线在在实实验验里里已已经经存存在在了了30多多年年，在在射射线线发发现现前前，不不断断有有人人抱抱怨怨，放放在在阴阴极极射射线线管管附附近近的的照照相相底底片片模模糊糊或或感感光光。如如187
4、9年年的的克克鲁鲁克克斯斯，1890年年的的古古德德斯斯比比德德等等人人，但但发发现现 X 射射线线的的却却是是伦伦琴。琴。伦伦琴琴，1845年年出出生生于于德德国国的的一一个个商商人人家家庭庭，1869年年在在苏苏黎黎世世大大学学获获博博士士学学位位。1879年年，在在物物理理学学大大师师亥亥姆姆霍霍兹兹和和基基尔尔霍霍夫夫等等人人的的推推荐荐下下，伦伦琴琴担担任任吉吉森森大大学学物物理理学学教教授授和和物物理理研研究究所所所所长长。于于1894年年任任该该校校校校长长。在在其其就就职职演演说说中中指指出出：“实实验验是是最最有有力力可可靠靠的的手手段段，能能使使我我们们揭揭开开自自然然界界
5、的的奥奥秘秘；实实验验也也是是判判断断假假说说应应当当保保留留还还是是应应当当放放弃弃的的最最后鉴定。后鉴定。”1895年年11月月8日日傍傍晚晚，伦伦琴琴在在研研究究阴阴极极射射线线管管中中气气体体放放电电实实验验时时，为为了了避避免免杂杂光光对对实实验验的的影影响响，他他用用黑黑纸纸板板将将管管子子包包起起来来，却却发发现现距距阴阴极极管管一一段段距距离离外外的的一一块块涂涂有有铂铂氰氰酸酸钡钡(BaPt(CN)6)结结晶晶物物质质的的屏屏幕幕发发出出了了荧荧光光。伦伦琴琴马马上上意意识识到到，这这可可能能是是一一种种前前所所未未有有的的新新射射线线，经经检检查查发发现现，射射线线来来自自
6、阴阴极极射射线线管管管管壁壁。令令人人惊惊奇奇的的是是当当用用木木头头等等不不透透明明物物质质挡挡住住这这种种射射线线时时，荧荧光光屏屏仍仍然然发发光光，而而且且这这种种射射线线能能使使黑黑纸纸包包住住的的照照相相底底片片感感光光，不不被被电电磁磁场场偏偏转转。经经过过一一个个多多月月的的研研究究，他他未未能能搞搞清清这这种种射射线线的的本本质质，因因此此赋赋予予它它一一个个神神秘秘的的名名字字-X射射线线。1895年年12月月28日日，伦伦琴琴向向德德国国物物理理学学医医学学会会递递交交了了第第一一篇篇关关于于X射射线线的的论论文文，论论新新的的射射线，并公布了他夫人的线，并公布了他夫人的X
7、射线手骨照片。射线手骨照片。伦伦琴琴的的发发现现引引起起了了极极大大的的轰轰动动，以以致致于于在在全全世世界界范范围围内内掀掀起起了了X射射线线研研究究热热，1896年年关关于于X射射线线的的研研究究论论文文高高达达1000多篇。多篇。对对X射射线线的的公公布布，促促使使法法国国物物理理学学家家贝贝克克勒勒尔尔也也投投入入到到这这一一研研究究领领域域之之中中。为为了了弄弄清清X射射线线产产生生的的机机制制，他他想想，如如果果把把荧荧光光物物质质放放在在强强光光下下照照时时，是是否否在在发发荧荧光光的的同同时时，也也能能放放出出X射射线线呢呢？于于是是他他把把一一块块荧荧光光物物质质（铀铀的的化
8、化合合物物-钾钾铀铀酰酰硫硫酸酸盐盐晶晶体体）放放在在用用黑黑纸纸包包住住的的照照相相底底片片上上，然然后后放放在在太太阳阳下下晒晒，结结果果在在底底片片上上果果然然发发现现了了与与荧荧光光物物质质形形状相同的状相同的“像像”。一一次次偶偶然然的的机机会会使使他他发发现现，未未经经太太阳阳曝曝晒晒的的底底片片冲冲出出来来后后，出出现现了了很很深深的的感感光光黑黑影影，这这使使他他非非常常吃吃惊惊。是是什什么么使使底底片片感感光光呢呢？跟跟荧荧光光物物质质是是否否有有关关呢呢？他他进进一一步步用用不不发发荧荧光光的的铀铀化化合合物物进进行行实实验验，同同样样使使底底片片感感光光；可可见见铀铀化化
9、合合物物能能发发出出一一种种肉肉眼眼看看不不见见的的射射线线，与与荧荧光光无无关关。1896年年3月月2日日，他他向向法法国国科科学学院院报报告告了了这这一一惊惊人人的的发发现现，从此打开了一个新的研究领域。从此打开了一个新的研究领域。放放射射线线的的发发现现看看似似偶偶然然，但但正正如如杨杨振振宁宁先先生生在在评评价价这这一一故故事事时时所所说说的的那那样样，“科科学学家家的的灵灵感感对对科科学学家家的的发发现现非非常常重重要要；这这种种灵灵感感必必源源于于他他的的丰丰富富的的实实践践和经验。和经验。”W.K.伦琴，德（伦琴，德（1845-1923）第一张诺贝尔物理学奖奖状（第一张诺贝尔物理
10、学奖奖状（1901）伦琴无条件地把伦琴无条件地把X射线的发现奉献给人类，没有申请专利。射线的发现奉献给人类，没有申请专利。(a)第一张第一张X光相片光相片 伦伦琴夫人的左手琴夫人的左手 (b)现现代的代的X光照片光照片 X射线下射线下0.01 1 10()硬硬X射线软射线软X射线射线X射线波长范围及其大致分类射线波长范围及其大致分类 硬硬X射射线线：波波长长较较短短，能能量量较较高高，穿穿透透力力较较强强，适适用用于金属的无损探伤及相关分析。于金属的无损探伤及相关分析。二、二、X射线的分类射线的分类 1、X射线能使照相底片感光；射线能使照相底片感光；2、X射线有很大的贯穿本领；射线有很大的贯穿
11、本领；3、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、X射射线线是是不不可可见见光光，它它能能使使某某些些物物质质发发出出可可见见光的荧光；光的荧光；5、X射射线线本本质质上上是是一一种种电电磁磁波波，同同此此它它具具有有反反射射、折射、衍射、偏振等性质。折射、衍射、偏振等性质。三、三、X射线的性质射线的性质四、四、X射线的产生射线的产生X射线管射线管封闭式封闭式封闭式封闭式X X射线管实质上射线管实质上射线管实质上射线管实质上是一个大的真空二极管是一个大的真空二极管是一个大的真空二极管是一个大的真空二极管X射线管的结构射线管的结构示意图示意图玻璃玻璃铍窗口铍窗口
12、钨丝钨丝接变压器接变压器金属聚灯罩金属聚灯罩金金属属靶靶X X射线射线X X射线射线电子流电子流冷却水冷却水“X射线管剖面示意图射线管剖面示意图”演示：演示：（1）阴极阴极发射热电子。一般由钨丝制成。发射热电子。一般由钨丝制成。（2）阳极阳极靶，使电子突然减速并发出靶，使电子突然减速并发出X射线。射线。（3）窗窗口口X射射线线出出射射通通道道。既既能能让让X射射线线出出射射，又又能能使使管管密密封封。窗窗口口材材料料用用金金属属铍铍或或硼硼酸酸铍铍锂锂构构成成的的林林德德曼曼玻玻璃璃。窗窗口口与与靶靶面面常常成成3-6的的斜斜角角，以以减减少少靶靶面面对对出出射射X射线的阻碍。射线的阻碍。（4
13、）高高速速电电子子转转换换成成X射射线线的的效效率率只只有有1%，其其余余99%都都作作为为热热而而散散发发了了。所所以以靶靶材材料料要要导导热热性性能能好好，常常用用黄黄铜铜或或紫紫铜铜制制作作，还还需需要要循循环环水水冷冷却却。因因此此X射射线线管管的的功功率有限，大功率需要用旋转阳极。率有限，大功率需要用旋转阳极。X射线管的结构射线管的结构五、五、X射线的波动性射线的波动性 由由由由经经经经典典典典电电电电动动动动力力力力学学学学知知知知，加加加加速速速速或或或或减减减减速速速速的的的的带带带带电电电电粒粒粒粒子子子子能能能能辐辐辐辐射射射射电电电电磁磁磁磁波波波波。因因因因此此此此当当
14、当当高高高高速速速速电电电电子子子子流流流流在在在在靶靶靶靶上上上上受受受受阻阻阻阻而而而而停停停停止止止止时时时时必必必必将将将将产产产产生生生生电电电电磁波。磁波。磁波。磁波。伦伦伦伦琴琴琴琴当当当当初初初初误误误误认认认认为为为为X X射射射射线线线线与与与与光光光光无无无无关关关关，直直直直到到到到19061906年年年年巴巴巴巴拉拉拉拉克克克克(英英英英)才才才才显显显显示示示示了了了了X X射射射射线线线线的的的的偏偏偏偏振振振振，证证证证明明明明了了了了X X射射射射线线线线的的的的波波波波动动动动性性性性。但但但但很很很很多人并不相信这一结果。多人并不相信这一结果。多人并不相信
15、这一结果。多人并不相信这一结果。19211921年年年年冯冯冯冯 劳劳劳劳厄厄厄厄(德德德德)设设设设想想想想X X射射射射线线线线是是是是波波波波长长长长很很很很短短短短的的的的电电电电磁磁磁磁波波波波，可可可可在在在在原原原原子子子子规规规规则则则则排排排排列列列列的的的的晶晶晶晶体体体体上上上上发发发发生生生生衍衍衍衍射射射射，后后后后来来来来由由由由弗弗弗弗里里里里特特特特里里里里克克克克和奈平通过实验确证了和奈平通过实验确证了和奈平通过实验确证了和奈平通过实验确证了X X射线的波动性，并测量了它的波长。射线的波动性，并测量了它的波长。射线的波动性，并测量了它的波长。射线的波动性，并测
16、量了它的波长。六、六、X射线的衍射射线的衍射(提供提供X射线波长测量方法射线波长测量方法)X射射线线的的波波长长数数量量级级为为，要要分分辩辩X射射线线的的光光栅栅也也要要在在的的数数量量级级才才行行。晶体有规范的原子排列，且原子间距也在晶体有规范的原子排列，且原子间距也在的数量级，是的数量级，是天然的三维光栅天然的三维光栅。劳劳厄厄想想到到了了这这一一点点，但但普普朗朗克克对对他他的的想想法法不不予予支支持持。后后来来去去找找正正在在攻攻读博士的索末菲，经两次实验后终于成功进行了读博士的索末菲，经两次实验后终于成功进行了X射线的衍射实验。射线的衍射实验。X射线衍射射线衍射实验演示实验演示-K
17、+A 铅板铅板感光胶片感光胶片P晶片晶片d12hd3aADabbCB相邻晶面间两条衍射波之间的光程差为：相邻晶面间两条衍射波之间的光程差为：相干叠加极大值条件：相干叠加极大值条件：利利用用布布喇喇格格衍衍射射公公式式可可测测量量X射射线线的的波波长长，也也可可测测未未知知晶晶体体的的晶晶格常数。格常数。布喇格晶体衍射公式布喇格晶体衍射公式 不不同同晶晶面面间间距距不不同同。一一定定波波长长的的入入射射线线，对对于于不不同同晶晶面面有有不不同同的的掠射角，在满足布喇格晶体衍射公式的方向产生衍射极大。掠射角，在满足布喇格晶体衍射公式的方向产生衍射极大。七、旋转式七、旋转式X射线的摄谱仪简介射线的摄
18、谱仪简介 经经经经由由由由铅铅铅铅制制制制成成成成的的的的狭狭狭狭缝缝缝缝后后后后的的的的X X射射射射线线线线束束束束，射射射射到到到到单单单单晶晶晶晶体体体体C C上上上上（C C可可可可绕竖直轴旋转），以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片。绕竖直轴旋转），以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片。绕竖直轴旋转），以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片。绕竖直轴旋转），以竖直旋转轴为中心的圆弧上置照相底片。当当当当掠掠掠掠射射射射角角角角正正正正好好好好满满满满足足足足布布布布喇喇喇喇格格格格公公公公式式式式时时时时，在在在在反反反反射射射射方方方方向向向向上上上上得得得得到到到到该该该该波长波
19、长波长波长X X射线的衍射极大，在底片上形成一条细黑条纹。射线的衍射极大，在底片上形成一条细黑条纹。射线的衍射极大，在底片上形成一条细黑条纹。射线的衍射极大，在底片上形成一条细黑条纹。因因因因晶晶晶晶体体体体可可可可绕绕绕绕竖竖竖竖直直直直轴轴轴轴转转转转动动动动，所所所所以以以以可可可可得得得得到到到到与与与与不不不不同同同同波波波波长长长长对对对对应应应应的的的的条条条条纹纹纹纹，即即即即不不不不同同同同波波波波长长长长的的的的X X射射射射线线线线谱谱谱谱线线线线。由由由由晶晶晶晶体体体体晶晶晶晶格格格格常常常常数数数数与与与与谱谱谱谱线线线线位位位位置置置置(与与与与掠掠掠掠射射射射角
20、角角角)对对对对应应应应，可可可可算算算算出出出出各各各各条条条条谱谱谱谱线线线线的的的的波波波波长长长长。而而而而底底底底片片片片的的的的黑黑黑黑度度度度则对应于该波长则对应于该波长则对应于该波长则对应于该波长X X射线的强度。射线的强度。射线的强度。射线的强度。X射线衍射的应用实例射线衍射的应用实例已知已知X射线的波长测定晶体的晶格常数。射线的波长测定晶体的晶格常数。X射线射线分析仪分析仪原理：原理：1953年年英英国国的的威威尔尔金金斯斯、沃沃森森和和克克里里克克利利用用X射射线线的的结结构构分分析析得得到到了了遗遗传传基基因因脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸(DNA)的的双双螺螺旋旋结结构构,
21、获获1962年年诺诺贝贝尔尔生生物物和和医学奖。医学奖。实验表明，实验表明，X射线谱由两部分构成射线谱由两部分构成连续谱：连续谱：加速电压不太高时，加速电压不太高时，X射线的强度随波长连续变化。射线的强度随波长连续变化。线状谱：线状谱：加速电压达一定值时，连续谱上叠加着某些尖峰。加速电压达一定值时，连续谱上叠加着某些尖峰。钼靶的标识谱钼靶的标识谱叠加在连续谱上叠加在连续谱上121086420相对相对强度强度0.02 0.04 0.06 0.08 1.00/nm/nm20kV30kV35kVX X射线的发射谱射线的发射谱射线的发射谱射线的发射谱一、连续谱：由轫致辐射导致连续谱一、连续谱：由轫致辐
22、射导致连续谱 高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用而速度骤减而速度骤减而速度骤减而速度骤减(连续变化连续变化连续变化连续变化)时产生的辐射。时产生的辐射。时产生的辐射。时产生的辐射。连续谱的特点：有一明显极限连续谱的特点：有一明显极限(短波波长短波波长):一个电子在电场中得到动能一个电子在电场中得到动能一个电子在电场中得到动能一个电子在电场中得到动能eVeV，当它到达靶核时动能，当它到达靶核时动能，当它到达靶核时动能，当它到达靶核时动能全部转化为辐射能，由此发出的光波长最
23、短，为全部转化为辐射能，由此发出的光波长最短，为全部转化为辐射能，由此发出的光波长最短，为全部转化为辐射能，由此发出的光波长最短，为 代入常数后即得上式（称为量子极限）。代入常数后即得上式（称为量子极限）。代入常数后即得上式（称为量子极限）。代入常数后即得上式（称为量子极限）。据据此此式式，若若测测出出外外加加高压则可精确地测出高压则可精确地测出h 上上式式最最早早是是在在实实验验工工作作中中，从从实实验验数数据据的的总总结结得得到到的。需要指出的是，解释光电效应的的。需要指出的是，解释光电效应的Einstein方程是：方程是：当金属的逸出功很小时，近似的有：当金属的逸出功很小时，近似的有：这
24、与这与(1)式在形式上是完全相同的。式在形式上是完全相同的。因此，因此，X射线连续谱可称为光电效应的射线连续谱可称为光电效应的逆效应逆效应。二、标识谱二、标识谱(特征辐射特征辐射)1、产产生生条条件件:当当电电子子的的能能量量(加加速速电电压压)超超过过某某一一临临界界值值时时，除除有有连连续续谱谱外外，还还在在连连续续谱谱的的背背景景上上迭迭加加一一些些线线状状谱。谱。2、特特征征:线线状状谱谱的的位位置置和和结结构构与与阳阳极极材材料料有有关关，即即不不同同元元素素的的阳阳极极材材料料发发射射的的线线状状光光谱谱虽虽有有相相似似结结构构，但但波波长长不不同同，按按原原子子序序数数顺顺序序排
25、排列列时时，波波长长依依次次变变化化，不不显显示示周周期期性性变变化化（教教材材第第227页页图图）。每每种种元元素素都都有有一一特特定定的的波波长长的线状光谱，即特征的线状光谱，即特征X射线谱成为这种元素的标证。射线谱成为这种元素的标证。3、产产生生机机制制:从从阴阴极极发发出出的的高高速速电电子子打打到到阳阳极极上上，由由于于电电子子能能量量很很高高，它它能能深深入入到到原原子子的的内内层层，将将内内壳壳层层电电子子之之一一击击出出原原子子之之外外，使使原原子子电电离离，并并在在内内壳壳层层出出现现一一个个空空穴穴。当当邻邻近近内内壳壳层层的的电电子子跃跃迁迁到到这这个个空空穴穴时时，就就
26、发发射射出出波波长长很很短短的的X射射线线，由由于于内内壳壳层层能能级级分分立立，所所以以产产生生X射射线线的的线线状状谱谱。原原子子序序数数较较大大的的元元素素，内内壳壳层层能能级级间间隔隔就就越越大大，发发出出的的X射射线线的的光光子子能能量量高高，波波长长就就短短，所所以以波波长长依依次次变变化化，不不具具有有周周期性。期性。莫莫塞塞莱莱定定律律反反映映的的是是各各元元素素标标识识谱谱的的频频率率与与Z的的近近似似关关系系,第一次提供了精确测量第一次提供了精确测量Z的方法。的方法。激发电子的屏蔽常数激发电子的屏蔽常数激发电子的屏蔽常数激发电子的屏蔽常数 与电子所在壳层与电子所在壳层与电子
27、所在壳层与电子所在壳层n n有关。有关。有关。有关。三、莫塞莱定律三、莫塞莱定律 1913年年，英英国国物物理理学学家家Moseley通通过过对对不不同同元元素素(不不同同Z)的的X射射线线标标识识谱谱加加以以分分析析(共共分分析析了了从从钴钴到到金金的的38种种元元素素)，发发现现一一个个规规律律：对对同同一一线线系系的的某某条条谱谱线线来来说说，不不同同元元素素的的X射射线线频频率的平方根与原子序数率的平方根与原子序数Z成线性关系。成线性关系。对于对于对于对于KK 线的莫塞莱经验公式：（两种表示法）线的莫塞莱经验公式：（两种表示法）线的莫塞莱经验公式：（两种表示法）线的莫塞莱经验公式：（两
28、种表示法）式式中中反反映映了了跃跃迁迁电电子子之之外外的的电电子子对对核核的的总总屏屏蔽蔽效效应应，即即跃跃迁迁电电子子感感受受到到的的有有效效电电荷荷是是Z-，这这样样当当n=2上上的的电电子子向向n=1跃跃迁迁产产生生K线时，我们有线时，我们有 玻玻尔尔于于1913年年发发表表了了三三篇篇文文章章提提出出关关于于原原子子的的量量子子学学说说，这这直直接接启启发发了了莫莫塞塞莱莱，他他发发现现他他的的经经验验公公式式可可从从玻玻尔尔理理论论导导出出。根根据据玻玻尔尔理理论论，内内壳壳层层中中缺缺一一个个电电子子的的状状态态与与碱碱金金属属原原子子中中n能能级级的的状状态态相相似似，所所以以n
29、能能级级的的状状态态能能近近似似用用碱碱金金属属原原子子能能级级公公式式表表示：示：实验表明实验表明 ，将其余常数代入得，将其余常数代入得102030405060708090ZX射线线系的莫塞莱图射线线系的莫塞莱图 以波数的平方根为纵坐标。对于重元素，这些图基以波数的平方根为纵坐标。对于重元素，这些图基本为直线；对于轻元素会有所偏离。本为直线；对于轻元素会有所偏离。四、产生特征辐射的前提条件四、产生特征辐射的前提条件必须先使内层电子必须先使内层电子必须先使内层电子必须先使内层电子电离而产生电离而产生电离而产生电离而产生“空穴空穴空穴空穴”有多种，如用高能电子束、质子束、有多种，如用高能电子束、
30、质子束、有多种，如用高能电子束、质子束、有多种，如用高能电子束、质子束、X X射线等轰击原子内层电子射线等轰击原子内层电子射线等轰击原子内层电子射线等轰击原子内层电子 当当当当原原原原子子子子内内内内层层层层产产产产生生生生空空空空穴穴穴穴后后后后，较较较较外外外外层层层层电电电电子子子子立立立立即即即即自自自自发发发发地地地地填填填填充充充充空空空空穴，同时以辐射光子的方式释放多余的能量，即发射穴，同时以辐射光子的方式释放多余的能量，即发射穴，同时以辐射光子的方式释放多余的能量，即发射穴，同时以辐射光子的方式释放多余的能量，即发射X X射线。射线。射线。射线。原子态原子态K线系线系L线系线系
31、 X X射射射射线线线线因因因因电电电电子子子子跃跃跃跃迁迁迁迁方方方方式式式式不不不不同同同同而而而而分分分分为为为为几几几几个个个个线线线线系系系系。同同同同一一一一线线线线系系系系中中中中又又又又以以以以初初初初态态态态的的的的不不不不同同同同再再再再用用用用脚脚脚脚码码码码等等等等标标标标注注注注不不不不同同同同的的的的谱谱谱谱线线线线。因因因因能能能能级级级级的的的的精精精精细细细细结结结结构构构构，KK 又又又又分分分分为为为为KK11和和和和KK22。同同同同X X射线有关的原子能级射线有关的原子能级射线有关的原子能级射线有关的原子能级K K态（击走态（击走K K电子）电子）L
32、L态（击走态（击走L L电子）电子）M M态（击走态（击走M M电子）电子）N N态（击走态（击走N N电子）电子）击走价电子击走价电子中性原子中性原子原原子子的的能能量量电子冲击阳级靶电子冲击阳级靶X X射线射出射线射出“连续连续X射线产生过程射线产生过程”演演示示K K态（击走态（击走K K电子）电子）L L态（击走态（击走L L电子）电子）M M态（击走态（击走M M电子）电子）N N态（击走态（击走N N电子）电子）击走价电子击走价电子中性原子中性原子原原子子的的能能量量K K激发激发 L L激发激发K Ka a辐射辐射K K辐射辐射L L辐射辐射“标识标识X射线产生过程射线产生过程”
33、演演示示 K层层电电子子被被击击出出时时，原原子子系系统统能能量量由由基基态态升升到到K激激发发态态，高高能能级级电电子子向向K层层空空位位填填充充时时产产生生K系系辐辐射射。L层层电电子子填填充充空空位位时时，产产生生K辐辐射射；M层层电电子子填填充充空位时产生空位时产生K辐射。辐射。由由能能级级可可知知K辐辐射射的的光光子子能能量量大大于于K的的能能量量，但但K层层与与L层层为为相相邻邻能能级级，L层层电电子子填填充充几几率率大大，所所以以K的强度约为的强度约为K的的5倍。倍。K系激发机理系激发机理 设设K层层有有一一个个空空穴穴，L层层的的一一个个电电子子跃跃迁迁到到K层层并并释释放放X
34、射射线线，也也可可能能不不释释放放X射射线线而而将将多多余余能能量量传传递递给给另另一一层层（例例如如M层层）的的一一个个电电子子而而使使这这一电子脱离原子（一电子脱离原子（“二次电离效应二次电离效应”），此电子称为俄歇电子。），此电子称为俄歇电子。原子内壳层产生原子内壳层产生空穴后释放能量空穴后释放能量的两种途径的两种途径or：释放：释放X射线射线（重元素的几率较大）（重元素的几率较大）or：发射俄歇电子：发射俄歇电子（轻元素的几率较大）（轻元素的几率较大）二、标识谱产生的其它效应二、标识谱产生的其它效应1 1、俄歇电子、俄歇电子（19231923，由法国物理学家俄歇发现），由法国物理学家俄
35、歇发现）设设为为相相应应层层的的结结合合能能，电电子子由由L向向K跃跃迁迁释释放放能能量量（K-L），如如这这部部分分能能量量被被M层层中中的的一一个个电电子子获获得得，则则从从M层发出的俄歇电子的动能为：层发出的俄歇电子的动能为：完完完完全全全全取取取取决决决决于于于于元元元元素素素素自自自自身身身身，可可可可作作作作为分析元素的手段为分析元素的手段为分析元素的手段为分析元素的手段 2、核核激激发发效效应应：内内层层电电子子间间的的跃跃迁迁，将将能能量量传传给给原原子子核核，使使原原子子核核跃跃迁迁到到激激发发态态。此此效效应应是是日日本本物物理理学学家家森森田田正正一一提提出的，并被实验所
36、证实。出的，并被实验所证实。设设一一束束X射射线线，射射向向吸吸收收体体前前强强度度是是I0，通通过过厚厚度度为为dx的的吸吸收收体体后后，强强度度增增量量为为dI。减减少少量量-dI将将正正比于比于dx和通过和通过dx时的强度时的强度I，若取比例系数为，若取比例系数为，则，则-dI=I(x)dx两边积分得两边积分得可见强度可见强度I(x)随厚度随厚度x指数衰减。指数衰减。8.4 X射线的吸收射线的吸收一、强度表达式一、强度表达式1 1、线性吸收系数、线性吸收系数二、关于吸收系数的讨论二、关于吸收系数的讨论上上式式中中，x单单位位：cm，单单位位：cm-1，称称其其为为线线性性吸吸收收系系数数
37、。通通常常定定义义x=1时时的的x为为吸吸收收长长度度，即即吸吸收收长长度度等等于于1/，它它表表示示透透射射粒粒子子占占入入射射粒粒子子37%时时吸吸收收体的厚度。体的厚度。式中式中x称为质量厚度，单位是称为质量厚度，单位是g/cm2；/称为质量吸称为质量吸收系数，单位为收系数，单位为cm2/g。2、质量吸收系数、质量吸收系数 为为了了使使吸吸收收系系数数的的数数值值不不依依赖赖于于吸吸收收体体的的物物理理状状态态（汽汽、液液、固固），定定义义质质量量吸吸收收系系数数/，其其中中是是吸收体密度。吸收体密度。则则 /不不不不再再再再依依依依赖赖赖赖吸吸吸吸收收收收体体体体的的的的物物物物理理理
38、理状状状状态态态态，因因因因而而而而更更更更能能能能反反反反映映映映吸吸吸吸收体的吸收本领，同时也给测量带来方便。收体的吸收本领，同时也给测量带来方便。收体的吸收本领，同时也给测量带来方便。收体的吸收本领，同时也给测量带来方便。在在E图中，在某一个能量图中，在某一个能量E处，处，发生突变，称之为吸发生突变，称之为吸收限。收限。三、吸收限三、吸收限 产产生生吸吸收收限限的的原原因因是是：当当X射射线线的的能能量量恰恰能能将将吸吸收体某一内层电子电离，从而引起原子的共振吸收。收体某一内层电子电离，从而引起原子的共振吸收。K K吸收限表示光子的能量足以使一个吸收限表示光子的能量足以使一个吸收限表示光
39、子的能量足以使一个吸收限表示光子的能量足以使一个1s1s电子脱离原子；电子脱离原子；电子脱离原子；电子脱离原子；L L吸收限表示光子的能量足以使一个吸收限表示光子的能量足以使一个吸收限表示光子的能量足以使一个吸收限表示光子的能量足以使一个2s2s电子脱离原子；电子脱离原子；电子脱离原子；电子脱离原子；吸吸吸吸收收收收限限限限的的的的存存存存在在在在，再再再再一一一一次次次次有有有有力力力力地地地地证证证证实实实实了了了了原原原原子子子子中中中中电电电电子子子子壳壳壳壳层层层层结构的实在性。结构的实在性。结构的实在性。结构的实在性。心心血血管管阻阻塞塞是是严严重重的的心心血血管管病病变变，治治疗
40、疗的的第第一一步步是是查出阻塞的地点。常用的方法是心血管造影。查出阻塞的地点。常用的方法是心血管造影。在在血血管管中中注注入入造造影影剂剂碘碘（131I）；I对对X射射线线吸吸收收要要比比肌肌肉肉、骨骨骼骼对对X射射线线吸吸收收强强得得多多。因因此此，在在X光光照照射射下下，哪里血管有阻塞，哪里血管有阻塞，I无法达到，哪里就能被显示出来。无法达到，哪里就能被显示出来。它的原理是：它的原理是：四、吸收限的应用四、吸收限的应用在心血管造影术上的应用在心血管造影术上的应用 但但这这种种方方法法要要求求有有较较大大浓浓度度才才能能造造影影，所所以以早早期期是是将将很很细细的的导导管管插插入入人人体体股
41、股动动脉脉，在在导导管管中中注注入入碘碘再再造造影影，病人痛苦而且有一定危险。病人痛苦而且有一定危险。新新的的造造影影术术利利用用碘碘的的K吸吸收收限限，在在碘碘的的浓浓度度不不是是很很大大时时，用用两两种种能能量量E1、E2的的X射射线线分分别别造造影影；E1、E2分分别别在在K吸吸收收限限的的上上下下端端，相相差差很很小小，则则E1吸吸收收系系数数很很小小，E2吸吸收收系系数数很很大大，对对两两次次造造影影的的进进行行数数值值处处理理并并相相减减，以以消消除肌肉和骨骼的影响。除肌肉和骨骼的影响。两两次次造造影影时时，肌肌肉肉、骨骨骼骼对对的的贡贡献献是是几几乎乎相相同同的的。剩剩下下的的仅
42、仅是是碘碘对对射射线线吸吸收收的的贡贡献献。如如果果某某一一个个部部位位两两次次造造影影值值相相减减后后几几乎乎为为零零，说说明明没没有有碘碘的的贡贡献献，这这就就很很容容易查出血管阻塞处。易查出血管阻塞处。采采用用这这种种方方法法，碘碘通通过过静静脉脉注注入入血血管管，在在全全身身扩扩散散后后，尽管浓度不大，也能达到很好的造影效果。尽管浓度不大，也能达到很好的造影效果。康普顿效应（证明康普顿效应（证明X射线的粒子性）射线的粒子性）（19231923）美美,(1892-1962）X射射线线与与物物质质作作用用时时，被被散散射射的的X射射线线中中有有波波长长增增长长（频频率率减减小小）的的成成分
43、分出出现现，并并且且波波长长的的增增长长量量随随着着散散射射角角的的增增大大而而增增大大，和散射材料无关。和散射材料无关。获获1927年度年度诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖X射线管射线管-+光光阑阑散射晶体散射晶体探测器探测器 0 散射线中有两种波长散射线中有两种波长 0、随散射角随散射角 的增大而增大的增大而增大实验规律实验规律散射晶体散射晶体受迫振动受迫振动 单色电磁波单色电磁波照射照射电子受电子受迫振动迫振动发射发射同频率散射线同频率散射线说明：经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明说明：经典理论只能说明波长不变的散射，而不能说明康普顿散射。康普顿散射。1、入射光子与外层电子弹性碰撞、
44、入射光子与外层电子弹性碰撞 外外层电子子受原子核束受原子核束缚较弱弱动能光子能量能光子能量近似自由近似自由近似静止近似静止静止自由静止自由电子子体系的能量、动量守恒体系的能量、动量守恒必须考虑相对论效应必须考虑相对论效应必须考虑相对论效应必须考虑相对论效应经改写经改写后可得后可得上式表明上式表明:散射光子的能量是入射光子能量的函数。散射光子的能量是入射光子能量的函数。利用：利用：经整理后得经整理后得反冲电子的最大能量和光子的最小能量：反冲电子的最大能量和光子的最小能量：2、X射线光子和原子内层电子相互作用射线光子和原子内层电子相互作用光子质量远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。光子质量
45、远小于原子，碰撞时光子不损失能量，波长不变。内层电子被紧紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。内层电子被紧紧束缚，光子相当于和整个原子发生碰撞。光子光子内层电子内层电子外层电子外层电子波长变大的散射线波长变大的散射线波长不变的散射线波长不变的散射线三、物理意义三、物理意义入射光子的能量与电子静止能入射光子的能量与电子静止能入射光子的能量与电子静止能入射光子的能量与电子静止能量相等时，相应的光子波长：量相等时，相应的光子波长：量相等时，相应的光子波长：量相等时，相应的光子波长：可理解为可理解为可理解为可理解为:在在在在/2/2/2/2时，入射波与散射波的波长之差时，入射波与散射波的波长之差时，入
46、射波与散射波的波长之差时，入射波与散射波的波长之差.1、电子的康普顿波长：、电子的康普顿波长：入射波波长的最大增值入射波波长的最大增值入射波波长的最大增值入射波波长的最大增值当当当当 时得到康普顿散射引时得到康普顿散射引时得到康普顿散射引时得到康普顿散射引起的最大位移起的最大位移起的最大位移起的最大位移只有对只有对只有对只有对nmnmnmnm的的的的X X X X射线才能使射线才能使射线才能使射线才能使/大到足以观察的程度。大到足以观察的程度。大到足以观察的程度。大到足以观察的程度。对实际测量来说，有意义的是对实际测量来说，有意义的是对实际测量来说，有意义的是对实际测量来说，有意义的是/如：对
47、于如：对于如：对于如：对于500nm500nm500nm500nm的可见光，的可见光，的可见光，的可见光，/小得无法被量度。这就是为什么只有小得无法被量度。这就是为什么只有小得无法被量度。这就是为什么只有小得无法被量度。这就是为什么只有在在在在X X X X射线散射中才观察到康普顿效应的缘故。射线散射中才观察到康普顿效应的缘故。射线散射中才观察到康普顿效应的缘故。射线散射中才观察到康普顿效应的缘故。四、康普顿散射与基本常数四、康普顿散射与基本常数 在在康康普普顿顿散散射射公公式式中中，h和和c都都起起关关键键作作用用。若若h0，c，则，则0，即回到经典物理。，即回到经典物理。上上述述理理论论结
48、结果果与与实实验验相相符符，故故康康普普顿顿散散射射有有力力地地支支持持了了光光的的粒粒子子性性和和狭义相对论。狭义相对论。康普康普顿散射提供了：散射提供了：1）独立）独立测定定h的方法！的方法！2）测定定光光子子能能量量h的的方法！方法！波长波长 0 轻物质（多数电子处于弱束缚状态轻物质（多数电子处于弱束缚状态 ）弱弱强强重物质（多数电子处于强束缚状态重物质（多数电子处于强束缚状态 ）强强弱弱吴有训（吴有训（1897-1897-19771977），我国近代），我国近代物理学奠基人之一。物理学奠基人之一。以系统、精湛的实以系统、精湛的实验为康普顿效应的验为康普顿效应的确立做出了重要贡确立做出了
49、重要贡献。其实验结果见献。其实验结果见右图。右图。例例：0 的的X射射线线与与静静止止的的自自由由电电子子碰碰撞撞，若若从从与与入入射射线线成成900的方向观察散射线，求散射线的波长的方向观察散射线，求散射线的波长。能量守恒，反冲电子动能量守恒，反冲电子动能等于光子能量之差能等于光子能量之差解：动量守恒解：动量守恒根据动能、动量关系根据动能、动量关系波长为波长为五、光子与物质的相互作用五、光子与物质的相互作用 光光子子束束与与物物质质中中电电子子的的作作用用引引起起光光子子的的能能量量损损失失和和方方向向偏偏转转。因因此此，光光子子束束穿穿过过吸吸收收体体后后，能能量降低并有一个弥散。量降低并
50、有一个弥散。光光子子要要么么不不受受相相互互作作用用，要要么么经经一一次次相相互互作作用用后后就就从从射射线线中中束中消失。束中消失。当当光光子子能能量量大大于于电电子子静静止止能能量量的的两两倍倍（即即）时时，光光子子在在原原子子核核附附近转化为一对正负电子。近转化为一对正负电子。三三种种效效应应的的重重要要性性随随吸吸收收物物的的不不同同而而不不同同，也也随随光光子子能能量量的的不不同同而不同。而不同。光子与物质的三种相互作用光子与物质的三种相互作用E/MeVZ光电效光电效应为主应为主康普顿康普顿效应为主效应为主电电子子偶偶效效应为主应为主X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用康普顿效