高二物理競(jìng)賽X射線的產(chǎn)生與測(cè)量課件

第八章X射線

X射線,是一種波長(zhǎng)較短的電磁波.X射線譜的某些特性反映了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況.通過(guò)X射線可以對(duì)原子結(jié)構(gòu)問(wèn)題進(jìn)一步的探索.

電磁波譜

波長(zhǎng)（cm）頻率（Hz）紫外紅外X射線毫米波微波（電視、雷達(dá)）短波長(zhǎng)波γ射線可見(jiàn)光X射線是德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)的。1845年出生于德國(guó)的一個(gè)商人家庭，1869年在蘇黎世大學(xué)獲博士學(xué)位。1895年11月8日傍晚，倫琴在研究陰極射線管中氣體放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了避免雜光對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，他用黑紙板將管子包起來(lái)，卻發(fā)現(xiàn)距陰極管一段距離外的一塊涂有鉑氰酸鋇結(jié)晶物質(zhì)的屏幕發(fā)出了熒光，倫琴馬上意識(shí)到,這可能是一種前所未有的新射線，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),射線來(lái)自陰極射線管管壁。

令人驚奇的是，當(dāng)用木頭等不透明物質(zhì)擋住這種射線時(shí)，熒光屏仍然發(fā)光，而且這種射線能使黑紙包住的照相底片感光，不被電磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的研究，他未能搞清這種射線的本質(zhì)，因此賦予它一個(gè)神秘的名字--X射線。1895年12月28日，倫琴向德國(guó)物理學(xué)醫(yī)學(xué)會(huì)遞交了第一篇關(guān)于X射線的論文，《論新的射線》，并公布了他夫人的X射線手骨照片。1901年，他成為諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第一人。

其實(shí)，在1895年以前，由陰極射線管產(chǎn)生的X射線在實(shí)驗(yàn)里已經(jīng)存在了30多年，在射線發(fā)現(xiàn)前，不斷有人抱怨，放在陰極射線管附近的照相底片模糊或感光。如1879年的克魯克斯，1890年的古德斯比德等人，但他們都是“當(dāng)真理碰到鼻尖上還讓其溜走了”的人。倫琴的發(fā)現(xiàn)引起了極大的轟動(dòng)，以致于在全世界范圍內(nèi)掀起了X射線研究熱，1896年關(guān)于X射線的研究論文高達(dá)1000多篇.1922-23年間，康普頓證實(shí)X射線的粒子性，1927年諾獎(jiǎng)。1912年，勞厄證實(shí)X射線干涉、衍射波動(dòng)性，1914年諾貝爾獎(jiǎng)；1912-1913年間，布喇格父子用晶體衍射測(cè)出X射線波長(zhǎng)，1915年諾獎(jiǎng)。1906年，巴克拉通過(guò)偏振現(xiàn)象證實(shí)X射線是電磁波；1917年因特征X射線獲諾獎(jiǎng)；1979年，科馬克、洪斯菲爾德因X射線層析圖像技術(shù)獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。光學(xué)光譜:原子受激發(fā),價(jià)電子躍遷所獲得的光譜。(從紅外線---可見(jiàn)光---紫外線：10-3~10-8米）原子光譜X射線光譜：原子內(nèi)殼層電子躍遷所獲得的光譜。一.X射線的產(chǎn)生陰極發(fā)射的電子被電壓V（一般是幾萬(wàn)伏特）加速打到陽(yáng)極靶上,高速電子流與靶相撞時(shí),電子因受阻失去動(dòng)能,其中部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?.1X射線的產(chǎn)生與測(cè)量二.X射線的性質(zhì)1）X射線能使照相底片感光；2）X射線有很大的貫穿本領(lǐng)；3）X射線能使某些物質(zhì)的原子、分子電離；4）X射線是不可見(jiàn)光，它能使某些物質(zhì)發(fā)出可見(jiàn)的熒光；5）X射線本質(zhì)上是一種（波長(zhǎng)極短0.01nm-10nm

的）電磁波，具有反射、折射、衍射、偏振等波動(dòng)性質(zhì)。<0.1nm：硬X射線，>0.1nm：軟X射線。加速(或減速)的帶電離子能輻射出電磁波.當(dāng)高速電子在靶上突然受阻而停止時(shí),必將產(chǎn)生電磁波.X射線是電磁波的一種.1906年,英國(guó)物理學(xué)家巴克拉(G.GBarkla)才顯示了X射線的偏振,首次用實(shí)驗(yàn)證明了X射線的波動(dòng)性.1912年,德國(guó)物理學(xué)家馮.勞厄提出設(shè)想,認(rèn)為X射線是波長(zhǎng)很短的電磁波,晶體中各原子有規(guī)則的排列可以使X射線發(fā)生衍射.其建議很快為弗里德里克和尼平的實(shí)驗(yàn)所證實(shí).其衍射圖樣稱勞厄斑.此后,布喇格父子（英,W.H.布喇格和W.L.布喇格）進(jìn)一步研究并對(duì)勞厄斑做出簡(jiǎn)明解釋.他們認(rèn)為,晶格點(diǎn)陣中的粒子可組成許多平行平面（晶面）,衍射包括同一晶面內(nèi)各原子發(fā)出的子波之間的相干疊加,也包括各晶面之間的子波的相干疊加。三.X射線的波動(dòng)性1.X射線是電磁波（橫波）起偏檢偏偏振這個(gè)概念只是對(duì)橫波才存在.橫波是指電磁振動(dòng)方向與波的傳播方向k相垂直的波.若電矢量E恒定在一個(gè)方向,則稱之為線偏振(或平面偏振).若E隨時(shí)間作周期性變化,如E在垂直于k的平面上作圓周運(yùn)動(dòng),則稱之為圓偏振;如E在垂直于k的平面上作橢圓運(yùn)動(dòng),則稱之為橢圓偏振.假若電矢量的方向是無(wú)規(guī)變化的,那么相應(yīng)的波是不偏振的.1906年,英國(guó)物理學(xué)家巴克拉(G.GBarkla)利用雙散射技術(shù)測(cè)量了X射線的偏振特性,從而第一次證實(shí)了X射線的橫波特性.雙散射技術(shù)是測(cè)量任何射線線偏振特性的有效方法。2.X射線的衍射（波長(zhǎng)測(cè)量）波動(dòng)性－X射線在晶體的衍射利用X射線在晶體的衍射可以測(cè)定它的波長(zhǎng)。2dsin=n，n=1、2、…..晶體—原子規(guī)則周期性排列，晶格常數(shù)d~X射線波長(zhǎng)~?晶體作為立體光柵，一束X射線射入晶體時(shí)，將發(fā)生衍射，出射線就會(huì)加強(qiáng)。

從任何一晶面(布拉格面)上，那些出射方向?qū)ζ矫娴膬A角與入射線的傾角相等的X射線，滿足布拉格公式晶體可形成許多不同取向的晶面。X射線經(jīng)不同晶面反射時(shí)，凡光程滿足布喇格公式,在該方向衍射的X光將得到加強(qiáng)，出現(xiàn)了亮斑。對(duì)于λ和d兩個(gè)量，只要已知其一，便可知其二。1953年測(cè)得的脫氧核糖核酸（DNA）的雙螺旋結(jié)構(gòu)就是根據(jù)對(duì)X射線衍射圖樣的分析而提出來(lái)的.(2)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；從而可進(jìn)一步求得阿伏伽德羅常數(shù)。(3)X射線分析可用來(lái)研究高分子的結(jié)構(gòu)

(1)利用X射線在晶體中的衍射可測(cè)量X射線的波長(zhǎng)。DNA晶體衍射圖樣例題:

實(shí)驗(yàn)上利用x射線法測(cè)定普朗克常數(shù)時(shí)，把晶體放在某一角度θ上，θ為晶面與入射x射線的夾角。逐漸增加射線管兩端的電位差，直至在此角度位置出現(xiàn)譜線，以此來(lái)決定普朗克常數(shù)h。現(xiàn)有一晶格常數(shù)為2.81的巖鹽晶體置于θ=14о的位置上，在此角度首