第八章X射線

X射線,是一種波長較短的電磁波.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X射線可以對原子結(jié)構(gòu)問題進一步的探索.

電磁波譜

波長（cm）頻率（Hz）紫外紅外X射線毫米波微波（電視、雷達）短波長波γ射線可見光X射線是德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)的。1845年出生于德國的一個商人家庭，1869年在蘇黎世大學獲博士學位。1895年11月8日傍晚，倫琴在研究陰極射線管中氣體放電實驗時，為了避免雜光對實驗的影響，他用黑紙板將管子包起來，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),射線來自陰極射線管管壁。

令人驚奇的是，當用木頭等不透明物質(zhì)擋住這種射線時，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，不被電磁場偏轉(zhuǎn)。經(jīng)過一個多月的研究，他未能搞清這種射線的本質(zhì)，因此賦予它一個神秘的名字--X射線。1895年12月28日，倫琴向德國物理學醫(yī)學會遞交了第一篇關(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獎第一人。

其實，在1895年以前，由陰極射線管產(chǎn)生的X射線在實驗里已經(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，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1000多篇.1922-23年間，康普頓證實X射線的粒子性，1927年諾獎。1912年，勞厄證實X射線干涉、衍射波動性，1914年諾貝爾獎；1912-1913年間，布喇格父子用晶體衍射測出X射線波長，1915年諾獎。1906年，巴克拉通過偏振現(xiàn)象證實X射線是電磁波；1917年因特征X射線獲諾獎；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)學獎。光學光譜:原子受激發(fā),價電子躍遷所獲得的光譜。(從紅外線---可見光---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（一般是幾萬伏特）加速打到陽極靶上,高速電子流與靶相撞時,電子因受阻失去動能,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射線是不可見光，它能使某些物質(zhì)發(fā)出可見的熒光；5）X射線本質(zhì)上是一種（波長極短0.01nm-10nm

的）電磁波，具有反射、折射、衍射、偏振等波動性質(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.當高速電子在靶上突然受阻而停止時,必將產(chǎn)生電磁波.X射線是電磁波的一種.1906年,英國物理學家巴克拉(G.GBarkla)才顯示了X射線的偏振,首次用實驗證明了X射線的波動性.1912年,德國物理學家馮.勞厄提出設(shè)想,認為X射線是波長很短的電磁波,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驗所證實.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）進一步研究并對勞厄斑做出簡明解釋.他們認為,晶格點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射線的波動性1.X射線是電磁波（橫波）起偏檢偏偏振這個概念只是對橫波才存在.橫波是指電磁振動方向與波的傳播方向k相垂直的波.若電矢量E恒定在一個方向,則稱之為線偏振(或平面偏振).若E隨時間作周期性變化,如E在垂直于k的平面上作圓周運動,則稱之為圓偏振;如E在垂直于k的平面上作橢圓運動,則稱之為橢圓偏振.假若電矢量的方向是無規(guī)變化的,那么相應(yīng)的波是不偏振的.1906年,英國物理學家巴克拉(G.GBarkla)利用雙散射技術(shù)測量了X射線的偏振特性,從而第一次證實了X射線的橫波特性.雙散射技術(shù)是測量任何射線線偏振特性的有效方法。2.X射線的衍射（波長測量）波動性－X射線在晶體的衍射利用X射線在晶體的衍射可以測定它的波長。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~?晶體作為立體光柵，一束X射線射入晶體時，將發(fā)生衍射，出射線就會加強。

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，凡光程滿足布喇格公式,在該方向衍射的X光將得到加強，出現(xiàn)了亮斑。對于λ和d兩個量，只要已知其一，便可知其二。1953年測得的脫氧核糖核酸（DNA）的雙螺旋結(jié)構(gòu)就是根據(jù)對X射線衍射圖樣的分析而提出來的.(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；從而可進一步求得阿伏伽德羅常數(shù)。(3)X射線分析可用來研究高分子的結(jié)構(gòu)

(1)利用X射線在晶體中的衍射可測量X射線的波長。DNA晶體衍射圖樣例題:

實驗上利用x射線法測定普朗克常數(shù)時，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，以此來決定普朗克常數(shù)h?，F(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