复旦大学：《基础物理实验》课程教学课件（PPT讲稿）实验原理讲解（x射线透视与nacl晶体结构分析）

X射线的发现 X射线的本质 W.C. Rontgen,1894年任德国维尔茨堡大学校长,一种电磁波 他的大部分时间耗在了昏暗的实验室,这位50岁的 大学校长,在1895.11.8偶然发现了一种射线,在论·在X射线衍射分析中应 文《一种新射线(初步通信》里,描述为“如果把手用的主要是它的波动性,反 置于放电装置和荧光屏之间,就可以看到在较淡的映在传播过程中发生干涉、 手影里露出深暗的骨骼阴影。"这种穿透力很强的衍射作用 射线,伦琴自己也搞不清楚,称其为“X射线 X射线的波长范围 0.001-10nm 1901年伦琴获得了 第一届诺贝尔物理学 ●在与物质相互作用,进行 奖。他放弃了自己的 能量交换时,则表现出它的 专利权,使得X射线 粒子性。 的研究应用无比迅速 8=hv=hcn 845.03.271923.210第一张人体X光片

第一张人体X光片 W. C. Rontgen，1894年任德国维尔茨堡大学校长， 他的大部分时间耗在了昏暗的实验室，这位50岁的 大学校长，在1895.11.8偶然发现了一种射线，在论 文《一种新射线(初步通信)》里，描述为“如果把手 置于放电装置和荧光屏之间，就可以看到在较淡的 手影里露出深暗的骨骼阴影。 ”这种穿透力很强的 射线，伦琴自己也搞不清楚，称其为“X射线” 。 1901年伦琴获得了 第一届诺贝尔物理学 奖。他放弃了自己的 专利权，使得X射线 的研究应用无比迅速。 X射线的发现 ⚫ 在X射线 衍射分析 中应 用的主要是它的波动性，反 映在传播过程中发生干涉、 衍射作用。 X射线的波长范围： 0.001-10nm ⚫ 在与物质相互作用，进行 能量交换时，则表现出它的 粒子性。 ε=hv =hc/λ X射线的本质 一种电磁波 1

K 多发顶黑道质阴影 OQs 节性实 2019新型冠状病毒肺炎的6个典型的CT影像学征像 钴酸锌纳米材料X射线衍射谱 初生星光 壮丽星团 科字解码 X射线望远镜 钱德拉天文台” Chandra X-ray Observatory 科字解码 X射线衍射晶体结构分析

X射线望远镜 “钱德拉天文台” Chandra X-ray Observatory 初生星光 壮丽星团 2019新型冠状病毒肺炎的6个典型的CT影像学征像 钴酸锌纳米材料X射线衍射谱 X射线衍射晶体结构分析 2

X射线透视与NaC晶体结构分析 实验原理 你将学习: 1.X射线管的结构,Ⅹ射线发射谱的产生机制 2.管电压和管电流对λ射线发射谱的影响,短波极限和管电压的关系 3.物质对X射线的吸收特性,Ⅹ射线透视成像的基本原理 4.Ⅹ射线衍射谱的扫描过程,布拉格公式的应用; 5.管电压和管电流对衍射曲线的影响 理论和实验并重

X射线透视与NaCl晶体结构分析 实验原理 你将学习： 1. X射线管的结构，X射线发射谱的产生机制； 2. 管电压和管电流对X射线发射谱的影响，短波极限和管电压的关系； 3. 物质对X射线的吸收特性，X射线透视成像的基本原理； 4. X射线衍射谱的扫描过程，布拉格公式的应用； 5. 管电压和管电流对衍射曲线的影响。 理论和实验并重 3

实验室展示 恒隆物理楼 226-232 2622

实验室展示 恒隆物理楼 226 -232 4

实验器材 e 有准直器 线光源 s8.' LEYBOLD 传感器 X射线实验仪 X射线管 无准直器 样品组合 面光源 厚度改变 NaC单晶 ↓材料改变 佳 直器 灰度测试卡 国 四种夹层样品

实验器材 NaCl单晶 X射线实验仪 X射线管 准直器 有准直器 线光源 无准直器 面光源 靶台 传感器 荧光屏 灰度测试卡 5 样品组合 厚度改变 材料改变 四种夹层样品

X射线的产生 现在人们已经发现了许多的X射线产生机制,其中最为实用的能获得有 足够强度的X射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法一阴极射线管 管电流Ⅰ-电子的量 电流表 螺状熟沉 管电压U-电子的动能E=eU 电压表 常用靶材料 旧极 元素元素符号原子序数 熔点 靶 阴极 直流高压电源 钨钼 W 74 34100C 42 2600C 甩子束 高速电子打到靶上,是怎样产生X射线的? X射线管

X射线的产生 现在人们已经发现了许多的X射线产生机制，其中最为实用的能获得有 足够强度的X射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法 —阴极射线管 管电压 U - 电子的动能 Ek=eU 管电流 I - 电子的量 X射线管 元素 元素符号 原子序数 熔点 钨 钼 W MO 74 42 3410OC 2600OC 电流表 螺旋状热沉-散热 阳极 靶 阴极 窗口 + _ 电压表 常用靶材料 直流高压电源 电子束 X射线 高速电子打到靶上，是怎样产生X射线的？ 6

X射线的产生 35Kv钼4255502% 100Kv钨741100.9% 电子的半径大小:1015m; 原子直径的数量级大约是1010m; 轫致辐射 原子核直径在1016m~10-14m之间。 没有遇到靶原子中的电子 强相互作用:1015m内 高速电子进入虚空的靶原子 库仑场作用 可能, 方向偏转,减速 6= 损失动能X射线辐射出去 也可能 特征辐射 遇到靶原子的内层电子 使其脱出,产生空位 电子动能E 外层电子填补空位 碰撞损失。816MeV 辐射损失E(MeV)Z原子序数 跃迁中多余能量 碰撞损失:与靶原子的外层电子作用--热能 X射线辐射出去

X射线的产生 电子的半径大小：10-15 m； 原子直径的数量级大约是10-10m； 原子核直径在10-16m~10-14m之间。 强相互作用：10-15 m内 高速电子进入虚空的靶原子 可能 也可能 没有遇到靶原子中的电子 库仑场作用 方向偏转，减速 损失动能-X射线辐射出去 轫致辐射 遇到靶原子的内层电子 使其脱出，产生空位 外层电子填补空位 跃迁中多余能量 -X射线辐射出去 特征辐射 电子动能 Ek=eU 7 E (MeV) Z原子序数 816MeV k   辐射损失 碰撞损失 碰撞损失：与靶原子的外层电子作用---热能 35KV 钼42 555 0.2% 100KV 钨74 110 0.9%

轫致辐射-连续X射线谱 8 ●光子能量=电子动能损失 ●动能损失有任意数值 50kV ●Ⅹ射线强度随波长连续变化 每条曲线有一个峰值 40kV ●波长增加方向上无限延展 库仑力 强度越来越弱 30kV ●E ●存在最短波长λn短波极限 最大频率vmnx, 最大光子能量等于电子动能 h e 0.02 0.04 0.060.080.10 he max 波长(m) min 124 e min U(kv(nm) 钨靶较低管电压连续X射线发射谱

轫致辐射-连续X射线谱 库仑力 ⚫ 光子能量=电子动能损失 ⚫ 每条曲线有一个峰值 ⚫ 波长增加方向上无限延展， 强度越来越弱 20kV 30kV 40kV 50kV 0.10 1 2 3 4 5 6 7 8 0.02 0.04 0.06 0.08 波长(nm) 相对强度I 钨靶较低管电压连续X射线发射谱 ⚫ 存在最短波长 λmin 短波极限 最大频率 νmax ， 最大光子能量等于电子动能 h max = eU eU hc  min = (nm) (k ) 1.24 min U V  = ⚫ 动能损失有任意数值 ⚫ X射线强度随波长连续变化 8

特征辐射-特征X射线谱 K层层M层N层O层 K系1激发 电子动能≥靶原子某一壳层电子结合能W L系激发 管电压U满足:eU≥W aL8LL系 原子能级 壳层 M系激发 辐射 -O skeY 跃迁 11 kev 特征谱线命名 跃迁 空位 常用靶材料的激发电压 匚靶材料原子序数K系激发电压L系激发电压 空位 铝(AI) 1.56 0.09 钨原子能级和K、L特征X射线 铜(Cu 29 8.98 0.95 概率事件 钼(MO) 实验牛探寻 2.87 靶原子哪一个壳层电子被打出 钨(W) 74 69.51 1209 铅(Pb) 82 88.0 15.86 哪一层的外层电子填补空位

特征辐射-特征X射线谱 概率事件 Wi 管电压 U 满足： eU  电子动能 ≥ 靶原子某一壳层电子结合能Wi 特征谱线命名 靶材料 原子序数 K系激发电压 L系激发电压 铝(Al) 铜(Cu) 钼(MO) 钨(W) 铅(Pb) 13 29 42 74 82 1.56 8.98 ? 69.51 88.0 0.09 0.95 2.87 12.09 15.86 钨原子能级和K、L特征X射线 空位 跃迁 空位 跃迁 靶原子哪一个壳层电子被打出 哪一层的外层电子填补空位 常用靶材料的激发电压 实验中探寻 9

X射线谱 线状谐强度为10 0.0179nm 2001mn钨的K系标识线 =∑Nh 0.0711nm 0.0213nm 连续谱的强度为 相对强度 150Kv E·N(EdE 0.0632nm E:X射线光子能量 100Kv 65KV N(E):单位时间内通过单 0.010.02 位垂直面积的能量为E的x 2(nm) 波长射线光子数目 钨靶较高管电压下的X射线谱 钼的X射线谱(35kV)射线总强度: X射线的量管电流→照射时间间接表示,毫安秒(mAs)。 X射线谱曲线下总面积 X射线的质硬度,即穿透物质本领的大小,由光子能量决定,与光子数无关。 管电压间接表示,干伏数(kV)

钼的X射线谱（35kV） 线状谱强度为 =   i Ni h i I  连续谱的强度为 I E N E E E ( )d max 0  =  E：X射线光子能量 N(E)：单位时间内通过单 位垂直面积的能量为E的x 射线光子数目 射线总强度： X射线谱曲线下总面积 管电流*照射时间 间接表示，毫安秒(mA·s) 。 X射线的质 X射线的量 硬度，即穿透物质本领的大小，由光子能量决定，与光子数无关。 管电压 间接表示， 千伏数（kV）。 X射线谱 钨靶较高管电压下的X射线谱 10