第1节 x射线物理基础

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1、X射线衍射分析衢州学院化学与材料工程学院第一节X射线物理基础1895年11月德国物理学家W.K.Rontgen（伦琴）进行阴极射线的研究，12月他完成了初步的实验报告“一种新的射线”，并将该成果发表在《ProceedingsofthePhysical-MedicalSociety》杂志上。为了表明这是一种新的射线，伦琴采用未知数X来命名。1901年伦琴获得第一届诺贝尔物理学奖。1.引言威廉·康拉德·伦琴衢州学院化学与材料工程学院X射线被发现后不久，医学界就利用X射线进行诊断及医疗。这一发现对于医学的

2、价值可是十分重要的，它就像给了人们一副可以看穿肌肤的“眼镜”，能够使医生的“目光”穿透人的皮肉透视人的骨骼，清楚地观察到活体内的各种生理和病理现象。伦琴拍摄的第一张X光片-伦琴夫人的手指和戒指除了在医学上，X射线还应用在微观世界的观察和对太空的研究。另外一个X射线的重大应用领域是材料无损探伤，使用X射线可以检测出金属材料和焊接部位的内部缺陷。衢州学院化学与材料工程学院自X射线被发现之后，许多物理学家认为它是一种特殊的光线，其性质应该与波一致。但是没有人能够肯定，因为尚无人能够确凿无疑地证实X射线具有

3、衍射等波所特有的性质。关键问题是，在进行衍射试验时，光栅缝隙的大小应该与试验对象的波长相当。每英寸两万线的光栅适用于可见光，但是X射线的波长比可见光短得多，可能只有可见光波长的千分之一，制作如此精细的光栅完全是不可能的。衢州学院化学与材料工程学院德国物理学家M.V.Laue（劳厄）认为，如果人工做不出这样的光栅，自然造化也许能行。自然界中的晶体被认为是由原子按一定规律排列而成的，每层只有几个原子厚，这些原子层的间隙可能适合用作X射线衍射光栅。不过由于晶体是由原子层组成的一个立体，在另一端形成的图案将

4、会十分复杂，就像把几个光栅叠放在一起那样。他的老板、慕尼黑大学A.J.W.Sommerfeld（索末菲）教授认为这一想法荒诞不经，劝他不要在这上面浪费时间。1912年，两个学生证实了劳厄的预言。他们把一束X光射向CuSO4晶体，在感光板上捕捉到了散射现象，即后来所称的劳厄相片。感光板冲洗出来之后，他们发现了圆形排列的亮点和暗点，即衍射图。劳厄证明了X光具有波的性质。《Nature》杂志把这一发现称为“我们时代最伟大、意义最深远的发现”。1914年，这一发现为劳厄赢得了诺贝尔物理学奖。冯·劳厄衢州学院

5、化学与材料工程学院由于衍射图谱相当复杂，故将晶体结构拼凑起来的过程相当耗费时间和精力。要一丝不苟地测量图谱中各点的位置和分布，然后才是数学计算。在没有计算机的时代，即使对简单晶体结构的计算都需花费几个月的时间。若晶体过于复杂，则其X射线衍射图谱将异常复杂，难以破解。整个过程有点像用自制的猎枪射击一块熟铁，然后通过分析跳弹的轨迹来推测熟铁的形状。威廉·亨利·布拉格威廉·劳伦斯·布拉格1912年，劳厄关于X射线的论文发表后不久，就引起了英国物理学家W.H.Bragg和W.L.Bragg父子的关注。当时，

6、老布拉格正在利兹大学当物理学教授，小布拉格刚从剑桥大学Cavendish实验室毕业，并留在实验室从事科学研究。然而，对简单晶体的研究也取得令人惊讶的成果。布拉格父子解决的第一个晶体是NaCl晶体。晶体中，每个钠离子被六个等距离的氯离子包围，每个氯离子被六个等距离的钠离子包围，没有单独的氯化钠“分子”。这一发现震惊了理论化学界，立即引发了人们对盐在溶液中行为的新思索。由于他们建立了用X射线衍射方法测定晶体结构的实验手段和理论基础，这使人类得以定量观测原子在晶体中的位置，为此他们两人同获1915年的诺贝

7、尔物理学奖。衢州学院化学与材料工程学院1913年，英国物理学家H.G.J.Moseley（莫塞莱）在研究元素的X射线标识谱时发现，以不同元素材料作为产生X射线的靶实验时，所产生的特征X射线的波长不同。他把测得五十多个元素所产生的特征X射线按波长排列后，发现其次序与元素周期表中的次序一致，他称这个次序为原子序数，证明了元素的主要特性由其原子序数决定，而不是由原子量决定，确立了原子序数与原子核电荷之间的关系。关于原子序数的发现被称为莫塞莱定律。1914年，第一次世界大战爆发，莫塞莱立即应征入伍。Erne

8、stRutherford（卢瑟福）设法为其争取从事科学工作，但未成功。1915年，莫塞莱在土耳其的格利博卢阵亡，年仅27岁。他的死并未给英国和全世界带来任何好处，从他已取得的成就来看，在战争所杀害的无数人中，数他的死给人类造成的损失最大。如果莫塞莱能活下来的话，无论科学的发展多么难以逆料，他将会获得诺贝尔奖这一点则是可以肯定的。瑞典物理学家K.M.G.Siegbahn（西格班）继承了他的研究工作，并获得了诺贝尔奖。亨利·莫塞莱衢州学院化学与材料工程学院X射线可用来帮助