X射线产生的机制.doc

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1、X射线产生的机制摘要:X射线产生于高速运动的电子轰击靶原子。它的波长和强度的关系反映X射线具有连续谱和特征谱，连续谱来源于带电粒子轰击靶原子时速度的连续变化；而特征谱来源于电子内壳层的跃迁。电子内层跃迁时，产生了一系列的K、L、M……线系，在K（L、M…）线系中，又以初态的不同而再分为K、K，…（L、L，…M﹑M，…）。这些X射线的标识谱可由原子内层能级给以解释。关键词]X射线、连续谱、特征谱、产生机制。0引言X射线是一种波长较短的电磁波，是伦琴在1895年发现的。它的发现，不仅开始了物理学的新时期，而且使人类的生活受到了巨大影响。由于X射

2、线具有极强的穿透性，医疗上用于透视和照相。另外，X射线具有光的一切特性，如反射、折射、干涉、衍射等性质，还具有独特的光谱结构。X射线的这些特性，决定了它在光学、化学、生物学等一系列重大研究中有着广泛应用。既然X射线的地位如此重要，那么X射线是如何产生的？本文就X射线产生的机制问题进行探讨。1X射线的产生背景1895年11月8日，伦琴在暗室里做阴极射线管中气体放电的实验，为了避免紫外线与可见光的影响，特用黑色纸板把阴极射线管包了起来。但伦琴意外发现，在一段距离之外的荧光屏上竟会发生微弱的荧光。经反复实验，他肯定激发这种荧光的东西来自阴极射线管

3、，但决不是阴极射线本身。他推断，当阴极射线撞击阳极或管壁时，会形成一种人眼看不见的射线，而且这种射线具有极强的穿透力，能透过一般光线透不过的物质。伦琴认识到这种“射线”是人们还未曾认识的一种新的射线。因此，他把这种神秘的射线命名为X射线。伦琴的发现，很快引起全世界物理学家的关注，在该射线发现的三个月后，维也纳的医院在外科治疗中首次应用X射线来拍片。X射线的发现，对于现代物理研究及医疗上的应用都具有重要作用。鉴于伦琴的杰出贡献他于1901年荣获第一个诺贝尔物理奖。2X射线的产生及测量下图是一种常用的产生X射线的X射线管示意图：加热阴极K，产生

4、电子，在外加电场作用下高速飞向阳极A，电子打在阳极上产生X射线。阳极（靶子）可用钨、钼等重金属制成，也可用铬、铁等轻金属制成，这完全由X射线管的具体用途而定。在阴极和阳极之间加上高电压，一般是几万伏到十几万伏，甚至更高，它使飞向阳极运动的电子加速。调节此电压，可以改变轰击阳极的电子的能量。利用图1-1产生的X射线，经过X射线测谱计，可实现对其的测量。装置如下：工作原理：电离室和晶体C分别装在有刻度盘的支架上，它们可以绕着通过晶体的一个轴转动。电离室充以气体，X射线射入，气体被电离，电离电流的大小代表射线的强弱。把晶体转一小角，电离室转2，这

5、样继续做下去，达到某一角度时，电离电流突然增强，这时进入电离室的射线特别强，满足2dsin=n,在该式中，d、、n均为已知量，即可求出，与此时对应的电流表的读数即是射线的强度。用同样的方法，可得到多组和强度一一对应的数据，对这些数据进行处理，即可得出波长和强度的关系图：3X射线的发射谱图1-3的关系图反映了X射线谱。X射线谱有两部分构成：一是波长连续变化的部分，称为连续谱；另一部分具有分立谱线，该谱线重叠在连续谱之上，由于分立谱与靶的金属性质有关，故称之为特征谱。对于连续谱的由来，按照经典电动力学，带电粒子在加速（减速）时必伴随辐射。而带电

6、粒子与原子相碰撞，发生骤然减速，带电粒子的速度将连续变化。因此，辐射的X射线具有连续谱的性质。实验测得连续谱的面积随靶核原子序数的增大而增大，但连续谱的形状却与靶材料无关，它存在一最小波长min=12.4/v(kv)埃，该式是杜安和亨特首先从实验中得到的。但该式不能用经典物理很好地解释。经典电磁学认为，任何短的波长均可发射。然而，量子理论能很好地解释这一现象：一个电子在电场中得到的动能E=1ev,当它达到靶子时，它全部能量就转成辐射能，由此发射的光子可能有的最大能量：E=1ev=hmax=hc/min,min=12.4/v(kv)埃。由此可

7、以看出连续谱的最小波长只取决于外加电压。特征X射线谱是由巴克拉在1906年首先发现的。他观察到，从任何给定元素中发出的特征谱包含有若干个系列，按贯穿能力递减的次序可以标以K、L，…等字母。后来又发现，在K系列中又含有K、K…，L系列中含有L、L…。1913年，莫塞莱通过大量的实验推理，得到各元素的X射线的频率的平方与原子序数Z成线性关系。对于K线，莫塞莱得到如下经验公式：=0.248*10（Z-1）…①之后，他又从玻耳理论导出：=C/=RCZ(1-1/4)0.246*10Z…②②与①式十分接近，但两者有（Z-1）与Z之差异。这是因为，当n=

8、1层出现一个空穴时，考虑到电子屏蔽效应，在n=2层中的电子感受到的是（Z-1）个正电荷的吸引。因此，当n=2层中的电子向内层跃迁时，发出的辐射频率应是：=0.246*10（Z-1