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当前课程知识点:大学物理2 (电磁学、光学和量子物理) >  WEEK10 >  X射线晶体衍射 >  X射线的衍射

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X射线的衍射在线视频

下一节:week10课件

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X射线的衍射课程教案、知识点、字幕

同学们好

今天我们讲一讲

关于X射线衍射的问题

那么什么是X射线

X射线是怎么发现的

这是德国人伦琴

在上世纪末的时候

它发现的

它用高速电子撞击金属

发现能够产生一种射线

这种射线的话呢

能够使胶片感光

空气电离

荧光物质发光等等

但是呢它又不带电

这种射线又不带电

当时不知道是什么东西

所以呢 叫它为X射线

伦琴就是因为发现了X射线

在1901年获得了诺贝尔物理奖

这是第一个诺贝尔物理奖

伦琴当时的实验是这么做的

它做了一个玻璃管

玻璃管里头抽上真空

完了呢 有两个电极

一个阴极K 一个阳极A

阳极就是金属的

完了用高压加几万伏的高压

在阳极跟阴极之间

电子打到A阳极上去

最后呢就能够产生X射线

也就是说加速阴极发射的热电子

完了呢 最后撞击到阳极上

产生了X射线

进一步劳厄等人做实验

研究X射线究竟是什么东西

劳厄在1912年的时候

做了个实验

它把已经产生了的X射线

通过一个狭缝

射到一个晶体上去

射到一个晶体上去以后

最后发现在背后的屏上

产生了一些点

这些点就称之为劳厄斑

劳厄做这件事情

实际上把晶体

当成了X射线的一个光栅

就相当于我们前面说的光栅

所以衍射图样

证实了X射线它是波

它就是一种电磁波

它只是波长

比可见光要短很多很多

X射线的波长

大概是10的负2

到10的一次方纳米

这么一个范围之内

那么这里的晶体相当于

起到了对X射线来说

是一个光栅的作用

而且是一个三维光栅

讲完X光是怎么产生以后

我们来讲一讲

X射线在晶体上是怎么衍射的

这是一个氯化钠的晶体

那么它晶面

晶面跟晶面之间的间隔

我们称之为一个晶格常数d

那么氯化钠

这里的晶格常数d的话是0.28个纳米

φ是掠射角

那么我们这里来看的话

这里的晶面的话

我们说是这么一个

一格一格中间是d

其实的话

它如果这个方向一格一格呢

中间它晶格常数就变成d'了

它有不同的晶面

如果这么来画的话呢

它就是d''

还可以画出其它来 很多

这是晶体结构是这个样子

那么当X射线射进去以后

首先这些每个原子

都是散射子波的波源

这是第一个物理图像

第二个事情的话呢

就是说我在同一个层面上

上面同一个层面上

像1这一束光

在同一个层面上

那么它们

同一层面上 同一层面上

是符合反射定律的散射光

它会加强的

这么个原理

这是第二

第三点的话呢

面间的散射光的干涉问题

那么刚才我们可以看到

第一个面跟第二个面

它们相间隔是d

那么第一束光从这儿到这儿

第二束光从低下那一层到这儿

这两束光是可以产生干涉的

当然它们产生干涉是有条件的

这个条件就是说

它们的光程差

AC加上CB就应该等于

2d sinφ的话

这就是它们的光程差

它们的光程差2d sinφ

就应该是λ的整数倍

那么这就是

这两个两束光相干的条件

那么这个公式

是很重要的关于晶体

散射的公式

那么称之为乌利夫布拉格公式

那么这个是研究

晶体散射的一个基本的公式

那么有了这个公式以后

我们就可以发现

有很多应用等着我们去开发了

首先一个

如果我们已经知道晶体的晶面

那么我现在入射的时候的角度

我已经知道是φ

而且呢

我入射的x光的波长我也知道

利用这个公式

我可以测出这个晶体的d是多少

晶格的常数是多少

这是我可以做的一个事情

所以用这个方法

可以研究晶体的结构

对晶体的结构进行分析

这是第一方面的应用

我们也可以有另外方面的应用

比如说我已经知道了φ

已经知道晶体的结构了

我用这个晶体

去探测一个未知的X光

我可以知道它的波长是多少

那么这就是X射线的光谱分析

X射线的光谱分析

好 那么由于布拉格父子

威廉·享利·布拉格

跟威廉·劳伦斯·布拉格

它们父子两个

利用X射线分析晶体结构

取得了1915年的诺贝尔物理奖

这是父子共同得诺贝尔物理奖的

唯一的一个例子

那么实际上

我要用X射线衍射

实际的作法有两类

一类的作法是劳厄的做法

劳厄的做法是这样

刚才我们已经看到的劳厄

他就是研究X射线的

这个实验的装置图

X射线通过一个狭缝

完了射到晶体上

最后得到晶体劳厄斑

那么我们也知道的

它符合这么个公式

2dsinφ等于

乌利夫布拉克公式kλ 这个关系的

我们也知道晶体的结构

是这么个情形是吧

好 下面我们来看

劳厄的办法怎么样呢

劳厄的办法

是连续谱的X射线照射晶体

也就是说

它用不同的波长的X射线

去照射晶体

这些照射晶体以后

我得到晶体的所有面

晶面族反射的主级大

从这晶体来看

它有好多晶面族

这样的是晶面族

红颜色的这也是一个晶面族

这个方向它也是晶面族的

不同的晶面族

那么从这里头来看的话呢

这个晶面族它反射是这个方向

反射这个方向 对吧

而这个晶面族的话呢

入射光是这样子

反射是这个方向

每一个主极大都对应一个亮斑

这个亮斑就称之为劳厄亮斑

这样呢我们得到的劳厄图

就称之为劳厄相

那这个办法的话呢

可以来确定晶轴的方向

根据这个公式的话

d我已经知道了

λ我随时在改变

我在某个λ的时候

得到了这么个劳厄斑

那么就能够确定

到底我入射角是怎么个入射角

根据这个入射角我就知道

我这个晶面

究竟是个怎么样的方向

我可以定出我的晶轴来

这是劳厄法的做法

还有一个方法就是粉末法

劳厄法是用的是晶体

一个完整的单晶

粉末法是

就是说把晶体磨成粉末

然后用确定λ的X射线

入射到这种多晶粉末上去

那么这些粉末

由于是大量的晶面体

无规则的晶面取向

各种晶面取向它都有

那么总可以使得布拉格条件

在有些情况下得到满足

那么这样就得到的衍射图

称之为德拜相

这个办法呢

也可以来确定晶格常数d

那么这个就是德拜相的

衍射的图样

那么这就是刚刚说的劳厄相的

衍射的图样

这是两种不同的方法

这个呢可以测定晶格常数

刚才那个呢可以确定晶面的取向

那么我们前面已经讲到

普通的光学的光栅

光栅衍射

现在呢

X射线我们说

做不出一个光栅来

它只能靠晶体来衍射

X射线的衍射

跟普通的光栅的衍射

到底有什么区别呢

我们说X射线的衍射

它有一系列布拉格条件限定

晶体内有许多晶面族

而入射方向

跟λ一定的时候的话呢

跟第i个晶面族

那么它有这么一个方程满足

这是对X射线来说

它有一系列布拉格条件

它都可以满足

那么对于一维光栅来说呢

它只有一个干涉加强条件

那就是所谓的光栅方程

这是第一个不同

第二个不同的话呢

对于晶体来说

如果它的di知道

它的φi也知道

λ也都确定了

这个三者都确定的话

它不一定能够满足

布拉格公式的条件

这个都确定的话

它不一定能够满足了是吧

关系的

而对于以为光栅来说

λ确定了

入射方向角确定以后

它一定会在某一个φ衍射角上

满足光栅的方程

那么这就是X衍射

跟一维光栅衍射的

一些区别的地方

关于X光的衍射

有非常多的应用

那么历史上

曾经起到非常大的作用

现在依然在起作用

比如说我们大家熟悉的DNA的结构

就是使用X光衍射得到的

那么作为X光的衍射

我想首先

要有一个好的X光的光源

当然这个衍射图样

你要能够读得懂

也是一个重要的因素

那么这一方面的话呢

我前不久参观了上海的上海光源

上海光源就是一个同步辐射

提供可相干的X光的光源

我发现清华生命学院的老师们

正在那里进行生物各类研究

而且它们就是利用这个光源

得到了非常好的研究的成果

这堂课我们就讲到这里

大学物理2 (电磁学、光学和量子物理)课程列表:

WEEK1

-电荷和库仑定律

--引言

--电荷

--库仑定律

-WEEK1--电荷和库仑定律

-电场及叠加原理,电偶极子

--电场和电场强度

--点电荷电场及叠加原理

--点电荷电场及叠加原理(续1)

--点电荷电场及叠加原理(续2)

--点电荷电场及叠加原理(续3)

-WEEK1--电场及叠加原理,电偶极子

-高斯定律

--电通量

--立体角*

--高斯定律的证明*

--高斯定律和电场线

--高斯定律的应用

--高斯定律的应用(续)

-WEEK1--高斯定律

-WEEK1--本周作业

-week1课件

WEEK2

-静电场环路定理、电势和叠加原理

--环路定理

--电势和叠加原理

--电势和叠加原理(续)

--电势梯度

--等势面

-WEEK2--静电场环路定理、电势和叠加原理

-静电能

--电荷系静电能

--电荷系静电能(续1)

--电荷系静电能(续2)

-WEEK2--静电能

-导体静电平衡

--物质中电场

--导体静电平衡

--导体静电平衡条件(续1)

--导体静电平衡条件(续2)

-WEEK2--导体静电平衡

-WEEK2--本周作业

-week2课件

WEEK3

-导体周围电场

--有导体时静电场的计算

--有导体时静电场的计算(续)

-WEEK3--导体周围电场

-静电屏蔽

--导体壳与静电屏蔽

-WEEK3--静电屏蔽

-电容及电容器

--电容及电容器

--电容及电容器(续)

-WEEK3--电容及电容器

-电介质

--介质对电场的影响

-WEEK3--电介质

-极化强度矢量,极化电荷

--极化强度

--极化电荷

-WEEK3--极化强度矢量,极化电荷

-WEEK3--本周作业

-week3课件

WEEK4

-极化规律、电位移矢量

--电介质的极化规律

--电介质的极化规律(续)

--电位移矢量及其应用

--电位移矢量及其应用(续)

-WEEK4--极化规律、电位移矢量

-有介质时静电场能量

--有介质时静电场能量

-WEEK4--有介质时静电场能量

-电流密度、稳恒电流和稳恒电场

--电流密度

--稳恒电流和稳恒电场

-WEEK4--电流密度、稳恒电流和稳恒电场

-电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律

--电动势

--欧姆定律

--欧姆定律(续)

-WEEK4--电动势、欧姆定律的微分形式及基尔霍夫定律

-电流微观图像和暂态过程

--电流微观图像

--电容器的充放电(暂态过程)*

-WEEK4--电流微观图像和暂态过程

-本周作业

--week4--本周作业

-week4课件

WEEK5

-洛仑兹力、磁感应强度

--电流磁效应

--磁场和磁感应强度

-WEEK5--洛仑兹力、磁感应强度

-毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理

--毕-萨-拉定律

--毕-萨-拉定律(续)

--磁场高斯定律

-WEEK5--毕-萨-拉定律、磁场叠加原理和磁场高斯定理

-静磁场环路定理

--安培环路定理及其应用

--安培环路定理及其应用(续1)

--安培环路定理及其应用(续2)

-WEEK5--静磁场环路定理

-安培力和霍尔效应

--带电粒子在磁场中的运动

--霍尔效应

--安培力

-WEEK5--安培力和霍尔效应

-WEEK5--本周作业

-week5课件

WEEK6

-载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩

--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩

-WEEK6--载流线圈在均匀磁场中受的磁力矩、磁矩

-磁介质对磁场的影响和原子磁矩

--磁场中的磁介质

--原子的磁矩

-WEEK6--磁介质对磁场的影响和原子磁矩

-磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理

--磁介质的磁化

--磁化电流

--有磁介质时磁化的规律

-WEEK6--磁化强度矢量、磁化电流和磁场强度H及其环路定理

-WEEK6--本周作业

-week6课件

WEEK7

-铁磁介质和简单磁路

--磁场的界面关系

--铁磁性材料

-WEEK7--铁磁介质和简单磁路

-法拉第电磁感应定律

--法拉第电磁感应定律

--电磁感应定律和磁通连续定理的普适性

-WEEK7--法拉第电磁感应定律

-动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流

--动生电动势

--感生电动势和感生电场

--涡电流

-WEEK7--动生电动势和感生电动势、感生电场和涡流

-自感和互感

--自感

--互感

-WEEK7--自感和互感

-WEEK7--本周作业

-week7课件

WEEK8

-暂态过程和磁场能量

--RL电路的暂态过程

--磁场的能量

-磁场和电场的相对性

--电场和磁场的相对性

-位移电流和麦克斯韦方程组

--麦克斯韦方程组和电磁波

--麦克斯韦方程组

-WEEK8--位移电流和麦克斯韦方程组

-电磁波、坡因廷矢量和光压

--电磁波

--坡印廷矢量

--电磁波的动量

--光压——辐射压强

-本周作业

--week8--本周作业

-week8课件

WEEK9

-波动光学—引言

--波动光学——引言

-WEEK9--波动光学—引言

-杨氏双缝干涉、相干光

--光的干涉

--双缝干涉

-WEEK9--杨氏双缝干涉、相干光

-光源及发光性质

--光源的发光特性

--时间相干性

--空间相干性

-WEEK9--光源及发光性质

-光程、等倾和等厚干涉

--光程

--薄膜干涉(一)

--薄膜干涉(二)

-WEEK9--光程、等倾和等厚干涉

-迈克耳逊干涉仪

--迈克耳逊干涉仪

-WEEK9--本周作业

-week9课件

WEEK10

-衍射现象、单缝夫琅禾费衍射

--惠更斯原理

--单缝夫琅禾费衍射

--单缝夫琅禾费衍射(续)

-WEEK10--衍射现象、单缝夫琅禾费衍射

-光栅衍射

--光栅衍射

--光栅衍射(续)

-WEEK10--光栅衍射

-光学仪器分辨本领

--光学仪器的分辨本领

--光学仪器的分辨本领(续)

-WEEK10--光学仪器分辨本领

-X射线晶体衍射

--X射线的衍射

-WEEK10--X射线晶体衍射

-WEEK10--本周作业

-week10课件

WEEK11

-光的偏振状态和偏振片

--光的偏振状态

--光的偏振状态(续)

--起偏和检偏

-WEEK11--光的偏振状态和偏振片

-反射和折射光偏振

--反射和折射及散射光的偏振

-WEEK11--反射和折射光偏振

-晶体双折射、波片

--双折射

--双折射(续)

--波片

-WEEK11--晶体双折射、波片

-偏振光干涉、人工双折射和旋光

--偏振光的干涉

--人工双折射

--旋光现象

-WEEK11--偏振光干涉、人工双折射和旋光

-量子物理诞生和黑体辐射

--量子物理

--黑体辐射

-WEEK11--量子物理诞生和黑体辐射

-WEEK11--本周作业

-week11课件

WEEK12

-光电效应、光子和康普顿效应

--光电效应

--光子

--光子(续)

--光子(续2)

--康普顿效应

-WEEK12--光电效应、光子和康普顿效应

-物质波、波函数和概率密度

--物质波

--波函数

--波函数(续)

-WEEK12--物质波、波函数和概率密度

-不确定性关系

--不确定关系

-WEEK12--不确定性关系

-薛定谔方程

--薛定谔方程

-WEEK12--薛定谔方程

-一维无限深势阱

--一维无限深势阱

-WEEK12--一维无限深势阱

-WEEK12--本周作业

-week12课件

WEEK13

-一维问题

--一维谐振子

--势垒穿透

--扫描隧道显微镜

-WEEK13--一维问题

-氢原子能级和角动量

--原子中的电子

--玻尔理论发展的基础

--氢原子的量子力学处理

--能量量子化

-WEEK13--氢原子能级和角动量

-电子自旋、费米子和泡利不相容原理

--电子自旋与自旋轨道耦合

--碱金属原子光谱的双线

--微观粒子的不可分辨性

--各种原子核外电子排布

-WEEK13--电子自旋、费米子和泡利不相容原理

-WEEK13--本周作业

-week13

WEEK14

-X射线、激光、分子光谱简介

--video

--Video

--分子光谱简介

--激光

--光学谐振腔

-WEEK14--X射线、激光、分子光谱简介

-固体电子气模型和量子统计

--固体

--自由电子气体模型

--量子统计

-WEEK14--固体电子气模型和量子统计

-能带模型

--能带

-能带模型--作业

-本周作业

--WEEK14--本周作业

-week14

WEEK15

-半导体和PN结

--Video

--Video

-WEEK15--半导体和PN结

-原子核性质、核磁共振

--Video

--Video

--Video

-WEEK15--原子核性质、核磁共振

-放射性和衰变规律

--Video

--α衰变

--穆斯堡尔效应

--β衰变

-WEEK15--放射性和衰变规律

-结合能、核力

--核的结合能

--核力

-WEEK15--结合能、核力

-粒子物理简介

--基本粒子

-WEEK15--粒子物理简介

-本周作业

--WEEK15--本周作业

-week15课件

期末考试

-期末考试--期末考试题Part1

-期末考试--期末考试Part2

-期末考试--期末考试Part3

X射线的衍射笔记与讨论

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