第五章 光彩夺目的新光源.ppt

主要结构：金属空心D 形电极、稳恒磁场、粒子源 二、 加速器 ■环形加速器 + + + 31 原理： 用电子枪将电子注入环形室，带电粒子在电极狭缝中的电场中加速（交变电场）;在D 形电极内无电场区，电子在洛仑兹力的作用下，沿圆形轨道运动。 × × × × × × ~ 32 ■电子同步加速器（电子感应加速器） 利用变化磁场产生的感应电场来加速电子的一种设备。 欧洲同步加速器（上图）美国的APS（左下）和日本的Spring-8（右下）。 33 三、同步辐射的特性 1、波长范围广（几微米～几百皮米），且连续可调. 2、相比X射线输出功率（10瓦）大很多（几万瓦） 3、X光管产生的X光是各向同性的，向四面八方发射，而同步辐射光有很好的准直性（沿轨道的切线方向） 4、亮度高，能量高度集中（第三代达 数量级） 5、同步辐射光是完全偏振光，可以研究生物分子的旋光 性和磁性材料的性质。 6、其他特性 34 四、同步辐射的应用 1、同步辐射在生命科学方面的应用 至今为止，世界上90％的生物大分 子结构是通过同步辐射光了解的。 研究生物大分子 （蛋白质、病毒）的三维结构； 研究辐射对细胞的作用； 观察含水量多的活体生物 样品的动态过程等。 35 光学显微镜：分辨率不高； 电子显微镜：要求样品放在真空中，而且要切成薄片； 对碳和氧散射差别不大，难以区分水背景下的生物体。 普通的光学或电子显微镜对氧元素和碳元素分辨不清，若采用同步辐射光源则能很好地分辨两种元素。 利用同步辐射光源将可以实现在分子水平上直接观察生命现象和物质运动过程。对于生命科学来说，静态地了解生物大分子或生物体的结构只是第一层次的研究，生物大分子或生物体结构变化的实时观察则是更高层次的研究。预计在不远的将来，人们将有可能像看电影那样直接观察生物大分子之间相互作用的精细过程。 36 2、同步辐射在医学方面的应用：同步辐射心血管造影 普通方法：心血管造影（原理：碘对X光的吸收要比肌肉、骨骼、软组织和其它器官强烈的多） 利用同步辐射光源的“双色数值减除造影术”可以为心血管病的早期诊断提供安全、快速、高清晰的诊断方法。最近，利用第三代同步辐射X光源。 射线横向相干性好的特性， 能够清晰地拍摄出软组织 如血管、神经等的照片， 有望发展出不需要造影剂的“心血管造影术”。 37 3、同步辐射在材料科学方面的应用 (1）1912年，德国物理学家劳厄用单晶片作为衍射物观察X射线的衍射现象，在照相底片上得到一系列感光斑点— 劳厄斑点。1914年获诺贝尔物理学奖。 实验意义： a、证实了X射线的波动性； b、证实了晶体中微粒（原子、离子或分子）是按一定规 则排列的，其间隔与X射线的波长同数量级。 红宝石 硅单晶 NaCl晶体 38 钻木取火，火把照明 蜡烛和油灯 爱迪生发明电灯 白炽灯、日光灯、单色 光源（钠灯、汞灯） X光光源 激光光源（人造光源） 同步辐射光源（同步加速器加速电子产生） 1 1、受激吸收 当吸收光子满足hν=E2-E1时，一个原子吸收光子的能量，由E1跃迁到E2，称为受激吸收。 2、自发辐射 E2上的原子态是不稳定的，在没有外界影响时自发跃迁到E1,同时辐射出一个能量为hν的光子，且hν=E2-E1，这个过程称为自发辐射。 特点：各个原子自发地、独立地进行辐射，各个光子的相位、传播方向、振动方向之间没有确定的关系，所发出的光也是非相干光。 一、普通光源发光机理 光源的最基本发光单元是分子、原子。 §5.1 激光产生的机理与激光器 3、普通光源发光机理:受激吸收和自发辐射 ? =(E2?E1)/h E1 E2 能级受激吸收 ? =(E2?E1)/h E1 E2 能级自发跃迁辐射 发光特点：自发辐射过程是随机过程， 辐射出的光含有多种波长成分，射向 四面八方；光束是由频率不相同、振 动方向各异、无确定相位关系的光子 组成，是非相干光。。 ▲ 普通光源：自发辐射 · · 相互独立（同一原子先后发的光） 相互独立（不同原子发的光） 1、选择定则和亚稳态 (1)原子的能量不仅仅是由主量子数 决定，还与角动量量 子数 有关，所以原子的能级也与 有关。 (2)并非是所有高能级上的原子都能很快的自发跃迁 到低能级上， 必须满足一定的条件，称为选择规则。 二、激光光源受激辐射和光放大 (3)若能级条件满足选择规则，原子可以自发跃迁；若是能 级