1、前一章內容回顧前一章內容回顧 空間點陣空間點陣 晶（向）面指數晶（向）面指數 倒易點陣定義和倒易矢量的基本性質倒易點陣定義和倒易矢量的基本性質 晶帶定律晶帶定律11d(uvw)1dr)(*lwkvhuruvwhklhkl， 2-1 x2-1 x射線的發現及射線的發現及x x射線學發展過程射線學發展過程 2-2 x2-2 x射線與電磁波譜射線與電磁波譜 2-3 x2-3 x射線的產生及射線的產生及 2-4 x2-4 x射線與物質的射線與物質的 2-5 x2-5 x射線的探測、防護及射線的探測、防護及應用應用 畫線部分為重點。畫線部分為重點。 第二章第二章 X X射線的物理學基礎射線的物理學基礎2

2、-1 x2-1 x射線的發現及射線的發現及x x射線學發展過程射線學發展過程X X射線的發現是射線的發現是1919世紀末世紀末2020世紀初物理世紀初物理學的三大發現（學的三大發現（X X射線射線18951895年、放射線年、放射線18961896年、電子年、電子18971897年）之一，這一發年）之一，這一發現標志著現代物理學的產生。現標志著現代物理學的產生。對對x x射線的發現和應用有巨大貢獻的科學家射線的發現和應用有巨大貢獻的科學家 德國物理學家倫琴（德國物理學家倫琴（18951895年年）（發現了未知射線）（發現了未知射線） 德國物理學家勞厄（德國物理學家勞厄（19121912年年）（

3、證明）（證明x x射線的波動性）射線的波動性） 英國布拉格父子（英國布拉格父子（19121912年年）（簡潔形式描述晶體對）（簡潔形式描述晶體對x x射射線的衍射現象，推動了線的衍射現象，推動了x x射線的應用）射線的應用）18941894年年1111月月8 8日，德國物理學家倫琴日，德國物理學家倫琴將陰極射線管放在一將陰極射線管放在一個黑紙袋中，關閉了實驗室燈源，他發現當開啟放電線個黑紙袋中，關閉了實驗室燈源，他發現當開啟放電線圈電源時，一塊涂有圈電源時，一塊涂有氰亞鉑酸鋇的熒光屏發出熒光。氰亞鉑酸鋇的熒光屏發出熒光。用一本厚書，23厘米厚的木板木板或幾厘米厚的硬橡膠硬橡膠插在放電管和熒光屏

4、之間，仍能看到熒光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液體進行實驗，實驗結果表明它們也是實驗結果表明它們也是“透明的透明的”，銅、銀、金、鉑、鋁等金屬也能讓這種射，銅、銀、金、鉑、鋁等金屬也能讓這種射線透過，只要它們不太厚。線透過，只要它們不太厚。倫琴意識到這可能是某種特倫琴意識到這可能是某種特殊的從來沒有觀察到的射線，殊的從來沒有觀察到的射線，它具有特別強的穿透力它具有特別強的穿透力。他一連許多天將自己關在實驗室里，集中全部精力進行他一連許多天將自己關在實驗室里，集中全部精力進行徹底研究。徹底研究。6 6個星期后，倫琴確認這的確是一種新的射線。個星期后，倫琴確認這的確是一種新的射線。1895189

5、5年年1212月月2222日，倫琴和他夫人拍下了第一張日，倫琴和他夫人拍下了第一張X X射線照片。射線照片。1895年12月28日，倫琴向德國維爾茲堡物理和醫學學會遞交了第一篇研究通訊一種新射線初步研究。倫琴在他的通訊中把這一新射線稱為倫琴在他的通訊中把這一新射線稱為X X射線，因為他當時無射線，因為他當時無法確定這一新射線的本質。法確定這一新射線的本質。倫琴發現倫琴發現X射線從而獲得諾貝射線從而獲得諾貝爾獎。爾獎。 19121912年德國物理學家勞厄發現了年德國物理學家勞厄發現了X X射線通過晶體時產生射線通過晶體時產生衍射現象，證明了衍射現象，證明了X X射線的波動性和晶體內部結構的周期性

6、射線的波動性和晶體內部結構的周期性，發表了X射線的干涉現象一文。勞厄的文章發表不久，就引起英國布拉格父子英國布拉格父子的關注，年輕的小布拉格經過反復研究，成功地解釋了勞厄的實年輕的小布拉格經過反復研究，成功地解釋了勞厄的實驗事實。他驗事實。他 。1912年11月，年僅22歲的小布位格以晶體對短波長電磁波衍射為題向劍橋哲學學會報告了上述研究結果。老布拉格則于老布拉格則于19131913年元月設計出第一臺年元月設計出第一臺X X射線分光射線分光計，計，并利用這臺儀器，發現了 X X射線已被廣泛應用于晶體結構的分析以及醫學和工射線已被廣泛應用于晶體結構的分析以及醫學和工業等領域。對于促進業等領域。對

7、于促進2020世紀的物理學以至整個科學技世紀的物理學以至整個科學技術的發展產生了巨大而深遠的影響。術的發展產生了巨大而深遠的影響。X X射線衍射分析的特點：射線衍射分析的特點：反映出的反映出的信息是信息是，與材料的與材料的有良好的對應關系。有良好的對應關系。不足之處：不可能給出材料實際存在的微觀成分和不足之處：不可能給出材料實際存在的微觀成分和結構的不均勻性的資料。結構的不均勻性的資料。2-2 x2-2 x射線與電磁波譜射線與電磁波譜X X射線的本質是電磁輻射，與可見光完全相同，僅射線的本質是電磁輻射，與可見光完全相同，僅是波長短而已，因此具有波粒二象性。是波長短而已，因此具有波粒二象性。(1

8、)(1)波動性波動性; ;(2)(2)粒子性。粒子性。X X射線的頻率射線的頻率、波長波長以及其光子的能量以及其光子的能量、動動量量p p之間存在如下關系：之間存在如下關系： 式中式中hh普朗克常數，等于普朗克常數，等于6.6256.625 J.s; J.s; cXcX射線的速度，等于射線的速度，等于2.9982.998 m/s. m/s. 在電磁波譜上位于紫在電磁波譜上位于紫外線和外線和 射線之間。射線之間。hchhp 3410810無線電波無線電波紅外線紅外線可見光可見光紫外線紫外線可見光可見光X X射線射線射線射線分為軟分為軟x x射線（波長大于射線（波長大于0.50.5nmnm）和硬和

9、硬x x射線（波長小于射線（波長小于0.50.5nmnm）。）。用于衍射分析的波長用于衍射分析的波長0.050.050.250.25nmnm。硬硬X X射線：波長較短的硬射線：波長較短的硬X X射線能量較高，穿透性較強，射線能量較高，穿透性較強，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。 軟軟X X射線：波長較長的軟射線：波長較長的軟X X射線能量較低，穿透性弱，射線能量較低，穿透性弱，可用于非金屬的分析。可用于非金屬的分析。 X X射線波長的度量單位常用埃（射線波長的度量單位常用埃（ ）表示；通用的國際表示；通用的國際計量單位中用納米（計量單位中用納米（

10、nmnm）表示，它們之間的換算關系表示，它們之間的換算關系為：為： 1 1nm=10 nm=10 2-3 x2-3 x射線的產生及射線的產生及x x射線譜射線譜一、一、X X射線的產生射線的產生(1)(1) ( (3)X3)X射線管；射線管； 二、二、X X射線譜射線譜(1)連續連續X X射線射線； (2)。一、一、x射線的產生射線的產生 高速運動的電子與物體碰撞時高速運動的電子與物體碰撞時，發生能量轉換，發生能量轉換，電子的運動受阻失去動能，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分（其中一小部分（1 1左右）能量轉變為左右）能量轉變為X X射線，而絕大部分（射線，而絕大部分（9999左左右）能量

11、轉變成熱能使物體溫度升高右）能量轉變成熱能使物體溫度升高。 （水冷）（水冷）（1 1）產生原理）產生原理a.a.產生自由電子；產生自由電子；b.b.使電子作定向的高速運動使電子作定向的高速運動; ;c.c.在其運動的路徑上設置一個障礙物使電子突在其運動的路徑上設置一個障礙物使電子突然減速或停止。然減速或停止。（2 2）產生條件）產生條件接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖 封閉式封閉式X X射線管實質上就是一個大的射線管實質上就是一個大的真空（真空（ ）二極管。基本）二極管。基本組成包括：組成包括： (1)(1)陰極：陰極是發射電子的地方。陰極：陰極

12、是發射電子的地方。 (2)(2)陽極：亦稱靶，是使電子突然減陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發射速和發射X X射線的地方。射線的地方。mmHg751010（3 3）X X射線管射線管 二、二、X X射線譜射線譜 由由X X射線管發射出來的射線管發射出來的X X射線可以分為兩種類型：射線可以分為兩種類型：(1)(1)連續連續X X射線射線； (2)(2)。 （1 1）連續）連續X X射線射線 具有連續波長的具有連續波長的X X射線，構成射線，構成連續連續X X射線譜，它和可見光相射線譜，它和可見光相似，亦稱多色似，亦稱多色X X射線。射線。；。 鎢靶的連續鎢靶的連續X X射線譜射線譜相相對對強強

13、度度（1）每一種管電壓下，存在一個每一種管電壓下，存在一個短波極限短波極限；射線；射線中含有大于短波極限的各個波長成分。中含有大于短波極限的各個波長成分。（2）隨著管電壓增大，隨著管電壓增大，短波極限和強度最大的波短波極限和強度最大的波長朝短波方向移動。長朝短波方向移動。相相對對強強度度 連續連續X X射線譜在短波方向有一個波長極限，稱為射線譜在短波方向有一個波長極限，稱為短波限短波限0 0. .它是由電子一次碰撞就耗盡能量所產生的它是由電子一次碰撞就耗盡能量所產生的X X射線。射線。它它只與管電壓有關，不受其它因素的影響。只與管電壓有關，不受其它因素的影響。 相互關系為：相互關系為： 式中式

14、中 e e電子電荷，等于電子電荷，等于 庫侖；庫侖； V V電子通過兩極時的電壓降；電子通過兩極時的電壓降； h h普朗克常數，等于普朗克常數，等于 0maxhcheV19106 . 1sj3410625. 6相相對對強強度度 鎢靶的連續鎢靶的連續X X射線譜射線譜0maxhcheV)(1240101060. 1100 . 310625. 69198340nmVVeVhc短波限0隨管壓V的增大而減小。 高能電子與陽極靶的原子碰撞時，高能電子與陽極靶的原子碰撞時，受靶中原子核的庫受靶中原子核的庫侖場作用而侖場作用而速度驟減，速度驟減，碰撞一次產生一個能量為碰撞一次產生一個能量為hvhv的的光子，

15、這樣的光子流即為光子，這樣的光子流即為X X射線。射線。高速電子進入靶內高速電子進入靶內不同深度，不同深度，使射線，使射線( (光子光子) )波波長連續變化長連續變化, ,形成連續譜。形成連續譜。 X X射線的強度是指垂直射線的強度是指垂直X X射線傳播方向的單位面積上在射線傳播方向的單位面積上在單位時間內所通過的光子數目的能量總和。單位時間內所通過的光子數目的能量總和。 常用的常用的單位是單位是J/(cmJ/(cm2 2s)s) . . X X射線的強度射線的強度I I是由光子能量是由光子能量hvhv和它的數目和它的數目n n兩個因素兩個因素決定的決定的, ,即即I=nhv.I=nhv.連續

16、連續X X射線強度最大值在射線強度最大值在1.51.50 0 , ,而而不在不在0 0處。處。 連續連續X X射線譜中每條曲線下的面積表示連續射線譜中每條曲線下的面積表示連續X X射線射線的總強度。也是陽極靶發射出的的總強度。也是陽極靶發射出的X X射線的總能量。射線的總能量。 實驗證明，實驗證明，I I與管電流與管電流i i、管電壓、管電壓V V、陽極靶的原子、陽極靶的原子序數序數Z Z存在如下關系：存在如下關系： 且且X X射線射線管的效率為管的效率為: :21iZVKI連ZVKiViZVKXX121電子流功率射線功率射線管效率由于由于K K1 1是個很小的數，約為是個很小的數，約為 ，如

17、，如采用采用W W陽極（陽極（z=74z=74）,V=100kV,V=100kV時，效率僅為時，效率僅為1%1%左右。左右。碰撞陽極靶的電子束的大部分能量都耗費在使陽極碰撞陽極靶的電子束的大部分能量都耗費在使陽極靶發熱上靶發熱上 。 水冷卻水冷卻V9104 . 11 . 1(2)(2)標識標識X X射線（特征射線（特征x x射線）射線） 是在連續譜的基礎上疊加若干條具有一定波長的譜是在連續譜的基礎上疊加若干條具有一定波長的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X X射線。射線。 1.1. X射線譜 當電壓達到當電壓達到時，發出標識譜線；時，發出標識譜線； 隨

18、電壓增加，標識譜線的波長不變化，隨電壓增加，標識譜線的波長不變化， 強度增強強度增強。 如鉬靶如鉬靶K K系標識系標識X X射線有兩個強度高峰為射線有兩個強度高峰為K K和和K K ，波長分別為波長分別為0.71 0.71 和和0.63 0.63 . . 標識標識X X射線譜的產生機理與陽極靶物質的原子內部射線譜的產生機理與陽極靶物質的原子內部結構緊密相關的。原子系統內的電子按泡利不相容結構緊密相關的。原子系統內的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個能級。原理和能量最低原理分布于各個能級。系統能量升高，處于不穩定激發態。系統能量升高，處于不穩定激發態。 K K層電子被擊出時，原子系統能

19、量由基態升到層電子被擊出時，原子系統能量由基態升到K K激激發態發態，高能級電子向，高能級電子向K K層空位填充時產生層空位填充時產生K K系輻射。系輻射。 由能級可知，由能級可知，K K輻射的光子輻射的光子能量大于能量大于K K的能量，的能量，但但K K層層與與L L層為相鄰能級，層為相鄰能級，故故L L層電層電子填充幾率大，所以子填充幾率大，所以K K的強的強度約為度約為K K的的5 5倍。倍。2212,1kkkIIk產生產生K K系激發要陰極電子的系激發要陰極電子的能量能量e eV Vk k至少等于擊出一個至少等于擊出一個K K層電子所作的功層電子所作的功W Wk k。L L層內不同亞能

20、級電子向層內不同亞能級電子向K K層躍遷所層躍遷所發射的發射的K K 1 1和和K K 2 2的關系的關系X X射線譜射線譜 K K系標識系標識X X射線的強度與管電壓、管電流的關系為：射線的強度與管電壓、管電流的關系為：nkVViKI2標 標識標識X X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質的原子射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質的原子能級結構，是物質的固有特性能級結構，是物質的固有特性。且存在如下關系：。且存在如下關系： 莫塞萊定律莫塞萊定律：標識：標識X X射線譜的波長射線譜的波長與原子序數與原子序數Z Z關系為：關系為：ZK21總結總結 1 x1 x射線譜分為連續譜和標識譜（或特征譜）

21、射線譜分為連續譜和標識譜（或特征譜） 2 2 短波限短波限0 0是連續譜上的最小波長。由電子一次是連續譜上的最小波長。由電子一次碰撞就耗盡能量所產生的碰撞就耗盡能量所產生的X X射線，它與管壓的關系：射線，它與管壓的關系： 3 3 標識譜的產生機理標識譜的產生機理 4 K4 K系系激發電壓激發電壓，K K系系標識譜線的命名標識譜線的命名。 5 5 莫塞萊定律莫塞萊定律ZK210maxhcheV在電子轟擊陽極的過程中，當某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內層在電子轟擊陽極的過程中，當某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內層電子擊出時，于是在低能級上出現空位，較高能級上的電子向低能級上的空電子擊

22、出時，于是在低能級上出現空位，較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標識位躍遷，并以光子的形式輻射出標識X X射線譜。射線譜。K K層電子被擊出時所需最低電壓。層電子被擊出時所需最低電壓。 K K層電子被擊出時，原子系統能量由層電子被擊出時，原子系統能量由基態升到基態升到K K激發態激發態，高能級電子向，高能級電子向K K層空位填充時產生層空位填充時產生K K系輻射。系輻射。L L層電子層電子填充空位時，產生填充空位時，產生KK輻射；輻射；M M層電子填充空位時產生層電子填充空位時產生KK輻射。輻射。2-4 X2-4 X射線與物質相互作用射線與物質相互作用 X X射線與物質

23、相互作用時，射線與物質相互作用時，產生各種不同的和復雜的產生各種不同的和復雜的過程。就其能量轉換而言，過程。就其能量轉換而言，一束一束X X射線通過物質時，可射線通過物質時，可分為三部分：分為三部分： 一部分被散射，一部分被散射， 一部分被吸收，一部分被吸收， 一部分透過物質繼續沿原一部分透過物質繼續沿原來的方向傳播來的方向傳播( (透射或折透射或折射射) )。 X X射線的散射射線的散射 ； ； ； X X射線的折射；射線的折射； 總結總結 。X X射線的散射射線的散射 X X射線被物質散射時，產生兩種現象：射線被物質散射時，產生兩種現象： 相干散射相干散射； 非相干散射。非相干散射。相干散

24、射相干散射 物質中的物質中的電子電子在在X X射線電場的作用下，射線電場的作用下，產生強迫產生強迫振動。振動。這樣每個電子在各方向這樣每個電子在各方向產生產生與入射與入射X X射線射線同頻率的電磁波同頻率的電磁波。新的散射波之間發生的干涉新的散射波之間發生的干涉現象稱為相干散射現象稱為相干散射。非相干散射非相干散射 X X射線光子與束縛力不大的外層電子射線光子與束縛力不大的外層電子 或自由電子碰撞或自由電子碰撞時電子獲得一部分動能成為反沖電子，時電子獲得一部分動能成為反沖電子，X X射線光子離射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加。開原來方向，能量減小，波長增加。 非相干散射是康普頓（非相干

25、散射是康普頓（A.H.ComptonA.H.Compton）和我國物理學和我國物理學家吳有訓等人發現的，亦稱康普頓效應。非相干散射家吳有訓等人發現的，亦稱康普頓效應。非相干散射突出地表現出突出地表現出X X射線的微粒特性，只能用量子理論來射線的微粒特性，只能用量子理論來描述，亦稱量子散射。描述，亦稱量子散射。 物質對物質對X X射線的吸收指的是射線的吸收指的是X X射射線能量在通過物質時轉變為其線能量在通過物質時轉變為其它形式的能量，它形式的能量，X X射線發生了能射線發生了能量損耗。量損耗。 當一束當一束X X射線通過物質時，由于散射和吸收的作用使射線通過物質時，由于散射和吸收的作用使其透射

26、方向上的強度衰減。衰減的程度與所經過物質其透射方向上的強度衰減。衰減的程度與所經過物質中的距離成正比。式中的距離成正比。式 m m 為質量吸收系數，為質量吸收系數，t t為為x x射線穿透物質的厚度。射線穿透物質的厚度。ttTxxxdxxxmeIeIIdxIdIIII0/0 質量吸收系數質量吸收系數表示單位重量物質對表示單位重量物質對X X射線強度的衰減程度。射線強度的衰減程度。 復雜物質的質量吸收系數復雜物質的質量吸收系數 質量衰減系數與波長和原子序數質量衰減系數與波長和原子序數Z Z存在如下近似關系：存在如下近似關系： K K為常數為常數. . mm隨隨的變化是不連續的，其間被尖銳的突變分

27、開。的變化是不連續的，其間被尖銳的突變分開。 mm突變對應的波長為突變對應的波長為吸收限吸收限。吸收限吸收限與原子能級的精細與原子能級的精細結構對應。如結構對應。如L L系有三個亞層，有三個吸收限。系有三個亞層，有三個吸收限。33ZKmniiimm1)( 質量吸收系數突變的現象或吸收限質量吸收系數突變的現象或吸收限主要是由光電效主要是由光電效應引起的：應引起的：當入射當入射X X射線的波長等于或小于射線的波長等于或小于kk時，時，光子的能量達到擊出一個光子的能量達到擊出一個K K層電子的功層電子的功W W，X X射線光子射線光子被吸收，激發光電效應獲得能量的電子從內層逸出，被吸收，激發光電效應

28、獲得能量的電子從內層逸出，成為光電子，使質量吸收系數成為光電子，使質量吸收系數mm突變性增大。突變性增大。 光電效應光電效應 以以X X光子激發原子所發生的激發和輻射過程。光子激發原子所發生的激發和輻射過程。被擊被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級標識出的電子稱為光電子，輻射出的次級標識X X射線稱射線稱為熒光為熒光X X射線。射線。俄歇效應俄歇效應 原子在入射原子在入射X X射線光子或電子的作用下失掉射線光子或電子的作用下失掉K K層電子，層電子，處于處于K K激發態；當激發態；當L L層電子填充空位時，放出層電子填充空位時，放出E EL L- -E Ek k的的能量能量，產生兩種效應：產生

29、兩種效應： (1) (1) 熒光熒光X X射線；射線； (2) (2) 產生二次電離，使另一個核外電子成為二次電產生二次電離，使另一個核外電子成為二次電子子俄歇電子。俄歇電子。 光電子、俄歇電子和熒光光電子、俄歇電子和熒光x x射線都是被照物質化學射線都是被照物質化學成分的訊號。成分的訊號。 相應元素分析手段：相應元素分析手段：x x射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPSXPS）和熒）和熒光光譜（光光譜（XFSXFS）（能量色散譜（）（能量色散譜（EDSEDS）分析）分析 1 1 濾波片的選擇濾波片的選擇: : (1)(1)它的吸收限位于輻射源的它的吸收限位于輻射源的KK和和KK之間，且盡量之

30、間，且盡量靠近靠近KK。強烈吸收強烈吸收KK， K K吸收很小；吸收很小； (2)(2)濾波片將濾波片將KK強度降低一半最佳。強度降低一半最佳。 2 2 陽極靶的選擇陽極靶的選擇: : （1 1）陽極靶）陽極靶K K波長稍大于試樣的波長稍大于試樣的K K吸收限；吸收限； （2 2）試樣對）試樣對X X射線的吸收最小。射線的吸收最小。 3 3 激發電壓的計算激發電壓的計算 為激發被照物體的為激發被照物體的k k系熒光輻射，電子束的（或照射系熒光輻射，電子束的（或照射x x射線光子的）能量至少等于射線光子的）能量至少等于 為被照物體的為被照物體的k k系吸收限波長。系吸收限波長。 則靶的激發電壓為

31、則靶的激發電壓為 波長單位為nm，電壓單位為V。 若電壓為千伏，則激發電壓公式為kkkhceVW/kkkehcV/1240/kkkkehcV/24. 1/ 4 4 利用吸收限作原子內層能級圖利用吸收限作原子內層能級圖 剛好擊出原子剛好擊出原子k k層電子的層電子的x x射線光子能量等于射線光子能量等于K K層層電子束縛能電子束縛能 內層電子能級圖據此得到。內層電子能級圖據此得到。kkkhchW/ X X射線的折射射線的折射 X X射線從一種介質進入另一種介質產生折射，射線從一種介質進入另一種介質產生折射，折射率折射率M M非常接近非常接近1,1,M M約為約為0.999990.999999 0.999990.999999 。 2222222121mcnemcneMX X射線與物質相互作用射線與物質相互作用 小結小結ttTmeIeII00l熱能透射X射線衰減后的強度I散射X射線電子熒光X射線相干的，用于x射線 衍射分析非相干的反沖電子俄歇電子光電子康普頓效應俄歇效應 光電效應I0 X射線的吸收m突變對應的波