第一章X射線的物理學基礎引言

1895年，德國物理學家倫琴發現X射線1912年，法國物理學家勞厄提出2個假設：

X射線是電磁波，波長為原子線度的1/10；

X射線能產生衍射第一章X射線的物理學基礎勞厄方程第一章X射線的物理學基礎英國布拉格父子從反射角度提出設想，并推導出了著名的布拉格方程：2dsinθ=nλ第一章X射線的物理學基礎1913年，布拉格用X分光計首次測出了NaCl晶體結構第一章X射線的物理學基礎小布拉格在用特征X射線分析了一些堿金屬鹵化物的晶體結構之后，與其父親合作，成功地測定出了金剛石的晶體結構，并用勞厄法進行了驗證。（1）X射線衍射學——根據衍射花樣，在入射X射線波長已知的情況下測定晶體結構，研究與物質結構和結構變化相關的各種問題。通過這些研究，X射線學出現了2個分支：第一章X射線的物理學基礎（2）X射線光譜學——根據衍射花樣，在分光晶體結構已知的情況下測定各種物質發出的X射線的波長和強度，研究物質的原子結構和成分。XRDXRF1.1X射線的性質1.2X射線的產生1.3X射線譜1.4X射線與物質的相互作用1.5X射線的衰減規律1.6

吸收限的應用第一章X射線的物理學基礎1.1X射線的性質1.1X射線的性質本質——電磁波，波長（0.01~10nm）介于紫外線和γ射線之間，呈現波粒二象性。１０－１５１０－１０１０－５１００１０５１?１nm１μm１mm１cm１m１km波長（ｍ）Ｘ射線可見光微波無線電波UVIRγ射線1.1X射線的性質波動性——X射線以一定頻率和波長在空間傳播，反映物質運動連續性，可以解釋在傳播過程中發生的干涉、衍射等現象。 硬X射線——波長較短的X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。軟X射線——波長較長的X射線。能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。X射線衍射分析常用波長0.05～0.25nm，其中金屬材料：0.005～0.1nm。1.1X射線的性質粒子性——X射線以光子形式輻射和吸收，具有一定質量、能量和動量，反映物質運動的分立性。表現在與物質相互作用和交換能量的時候，如光電效應、二次電子等。X射線光子的頻率υ

、波長λ、光子能量ε和動量p

之間關系如下：

ε=hυ=hc/λ p=h/λ返回1.2X射線的產生⑴以某種方式產生一定量自由電子⑵在高真空中，在高壓電場作用下迫使這些電子做定向運動⑶在電子運動方向上設置障礙物以急劇改變電子運動速度

X射線管條件1.2X射線的產生1.2 X射線的產生陰極陽極⑴結構

陰極——發射電子，燈絲外設金屬聚焦罩，用于聚焦電子束。常用W絲。

陽極——產生X射線，由熔點高、導熱好的銅制成，并鍍一層Cr、Fe、Co、Ni、Mo等金屬以產生不同波長X射線。1.2 X射線的產生⑵工作原理陰極陽極⑶X射線接收——與靶面呈6°方向接收這種X射線管的功率比較低，一般為500w~3000w1.2X射線的產生1.2X射線的產生主要由于高速運動電子的動能僅1%轉變成X射線，其余99%都轉變成熱能，功率過高靶面容易燒熔。如何提高功率？旋轉陽極靶：陽極不斷旋轉，電子束轟擊部位不斷改變，不會出現燒熔，功率可提高至100kw。旋轉陽極靶X射線管X射線的產生同步輻射加速器同步輻射是由以接近光速運動的電子在磁場中作曲線運動改變運動方向時所產生的電磁輻射，其本質與我們日常接觸的可見光和X光一樣，都是電磁輻射。由于這種輻射是1947年在同步加速器上被發現的，因而被命名為同步輻射（Synchrotronradiation）。特點：寬波段、高準直、高偏振、高純凈、高亮度、窄脈沖、可精確預知，此外，同步輻射光還具有高度穩定性、高通量、微束徑、準相干等獨特而優異的性能。返回1.3 X射線譜X射線譜——X射線強度隨波長變化的曲線連續X射線譜特征X射線譜1.3 X射線譜1.31連續X射線譜1、含義——由波長連續變化的X射線構成，也稱白色X射線或多色X射線。由圖示曲線可知，每條曲線 都有一強度極大值（對應波 長λm）和一個波長極限值

（短波限λ0）。強度極限短波限1.3 X射線譜如何解釋連續譜的形成？量子理論當能量為1eV的電子與陽極靶原子碰撞時，電子損失自己的能量，其動能的一部分以X光子的形式輻射出來，其余部分轉化為熱能。在與陽極靶相碰的眾多電子中，有的發生一次碰撞，即輻射一個光子，有的則多次碰撞輻射多個能量各異的光子，它們的總和構成連續譜。1.3 X射線譜極限情況：一個電子經一次碰撞即把所有能量轉變為光子能量，光子能量達到最大。1.3X射線譜最大能量光子即具有最短波長——短波限λ0。結論——短波限λ0與加速電壓（管電壓）有關，而與陽極靶材（Z）無關。1.3X射線譜影響連續譜因素：管電壓U、管電流I

和靶材ZI、Z不變，增大UU、Z不變，增大IU、I不變，增大Z強度提高，λm、λ0移向短波強度一致提高，λm、λ0不變1.3X射線譜管電壓U管電流I靶材原子序數Z1.3 X射線譜2、X射線強度——垂直X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。X射線強度

I取決于光子的能量hυ和光子數n，因此連續譜中強度極值不在短波限，而在約1.5λ0處。Ic=KiZVmK：1.1×10-9~1.4×10-9；m=2；Z：靶材原子序數；V：管電壓；i：管電流X射線管效率η——電子流能量中用于產生X射線的百分數，即1.3 X射線譜1.3.2特征X射線譜1、含義——由一定波長的若 干X射線疊加在連續譜上構成， 也稱單色X射線和標識X射 線。當管電壓超過某臨界值時才 能激發出特征譜。

如圖所示，U管=35KV時，

波長0.63埃和0.71埃處出

現特征峰。強度極限短波限2、產生機理 當管電壓達到或超過某一臨界值時，陰極發出的電子在電場加速下將靶材物質原子的內層電子擊出原子外，原子處于高能激發 態，有自發回到低能態 的傾向，外層電子向內 層空位躍遷，多余能量 以X射線的形式釋放出 來—特征X射線。1.3 X射線譜1.3 X射線譜3、能量——特征X射線的能量與躍遷前后的能級有關。

特征X射線以被電子轟擊所形成的空位所在電子層命名，如L→K：Kα輻射；M→K：Kβ輻射。Kβ光子的能量大于Kα光

子，但Kβ線的強度比 Kα線要低。1.3 X射線譜伴生譜線L層電子填充K層空位后，原子將由K激發態轉變為L激發態，更外層電子（如M、N層等）將向L空位躍遷，產生L系輻射。因此，K激發除了產生K系輻射外還伴生L系、M系等輻射，這些伴生輻射均因波長長而被窗口吸收。4、Kα雙線結構Kα=Kα1+Kα2構成雙線結構，這與原子能級的精細結構有關。L層分3個亞層，除L1層電子不符合選擇定律（Δl=0），不能躍遷外，L2、L3層電子均可向K層躍遷，故形成了雙線結構。1.3 X射線譜1.3 X射線譜5、莫塞萊定律特征X射線波長或頻率僅與靶原子結構有關，即結論：特征X射線波長僅決定于原子 序數，與管電壓、管電流無關。該 公式是X射線光譜學的基本依據。特定物質的兩個特定能級之間的能量差一定，輻射出的特征X射線的波長是特定。1.3 X射線譜K系特征X射線的強度與管電壓、管電流的關系為：當I標/I連最大，工作電壓為K系激發電壓的3~5倍時，連續譜造成的衍射背影最小。返回1.4 X射線與物質相互作用X射線與物質相互作用是一個復雜物理過程：一束X射線通過物體后，其強度將發生衰減，這是被吸收和散射的結果，且吸收是主要原因。1.4 X射線與物質相互作用1.4.1X射線的散射X射線的散射分相干散射和非相干散射兩類。1、相干散射當X射線通過物質時，物質原子的內層電子在電磁場作用下將產生受迫振動，并向四周輻射同頻率的電磁波。由于散射線與入射線的波長和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，故稱相干散射→X射線衍射學基礎2、非相干散射X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時電子獲得一部分動能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加，也稱為康普頓散射。散射線波長比入射線波長要長。1.4 X射線與物質相互作用1.4 X射線與物質相互作用1.4.2X射線的吸收物質對X射線的吸收是指X射線通過物質時X光子能量變成了其他形式的能量，是真吸收過程。1、光電效應X射線與物質的相互作用可以看成是X光子與物質中原子的相互碰撞。當X光子具有足夠能量時，可以將原子內層電子擊出，該電子稱為光電子。原子處于激發態，外層電子向內層空位躍遷，多余能量以輻射方式釋放，即二次特征X