2X射线的物理学基础

1、伦伦 琴琴 (w. c. rontgen)1895年，德国物理学家伦琴（w.c. rontgen）在研究阴极射线时发现了一种未知射线，当时对这种射线的本质还不了解。因为在代数上常常用x表示未知数，故将它命名为x射线x-射线照的相片射线照的相片当时的科学家们虽然还不了解x射线的本质，但是发现x射线具有很高的穿透能力，可以很容易穿过纸、人体、木材、金属片和其他不透明物体。1896年（x射线发现的第二年）即被医学部门采用作为检查人体伤、病的工具。1. x-射线的产生射线的产生产生的原理产生的原理产生的条件产生的条件x射线管截面图射线管截面图 x射线管射线管 x射线是波长在射线是波长在10-8到到10

2、-12米范围内的电磁波，因此具有极强米范围内的电磁波，因此具有极强穿透能力。穿透能力。2.2. x射线的粒子性射线的粒子性 x-射线在空间传递时，也具有粒子性。换言之，x-射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续的粒子流，这些粒子叫做光子，每个光子的能量为 即，x-射线和一切微观粒子（电子、质子、中子等）一样，都同时具有波动和粒子双重特性（波粒二像性） 其波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传递，反映了物质运动的连续性；其粒子性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量、动量，反映了物质运动的分立性。 x射线的频率、波长以及其光子的能量光子的能量、动量p之间存在如下关系： 式中h

3、为普朗克常数，c为光速。 hchhp hx x射线谱指的是物体发射出来的射线谱指的是物体发射出来的x x射线的强度射线的强度 随波随波长着长着变化的关系曲线。其中变化的关系曲线。其中x x射线强度射线强度的大小由单的大小由单位面积上的光量子数决定。位面积上的光量子数决定。 0.00.20.40.60.81.001220 kv30 kv40 kvintensitywavelength50 kv 具有连续波长的x射线，构成连续x射线谱，它和可见光相似，亦称白色x射线。x射线谱中的连续x射线谱短波限短波限 0 连续x射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0。它是由电子一次碰撞就耗尽所有能量所产生

4、的x射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。 相互关系为： 即0 = hc/ev 式中 h, c, e都为常数， 0 = f (v) ，只是管电压的函数。0maxhchev 对于一定元素的靶，当管电压小于某一限度时，只激发连续谱。但当管电压升高到超过某一临界值（如 对mo靶, 其临界值v激20kv）后，曲线产生明显的变化，在连续谱的几个特定波长的地方，强度突然显著增大，如图所示。由于它们的波长反映了阳极靶材料的特征，因此称之为特征特征x射线谱射线谱。 mo阳极发射的x射线谱波长，0.1nm相对强度35kv2520 h lk= l- kk k k l l h nk= n- kh nl= n-

5、 l激发与辐射激发与辐射穿透入射x射线束散射吸收相干散射（经典散射）非相干散射的光电子+二次特征辐射热能 x x 射射 线线晶体中的原子或离子中的原子或离子中的电子产生受迫振动。电子产生受迫振动。振动着的电子成为次生x射线的波源，向外辐射与入射 x 射线相同频率的电磁波，称为散射波。散射波之间相互衍射，即为晶体的x射线衍射。相干散射的强度相干散射的强度)22cos1(109 . 722260riie一个电子（位置为一个电子（位置为q）将入射）将入射x射线散射到射线散射到p点（点（p点与q点相相距为距为r， pq 与入射与入射x射线的方向成射线的方向成2角），其角），其p点的散射强点的散射强度度

6、 ie 为：为： 散射强度与距离的平方成反比。散射强度与距离的平方成反比。 各个方向上散射强度不同。各个方向上散射强度不同。pr入射入射x射线射线散射散射x射线射线电子电子2)22cos1(224240rcmeiie入射入射x射线射线量子散射量子散射电子电子2非相干散射突出地表现出非相干散射突出地表现出x-射线的射线的微粒特性微粒特性。非相干散射。非相干散射会增加连续背影，给衍射图像带来不利的影响。会增加连续背影，给衍射图像带来不利的影响。俄歇电子的能量与激发源（光子或电子）的能量无关，只取决于物质原子的能级结构，每种元素都有自己的特征俄歇电子能谱。故可利用俄歇电子能谱做元素的成分分析。 kl

7、iliiliiimklilii俄歇效应俄歇效应真空能级4.3 x射线的衰减射线的衰减 当一束x射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其在透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质的距离成正比。dxidil比例常数l称为线性衰减系数，它与物质种类、物质密度、及x射线的波长有关。xxleii0将上式积分，得到：其中，i0是入射x射线的强度，ix是穿透厚度为x的物质后的x射线强度，l为线性衰减系数。上式表明，x射线通过物质后，将按指数规律迅速衰减。x射线强度的衰减是通过散射和吸收两种方式进行的。所以线性衰减系数l应该等于散射系数和吸收系数之和。在大多数情况下，散射系数要比吸收系数小得多，所以散射系

8、数可以不计。以后将l称为线性吸收系数。/lm此时衰减规律则表示为：对于一种物质，线性吸收系数l 正比于它的密度，因此引入质量吸收系数m：如果吸收体物质是含有多个元素的物质，如化合物、合金、机械混合物等，则其质量吸收系数为：iinilinimimwwmi为第i种元素的质量吸收系数，wi为第i种元素质量分数(%) xxmeii0质量吸收系数质量吸收系数m m与波长及原子系数的关系与波长及原子系数的关系 实验表明：质量吸收系数随波长的变化而变化，其变化曲线由两个明显不同的连续部分所组成。即质量吸收系数随着波长的变化会产生突变。在突变之间， m随波长和原子系数z的变化关系可近似为： 其中k为常数m随的

9、变化曲线被尖锐的突变分开。这个突变所对应的波长为k吸收限，常用k表示。33zkm吸收限主要是由光电效应引起的吸收限主要是由光电效应引起的：当x射线的波长等于或小于k时，光子的能量高于击出物质的一个内层电子所需做的功w，x射线被吸收，激发光电效应，使m突变性增大。吸收限与吸收物质的原子能级的精细结构对应。如l系有三个副层，有三个吸收限。x射线衍射实验需要近可能接近单色的x射线，可是从x射线管发射出来的射线不仅含有k线，还有较弱的k线和连续x射线。我们可以利用k吸收限的性质，选择一种材料，让该材料的k吸收限k恰好位于阳极靶的特征x射线k 和k的波长之间，把该材料放在原x射线束和衍射线束之间。这种材料叫滤波器。滤波器能把绝大部分k 线吸收掉，而k 线的强度仅受到很小的损失。如ni的k = 1.488 。cu靶的k 线的波长为1.