第1章x射线的产生

1、第一章第一章 X X 射线的性质射线的性质【教学内容教学内容】 1 1X X射线的发现。射线的发现。 2 2X X射线的本质。射线的本质。 3 3X X射线的产生与射线的产生与X X射线管。射线管。 4 4X X射线谱。射线谱。 5 5X X 射线与物质的相互作用。射线与物质的相互作用。X X射线的发现射线的发现W. K. Rontgen18451923 n1895年年11月月8日，德国物理学家伦琴在研究真空日，德国物理学家伦琴在研究真空管的高压放电时，偶然发现镀有氰亚铂酸钡的硬管的高压放电时，偶然发现镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。这一现象立即引起的细心的伦纸板会发出荧光。这一现象立即引起

2、的细心的伦琴的注意。经仔细分析，认为这是真空管中发出琴的注意。经仔细分析，认为这是真空管中发出的一种射线引起的。于是一个伟大的发现诞生了的一种射线引起的。于是一个伟大的发现诞生了。由于当时对这种射线不了解，故称之为。由于当时对这种射线不了解，故称之为x射线射线。后来也称伦琴射线。后来也称伦琴射线。伦琴发现，不同物质对伦琴发现，不同物质对x射线的穿透能力是射线的穿透能力是不同的。他用不同的。他用x射线拍了一张其夫人手的照片。射线拍了一张其夫人手的照片。很快，很快，x射线发现仅半年时间，在当时对射线发现仅半年时间，在当时对x射线的射线的本质还不清楚的情况下，本质还不清楚的情况下，x射线在医学上得到

3、了射线在医学上得到了应用。发展了应用。发展了x射线照像术。射线照像术。 n1896年年1月月23日伦琴在他的日伦琴在他的研究所作了第一个关于研究所作了第一个关于x射射线的学术报告。线的学术报告。1896年，伦琴将他的年，伦琴将他的发现和初步的研究结果写了发现和初步的研究结果写了一篇论文一篇论文“论一种新射线论一种新射线”，发表在英国的，发表在英国的nature杂志上。他的发现在社会上杂志上。他的发现在社会上引起了轰动，也为他赢得了引起了轰动，也为他赢得了很大的荣誉。很大的荣誉。1910年，诺贝尔奖第年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因一次颁发，伦琴因x射线的射线的发现而获得第一个诺贝尔物发现而获得第

4、一个诺贝尔物理学奖。理学奖。 1895年伦琴初次发现x射线时，拍摄的他夫人手指的x射线照 1910年第一张诺贝尔物理学奖授予年第一张诺贝尔物理学奖授予w. k. 伦琴伦琴 伦琴 -全名威廉康拉德伦琴（18451923），德国实验物理学家。 1845年3月27日生于德国莱茵州雷内普镇。 1869年获苏黎世大学理学博士学位。1870年回德国维尔茨堡大学工作。1894年任维尔茨堡大学校长。1895年11月8日发现X射线。1900年任慕尼黑大学物理研究所教授，主任。1901年获首届诺贝尔物理学奖。1923年2月10日在慕尼黑去世。个人贡献伦琴一生在物理学许多领域中进行过实验研究工作，如对电介质在充电的

5、电容器中运动时的磁效应、气体的比热容、晶体的导热性、热释电和压电现象、光的偏振面在气体中的旋转、光与电的关系、物质的弹性、毛细现象等方面的研究都作出了一定的贡献,由于他对X射线的发现赢得了巨大的荣誉，以致这些贡献大多不为人所注意。 nX射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1896年、放射线1896年、电子1897年） 特点特点波长很短的电磁波波长很短的电磁波 具有波粒二相性具有波粒二相性n直线传播，穿透性强，能使密封的底片感光直线传播，穿透性强，能使密封的底片感光X X射线的本质射线的本质n对对x射线本质的争论，焦点集中在它是：粒子流？电磁波射线本质的争论，焦点集中在它是：

6、粒子流？电磁波？认为认为x射线是物质粒子流的科学家中有射线是物质粒子流的科学家中有w. h. 布拉格。布拉格。他的儿子他的儿子w. l. 布拉格布拉格 则对则对x射线的波动性进行了深入的研射线的波动性进行了深入的研究，并给出了著名的布拉格方程究，并给出了著名的布拉格方程。 对对X射线波动性最完美的研究是德国物理学家劳厄（射线波动性最完美的研究是德国物理学家劳厄（Laue） n爱因期坦称，劳厄的实爱因期坦称，劳厄的实验验“ 物理学最美的实物理学最美的实验验”。n它一箭双雕地解决了它一箭双雕地解决了x射线的波动性和晶体的射线的波动性和晶体的结构的周期性。结构的周期性。 n后来的科学证明，与可见光一

7、样，后来的科学证明，与可见光一样，X射线具有波射线具有波粒二象性。粒二象性。nX射线的本质是一种电磁波。射线的本质是一种电磁波。 它既具波动性，又它既具波动性，又具有粒子性。具有粒子性。n在在X射线衍射分析中应用的主要是它的波动性，射线衍射分析中应用的主要是它的波动性，反映在在传播过程中发生干涉、衍射作用。反映在在传播过程中发生干涉、衍射作用。n而在与物质相互作用，进行能量交换时，则表现而在与物质相互作用，进行能量交换时，则表现出它的粒子性，这种微粒子通常称为光子。出它的粒子性，这种微粒子通常称为光子。X X射线波粒二象性射线波粒二象性。X X射线的波动性射线的波动性nX射线的波动性表现在它以

8、一定的波长和频率在空间射线的波动性表现在它以一定的波长和频率在空间传播。传播。X射线的波长在电磁波谱上位于紫外线之后射线的波长在电磁波谱上位于紫外线之后（图（图1-1）。nX射线波长的度量单位常用埃（射线波长的度量单位常用埃（）n通用的国际计量单位中用纳米（通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示）表示n它们之间的换算关系为：它们之间的换算关系为： 1nm=10 =101nm=10 =10-9-9m mnX X射线的波长范围：射线的波长范围： 0.01100 0.01100 X-radiationMicrowavesg g-radiationUVIRRadio waves10-6 10-3 1

9、103 106 109 1012Wavelength(nm)可见光可见光无线电波无线电波 X X射线的粒子性射线的粒子性称为波矢为普朗克常数，1KhKhhPchhEh普朗克常数CX射线的速度E-能量-频率-波长nX射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流构成的。它具有一定和能量和动量子流构成的。它具有一定和能量和动量。n式中h普朗克常数n h=6.62510-34 J.s; n cX射线的速度(光速)n c=2.998 108 m/s. nX射线的波长较可见光短得多，所以能量和动量 很大，具有很强的穿透力。hPn高速运动的电子（高能粒子）与物体碰撞时

10、，高速运动的电子（高能粒子）与物体碰撞时，发生能量转换，能量转变为发生能量转换，能量转变为X射线。射线。n高能粒子：电子、中子、光子（高能粒子：电子、中子、光子（X射线本身）射线本身）等等X X射线的产生射线的产生X X射线的产生射线的产生X射线产生的基本条件：射线产生的基本条件： （1）产生自由电子；）产生自由电子； （2）使电子做定向高速运动；）使电子做定向高速运动； （3）在电子运动的路径上设置使其突然减速的）在电子运动的路径上设置使其突然减速的 障碍物。障碍物。n通常使用热阴极通常使用热阴极X射线管射线管n被加热的灯丝发射出电子流，在高压电场作用被加热的灯丝发射出电子流，在高压电场作用

11、下，加速飞向阳极。下，加速飞向阳极。n高速电子流在撞击阳极（靶）时，所携带的动高速电子流在撞击阳极（靶）时，所携带的动能部分转变为光量子，以能部分转变为光量子，以X射线形式发射出来。射线形式发射出来。X X射线的产生射线的产生nX射线管由阳极靶和阴极灯丝组成射线管由阳极靶和阴极灯丝组成产产 生生-X-X射线管射线管冷却水冷却水靶（阳极）靶（阳极）铜铜X射线射线X射线射线真空真空钨丝钨丝玻璃玻璃管座（接变压器）管座（接变压器）铍窗铍窗聚焦罩聚焦罩常用常用X射线管的结构包括：射线管的结构包括： （1 1）阴极：）阴极：如同一般的灯丝，一如同一般的灯丝，一般用钨丝做成。用于产生大般用钨丝做成。用于产

12、生大量的电子，量的电子，是发射电子的地是发射电子的地方。方。 （2 2）阳极：亦称靶，是使电子突）阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射然减速和发射X X射线的地方。射线的地方。 不同金属制成的靶产生的不同金属制成的靶产生的X X射射线是不同的。线是不同的。常用的靶材：常用的靶材：Cr, Fe, Co, Ni, Cr, Fe, Co, Ni, CuCu, Mo, , Mo, AgAg。产产 生生-X-X射线管射线管（3 3）窗口）窗口(Be)(Be)：窗口是：窗口是X X射线从阳极靶向外射出的地方。射线从阳极靶向外射出的地方。（4）冷却系统：当电子束轰击阳极靶时，其中只有）冷却系统：当电子束轰击

13、阳极靶时，其中只有1%能能 量转换为量转换为X射线，其余的射线，其余的99%均转变为热能。因此，均转变为热能。因此， 阳极的底座一般高导热性的金属（铜）制作。使用时阳极的底座一般高导热性的金属（铜）制作。使用时 通冷却水防止熔化。通冷却水防止熔化。（5）焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正）焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正 是从这块面积上发射出是从这块面积上发射出X射线。射线。 产产 生生-X-X射线管射线管n转靶转靶X射线管射线管n常规常规X射线管功率只射线管功率只有有1-2KW ，大功率转，大功率转靶靶X射线管功率可达射线管功率可达10-30 KWn可显示更多衍射信息可

14、显示更多衍射信息和细节和细节产产 生生-转靶转靶X射线管射线管电子束电子束X射线射线高功率旋转阳极高功率旋转阳极X X射线谱射线谱X X射线谱射线谱是指是指X X射线强度随波长变化的关系曲线射线强度随波长变化的关系曲线X X射线谱射线谱连续连续X X射线谱射线谱特征特征X X射线谱射线谱波长连续变化的波长连续变化的X X射射线组成线组成一定波长的若干一定波长的若干X X射射线叠加在连续线叠加在连续X X射线射线谱上构成谱上构成连续谱+标识（特征）谱 连续谱连续谱 正如太阳光包含有红、橙、黄、正如太阳光包含有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等许多不同波长的光绿、蓝、靛、紫等许多不同波长的光一样，从一样

15、，从X射线管中发出的射线管中发出的X射线也不射线也不是单一波长（单色）的，而是包含有是单一波长（单色）的，而是包含有许多不同波长的许多不同波长的X射线。这些波长构射线。这些波长构成连续的光谱成连续的光谱。别名：多色别名：多色X射线射线 白色白色X射线射线X X射线谱射线谱 强度强度 波长（波长（ ）连续谱连续谱特征谱特征谱连续连续X X射线谱射线谱 如图所示的曲线是管电流恒定，管电压从如图所示的曲线是管电流恒定，管电压从5kV5kV逐渐增加到逐渐增加到25kV25kV钼钯钼钯X X射线管中发出的射线管中发出的X X射线谱。射线谱。 连续连续X X射线谱射线谱特点：特点：曲线均有一个最短波长限曲

16、线均有一个最短波长限00和最大强度和最大强度点所对应的波长点所对应的波长mm。最大值一般在最大值一般在1.501.50地方。地方。恒定管电流，逐渐升高电压，恒定管电流，逐渐升高电压，0 0和和m m均均向短波方向移动。向短波方向移动。0=1.24/v(nm0=1.24/v(nm) )当电压增加时，各个波长所对应的强度增当电压增加时，各个波长所对应的强度增加，曲线下所围的面积增加。加，曲线下所围的面积增加。 i i连连= = 连续连续X X射线谱产生机理射线谱产生机理 n 能量为能量为eVeV的电子与阳极靶碰撞时，电子失去能量，其中的电子与阳极靶碰撞时，电子失去能量，其中部分能量以光子的形式辐射

17、（大部分转化为热能），碰部分能量以光子的形式辐射（大部分转化为热能），碰撞一次产生一个能量为撞一次产生一个能量为h h的光子，这样的光子流即为的光子，这样的光子流即为X X射线。射线。n到达阳极靶面的电子数目是极大量的（每秒到达阳极靶面的电子数目是极大量的（每秒6.25 1016 个），达到靶上的时间和条件不会相同，并且绝大多数，达到靶上的时间和条件不会相同，并且绝大多数电子要经历多次碰撞，每次碰撞都转换成波长不相同的电子要经历多次碰撞，每次碰撞都转换成波长不相同的辐射辐射(光子能量不同），于是产生了一个连续的光子能量不同），于是产生了一个连续的X射线谱射线谱。短波限短波限n连续连续X射线谱在

18、短波方向有一个波长限，称为短射线谱在短波方向有一个波长限，称为短波限波限0n它是由电子它是由电子一次碰撞就将一次碰撞就将全部能量全部能量转换成所产生转换成所产生的的X射线射线 （数目庞大的电子群中（数目庞大的电子群中总会有总会有这样的电这样的电子）子）n0只与管电压有关，不受其它因素的影响。（与只与管电压有关，不受其它因素的影响。（与管电流和靶的材料无关）。管电流和靶的材料无关）。0maxhcheVn式中式中e电子电荷，电子电荷，nc光速，光速，n频率频率n V电子通过两极时的电压降（电子通过两极时的电压降（kv）n h普朗克常数，普朗克常数，h=sj3410625. 6n式中式中e电子电荷，

19、电子电荷，nc光速，光速，n频率频率n V电子通过两极时的电压降电子通过两极时的电压降（kv）n h普朗克常数，普朗克常数，h=sj3410625. 6SWL= nmV24.1短波限短波限n试计算用试计算用50千伏操作时，千伏操作时，X射线管中的射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的X射线短波限为多少？射线短波限为多少？eVm20210mp eVhc0kgm311011. 9Jsh3410625. 6smc/1038Ce19106 . 1连续谱强度连续谱强度 nX射线的强度是指垂直于射线的强度是指垂直于X射线传播方向的单位面积射线传播方向的单位面积上

20、在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。 I = nh 正因为如此，连续正因为如此，连续X射线谱中强度最大值并不在光射线谱中强度最大值并不在光子能量最大的子能量最大的0处，而是在大约处，而是在大约1.50的地方。的地方。n实验证明实验证明 I连连 i Z U2 n阳极原子数阳极原子数Z Z成正比成正比n与靶电流与靶电流i i成正比成正比n与电压与电压U U二次方成正比二次方成正比n可见，连续可见，连续X X射线的总能量（强度）随管电流、射线的总能量（强度）随管电流、阳极靶原子序数和管电压的增加而增大。阳极靶原子序数和管电压的增加而增大。连续谱强度连续谱

21、强度 管电压管电压靶原子序数靶原子序数管电流管电流强度SWLM X射线管的效率n一般一般1%1%（当用钨靶（当用钨靶z=74z=74，管压为，管压为100kv100kv，1%1%），），电子能量的电子能量的99%99%左右在转变过程中损失掉了。左右在转变过程中损失掉了。n为了提高效率，选用重金属靶并施以高电压。为了提高效率，选用重金属靶并施以高电压。n=连续连续x射线的总强度射线的总强度/x射线管的功率射线管的功率 = =zv特征特征X X射线谱射线谱( (标识谱标识谱) )characteristic X-ray characteristic X-ray n当电压加到当电压加到25kv25k

22、v时，时，momo靶靶的连续的连续x x射线谱射线谱上出现了二个上出现了二个尖锐的峰尖锐的峰k(0.071nm)k(0.071nm)和和k(0.063nm)k(0.063nm)。特征特征X X射线谱射线谱 钼靶钼靶X X射线管在某电压下射线管在某电压下产生的特征谱线产生的特征谱线n随着电压的增大，其强随着电压的增大，其强度进一步增强，但波长度进一步增强，但波长不变，也就是说，这些不变，也就是说，这些谱线的波长与管压和管谱线的波长与管压和管流无关。流无关。n它与靶材有关。对给定它与靶材有关。对给定的靶材，它们的这些谱的靶材，它们的这些谱线是特定的。因此，称线是特定的。因此，称之为特征之为特征x

23、x射线谱或标识射线谱或标识x x射线谱。射线谱。n产生特征产生特征x x射线的最低射线的最低电压称激发电压。电压称激发电压。特征特征X X射线谱产生机理射线谱产生机理n特征特征X X射线谱产生的机射线谱产生的机理与连续谱不同，它的理与连续谱不同，它的产生是与阳极靶物质的产生是与阳极靶物质的原子结构紧密相关。原子结构紧密相关。n原子内部的电子分布在原子内部的电子分布在不同的壳层上不同的壳层上k k、lln每个壳层上的电子具有每个壳层上的电子具有不同的能量不同的能量kk、ll，且，且kkll 泡利不相容原理泡利不相容原理特征（标识）谱产生特征（标识）谱产生n在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能

24、量的电子将在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子（阳极靶原子的内层电子（如如K K层层的一个电子）击出的一个电子）击出时，于时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发激发态态。n高能级上的电子向低能级跃迁（如高能级上的电子向低能级跃迁（如L L层电子跃迁到层电子跃迁到K K层）层）释释放能量，并以光子的形式放能量，并以光子的形式辐射出标识辐射出标识X射线谱射线谱。 出现内层空位出现内层空位高能电子高能电子击出靶的内层电子击出靶的内层电子 外层电子跃入填充外层电子跃入填充发射发射X光子光子NMKLKKKL

25、LK系激发L系激发入射电子n释放的能量（释放的能量（E=EE=EL L-E-EK K= =hh）以电磁波的形）以电磁波的形式放射出去，式放射出去，n其波长其波长h/Eh/E必然是个仅取决于原子序数必然是个仅取决于原子序数的常数。的常数。即特征即特征x x射线波长为一定值射线波长为一定值。n不同原子序数不同原子序数Z，有不同特征，有不同特征X射线，射线，K、K也不同。也不同。n谱系命名谱系命名: : K K层电离层电离, ,电子由其它壳层向电子由其它壳层向K K层跃迁产生的层跃迁产生的X X射线叫射线叫K K系谱线；跨跃系谱线；跨跃1 1个能级的标记为个能级的标记为，2 2个个能级的标记为能级的

26、标记为等。等。nLKLK跃迁跃迁: : K KnMKMK跃迁跃迁: : K KnNKNK跃迁跃迁: : K K同理同理, , n ML ML 跃迁跃迁: : L Ln NL NL 跃迁跃迁: : L Ln NM NM 跃迁跃迁: : M Mn产生某系激发要阴极电子的能量产生某系激发要阴极电子的能量eUeU 至少等于击出一个至少等于击出一个某层电子所作的功（将某层电子变成自由电子所需要的能某层电子所作的功（将某层电子变成自由电子所需要的能量）量）。n临界激发电压：临界激发电压：电子具足够能量把靶原子某一能级上的电子具足够能量把靶原子某一能级上的电子打掉，从而产生特征电子打掉，从而产生特征x-ra

27、yx-ray所必须达到的最低电压。所必须达到的最低电压。n对于同种原子：越接近内层临界激发电压越高对于同种原子：越接近内层临界激发电压越高 V Vk k V VL L V VM M V VN N n对于不同种原子：原子序数大的临界激发电压大。对于不同种原子：原子序数大的临界激发电压大。特征特征X X射线谱产生条件射线谱产生条件注注 意意 ：特征特征X射射线产生存在一个临界激发电压线产生存在一个临界激发电压WK：K层电子的逸出功层电子的逸出功VK：阴极电子击出靶材原子：阴极电子击出靶材原子K电子所需的临界激发电压电子所需的临界激发电压 在临界条件下：在临界条件下：212KKKKm ve Ve V

28、W特征特征X X射线波长射线波长-莫塞莱定律莫塞莱定律 MosleyMosleys Laws Lawn标识标识X X射线谱（的频率和波长）射线谱（的频率和波长）只取决于阳极靶物质的原子只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特能级结构，是物质的固有特性。性。且存在如下关系且存在如下关系：n标识标识X射线谱的波长射线谱的波长与原子与原子序数序数Z关系为：关系为：ZK1n ：波长：波长; K; K：与主量子数、电子质量和电子电荷有关的：与主量子数、电子质量和电子电荷有关的常数常数; Z ; Z ：靶材原子序数：靶材原子序数; ; ：屏蔽：屏蔽常数常数n每种元素都有特征每种元素都有特征X X射

29、线谱射线谱。可以用特征谱来识别元素，。可以用特征谱来识别元素，进行化学成分分析。进行化学成分分析。n莫塞莱定律为莫塞莱定律为X X射线射线化学成分分析化学成分分析奠定了理论基础，分析奠定了理论基础，分析思路是使未知物质发出特征思路是使未知物质发出特征X X射线，并经过已知晶体进行射线，并经过已知晶体进行衍射，然后算出波长衍射，然后算出波长 ，从而确定，从而确定Z Z。特征X射线波长与靶材料原子序数有关n几种靶材料的特征几种靶材料的特征X X射线波长射线波长 ()()n元素元素 序数序数 K K K K n Cr 24 2.2907 2.0849 Cr 24 2.2907 2.0849n Fe

30、26 1.9373 1.7566 Fe 26 1.9373 1.7566n Ni 28 1.6592 1.5001 Ni 28 1.6592 1.5001n Cu 29 1.5418 1.3922Cu 29 1.5418 1.3922n Mo 42 0.7107 0.6323 Mo 42 0.7107 0.6323特征特征X X射线的强度射线的强度n各能级的能量差不是均匀分布的，越靠近原子核各能级的能量差不是均匀分布的，越靠近原子核的相邻能级间的能量差越大，见图的相邻能级间的能量差越大，见图1-81-8。n由于由于KmKm KlKl ，所以，所以KK的波长大于的波长大于KK。n由于由于LKLK

31、跃迁的几率比跃迁的几率比MKMK跃迁大跃迁大5 5倍左右，所以倍左右，所以，KK强度比强度比KK大大5 5倍。倍。K 比比K 谱线波长长谱线波长长：注意：注意：kKLKLhckKMKMhcKKM-K层上的能级差：层上的能级差： KML-K层上的能级差：层上的能级差： KL注意：注意：nK 比比K 谱线的强度高谱线的强度高5倍左右倍左右 电子由电子由L-K层跃迁的几率比由层跃迁的几率比由M-K层跃迁的几率大层跃迁的几率大5倍左右倍左右 I = nh标识x射线的精细结构:nK K由由K K11 和和K K22组成，组成，两者的强度比为两者的强度比为2 2：1 1。KLK K11K2 2nK K是最

32、强的谱线，比相邻谱线强是最强的谱线，比相邻谱线强5 59090倍。可作倍。可作为衍射的单色光源。为衍射的单色光源。n是是K K强度的强度的5 5倍。倍。nCu:Cu:q K1K1=1.54056 =1.54056 q K2K2=1.54439 =1.54439 q K K=2=2 K1K1/3 +/3 + K2K2/3=1.54184/3=1.54184辐射源选择：辐射源选择： 在在X X射线的多晶体衍射中，射线的多晶体衍射中，主要利用主要利用K K线做辐射源，线做辐射源，L L系或系或M M系由于波长太长，系由于波长太长， 容易被物质吸收，所以不容易被物质吸收，所以不利用。利用。 k k系特

33、征幅射最强，尤其是系特征幅射最强，尤其是kk，是，是x x射线分析中射线分析中最常用的最常用的x x射线。射线。 1)电压对不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶电压对不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶的原子序数的原子序数z所决定。所决定。2) 阳极靶不同产生的特征阳极靶不同产生的特征x射线的波长不同。射线的波长不同。3）实验中最常用的特征）实验中最常用的特征x射线是射线是k。最常用的。最常用的靶材是靶材是cu和和fe。5） k= 2/3k1+1/3k2,有时需要注意区分有时需要注意区分k1和和k2。 一连续一连续X X射线谱射线谱特点特点产生原因产生原因 ( (减速辐射减速辐射) )二特征二特征X

34、X射线谱射线谱 特点特点产生原因产生原因产生过程产生过程 产生条件产生条件特征特征X X射线命名射线命名特征特征X X射线的波长射线的波长X X射线谱的小结：射线谱的小结：三三. .在在X X射线的多晶体衍射中，主要利用射线的多晶体衍射中，主要利用K K线做辐射源线做辐射源X X射线管最佳工作电压射线管最佳工作电压： V=V=（3 35 5）V VK K X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 nX X射线与物质的作用分为射线与物质的作用分为n透射透射 衰减衰减n吸收吸收 热热 真吸收真吸收 光电效应光电效应 荧光效应荧光效应n散射散射 相干散射相干散射 非相干散射非相干散射n散射即散

35、射即x x射线与物质作用改变方向射线与物质作用改变方向n X X射线被物质散射时可以产生两种散射现象，即射线被物质散射时可以产生两种散射现象，即相干相干散射散射和和非相干散射非相干散射。X X射线散射射线散射X射线散射相干散射非相干散射相干散射相干散射n入射光子与电子（束缚较紧的入射光子与电子（束缚较紧的内层电子内层电子）弹性碰撞）弹性碰撞，散射出电磁波的波长与入射波完全相同，即，散射出电磁波的波长与入射波完全相同，即散射散射过程中波长不变。过程中波长不变。n散射波之间将可以发生干涉散射波之间将可以发生干涉-相干散射。相干散射。n相干散射不损失相干散射不损失X X射线的能量，但改变了传播方向。

36、射线的能量，但改变了传播方向。n相干散射相干散射是衍射的基础是衍射的基础。n即散射过程中射线的即散射过程中射线的波长有所改变波长有所改变。n X X射线光子与束缚力不大的射线光子与束缚力不大的外层电子外层电子 或自由电子碰撞时或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，电子获得一部分动能成为反冲电子，X X射线光子离开原来射线光子离开原来方向，方向，能量减小能量减小，X X射线波长发生改变射线波长发生改变( (增加增加),),成为非相干成为非相干散射散射。n非相干散射是康普顿（非相干散射是康普顿（A.H.ComptonA.H.Compton）和我国物理学家吴）和我国物理学家吴有训等人发现的

37、，亦称有训等人发现的，亦称康普顿效应。康普顿效应。n无明确的相位关系，它会增加连续背底，给衍射图象无明确的相位关系，它会增加连续背底，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。带来不利的影响，特别对轻元素。非相干散射非相干散射 非相干散射非相干散射 散射散射x x射线波长的改变与传播方向存在如下的关系：射线波长的改变与传播方向存在如下的关系：=0.0024(1-cos2)=0.0024(1-cos2) 我国著名的物理学家吴有训与美国物理学家康普顿一我国著名的物理学家吴有训与美国物理学家康普顿一起在起在1924年发现的此效应。故亦称康普顿吴有训效应年发现的此效应。故亦称康普顿吴有训效应 n除了被散

38、射和透射一部分外，除了被散射和透射一部分外，X射线能量主要将被物射线能量主要将被物质吸收质吸收n这种这种能量转换能量转换包括包括光电效应（二次特征幅射）光电效应（二次特征幅射） 和俄和俄歇效应。歇效应。 n吸收主要由原子内部的电子跃迁（迁移）引起。吸收主要由原子内部的电子跃迁（迁移）引起。 （真吸收：见（真吸收：见P14）X射线的吸收光电效应光电效应 （荧光辐射（荧光辐射）（1 1）定义：）定义： 当一个具有足够能量的当一个具有足够能量的X X射线光子射线光子碰撞到物质的原子时，也碰撞到物质的原子时，也可以击出原子内层可以击出原子内层( (如如K K层层) )的电子而产生电子空位，且高能级的的

39、电子而产生电子空位，且高能级的电子填充该空位发生电子跃迁时，同样会产生辐射，即产生电子填充该空位发生电子跃迁时，同样会产生辐射，即产生新新的的特征特征X X射线。射线。 这种以这种以X X射线光子激发物质原子所发生的激发和辐射的过程射线光子激发物质原子所发生的激发和辐射的过程称为称为光电效应光电效应。被击出的电子被称为。被击出的电子被称为X X射线射线光电子光电子，所辐射的特，所辐射的特征征X X射线称为射线称为次级（或二次）次级（或二次）X X射线射线，或称为，或称为荧光荧光X X射线射线。（2 2）产生条件：产生光电效应，）产生条件：产生光电效应，X X射线光子波长射线光子波长必须小于必须

40、小于吸收限吸收限k k。当当X X光子激发光子激发K K系（电子）系（电子）产生光电效应时，光子的能量必须大于击出一个产生光电效应时，光子的能量必须大于击出一个K K层电子所做的功（临界值）：层电子所做的功（临界值）： 12.4( )hcAeVV此式把吸收限与激发电压此式把吸收限与激发电压联系起来。联系起来。 从激发光电效应角度讲，称从激发光电效应角度讲，称 K K为为激发限波长激发限波长，即只有波长小，即只有波长小于于 K的的X X光子才能激发光子才能激发K K系产生系产生X X光电效应而使光电效应而使X X射线的能量被射线的能量被吸收。吸收。 吸收限与光电效应相关吸收限与光电效应相关联。联

41、。为单位以kVVK K系光电效应（荧光辐射）系光电效应（荧光辐射）L L系光电效应（荧光辐射）系光电效应（荧光辐射）n产生光电效应，产生光电效应，入射入射X X射线光子波长必须小于等于吸射线光子波长必须小于等于吸收限收限k k。n 即即k k光电效应nk k n从激发光电效应的角度说，称为从激发光电效应的角度说，称为激发限波长激发限波长，意义是只，意义是只有入射的有入射的x x射线波长达到或小于它时，才能激发物质的射线波长达到或小于它时，才能激发物质的二次特征二次特征x x射线。射线。n从从x x射线被吸收的角度看，称为射线被吸收的角度看，称为吸收限波长吸收限波长。意义是当。意义是当入射的入射

42、的x x射线的波长达到它时，入射射线的波长达到它时，入射x x射线将被该物质强射线将被该物质强烈吸收，并产生光电效应。烈吸收，并产生光电效应。 原子内壳层（原子内壳层（K层）电子被电离，原子处于激发态，外壳层层）电子被电离，原子处于激发态，外壳层电子跃迁释放能量电子跃迁释放能量其能量不是以产生其能量不是以产生X X射线光量子，射线光量子，而是而是将将其它壳层（其它壳层（L层）电子电离层）电子电离，此被电离的电子，此被电离的电子具有特征能量具有特征能量，叫叫俄歇电子俄歇电子(Auger electrons)(Auger electrons)。n这种现象叫做俄歇效应。这种现象叫做俄歇效应。n俄歇电

43、子主要用于俄歇电子主要用于表面表面(10 )几个原子层几个原子层的成分分析。这种的成分分析。这种电子能量很低，在固体表面深处测量不到。电子能量很低，在固体表面深处测量不到。 俄歇效应 Auger effect入射入射X射线射线光电子光电子荧 光荧 光 X 射射线线俄歇电子俄歇电子 N M L KX射线光电效应,俄歇效应俄歇俄歇(Auger)(Auger)效应效应激发源激发源 打出电子打出电子 较外层电子向空位较外层电子向空位跃迁的能量跃迁的能量 不产生不产生X X射线而是打出某层电子（射线而是打出某层电子（俄歇俄歇电子）电子）二次特征二次特征X X射线射线: : 激发源（激发源（ X X射线射

44、线) ) 打出电子打出电子 较外层电子向空位较外层电子向空位跃迁的能量跃迁的能量 产生产生X X射线射线两者比较两者比较HI0IHX X射线衰减规律射线衰减规律x射线通过物质时，射线通过物质时，x射线强度衰减了。其中，因散射引起射线强度衰减了。其中，因散射引起的衰减远远小于因吸收导致的衰减量。因此，可以近似地的衰减远远小于因吸收导致的衰减量。因此，可以近似地认为，认为，x射线通过物质后其强度的衰减是由于物质对它的射线通过物质后其强度的衰减是由于物质对它的吸收所造成的吸收所造成的。 X X射线衰减规律射线衰减规律nX X射线的能量衰减符合指数规律，即射线的能量衰减符合指数规律，即nI IH H

45、- -透射束的强度透射束的强度nI I0 0-入射束的强度，入射束的强度，n-线吸收系数线吸收系数，表示对，表示对X X射线的吸收量，射线的吸收量，nH-H-物质的厚度物质的厚度 HoHeII透射系数与物质的密度成正比n通常用m表示物质的吸收n对多相混合物nW1，W2为重量百分比，为物质密度为物质密度m2211mmmWWX X射线衰减规律射线衰减规律质量吸收系数（附录质量吸收系数（附录2）质量吸收系数质量吸收系数mm与波长与波长 和原子序数和原子序数Z Z存在如下关存在如下关系系：n mmK K 3 3Z Z3 3n 这表明，当吸收物质一定时，这表明，当吸收物质一定时，X X射线的波长越长越容

46、易被射线的波长越长越容易被吸收吸收; ;n X X射线的波长固定时射线的波长固定时, ,吸收体的原子序数越高，吸收体的原子序数越高，X X射线越容射线越容易被吸收。易被吸收。X X射线吸收射线吸收n mmK K 3 3Z Z3 3mHoHeIIX射线衰减规律波长原子序数密度厚度 n吸收系数随波长的增大而增大吸收系数随波长的增大而增大, , 且在一定区间内是连续变且在一定区间内是连续变化的。这是因为化的。这是因为x x射线的波长越长越容易被物质所吸收。射线的波长越长越容易被物质所吸收。n在某些波长的位置上产生跳跃式的突变。即吸收限（吸收在某些波长的位置上产生跳跃式的突变。即吸收限（吸收边）或激发限的存在。边）或激发限的存在。吸收限的应用n为为避免避免K K谱线干扰谱线干扰, ,利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的特点，制作滤波片，特点，制作滤波片，滤去滤去K K谱线谱线以获得以获得单色单色K K射线射线, ,作为作为衍射光源。衍射光源。滤滤波波片片n在在x射线分析中，在大射线分析中，在大多数情况下都希望所使多数情况下都希望所使用的用的x射线波长单一，射线波长单一，即即“单色单色”x射线。射线。但实际上，如上所述，但实际上，如上所述，k系特征谱线包括两条系特