第2章X射线物理基础

1、伦琴（W.C.Roentgen） (1845-1923)德国人德国人伦琴是德国维尔茨堡大学校长，第一届诺贝尔奖获得者。1895年他发现一种穿透力很强的一种射线。后来很快在医学上得到应用，也引起各方面重视。1895年11月8日发现 x 射线实验室这是第一张 X射线照片，伦琴夫人的手l895l895年底，伦琴发表了年底，伦琴发表了论新的射线论新的射线。 19011901年，获得了首次颁发的年，获得了首次颁发的诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖。 1890年年古德斯比德古德斯比德和和詹宁斯詹宁斯都发现他们阴极都发现他们阴极射线管后面的照相底片特别发黑。射线管后面的照相底片特别发黑。 1879年年克鲁克斯克

2、鲁克斯曾抱怨放在他的阴极射线管曾抱怨放在他的阴极射线管附近的照相底片老出现模糊的阴影。附近的照相底片老出现模糊的阴影。 1912 年德国慕尼黑大年德国慕尼黑大学的实验物理学教授冯学的实验物理学教授冯劳劳厄用晶体中的衍射拍摄出厄用晶体中的衍射拍摄出X 射线射线衍射照片衍射照片。由于晶。由于晶体的晶格常数约体的晶格常数约10 nm，与与 X 射线波长接近，衍射射线波长接近，衍射现象明显。现象明显。 (获获 1912 年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖)单晶片单晶片X 射线射线照相底片照相底片X 射线衍射的发展射线衍射的发展Echh2.1.1 X 射线的性质本质本质: : X 射线是一种波长很短的电磁波，

3、具有波粒二相性。hp 硬 x 射线，软 x 射线，电磁波谱1）具有很强的穿透能力，可以穿透黑纸及许多对可见光不透明的物质，被固定物质吸收而强度减弱。3）肉眼不能观察,但可以使照相底片感光。4）能杀死生物细胞和组织。X 射线的性质射线的性质: :2）沿直线传播,电磁场不能使其偏转，不能聚焦。X 射线：波长0.00110nm的电磁波；高速电子撞击阳极(Cu、Cr等重金属)：热能(99%)+X射线(1%) 高速电子撞击使阳极元素的内层电子激发；产生X射线辐射；X 射线谱是射线谱是 X 射线强度射线强度I-I-波长波长的关系曲线的关系曲线X 射线管产生的辐射按射线谱特征分为连续 X 射线和特征 X 射

4、线两类。Mo 靶连续 x-ray 谱和特征 x 射线谱2.1.3 X 射线谱1 1、连续谱（白色连续谱（白色 X 射线）射线）强度随波长而连续变化，每条曲线都对应有一个最短的波长（短波限0）和一个强度的最大值 。 1） 产生机理 2） 连续谱特性 高能电子轰击阳极靶，电子与靶原子交换能量，入射电子能量渐渐减小，损失的能量以电磁波方式辐射出去，因波长大小不同称连续谱。2UiZKIm2) 连续谱特性短波限：短波限：X 射线连续谱的下限波长，记作射线连续谱的下限波长，记作 min（ 0）电子在电场中得到的电子在电场中得到的加速动能加速动能，全部转化为辐射的光子能时，全部转化为辐射的光子能时，maxm

5、inkcEeUhh有有Uehc 1min所以得所以得它与阳极的材料无关，仅与电压有关。它与阳极的材料无关，仅与电压有关。 min的存在是量子论正确性的又一例证。也可用它来测普朗克常数 h 。1）产生机理2）特征谱线的命名3）特征波长1）产生机理碰撞跃迁(高) 空穴跃迁(低) 在 X 射线管中，当阴极发射的电子束轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出，于是在低能级上出现空位，原子的系统能量升高，系统处于激发状态。 这种激发态是不稳定的，随后便有较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，使原子的系统能量重新降低而趋于稳定。在原子系统中，电子从高能级向低能级的跃迁过程中多余

6、的能量以光子的形式向外辐射特征 X 射线。 1212222211()nnnnEEcR ZhnnR = 1.097107 m-1，Rydberg常数；核外电子对核电荷的屏蔽常数；n 电子壳层数；c 光速；Z 原子序数；En2和和En1 分别为高能级和低能级电子的能量分别为高能级和低能级电子的能量 2121nnnnhEEZeKLM N OL系系K系系KKKKLLL-e-e2 2）特征谱线的命名）特征谱线的命名 一般来说IK=（57）IK，分析工作一般用强度最大的K线)(1zc特征 X 射线谱及管电压对特征谱的影响钼钯K系 1-20kV 2-25kV 3-35kV 不同阳极靶材，有不同的特征谱线，波

7、长不同z关系，由1914年莫塞萊（MOSLEY）定律确定。n=1 n2（L层）（K层）n3（M层）K系L系K1 K2K1L1 L2K2K双线的产生与原子能级的精细结构有关双线的产生与原子能级的精细结构有关 LLL连续谱连续谱特征特征 X 射线谱射线谱强度随波长连续变化强度随波长连续变化 强度与管电压、管电强度与管电压、管电流、原子序数有关流、原子序数有关 其产生：高能电子的其产生：高能电子的能量损失频率有关能量损失频率有关 波长一定而强度很强波长一定而强度很强 与靶材、激发电压有与靶材、激发电压有关，与管电流无管关，与管电流无管 特征谱的产生与靶材特征谱的产生与靶材原子内部结构有关如原子内部结

8、构有关如K，K 连续谱与特征谱的比较连续谱与特征谱的比较入射入射 X 射线射线强度强度I I0 0t t散射散射 X 射线射线相干的非相干的反冲电子俄歇电子光电子荧光荧光 X 射线射线电子电子透射透射 X 射线射线 I Ix=I I0 0e e- -ux康普顿效应俄歇效应光电效应热能热能1、相干散射（汤姆逊散射汤姆逊散射/ /弹性散射）弹性散射） 相干散射是相干散射是 X 射线在晶体中产生衍射的基础射线在晶体中产生衍射的基础 当 X 射线与试样紧束缚的内层电子相互作用，光子的方向改变，但能量几乎没有损失，辐射出与入射波相同波长的 X 射线。相干散射特点：相干散射特点： A A、与物质原子中束缚

9、力较大的电子（内层电子）的作用。、与物质原子中束缚力较大的电子（内层电子）的作用。 B B、电子作受迫振动发射电磁波，称散射波。、电子作受迫振动发射电磁波，称散射波。 C C、各散射波之间符合振动方向相同、频率相同、各散射波之间符合振动方向相同、频率相同、 位相差恒定的干涉条件可产生干涉作用。位相差恒定的干涉条件可产生干涉作用。 特点：特点： A A、X 射线作用于束缚较小的外层电子或自由电子。射线作用于束缚较小的外层电子或自由电子。B B、散射、散射 X 射线的波长变长了。射线的波长变长了。散射散射 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

10、.0024(1-cos2) 由于散射由于散射 X 射线的波长随散射方向而变，不能产生干涉效应。射线的波长随散射方向而变，不能产生干涉效应。故这种故这种 X 射线散射称为非相干散射。射线散射称为非相干散射。 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 。3、荧光辐射0 xxII e 为物质的线吸收系数 意义：当 X 射线通过物质时，在 X 射线传播方向上，单位长度上 X 射线强度的衰减程度（cm-1)。它与物质的种类和 X 射线的波长有关。4、 X 射线的

11、衰减规律单位为单位为cm2/g, 则：则： 实际中最常用的是物质的实际中最常用的是物质的质量吸收系数质量吸收系数 m m 为物质的密度。质量吸收系数的意义是为物质的密度。质量吸收系数的意义是单位质量物质对单位质量物质对 X 射线的衰减程度。射线的衰减程度。 mxmxeII0K K 为常数为常数 质量吸收系数反映了不同物质对质量吸收系数反映了不同物质对 X 射线的吸收程度射线的吸收程度 33ZKm33ZKmm0.81.01.2 50100150200250LLLPt(Z=78)的质量吸收系数 m 随入射 X 射线波长 的变化K0如果吸收体中是由两种以上的元素组成的化合物或混如果

12、吸收体中是由两种以上的元素组成的化合物或混合物、或溶液，其总的质量吸收系数为：合物、或溶液，其总的质量吸收系数为： 式中：式中：w1 , w2 和和wp 为该吸收体中各组分的质量分数为该吸收体中各组分的质量分数 m1 , m2 和和 mp为该吸收体中各组分的质量吸收系数为该吸收体中各组分的质量吸收系数 mppmmmwww 2211K K).(09.350 .16209.287 .120 .1626 .6009.282)2(gcmSiOm1）阳极靶选择2）滤波片的选择1)阳极靶选择目的：避免在试样上发生荧光辐射 一般应满足以下经验公式: Z靶 Z试样 + 1例：分析Fe试样时，应该用Co靶或Fe

13、靶，如果用Ni靶时，会产生较高的背底水平。因为Fe 的k=0.17429nm,而Ni靶的K射线波长k=0.16591nm，故大量的产生真吸收，造成严重非相干散射背底2）滤波片的选择 用滤波片将 K 系特征线中 K去掉留下K线。Ni Ni 的吸收限的吸收限: : 0.14869 nm0.14869 nm，它对它对0.14869 nm0.14869 nm波长及稍短波长及稍短波长的波长的 X 射线有强烈的吸收。而对比射线有强烈的吸收。而对比0.14869 nm0.14869 nm稍长的稍长的 X 射线吸收很小。射线吸收很小。 Cu Cu 靶靶 X 射线射线: :K=0.15418 nm =0.15418 nm K=0.13922 nm=0.13922 nm 滤波片的选用原则滤波片的选用原则 (1)Z靶 40 时-选 Z片 = Z靶-1(2)Z靶 40 时-选 Z片 = Z靶-2 )(1zc0m