x射线物理学基础

第七章X射线衍射与荧光光谱(短波长的电磁波，或称为高能光子)X射线阴极射线实验1895年伦琴（Roentgen）发展了X射线

的衍射理论1912年劳埃（Laue）开创了人类认识物质微观结构的新纪元X射线的发现和广泛应用是廿世纪科学发展中最伟大成就之一围绕X射线发现、发展和应用而进行科研工作的科学家获诺贝尔奖的就有近卅人之多X射线衍射法结构测定X射线荧光光谱成分分析1901年伦琴(英)获诺贝尔物理奖1914年劳埃(德)获诺贝尔物理奖1915年布拉格父子(英)获诺贝尔物理奖1936年德拜(英/荷)获诺贝尔化学奖1962年奥森等3人获诺贝尔生物奖1964年霍奇金(英/埃)获诺贝尔化学奖1985年豪普特曼等2人获诺贝尔化学奖…………x射线物理学基础

§1x射线的本质

§2x射线谱

§3x射线与物质相互作用

§1x射线的本质

1895年德国物理学家伦琴(W.K．Rontyen)在研究阴极射线时，发现了—种新的射线。后人为纪念发现者，称之为“伦琴射线”

实验表明，高速运动的电子被物质(如阳极靶)阻止时，伴随电子动能的消失与转化，会产生x射线。

X射线是一种短波长（0.005-10nm）、高能量（2.5×105-1.2×102）的电磁波。它是原子内层电子在高速运动电子流冲击下，产生跃迁而发射的电磁辐射。

一、x射线须具备如下条件：

1．产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子；2．设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用以产生x射线；3．施加在阴极和阳极之间的高压，用以加速自由电于朝阳极靶方向加速运动，如高压发生器；4．将阴阳极封闭在＞10-3Pa的高真空中，保持两极纯洁，促使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。

二、X射线发生装置基本原理

三、X射线的本质X射线的波动性与粒子性是X射线具有的客观属性1、X射线的波动性1912年、劳厄(M.v.Lnue)等利用晶体作为产生x射线衍射的光栅，使x射线产生衍射，证实了x射线本质上是一种电磁波，波动性是其本性的—个方面。它与可见光一样，x射线以光速沿直线传播，其电场强度矢量E和磁场强度矢量H相互垂直，并位于垂直于x射线传播方向的平面上。x射线波长范围为10—0.001nm，在X射线金属学中，常用的波长约在0.25—0.05nm之间，用于材料探伤的x射线波长在0.1—0.005nm之间，一般波长短的x射线称为硬x射线．反之称为软X射线。

2、x射线粒子性．

x射线在空间传播具有粒子性，或者说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。这些粒子叫光量子每个光量子具有能量hγ是X射线的最小能量单位。当它和其他元素的原子或电子交换能量时只能一份一份地以最小能量单位被原于或电子吸收，由式(5—1)可见．对不同频率v或波长λ的x射线，光量子的能量是不同的。x射线具有很强的穿透物质的能力，经过电场和磁场时不发生偏转，当穿过物质时x射线可被偏振化．可被吸收而使强度减弱，它能使空气或其它气体电离，能激发荧光效应，使照相片感光，并能杀死生物细胞与组织。

它成为研究晶体结构，进行元素分析，以及医疗透射照像和工业探伤等多方面问题的有力工具。

§2x射线谱

x射线谱指的是x射线的强度I随波长λ变化的关系曲线。x射线强度大小由单位时间内通过与x射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数决定。实验表明，x射线管阳靶发射出的X射线谱分为两类：连续x射线谱和特征x射线谱。

一、连续x射线谱

连续x射线是高速运动的电子被阳极靶突然阻止而产生的。它由某一短波限λ0开始直到波长等于无穷大λ∞的一系列波长组成。它具有如下实验规律：如图5—2。

连续X射线由高真空度的X射线管产生。当热阴极发射出热电子后，电子在几万电子伏高压电场下被加速，电子流撞击到阳极靶上，当高速电子撞击靶面时，受到靶材料原子核的库仑力作用而突然减速，使电子周围电磁场发生急剧变化。电子的部分动能转变为X射线辐射能。由于撞击到阳极靶上的电子并不都是以同样的方式受到原子核的库仑力作用，其中有些电子在一次碰撞中立即释放出全部能量而停止运动，有些电子则与靶材料发生多次碰撞才逐步失去动能而停止运动，从而产生了不同波长的X射线。对于大量电子射到靶材料来讲，其能量损失或转变是一个随机变量，因而产生各种波长的连续X射线。

实验规律：

1)当增加x射线管压时，各种波长射线的相对强度—致增高，最大强度X射线的波长λm和短波限λ0变小。

2)当管压保持恒定、增加管流时．各种波长x射线的相对强度一致增高，但λm和λ0数值大小不变。

3)当改变阳极靶元素时．各种波长的相对强度随靶元素的原子序数增加。

电动力学和量子力学的知识解释

当X射线管中高速运动的电子和阳极靶碰撞时、产生极大的负加速度，电子周围的电磁场将发生急剧的变化，辐射出电磁波。由于大量电子轰击阳极靶的时间和条件不完全相同，聚射出的电磁波具有各种不同的波长，因而形成了连续X射线谱。根据量子力学观点、能量为eV的电子和阳极靶碰撞时产生光子，从数值上看光子的能量应该小于或最多等于电子的能量。

连续x射线谱有短波限λ0存在，且与电压成反比。但是，在被加速的电子中的大多数高速电子与阳极靶撞击时，其部分能量ε’要消耗在电子对阳极靶的各种激发作用上，所以转化为X射线光量子的能量要小于加速电子的全部能量，即ε＝eV—ε’。

—个电子有时要经过几次碰撞才能转换成光量子，或者一个电子转换为几个光量子，这说明大多数辐射的波长均应大于短波极限λ0，因而组成了连续X射线谱。

库伦坎普弗(Kulenkampff)综合各种连续x射线强度分布的实验结果，得出一个经验公式此式说明，连续谱的总强度与管电流强度I、靶的原子序数Z以及管电压V的平方成正比。

X射线管的效率η定义为x射线强度与x射线管功率的比值，即当用钨阳极管Z＝74，管电压为100kv时，x射线管的效率为1%或者更低，这是由于x射线管中电子的能量绝大部分在和阳极靶碰撞时产生热能而损失，只有极少部分能量转化为x射线能。所以x射线管工作时必须以冷却水冲刷阳极，达到冷却阳极的目。二、特征x射线谱

对一定元素的靶，当管压小于某一限度时，只激发连续谱，随着管压的增高，射线谱曲线只向短波方向移动，总强度增高，本质上无变化。但当管电压超过某一临界值Vk后(如对铜靶超过20kV)，强度分布曲线将产生显著的变化．即在连续x射线谱某几个特定波长的地方，强度突然显著地增大，如图5—3所示。由于它们的波长反映了靶材料的特征，因此称之为特征x射线。并由它们构成了特征x射线谱。两个强度特别高的窄峰称为钼的k系x射线，波长为0.063nm的是Kβ射线，波长为O.07lnm的是Kα射线。Kα线又可细分为Kα1、和Kα2两条线，其波长相差约为0.0004nm，Kα1和Kα2射线的强度比约为2：1，而Kα和Kβ的强度比约为5：1。当用原子序数较高的金属作阳极靶时，除去K系射线外，还可得到L，M等系的特征x射线。当用原子序数较高的金属作阳极靶时，除去K系射线外，还可得到L，M等系的特征x射线。在通常的x射线衍射工作中，一般均采用强而窄的Kα谱线、如管电压约为30kv时，CuKα谱线的强度约为连续谱及邻近射线强度的90倍，而且半高宽度＜0.0001nm。继续提高管电压时，图中各特征x射线的强度不断增高，但其波长不变。

特征的x射线波长取决于阳极靶的元素的原子序数。

1)阳极靶元素的特征谱按照波长增加的次序分为K、L、M…等若干谱系，每个谱线系又分若干亚系。

当X射线管电压提高到一定的程度（如钼靶在25kV时），就会在一定的波长处出现强度很大的特征谱线叠加在连续X射线上，即称为特征X射线。这是由于发射电子获得了足够的能量后，就能轰击出靶材料原子内层里的电子，从而形成空轨道，使原子处于激发态，这时外层电子马上跃入内层空穴，同时辐射出特征X射线。这样又在较外层中产生出新的空轨道，因而又产生相应的X射线，这便得到一系列具有靶材料信息的特征X射线。

2)每个特征谱线都对应—个特定的波长，不同阳极靶元素的特征谱波长不同。如管电流I与管电压V的增加只能增强特征X射线的强度、而不改变波长。它的规律为3)不同阳极靶元素的原子序数与特征谱波长之间的关系由莫塞莱(Mosley)定律确定

为提高峰背比，通常,X射线的工作电压应为激发电压的3—5倍。当使用单色器时，则可不遵守此原则。

§3

x射线与物质相互作用

一、经典散射与经典散射强度

x射线是一种电磁波，当它通过物质时，在入射电场的作用下，物质中原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散射X射线，称之为经典散射。由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件．又称为相干散射。

按电动力学理论，当一束非偏振的X射线照射到质量为m、电荷为e的电子上时，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R处的某点。由电子引起的散射X射线的强度为

1)在各方向上散射波的强度不同，在2θ=0°处即入射方向上强度最强，而在入射线垂且方向2θ=90°处强度最弱。2)散射波的强度与入射波频率无关。3)散射强度与R2反比，如R=1cm，散射波的强度仪为原强度的10-26，这表明实测散射强度只能是大量电于散射波干涉的结果。4)散射强度与电子的质量平方的倒数成正比，可见，重粒子如原子核散射的强度与电子散射强度相比是少得可以忽略不计。

二、非相干散射

当x射线光量子冲击束缚较松的电子或自由电子，会产生一种反冲电子．这种新的散射现象是由康普顿(A．H·compton)及我国物理学家吴有训等首先发现的，故称之为康普顿散射或康普顿—吴有训散射。

散射现象解释把一束x射线看成是由光量子组成的粒子流，其中每个光量子的能量为hν1；当每个光子与一个束缚较松的电子发生弹性碰撞时，电子被碰到一边，成为反冲电子，同时在α角度下产生一个新光子，由于入射光子一部分能量转化成为电子的动能，因此，新光子的能量必然较碰撞前的能量hvl为小。散射辐射的波长λ2应略较入射光束的波长λ1为长，其变化根据能量及动量守恒定律有波长的增量△λ取决于散射角α，散射位相与入射波位相之间不存在固定关系，故这种散射是不相干的，称之为非相干散射。

非相干散射波分布在各个方向上，强度很低且随Sinα／λ的增加而增大，它随着入射线的波长变短、散射角α的增大而增强。

非相干散射不能参与衍射，也无法避免产生，从而使衍射图像背景底变黑，给衍射工作带来不利影响。

三、二次特征辐射

当X射线光量子具有足够高的能量时，可以将被照射物质原子中内层电子激发出来．使原子处于激发状态、通过原子中壳层上的电子跃迁．辐射出x射线特征谱线。这种利用x射线激发作用而产生的新的特征谱线叫做二次特征辐射，也称为荧光辐射。

显然，入射x射线光量子的能量hv必须等于或大于将此原子某一壳层的电子激发出所需要的脱出功。

光电效应当激发二次特征辐射时，原入射X射线光量子的能量被激发出的电子所吸收．而转变为电子的动能，使电子逸出原子之外．这种电子称光电子、也称光电效应。此时，物质将大量吸收入射X射线的能量，使原X射线强度明显减弱。二次特征辐射造成衍射图像漫散背底增强，这是在选靶时要注意避免的。

俄歇(Auger)效应原子中一个K层电子被激发出以后，L层的一个电子跃入K层填补空白，剩下的能量不是以辐射光量子能量辐射出来，而是促使L层的另一个电子跳到原子之外，即K层的一个空白被L层的两个空位所代替，此过程称为俄歇(Auger)效应。它也造成原X射线的减弱，但也被利用于材料