X射线物理基础

X射线物理基础第一页，共50页。X射线最早的应用在X射线发现后几个月医生就用它来为病人服务右图是纪念伦琴发现X射线100周年发行的纪念封第一页第二页，共50页。X射线的性质

人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。第二页第三页，共50页。波长很短的电磁波0.01~100Å用于晶体分析的λ=0.5~2.5Å具有波粒二象性波动性：以一定频率、波长在空间传播；微粒性：以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量。x射线的本质第三页第四页，共50页。X射线具有波粒二相性X射线的强度是衍射波振幅的平方（），也是单位时间内通过单位截面的光量子数目。第四页第五页，共50页。X射线的产生及X射线管X射线的产生：

X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。第五页第六页，共50页。X射线管的结构为：第六页第七页，共50页。X射线管（1）阴极——发射电子。一般由钨丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。（2）

阳极——靶，使电子突然减速并发出X射线。（3）

窗口——X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6°的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。第七页第八页，共50页。X射线管（4）

高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极

（5）

焦点——阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点

X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分辨率；高强度则可缩短暴光时间

第八页第九页，共50页。旋转阳极

上述常用X射线管的功率为500～3000W。目前还有旋转阳极X射线管、细聚焦X射线管和闪光X射线管。因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。目前有100kW的旋转阳极，其功率比普通X射线管大数十倍。

第九页第十页，共50页。旋转阳极第十页第十一页，共50页。X射线谱---

连续X射线谱X射线强度与波长的关系曲线，称之X射线谱。在管压很低时，小于20kv的曲线是连续变化的，故称之连续X射线谱，即连续谱。第十一页第十二页，共50页。连续谱变化规律i1i2i3λI管流i3>i2>

i1Iλ第十二页第十三页，共50页。连续谱的总强度与效率连续谱的总强度决定于U,I,Z三因素，即当X射线管仅产生连续谱时，其效率为：第十三页第十四页，共50页。X射线管的效率

X射线管的效率η，是指电子流能量中用于产生X射线的百分数，即随着原子序数Z的增加，X射线管的效率提高，但即使用原子序数大的钨靶，在管压高达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1﹪左右，99％的能量都转变为热能。

第十四页第十五页，共50页。对连续X射线谱的解释1根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。

第十五页第十六页，共50页。对连续X射线谱的解释2量子力学概念，当能量为ev的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子。大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。极限情况下，能量为ev的电子在碰撞中一下子把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短波长，即短波限λ0。都有一个最短波长，称之短波限λ0，强度的最大值在λ0的1.5倍处。eV=hvmax=hc/λ0λ0=1.24/V（nm）第十六页第十七页，共50页。X射线谱---

特征X射线谱当管电压超过某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长保持不变。钼靶X射线管当管电压等于或高于20KV时，则除连续X射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线，它们即特征X射线谱。钼靶X射线管在35KV电压下的谱线，其特征x射线分别位于0.63Å和0.71Å处，后者的强度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的K系

第十七页第十八页，共50页。特征X射线的产生机理特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字母代表它们的名称。但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量增高，原子处于激发状态。如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层，称L激发，其余各层依此类推。产生K激发的能量为WK＝hυK，阴极电子的能量必须满足eV≥WK＝hυK，才能产生K激发。其临界值为eVK＝WK，VK称之临界激发电压。第十八页第十九页，共50页。特征X射线的产生机理处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征X射线波长一定。当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产生Kα辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，即

第十九页第二十页，共50页。特征X射线的命名方法同样当K空位被M层电子填充时，则产生Kβ辐射。M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个Kβ光子的能量大于一个Kα光子的能量；但因L→K层跃迁的几率比M→K迁附几率大，故Kα辐射强度比Kβ辐射强度大五倍左右。显然，当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层如M、N……层的电子将填充L层空位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M……等系的辐射。除K系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。Kα双线的产生与原子能级的精细结构相关。L层的8个电子的能量并不相同，而分别位于三个亚层上。Kα双线系电子分别由LⅢ和LⅡ两个亚层跃迁到K层时产生的辐射。第二十页第二十一页，共50页。第二十一页第二十二页，共50页。小结连续谱(软X射线)高速运动的粒子能量转换成电磁波谱图特征:强度随波长连续变化是衍射分析的背底;是医学采用的特征谱(硬X射线)高能级电子回跳到低能级多余能量转换成电磁波仅在特定波长处有特别强的强度峰衍射分析采用第二十二页第二十三页，共50页。标识x射线谱的波长

标识x-ray谱的波长只取决阳极靶材料的原子序数，是物质的固有特性。（莫塞莱定律）：式中：K—常数（与靶材物质总量子数有关）σ—常数（与电子所在壳层位置有关）z—靶材料的原子序数第二十三页第二十四页，共50页。莫色莱定律特征X射线谱的频率（或波长）只与阳极靶物质的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。1913～1914年莫色莱发现物质发出的特征谱波长与它本身的原子序数间存在以下关系：

根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。它是X射线光谱分析的基本依据

第二十四页第二十五页，共50页。X射线与物质的相互作用X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。一束X射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。第二十五页第二十六页，共50页。一束强度为I0的X射线束，通过厚度为H的物体后，强度被衰减为IH。为了得到强度的衰减规律，现取离表面为x的一薄层dx进行分析。设X射线束穿过厚度为X的物体后，强度波衷减为IH，而穿过厚度为x＋dx的物质后的强度为I-dI，则通过dx厚的一层引起的强度衰减为dI。实验证明，X射线透过物质时引起的强度衰减与所通过的距离成正比

X射线的衰减规律

第二十六页第二十七页，共50页。X射线的衰减规律

两边同时积分（积分限0-t)第二十七页第二十八页，共50页。X射线的衰减规律

第二十八页第二十九页，共50页。X射线的吸收曲线X射线通过物质时的衰减，是吸收和散射造成的。在大多数情况下吸收系数比散射系数大得多，质量吸收系数与波长的三次方和元素的原子序数的三次方近似地成比例，因此思考：1、如何根据吸收曲线确定X射线管靶材的选择？2、如何结实吸收系数的突变？第二十九页第三十页，共50页。X射线的衰减从荧光X射线的产生机理，可以解释吸收突变。当入射波长非常短时，它能够打出K电子，形成K吸收。但因其波长太短，K电子不易吸收这样的光子能量，因此衰减系数小。随着波长的逐渐增加，K电子也越来越容易吸收这样的光子能量，因此衰减系数也逐渐增大，直到K吸收限波长为止。如果入射X射线的波长比λK稍大一点，此时入射光子的能量已无法打出K电子，不产生K吸收。而对L层电子来说，入射光子的能量又过大，也不易被吸收，因此，入射X射线的波长比λK稍大一点时，衰减系数有最小值。同理，可以解释K吸收限至L吸收限之间曲线的变化规律。第三十页第三十一页，共50页。X射线的衰减小结宏观表现强度衰减与穿过物质的质量和厚度有关是X射线透射学的基础这就是质厚衬度微观机制散射和吸收消耗了入射线的能量第三十一页第三十二页，共50页。吸收限的应用

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λ时光子的能量E到击出一个K层电子的功W，X射线被吸收，激发光电效应。使μm突变性增大。吸收限与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。第三十二页第三十三页，共50页。荧光X射线（二次X射线）的产生X射线通过光电效应使被照射物质处于激发态，也要通过电子跃迁向较低能态转化，同时辐射被照物质的特征X射线谱。第三十三页第三十四页，共50页。光电效应---光电子和荧光X射线

第三十四页第三十五页，共50页。光电效应2-----俄歇效应

俄歇（Auger，M.P.）在1925年发现，原子中K层的一个电子被打出后，它就处于K激发状态，其能量为EK。如果一个L层电子来填充这个空位，K电离就变成L电离，其能量由EK变成EL，此时将释放EK-EL的能量。释放出的能量，可能产生荧光X射线，也可能给予L层的电子，使其脱离原子产生二次电离。即K层的一个空位被L层的两个空位所代替，这种现象称俄歇效应.从L层跳出原子的电子称KLL俄歇电子。每种原子的俄歇电子均具有一定的能量，测定俄歇电子的能量，即可确定该种原子的种类，所以，可以利用俄歇电子能谱作元素的成分分析。不过，俄歇电子的能量很低，一般为几百eV，其平均自由程非常短，人们能够检测到的只是表面两三个原子层发出的俄歇电子，因此，俄歇谱仪是研究物质表面微区成分的有力工具。

第三十五页第三十六页，共50页。光电效应2-----俄歇效应

第三十六页第三十七页，共50页。吸收限的应用---X射线滤波片的选择

在一些衍射分析工作中，我们只希望是kα辐射的衍射线条，但X射线管中发出的X射线，除kα辐射外，还含有Kβ辐射和连续谱，它们会使衍射花样复杂化。获得单色光的方法之一是在X射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将Kβ和连续谱衰减到可以忽略的程度。

第三十七页第三十八页，共50页。滤波片的选择:(1)它的吸收限位于辐射源的Kα和Kβ之间，且尽量靠近Kα。强烈吸收Kβ，Kα吸收很小；(2)滤波片的以将Kα强度降低一半最佳。Z靶<40时Z滤片=Z靶-1；Z靶>40时Z滤片=Z靶-2；第三十八页第三十九页，共50页。滤波片

常用靶材及其匹配的滤波片的数据列入表1-1。按表中厚度制作的波滤片，滤波后Kβ/Kα的强度比为1/600。如果滤波片太厚，虽然Kβ可以进一步衰减，但kα也相应衰减。实践表明，当Kα强度被衰减到原来的一半时，Kβ/Kα的强度比将由原来的1/5降为滤波后的1/500左右，这对大多数衍射分析工作已经满意。在滤波片材料选定之后，可按需要的衰减比计算滤波片的厚度。

第三十九页第四十页，共50页。吸收限的应用---阳极靶材料的选择

在X射线衍射晶体结构分析工作中，我们不希望入射的X射线激发出样品的大量荧光辐射。大量的荧光辐射会增加衍射花样的背底，使图象不清晰。避免出现大量荧光辐射的原则就是选择入射X射线的波长，使其不被样品强烈吸收，也就是选择阳极靶材料，让靶材产生的特征X射线波长偏离样品的吸收限。根据样品成分选择靶材的原则是：Z靶≤Z样-1；或Z靶>>Z样。对于多元素的样品，原则上是以含量较多的几种元素中最轻的元素为基准来选择靶材。第四十页第四十一页，共50页。x射线的散射物质对x-ray的散射主要是物质中的电子与x-ray的相互作用。散射：x-ray光子与物质中的电子相遇时改变了原来传播方向，造成了在原来传播方向上强度减弱的现象称为散射。分为：相干散射、非相干散射第四十一页第四十二页，共50页。相干散射（经典散射）

在入射束电场的作用下，物质原子中的电子被迫围绕其平衡位置振动，向四周辐射与入射x-ray波长相同的散射x-ray。同一方向上各散射波符合相干条件，相互干涉后，能量集中在某些方向，得到一定的花样。相干散射是x-ray在晶体中产生衍射现象的基础。第四十二页第四十三页，共50页。相干散射x-ray光子与原子内束缚紧的电子相碰撞时（弹性碰撞），光子能量可认为不受损失，只改变方向。相干散射不损失x-ray能量，只改变它的传播方向，对入