第一章 X射线物理学基础课件

第一章X射线物理学基础内容一X射线的本质

1.X射线的发现

2.X射线的本质二X射线谱

1.X射线的产生及X射线管

2.X射线谱——连续X射线和特征X射线三X射线与物质的相互作用1第一章X射线物理学基础1.X射线的发现

早期X射线重要的研究者有IvanPului教授、威廉·克鲁克斯爵士、约翰·威廉·希托夫、EugeneGoldstein、海因里希·鲁道夫·赫兹、菲利普·莱纳德、亥姆霍兹、尼古拉·特斯拉、爱迪生、CharlesGloverBarkla、马克思·冯·劳厄和威廉·康拉德·伦琴。物理学家希托夫观察到真空管中的阴极发出的射线。当这些射线遇到玻璃管壁会产生荧光。1876年这种射线被EugeneGoldstein命名为“阴极射线”。随后，英国物理学家克鲁克斯研究稀有气体里的能量释放，并且制造了克鲁克斯管。这是一种玻璃真空管，内有可以产生高电压的电极。他还发现，当将未曝光的相片底片靠近这种管时，一些部分被感光了，但是他没有继续研究这一现象。1887年4月，尼古拉·特斯拉开始使用自己设计的高电压真空管与克鲁克斯管研究X光。他发明了单电极X光管，在其中电子穿过物质，发生了现在叫做韧致辐射的效应，生成高能X光射线。1892年特斯拉完成了这些实验，但是他并没有使用X光这个名字，而只是笼统成为放射能。他继续进行实验，并提醒科学界注意阴极射线对生物体的危害性，并他没有公开自己的实验成果。1892年赫兹进行实验，提出阴极射线可以穿透非常薄的金属箔。赫兹的学生伦纳德进一步研究这一效应，对很多金属进行了实验。亥姆霍兹则对光的电磁本性进行了数学推导。1895年11月8日德国科学家伦琴开始进行阴极射线的研究。1895年12月28日他完成了初步的实验报告“一种新的射线”。他把这项成果发布在维尔茨堡'sPhysical-MedicalSociety杂志上。为了表明这是一种新的射线，伦琴采用表示未知数的X来命名。很多科学家主张命名为伦琴射线，伦琴自己坚决反对，但是这一名称仍然有人使用。1901年伦琴获得诺贝尔物理学奖。

2第一章X射线物理学基础X射线的发现◆1895年，德国物理学家伦琴研究阴极射线时发现，由于对其本质不了解，称为X射线，亦称伦琴射线。Roentgen3第一章X射线物理学基础X射线的发现X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1895年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。

19世纪末，阴极射线是物理学研究课题，许多物理实验室都开展了这方面的研究。1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用一本厚书，2－3厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。他一连许多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行彻底研究。6个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。

1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。1895年12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯《一种新射线———初步研究》。伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时无法确定这一新射线的本质。自伦琴发现X射线后，许多物理学家都在积极地研究和探索，1905年和1909年，巴克拉曾先后发现X射线的偏振现象，但对X射线究竟是一种电磁波还是微粒辐射，仍不清楚。1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了《X射线的干涉现象》一文。4第一章X射线物理学基础5第一章X射线物理学基础6第一章X射线物理学基础X射线的发现劳厄(1879～1960)德国物理学家

1912年发现了X射线通过晶体时产生的衍射现象，从而导致了X射线衍射技术的诞生，它成为研究晶体内部结构的重要技术手段。他因此项成果于1914年获奖。

7第一章X射线物理学基础X射线的发现L.布拉格(1890～1971)H.布拉格(1862～1942)

布拉格父子于1913年借助X射线成功地测出金刚石的晶体结构，并提出了“布拉格公式”，为最终建立现代晶体学打下了基础，于1915年获奖。当时，小布拉格年仅25岁，是至今为止最年轻的诺贝尔奖获得者。

8第一章X射线物理学基础X射线的发现劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注，当时老布拉格（WH．Bragg）已是利兹大学的物理学教授，而小布拉格（WL．Bragg）则刚从剑桥大学毕业，在卡文迪许实验室。由于都是X射线微粒论者，两人都试图用X射线的微粒理论来解释劳厄的照片，但他们的尝试未能取得成功。年轻的小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实验事实。他以更简洁的方式，清楚地解释了X射线晶体衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：nλ＝2dsinθ这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性，更重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息。1912年11月，年仅22岁的小布位格以《晶体对短波长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格则于1913年元月设计出第一台X射线分光计，并利用这台仪器，发现了特征X射线。小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后，与其父亲合作，成功地测定出了金刚石的晶体结构，并用劳厄法进行了验证。金刚石结构的测定完美地说明了化学家长期以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论。这对尚处于新生阶段的X射线晶体学来说是一个非常重要的事件，它充分显示了X射线衍射用于分析晶体结构的有效性，使其开始为物理学家和化学家普遍接受。随着研究的深入，X射线被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工业等领域。对于促进20世纪的物理学以至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。9第一章X射线物理学基础

布拉格公式：

nλ＝2dsinθ10第一章X射线物理学基础与X射线有关的部分诺贝尔奖获得者名单11第一章X射线物理学基础◆X射线广泛地应用医学、工程、材料、宇航事业上。例如：人体探伤晶体结构分析与物相鉴定材料和构件无损探伤12第一章X射线物理学基础2.X射线的本质◆

波粒二相性◆

X射线的特征◆

X射线的分类13第一章X射线物理学基础X射线的本质◆波粒二相性X射线的本质是电磁波，波长处于紫外线的上端，因此，不能用肉眼观察到。14第一章X射线物理学基础X射线本质的揭示◆1912年，德国物理学劳厄等人利用晶体光栅观察到X射线的衍射现象，证实X射线的本质是电磁波◆英国物理学家布拉格父子利用X射线衍射方法测定了NaCl晶体结构，开始了X射线晶体结构分析的历史15第一章X射线物理学基础X射线的本质◆X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已◆X射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长比可见光短得多，介于紫外线与γ射线之间，约为0.01—10nm的范围16第一章X射线物理学基础X射线的本质◆波动性X射线的本质为电磁波，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。17第一章X射线物理学基础X射线的本质◆波动性其磁场分量在与物质相互作用中效应很弱，所以只考虑电场分量A。一束沿y方向传播的波长为λ的X射线波方程表示为：18第一章X射线物理学基础X射线的本质◆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能量ε动量p式中ν——X射线的频率，λ——X射线的波长，

h——普朗克常数，等于6.625×10-34J.sc——X射线的速度，等于2.998×1010cm/s.

所以，对不同频率、波长的X射线，光量子的能量是不同的。19第一章X射线物理学基础X射线的本质◆粒子性●每个光量子的能量是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子或电子吸收。特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量。表现形式为在与物质相互作用时交换能量，如光电效应；二次电子等。20第一章X射线物理学基础X射线的本质◆

X射线的特征◆频率大约是可见光的103倍，所以它的光子能量比可见光的光子能量大得多，表现明显的粒子性。◆由于X射线波长短、光子能量大的两个基本特性，所以，X射线光学（几何光学和物理光学）虽然具有和普通光学一样的理论基础，但两者的性质却有很大的区别，X射线与物质相互作用时产生的效应和可见光也迥然不同。21第一章X射线物理学基础X射线的本质◆X射线和其它电磁波一样，能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。◆在通常实验条件下，很难观察到X射线的反射。◆对于所有的介质，X射线的折射率n都很接近于1（但小于1），所以几乎不能被偏折到任一有实际用途的程度，不可能像可见光那样用透镜成像。22第一章X射线物理学基础X射线的本质◆因为n≈1，所以只有在极精密的工作中才需考虑折射对X射线作用介质的影响。◆X射线能产生全反射，但是其掠射角极小，一般不会超过20’～30’。◆在物质的微观结构中，原子和分子的距离（1～10埃左右）正好落在X射线的波长范围内，所以物质（特别是晶体）对X射线的散射和衍射能够传递极为丰富的微观结构信息。23第一章X射线物理学基础X射线的本质◆大多数关于X射线光学性质的研究及其应用都集中在散射和衍射现象上，尤其是衍射方面。◆X射线衍射方法是当今研究物质微观结构的主要方法。24第一章X射线物理学基础X射线的本质◆X射线的分类通常X射线波长范围为10-0.001nm。◆硬X射线：波长较短◆软X射线：波长较长25第一章X射线物理学基础X射线的本质◆硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤（0.1-0.005nm）及物相分析（0.25-0.05nm）。◆软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析，如医疗透视。

X射线波长的度量单位：常用埃（A）或晶体学单位（kX）表示；国际计量单位中用纳米（nm）表示。换算关系为：1nm=10A=10E-9m；

1kX=1.0020772±0.000053A(1973年值）26第一章X射线物理学基础二X射线谱◆1.X射线管及X射线的产生

◆

2.X射线谱X射线管结构27第一章X射线物理学基础1.X射线管及X射线的产生◆产生原理◆产生条件◆X光管结构◆光管类型◆相关部件X射线管结构28第一章X射线物理学基础X射线的产生及X射线管◆X射线的产生原理X射线管是X射线产生器。通过高速电子流轰击金属靶能产生X射线。原理：高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中99%的能量转换为热量，而1%的能量转换为X射线：29第一章X射线物理学基础X射线的产生及X射线管◆X射线产生的基本条件●产生自由电子的电子源●设置自由电子撞击的靶子，即在自由电子运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止●施加在阴极和阳极之间的高压，使电子作定向的高速运动●高真空（>10-3Pa），促使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。：30第一章X射线物理学基础◆X射线管的结构封闭式X射线管实质上是一个大的真空二极管。●阴极：阴极是发射电子的地方●阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方●窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方●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X射线：31第一章X射线物理学基础X光管（1）阴极（灯丝）——发射电子。由钨丝制成，加热后热辐射电子。（2）阳极（靶）——发射X射线。使电子突然减速并释放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。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。（4）循环冷却水高速电子转换成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。（5）焦点——阳极靶表面被电子轰击的一块面积。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。靶的焦点形状32第一章X射线物理学基础X射线管的性能X射线衍射工作中希望细焦点和高强度：细焦点－提高分辨率高强度－缩短暴光时间、提高信号强度焦点出射角（度）射线源的有效宽度（mm）普通焦点

1mmx10mm60.1细焦点0.4mmx8mm100.07宽焦点2mmx12mm30.133第一章X射线物理学基础接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X光管剖面示意图（回车键演示）X射线的产生过程演示40KV高压220V400mA电流34第一章X射线物理学基础X射线的产生及X射线管◆当给阴极和阳极之间加上极高的电压（40KV/40mA）的高压时，阴极产生高速电子打击在阳极（Cu）上，产生热量和X射线。◆整个阴极和阳极封装在一个真实玻璃管中。在阳极的四边，开设四个小窗口，两个为长形，两个为圆点。长形焦斑用于衍射仪，尺寸为1×10㎜2，而窗口与靶面成3~6°。：35第一章X射线物理学基础X射线的产生及X射线管：灯丝阳极X-RAY窗口两种焦斑◆X射线束的形状由长焦斑窗口（6°）得到1×10mm2的有效投射线焦点射线束，由短焦斑得到1×1mm2的有效投射点焦点射线束。36第一章X射线物理学基础X射线的产生及X射线管◆光管类型●密封光管：普通光管由于阳极发热量大，需要用水来冷却阳极，因此，功率不可能太大，目前一般为3KW。●旋转阳极：阳极转动（2000~10000转/分），可以解决阳极熔化的问题，可以提高功率到90KW。此种产品目前以日本理学公司的D-max2500为代表。：37第一章X射线物理学基础X射线的产生及X射线管◆X光管相关部件●为X射线射线管提供40KV的高压电场的高压变压器●为加热阴极灯丝用的低压稳压电源●水冷却与自动控制系统：38第一章X射线物理学基础2.X射线谱◆X射线谱：是指X射线的强度I随着波长λ变化的关系曲线。X射线的强度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。◆由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：●连续X射线●特征X射线39第一章X射线物理学基础1.连续X射线：◆产生机理◆演示过程◆短波限◆

X射线的强度◆连续X射线——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，亦称多色X射线。40第一章X射线物理学基础连续X射线：◆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：1）当增加X射线管压时，各种波长射线的相对强度一致增高，最大强度X射线的波长λm和短波限λ0变小。41第一章X射线物理学基础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和短波限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。连续X射线42第一章X射线物理学基础连续X射线◆连续X射线●产生机理：能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。：43第一章X射线物理学基础连续X射线◆：K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（击走N电子）击走价电子中性原子WkWlWmWn0原子的能量连续X射线产生过程电子冲击阳级靶44第一章X射线物理学基础连续X射线◆连续X射线的短波限计算●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，从数值上看能量应该小于或最多等于电子的能量。因此光子能量有一频率上限νm或短波限λm。：45第一章X射线物理学基础连续X射线◆连续X射线的短波限计算●连续X射线谱在短波方向上的波长极限，称为短波限λm.它是由光子一次碰撞就耗尽能量所产生的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：

：46第一章X射线物理学基础◆连续X射线的短波限计算●式中e——电子电荷，等于4.803×10-10静电单位

V——电子通过两极时的电压（静电单位）

h——普朗克常数，等于普朗克常数，等于6.625×10-34J·sν——X射线的频率

C——X射线的速度（2.998×1010cm/s）

λ——短波限（cm)：连续X射线47第一章X射线物理学基础：●将所有常数代入上式，可得：上式计算结果单位为Å（1nm=10Å)上式表明：短波限只与管电压有关。连续X射线48第一章X射线物理学基础●被加速的电子中大多数高速电子与阳极靶撞击时，其部分能量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。●此外，一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，那么大多数辐射出的X射线能量小于加速电子的能量、辐射X射线波长相应地短于短波限，波长因而组成了连续X射线谱。连续X射线49第一章X射线物理学基础连续X射线谱◆X射线的强度◆

X射线的强度是指行垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。常用的单位是J/cm2.s。◆

X射线的强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的,即I=nhv.连续X射线强度最大值在1.5λ0,而不在λ0处。50第一章X射线物理学基础连续X射线：X光管的效率◆连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。◆实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系：

X射线管的效率为51第一章X射线物理学基础X光管的效率K1是个很小的常数（1.1-1.4）×10-9V-1，当用钨阳极管Z=74、管电压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水持续冲刷阳极，达到冷却阳极的目的。连续X射线52第一章X射线物理学基础2.特征X射线谱。

◆产生机理◆过程演示◆

K系激发机理◆莫塞莱定律◆特征X射线的强度特征特征X射线谱——是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。53第一章X射线物理学基础◆特征X射线●对一定元素的靶，当管压小于某一限度时，只激发连续谱，总强度增高，本质无变化。当管电压超过某一临界值时（如Cu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，强度突然显著的增大。由于他们的波长反映了靶材料特征，因此称之为特征X射线。●特征X射线是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线：54第一章X射线物理学基础●特征：图中钼靶K系特征X射线有两个，Kα波长0.071nm和Kβ波长0.063nm。其中Kα又可细分为Kα1和Kα2两条线，波长相差0.0004nm，强度比约为2：1。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，除了K系射线外，还可得到L，M等系的特征X射线。在X衍射工作中，一般采用强而窄的Kα线。如CuKα的谱线在标准工作电压（40kV）时强度为连续谱的90倍，且半高宽<0.001nm。如继续提高管电压，特征X射线强度增加，波长不变。55第一章X射线物理学基础特征X射线谱的产生机理◆特征X射线谱产生机理特征X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。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击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出特征X射线谱。：56第一章X射线物理学基础特征X射线谱的产生机理◆产生机理：57第一章X射线物理学基础特征X射线谱生产过程：K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（击走N电子）击走价电子中性原子WkWlWmWn0原子的能量特征X射线产生过程K激发L激发Ka辐射Kß辐射L辐射58第一章X射线物理学基础K系辐射的产生◆K系激发机理K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生Kα辐射；M层电子填充空位时产生Kβ辐射：59第一章X射线物理学基础K系X射线的产生机理◆K系激发机理●由能级可知Kβ辐射的光子能量大于Kα的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率大，所以Kα的强度约为Kβ的5倍。●产生K系激发必须阴极电子的能量eVk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk就是激发电压。：60第一章X射线物理学基础根据特征X射线的产生机理，可以得出结论：特征X射线的波长和频率只取决于阳极靶物质的的原子能级，是物质的固有特性。61第一章X射线物理学基础实验证明1）阳极靶元素的特征谱线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。例如，K系内每一条谱线按照波长减小的次序分别称之为Kα，Kβ，Kr…等谱线。每一谱线对应一定的激发电压，只有管电压超过激发电压时才能产生该靶元素的特征谱线，且靶元素的原子序数越大其激发电压越高。62第一章X射线物理学基础63第一章X射线物理学基础

2）每个特征X射线都对应一个特定的波长，不同阳极靶元素的特征X射线波长不同。管电流I与管电压U的增加只能增强特征X射线的强度，而不能改变波长。它的规律为

式中，c为比例常数；V激为阳极靶元素特征X射线激发电压；n值对K系谱线取1.5，对L系取2。64第一章X射线物理学基础：◆X射线谱与管电流、管电压的关系：K系特征X射线的强度与管电压、管电流的关系为◆当I特/I激最大，工作电压为K系激发电压的3-5倍时，连续谱造成的衍射背影最小不同的阳极材料使用的适宜工作电压不同65第一章X射线物理学基础X射线谱：

X射线管发射强度与管工作电压的关系

a:某一特征Kα线的最大发射强度b:Kα线与连续谱线强度比

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。66第一章X射线物理学基础：3）不同阳极靶元素的原子序数与特征X波长之间的关系由莫塞莱定律确定。也就是说，特征X射线谱的波长/频率只取决于阳极靶的元素的原子序数。●莫塞莱定律：特征X射线谱的波长λ与原子序数Z关系为C，σ为常数67第一章X射线物理学基础1914年，英国物理学家莫塞莱（HenryMoseley,1887-1915）莫塞莱定律68第一章X射线物理学基础三X射线与物质的相互作用

X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。◆

X射线的散射

◆

X射线的吸收

◆

X射线的折射69第一章X射线物理学基础1.散射——方向偏离●X射线被物质散射时，产生两种现象▲相干散射——与原波长相同▲非相干散射——改变波长：70第一章X射线物理学基础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。由于新的散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上符合相干条件、发生的干涉现象，称为相干散射。

相干散射71第一章X射线物理学基础非相干散射◆非相干散射●X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。●非相干散射是康普顿（pton）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它会增加连续背底，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素更是如此。：72第一章X射线物理学基础2.X射线的吸收●X射线的吸收与二次特征辐射光电效应俄歇效应●X射线的衰减规律衰减规律吸收限的应用73第一章X射线物理学基础X射线的吸收与二次特征辐射●物质对X射线的吸收：指的是X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。●二次特征辐射：当X射线光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，也称荧光辐射。74第一章X射线物理学基础

显然，入射X射线光子的能量E必须大于或等于将此原子某一壳层的电子激发出所需要的脱出功。例如，激发K系荧光辐射的入射X射线光子的能量E最小值为

或波长必须满足其中，为K系辐射的激发电压；为产生K系激发的最长波长，成为K系辐射的激发限。75第一章X射线物理学基础X射线在通过物质时部分能量转变为其它形式，导致能量损耗。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。原子内部的电子跃迁引起了二次特征辐射。二次特征辐射类型：光电效应和俄歇效应。二次特征辐射的类型◆光电效应◆俄歇效应76第一章X射线物理学基础X射线的吸收◆光电效应●以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子称为光电子，辐射出的次级特征X射线称为荧光X射线●产生光电效应，X射线光子波长必须小于吸收限λk注意：发生光电效应时，样品大量吸收入射的X射线，使原X射线强度明显减弱，相应地衍射X射线强度减弱，造成衍射图像漫散背底增强，这是在选靶时要注意避免的。：77第一章X射线物理学基础X射线的吸收◆俄歇效应●原子在入射X射线光子或电子的作用下失掉K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位时，放出E-E能量，产生两种效应：

●荧光X射线

●产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子——俄歇电子注意：俄歇电子的产生也会造成入射X射线的减弱，但有利于材料表面物理的研究。78第一章X射线物理学基础X射线的衰减规律：X射线的衰减

◆X射线的衰减规律

●当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。79第一章X射线物理学基础X射线的衰减规律：X射线通过厚度为dx的无穷小薄层物质时，X射线强度衰减量dI正比于入射X射线强度和厚层dx，即式中，为比例常数，与入射线的波长及物质有关，负号表示强度的变化由强变弱。将上式积分当x=0时，I=I0，得到

I0为入射X射线强度，I为穿透厚度为x的物质的X射线的强度，μ1为线衰减系数。80第一章X射线物理学基础线衰减系数μl

对X射线衰减的研究表明，由于散射引起的衰减和由于激发电子及热振动等引起的真吸收遵循着不同的规律，及真吸收部分随X射线波长和物质元素的原子序数而显著地变化，散射部分则几乎和波长及元素的原子序数无关。因此，可以将线衰减系数分解为两部分前者称为吸收系数，后者称为散射系数。一半情况下吸收系数远远超过散射系数，所以散射项往往可以忽略不计。于是μ的物理意义为：X射线通过1立方厘米物质时强度的相对衰减量。对同一物质而言，μ与物质的密度成正比。物质的密度越大，X射线遇到的原子越多，散射和吸收也就越厉害，相应的X射线衰减越多。81第一章X射线物理学基础：质量衰减系数μm表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。即每克物质所引起的X射线强度相对衰减量。它与物质的密度无关，主要取决于物质的化学成分和被吸收的入射波长。假设物质是由单一元素组成的，μm与其原子序数、入射X射线波长有密切关系。实验表明，μm值大致与波长的三次方及原子序数Z的三次方成正比。82第一章X射线物理学基础：质量吸收系数μm波长和原子序数Z存在如下近似关系：

K为常数对于一定的物质，μm随λ的变化是不连续的其间被尖锐的突变分开。对于给定的波长λ，μm随Z的增大也有类似的规律突变对应的波长为K吸收限。83第一章X射线物理学基础：物质的质量吸收系数

当波长减小、能量增大到一定程度时，μm产生一个突变，这是由于入射X光子的能量刚好达到了激发元素K层电子的数值，从而大量地被吸收或消耗在这种激发上。也就是说，当入射X射线的能量足够把内层电子轰出时（即光电效应），能量便被吸收，并会部分转化为元素二次辐射的能量，导致了μm

的突变。84第一章X射线物理学基础当X射线通过多种元素组成的物质时，X射线的衰减是受到了组成该物质的各种元素的影响，由被照射物质原子本身的性质决定，而与这些原子间的结合方式无关。多种元素组成物质的质量吸收系数由下式决定：为第i种元素的质量吸收系数；为各元素的质量分数（%）；N表示该物质是由N种元素组成的。85第一章X射线物理学基础◆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。86第一章X射线物理学基础◆吸收限的应用滤波片的选择:(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；阳极靶的选择:

（1）阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限；（2）试样对X射线的吸收最小。Z靶≤Z试样+1。87第一章X射线物理学基础滤波片的选择使X射线管产生的X射线单色化，常采用滤波片法。利用滤波片的吸收限进行滤波，除去不需要的Kβ线，使用滤波片是最简单的单色化方法，但只能获得近似单色的X射线。原子序数低于靶元素原子序数1或2的元素，其K吸收限波长正好在靶元素的Kα和Kβ波长之间，因此对于每种元素作为靶的X射线管，理论上都能找到一种物质制成它的Kβ滤波片。使用Kβ滤波片还可以吸收掉大部分的“白色”射线滤波片的厚度通常按Kβ的剩余强度为透过滤波片前的0.01计算，此时Kα通常被衰减掉一半。88第一章X射线物理学基础89第一章X射线物理学基础滤波片例如:Ni的K吸收限（0.1488nm），正好在Cu阳极的K

（0.1543nm）与K

（0.1392nm）之间90第一章X射线物理学基础91第一章X射线物理学基础阳极靶/实验波长的选择

在X射线衍射实验中，如果所用X射线波长较短，正好小于样品组成元素的吸收限，则X射线将大量地被吸收，产生荧光现象，造成衍射图上不希望有的深背景。如果所用X射线波长正好等于或稍大于吸收限，则吸收最小。

因此进行衍射实验时应该依据样品的组成来合理地选择工作靶的种类：应保证样品中最轻元素（钙和原子序数比钙小的元素除外）的原子序数比靶材元素的原子序数稍大或相等。如果靶材元素的原子序数比样品中的元素原子序数大2～4，则X射线将被大量吸收因而产生严重的荧光现象，不利于衍射分析。92第一章X射线物理学基础折射的定义：当光波从一种介质传到另一种介质时，其传播速度和方向会发生改变,这种现象叫折射。光在入射介质中的传播速度与折射介质中的传播速度之比，等于入射角正弦与折射角正弦之比。即

υ1/υ2=sini/sinr=n=n2/n1当两种介质一定时，n为一常数，称为折射介质相对入射介质的相对折射率。3.X射线的折射n1(光疏质