X射線與物質(zhì)的相互作用

1、燃料耗盡而塌坍的脈燃料耗盡而塌坍的脈 沖星沖星 “PSR B1509-58” 其釋放的美麗其釋放的美麗X射線射線 星云的直徑長達(dá)星云的直徑長達(dá)150 光年。光年。 “宇宙之手宇宙之手”伸向光芒伸向光芒 天體天體GRO J1655-40 可能是一個可能是一個 正在快速旋正在快速旋 轉(zhuǎn)的黑洞轉(zhuǎn)的黑洞 美國宇航局快速號人美國宇航局快速號人 造衛(wèi)星觀測到的發(fā)生造衛(wèi)星觀測到的發(fā)生 在在130億年前的爆炸。億年前的爆炸。 宇宙創(chuàng)始之后將近九宇宙創(chuàng)始之后將近九 億年，迄今為止人們億年，迄今為止人們 所觀測到的最遙遠(yuǎn)的所觀測到的最遙遠(yuǎn)的 星體爆炸。星體爆炸。 錢德拉太空望遠(yuǎn)鏡錢德拉太空望遠(yuǎn)鏡 1.1 X射線的

2、物理基礎(chǔ)射線的物理基礎(chǔ) 一、一、X射線學(xué)發(fā)展簡史射線學(xué)發(fā)展簡史 倫琴 W.K.RntgenW.K.Rntgen （1845-19231845-1923） 1895年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)X射線射線 1910年第一張諾貝爾物理學(xué)獎年第一張諾貝爾物理學(xué)獎 1912年勞厄：勞埃方程年勞厄：勞埃方程 1914年獲諾貝爾獎年獲諾貝爾獎 1913年布拉格父子：布拉格方程年布拉格父子：布拉格方程 1915年獲諾貝爾獎年獲諾貝爾獎 時時 間間 人人 物物內(nèi)內(nèi) 容容 1913年年Coolige（庫利）（庫利）發(fā)明熱陰極發(fā)明熱陰極X射線管射線管 1914年年Moseley（莫塞萊）（莫塞萊） 1/2K（Z -） 1916年年

3、Debye（德拜）（德拜） Scherrer（謝樂）（謝樂） 發(fā)明粉末法發(fā)明粉末法 1918年年Scherrer（謝樂）（謝樂）提出測定微粒大小的方法提出測定微粒大小的方法 1925年年Barrett（巴悅特）（巴悅特）提出了測定宏觀應(yīng)力的方法提出了測定宏觀應(yīng)力的方法 1926年年Wever（韋佛）（韋佛）進(jìn)行了晶粒取向的研究進(jìn)行了晶粒取向的研究 1928年年Geiger（蓋革）（蓋革） Mller（彌勒）（彌勒） 發(fā)明了發(fā)明了GeigerMller計數(shù)器計數(shù)器 1938年年Hanawalt（哈那瓦特）（哈那瓦特）建立了系統(tǒng)的物相定性分析方法建立了系統(tǒng)的物相定性分析方法 1943年年Fridm

4、an（富里德曼）（富里德曼）發(fā)明了發(fā)明了X射線衍射儀射線衍射儀 第一節(jié)第一節(jié) X射線的物理基礎(chǔ)射線的物理基礎(chǔ) v1.1.1 X射線的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用射線的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用 v1.1.2 X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì) v1.1.3 X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線管射線管 v1.1.4 X射線譜（射線譜（Xray line） v1.1.5 X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 所在電磁波段所在電磁波段 1.1.2 X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì) X射線以射線以光速直線傳播光速直線傳播，c2.998108m/s。 X射線的波長范圍是：射線的波長范圍是：100.001nm。 在材料研究中，用于晶體結(jié)構(gòu)分析時，在材料研究

5、中，用于晶體結(jié)構(gòu)分析時，X X射射 線的波長范圍一般在線的波長范圍一般在0.250.250.05 nm0.05 nm之間，若用之間，若用 于探傷，其波長一般取于探傷，其波長一般取0.10.10.005 nm0.005 nm。 X射線之間可以相互作用，產(chǎn)生干涉、衍射等射線之間可以相互作用，產(chǎn)生干涉、衍射等 現(xiàn)象。現(xiàn)象。 一、波動性一、波動性 X射線是由大量以光速運(yùn)動的粒子組成的射線是由大量以光速運(yùn)動的粒子組成的不連續(xù)粒子流不連續(xù)粒子流， 這些粒子稱為光量子。每個光量子的能量：這些粒子稱為光量子。每個光量子的能量： h h h h普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.636.631010 3434J Js

6、s； ； X X射線頻率，射線頻率，c/c/，X X射線波長射線波長 由于由于X X射線的波長很短，所以射線的波長很短，所以X X射線的能量很大。射線的能量很大。 X射線可以與原子、電子相互作用，產(chǎn)生光電效應(yīng)、熒光射線可以與原子、電子相互作用，產(chǎn)生光電效應(yīng)、熒光 輻射等現(xiàn)象。輻射等現(xiàn)象。 二、粒子性二、粒子性 三、穿透能力強(qiáng)三、穿透能力強(qiáng) X射線射線穿透能力強(qiáng)穿透能力強(qiáng)。它能夠穿透木塊、玻璃，。它能夠穿透木塊、玻璃， 甚至金屬（甚至金屬（“鉛鉛”除外）。除外）。 伽瑪射線、微中子（中微子）穿透力更強(qiáng)。伽瑪射線、微中子（中微子）穿透力更強(qiáng)。 這個50,000噸的巨 型圓柱中微子探測 器，座落在日

7、本 kamioka mozumi礦 山的地下1,000米深 處，用來做探測中 微子、質(zhì)子衰變、 宇宙射線等等研究。 它的“超凈化注水 墻壁”上安裝了大 約12,000個超敏感 的光電倍增管，這 使它看上去帶有科 幻電影般的恐怖美 麗。 第一節(jié)第一節(jié) X射線的物理基礎(chǔ)射線的物理基礎(chǔ) 1.1.1 X射線的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用射線的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用 1.1.2 X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì) 1.1.3 X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線管射線管 1.1.4 X射線譜（射線譜（Xray line） 1.1.5 X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 一、一、X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生 1.1.3 X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X

8、射線管射線管 質(zhì)子相互碰撞碰撞 大型強(qiáng)子對撞機(jī)位于瑞士、法大型強(qiáng)子對撞機(jī)位于瑞士、法 國邊境地下國邊境地下100米深的環(huán)形隧米深的環(huán)形隧 道中，隧道全長達(dá)道中，隧道全長達(dá)27公里公里 由高速運(yùn)動的粒子與某種物質(zhì)相由高速運(yùn)動的粒子與某種物質(zhì)相撞擊撞擊后后 猝然減速，釋放大量的動能，從而激發(fā)猝然減速，釋放大量的動能，從而激發(fā) 物質(zhì)中的內(nèi)層電子發(fā)生跳越物質(zhì)中的內(nèi)層電子發(fā)生跳越，而產(chǎn)生的，而產(chǎn)生的 一種電磁波。一種電磁波。 連續(xù)譜連續(xù)譜 v不同電子，損耗不不同電子，損耗不 同，轉(zhuǎn)變的同，轉(zhuǎn)變的Xray 光子能量不同，其光子能量不同，其 波長就不同。由于波長就不同。由于 存在大量電子，故存在大量電子，故

9、 可以得到各種波長可以得到各種波長 的的Xray，從而形，從而形 成連續(xù)成連續(xù)Xray譜。譜。 標(biāo)識譜標(biāo)識譜 能級躍遷能級躍遷 特征特征X射線的產(chǎn)射線的產(chǎn) 生過程：生過程： 原子激發(fā)原子激發(fā) 電子躍遷電子躍遷 釋放能量釋放能量 產(chǎn)生特征產(chǎn)生特征X射線射線 二、產(chǎn)生裝置二、產(chǎn)生裝置 熱陰極熱陰極X射線管（射線管（也稱也稱電子式電子式X射線管射線管） 陰極射線管顯示器發(fā)出電磁場和輻射：陰極射線管顯示器發(fā)出電磁場和輻射： X射線、紫外線、可見光、紅外線、微射線、紫外線、可見光、紅外線、微 波、射頻、波、射頻、VLF場（甚低頻場）和場（甚低頻場）和ELF 場（極低頻場）。場（極低頻場）。 X射線管射線

10、管 上上 海海 大大 光光 源源 同步輻射同步輻射 XRDXRD裝置裝置 電子電子 儲存儲存 環(huán)旁環(huán)旁 實(shí)驗實(shí)驗 站站 三、三、X射線的產(chǎn)生條件射線的產(chǎn)生條件 能產(chǎn)生自由電子的電子源（陰極）；能產(chǎn)生自由電子的電子源（陰極）； 能阻礙自由電子運(yùn)動的障礙（陽極靶）；能阻礙自由電子運(yùn)動的障礙（陽極靶）； 能夠使自由電子高速定向運(yùn)動（加高壓）；能夠使自由電子高速定向運(yùn)動（加高壓）； 能夠保持電子流穩(wěn)定（加高真空）。能夠保持電子流穩(wěn)定（加高真空）。 冷陰極冷陰極X射線管（射線管（離子式離子式X射線管）：射線管）： 先通過電離，產(chǎn)生正離子；先通過電離，產(chǎn)生正離子； 然后用正離子撞擊陰極，放出電子；然后用正

11、離子撞擊陰極，放出電子； 再讓電子高速運(yùn)動，撞擊陽極，產(chǎn)生再讓電子高速運(yùn)動，撞擊陽極，產(chǎn)生X射線。射線。 第一節(jié)第一節(jié) X射線的物理基礎(chǔ)射線的物理基礎(chǔ) v1.1.1 X射線的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用射線的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用 v1.1.2 X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì) v1.1.3 X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線管射線管 v1.1.4 X射線譜（射線譜（Xray line） v1.1.5 X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 X射線譜是指射線譜是指Xray強(qiáng)度強(qiáng)度I隨波長隨波長而變化的關(guān)系曲線。而變化的關(guān)系曲線。 1.1.4 X射線譜（射線譜（Xray line） 兩種類型：兩種類型： 連續(xù)連續(xù)Xray譜譜 是從某

12、一短波限是從某一短波限0 0開始，直到波長等于無窮大開始，直到波長等于無窮大 的一系 的一系 列波長構(gòu)成，也稱為白色列波長構(gòu)成，也稱為白色X Xrayray。 特征特征Xray譜：譜： 是具有一定波長的若干特強(qiáng)的是具有一定波長的若干特強(qiáng)的X Xrayray，疊加在強(qiáng)度連續(xù)平，疊加在強(qiáng)度連續(xù)平 滑變化的連續(xù)譜之上，也叫標(biāo)識滑變化的連續(xù)譜之上，也叫標(biāo)識X Xrayray。 一、連續(xù)一、連續(xù)Xray譜譜 1、實(shí)驗規(guī)律、實(shí)驗規(guī)律 連續(xù)連續(xù)Xray譜具有下述規(guī)律：譜具有下述規(guī)律： 隨管電壓隨管電壓V增大增大 各種波長射線的相對強(qiáng)度各種波長射線的相對強(qiáng)度I（）一致增高。）一致增高。 最高強(qiáng)度最高強(qiáng)度Xra

13、y的波長的波長m變短。變短。 短波限短波限0 變小，即變小，即0向左方移動，同時，波向左方移動，同時，波 譜變寬。譜變寬。 可見：管電壓既影響可見：管電壓既影響Xray的強(qiáng)度，也影響的強(qiáng)度，也影響 Xray的波長范圍。的波長范圍。 若管電壓若管電壓V保持恒定保持恒定 增大管電流增大管電流I I，則強(qiáng)度一致增高；但波長，則強(qiáng)度一致增高；但波長m m、 、0 0數(shù)值大小不數(shù)值大小不 變，即管電流不影響波長。變，即管電流不影響波長。 若改變陽極靶元素若改變陽極靶元素 則則X Xrayray譜形式不變，上述規(guī)律也不變，但譜線位置變化。譜形式不變，上述規(guī)律也不變，但譜線位置變化。 通常，隨著原子序數(shù)增大

14、，各種波長的相對強(qiáng)度增大。通常，隨著原子序數(shù)增大，各種波長的相對強(qiáng)度增大。 連續(xù)譜線的產(chǎn)生原因：連續(xù)譜線的產(chǎn)生原因： 因為不同的電子，因為不同的電子，損耗不同損耗不同，則轉(zhuǎn)變，則轉(zhuǎn)變 的的Xray光子能量不同，其波長就不同。光子能量不同，其波長就不同。 由于存在由于存在大量電子大量電子，故可以得到各種波長，故可以得到各種波長 的的Xray，從而形成連續(xù)，從而形成連續(xù)Xray譜。譜。 2、短波限、短波限0 短波限的存在原因：短波限的存在原因： 由燈絲發(fā)射出的電子經(jīng)高壓電場加速，電場的位能將轉(zhuǎn)化由燈絲發(fā)射出的電子經(jīng)高壓電場加速，電場的位能將轉(zhuǎn)化 為電子的動能：為電子的動能： （1/21/2）mm2

15、 2=e V =e V V- V-管電壓，管電壓，e -e -電子的負(fù)荷電子的負(fù)荷 當(dāng)一個電子的動能毫無損失地全部轉(zhuǎn)化為一個當(dāng)一個電子的動能毫無損失地全部轉(zhuǎn)化為一個X Xrayray光子光子 時時，光子將達(dá)到最高的能量：，光子將達(dá)到最高的能量：max max=h =hmax max， ， 此時，此時，X射線就具有了最大的頻率射線就具有了最大的頻率max max和最短的波長 和最短的波長0 0。 短波限短波限0的推導(dǎo)與計算的推導(dǎo)與計算 ： max max= (1/2)m = (1/2)m2 2=eV=eV h hmax max=h(c/ =h(c/0 0) =) =max max 0 0=hc/

16、 eV=hc/ eV h=6.63 h=6.631010-34 -34J Js s， ， c=2.998c=2.99810108 8m/sm/s， e e4.804.801010 1010靜電單位， 靜電單位， V-V-管電壓，單位管電壓，單位 kVkV，轉(zhuǎn)化為靜電單位，轉(zhuǎn)化為靜電單位V V10103 3/300/300 0 0=1.24/V (nm)=1.24/V (nm) 注意：注意：公式的單位：公式的單位：0 0：nmnm； V V：kV kV 3、Xray的強(qiáng)度（的強(qiáng)度（Intensity） Xray的強(qiáng)度是指單位時間內(nèi)，通過與的強(qiáng)度是指單位時間內(nèi)，通過與Xray傳播方向垂傳播方向垂

17、直的單位面積上的光量子數(shù)。直的單位面積上的光量子數(shù)。 庫倫坎普弗（庫倫坎普弗（Kulenkampff）經(jīng)驗公式：）經(jīng)驗公式： I I d d=I(1/I(1/2 2)(1/)(1/0 01/) d1/) d I I d d表示波長在表示波長在 與與+d+d之間之間X Xrayray的強(qiáng)度，的強(qiáng)度， I I 稱為波長 稱為波長處的處的X Xrayray強(qiáng)度密度，強(qiáng)度密度， 為常數(shù)，為常數(shù)， 1.11.11.51.51010-9 -9， ， I I為管電流。為管電流。 Z Z 陽極靶的原子序數(shù)陽極靶的原子序數(shù) V V 管電壓管電壓 I I 管電流管電流 X Xrayray的強(qiáng)度與的強(qiáng)度與I I、Z

18、 Z、V V2 2成正比成正比. . 2 0 IZVdII 連 4、Xray管的效率管的效率(efficiency) Xray管的效率是指：管的效率是指： （Xray的強(qiáng)度）的強(qiáng)度） / （Xray管功率）比值管功率）比值. = I= I連 連/P = /P = IZVIZV 2 2/IV = /IV = ZVZV 主要與主要與Z Z、V V呈正比呈正比. . 二、特征二、特征Xray譜譜 1、實(shí)驗規(guī)律、實(shí)驗規(guī)律 產(chǎn)生特征產(chǎn)生特征X射線所需要的最低管電壓，稱為激發(fā)電壓，射線所需要的最低管電壓，稱為激發(fā)電壓， 以以V激 激表示。 表示。 激發(fā)電壓的大小與陽極靶材料有關(guān)：激發(fā)電壓的大小與陽極靶材料

19、有關(guān)： ZV激 激。 。 陽極靶材料不同，產(chǎn)生的特征陽極靶材料不同，產(chǎn)生的特征X射線譜波長不同。射線譜波長不同。 元素元素 Ag Mo Cu Ni Co Fe Cr 原子序數(shù)原子序數(shù) 47422928272624 V激 激， ，kV 25.52 20.00 8.98 8.33 7.71 7.11 5.99 波長波長 10 2 nm K1 5.59417.093015.405616.579117.889719.360422.8971 K2 5.63807.135915.443916.617517.928519.399822.9361 K 5.60847.107315.418415.691917.

20、902619.373522.9100 K1 4.97096.322913.922215.001416.207917.566120.8487 當(dāng)管電壓超過激發(fā)電壓而進(jìn)一步升高時，當(dāng)管電壓超過激發(fā)電壓而進(jìn)一步升高時， 特征特征X射線的波長不變，僅強(qiáng)度升高，且射線的波長不變，僅強(qiáng)度升高，且 按按n次方規(guī)律增大。次方規(guī)律增大。 I I特 特 c Ic I（V VV V激 激） ）n n c c 比例常數(shù)，比例常數(shù)， n n1.51.52 2，也是常數(shù)。，也是常數(shù)。 (特征特征X射線射線) / (連續(xù)連續(xù)X射線射線) 強(qiáng)度的比值，強(qiáng)度的比值， 稱為特征譜線的峰背比。稱為特征譜線的峰背比。 在在X射線管的

21、工作電壓為激發(fā)電壓的射線管的工作電壓為激發(fā)電壓的35 倍時最大，即：倍時最大，即： V（35）V激 激時， 時，I特 特/ I連連最大。 最大。 工作電壓的選擇原則。工作電壓的選擇原則。 2、特征譜線產(chǎn)生機(jī)理（原子模型）、特征譜線產(chǎn)生機(jī)理（原子模型） 特征特征X射線的產(chǎn)生過程：射線的產(chǎn)生過程： 原子激發(fā)原子激發(fā)電子躍遷電子躍遷 釋放能量釋放能量產(chǎn)生特征產(chǎn)生特征X射線射線 比如，圖中是比如，圖中是L層的電子躍遷到層的電子躍遷到K層上，這個過程降層上，這個過程降 低的能量為：低的能量為：L LK K。 對于給定的物質(zhì)，各原子能級的能量是固有的，所對于給定的物質(zhì)，各原子能級的能量是固有的，所 以能量

22、差以能量差L LK K也是固定的。也是固定的。 當(dāng)這個能量以一個當(dāng)這個能量以一個X射線光子的形式輻射出射線光子的形式輻射出 去時，就具有特定的波長：去時，就具有特定的波長： L LK K=h=hhc/hc/ hchc/ /（L LK K） 特征特征X X射線射線 根據(jù)原子模型定義各種譜線：根據(jù)原子模型定義各種譜線： 如果是如果是K層電子被外來的高能粒子轟擊出去，則稱為層電子被外來的高能粒子轟擊出去，則稱為K系系 激發(fā)，隨之進(jìn)行的電子躍遷引起的輻射就稱為激發(fā)，隨之進(jìn)行的電子躍遷引起的輻射就稱為K系輻射，系輻射， 所產(chǎn)生的特征所產(chǎn)生的特征X射線就稱為射線就稱為K系譜線；系譜線； 同理，把同理，把L

23、層電子被擊出的過程稱為層電子被擊出的過程稱為L系激發(fā)，隨之的電子系激發(fā)，隨之的電子 躍遷引起的輻射稱為躍遷引起的輻射稱為L系輻射，所產(chǎn)生的特征系輻射，所產(chǎn)生的特征X射線就稱射線就稱 為為L系譜線。系譜線。 等等。等等。 在一種譜系中，按照在一種譜系中，按照電子躍遷時所跨越的能電子躍遷時所跨越的能 級數(shù)目的不同級數(shù)目的不同，又可以將同一輻射線系分，又可以將同一輻射線系分 成若干小類。成若干小類。 分類的原則是：分類的原則是： 對跨越對跨越1、2、3、個能級所引起的輻射分個能級所引起的輻射分 別標(biāo)以別標(biāo)以、等符號。等符號。 這樣就出現(xiàn)了這樣就出現(xiàn)了K、K、L、L等譜線。等譜線。 KL hc EWW

24、 光子 KL hc WW 3、莫塞萊定律（、莫塞萊定律（Moseley） 1/2 1/2 K K（Z Z） or or （1/1/）1/2 1/2 K K（Z Z） 式中：式中：、分別為特征分別為特征X X射線的頻率和波長；射線的頻率和波長； Z Z陽極靶元素的原子序數(shù)；陽極靶元素的原子序數(shù)； K K、K K、均為常數(shù)。均為常數(shù)。 應(yīng)用：應(yīng)用： 是波譜分析的基本依據(jù)；是波譜分析的基本依據(jù)； 利用它可以發(fā)明新的元素。利用它可以發(fā)明新的元素。 第一節(jié)第一節(jié) X射線的物理基礎(chǔ)射線的物理基礎(chǔ) v1.1.1 X射線的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用射線的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用 v1.1.2 X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì) v1.1.3 X射線的

25、產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線管射線管 v1.1.4 X射線譜（射線譜（Xray line） v1.1.5 X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 X射線的應(yīng)用射線的應(yīng)用 （1 1）窺探物質(zhì)結(jié)構(gòu)：）窺探物質(zhì)結(jié)構(gòu)： 從從1914到到1924年中，就有五位物理學(xué)家（勞年中，就有五位物理學(xué)家（勞 厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究 X 射射 線及其應(yīng)用方面獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。線及其應(yīng)用方面獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。 1912年，德國物理學(xué)家勞厄通過實(shí)驗，既證年，德國物理學(xué)家勞厄通過實(shí)驗，既證 明了明了X射線具有波動性，也證明了晶體中的原子射線具有波動性，也證明了

26、晶體中的原子 是有規(guī)則排列的。是有規(guī)則排列的。 晶體可看作三維立晶體可看作三維立 體光柵體光柵, 根據(jù)勞厄斑點(diǎn)根據(jù)勞厄斑點(diǎn) 的分布的分布, 可算出晶面間可算出晶面間 距掌握晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)距掌握晶體點(diǎn)陣結(jié)構(gòu). 晶體 底 片 鉛 屏X 射 線 管 勞 厄 斑 點(diǎn) 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu) 成分分析成分分析 圍繞圍繞X射線的性質(zhì)和應(yīng)用的研究，除倫琴外，射線的性質(zhì)和應(yīng)用的研究，除倫琴外， 還有還有15項獲諾貝爾獎的課題與項獲諾貝爾獎的課題與X射線有關(guān)。射線有關(guān)。 獲獎獲獎 年代年代 人人 物物成成 就就 1914勞厄勞厄 提出了用天然晶體的晶格作為衍射提出了用天然晶體的晶格作

27、為衍射 光柵，觀察到了光柵，觀察到了X射線的衍射現(xiàn)象，射線的衍射現(xiàn)象， 證明證明X射線是電磁波射線是電磁波 1915布拉格父子布拉格父子 利用利用X射線衍射進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析射線衍射進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析 1927康普頓康普頓 康普頓散射，揭示了康普頓散射，揭示了X射線光子的射線光子的 粒子性粒子性 a. 醫(yī)學(xué)診斷：醫(yī)學(xué)診斷： （2 2）在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：）在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用： 上世紀(jì)六十年代，南非出生的美國物理學(xué)家科上世紀(jì)六十年代，南非出生的美國物理學(xué)家科 馬克（馬克（Cormark）和英國電氣工程師洪斯菲爾德）和英國電氣工程師洪斯菲爾德 （Hounsfield）提出用計算機(jī)控制）提出用計算機(jī)控制 X 射

28、線斷層掃描射線斷層掃描 原理，并發(fā)明原理，并發(fā)明X射線斷層掃描儀（射線斷層掃描儀（XCT），使醫(yī)生），使醫(yī)生 能看到人體內(nèi)臟器官橫斷面圖象，從而準(zhǔn)確診斷病能看到人體內(nèi)臟器官橫斷面圖象，從而準(zhǔn)確診斷病 癥，他們兩人共享了癥，他們兩人共享了1979年諾貝爾生物學(xué)及醫(yī)學(xué)獎。年諾貝爾生物學(xué)及醫(yī)學(xué)獎。 b. X射線治療：射線治療： c. X射線防護(hù)：射線防護(hù)： 胎兒胎兒X射線照片射線照片 醫(yī)學(xué)檢查醫(yī)學(xué)檢查 工業(yè)探傷工業(yè)探傷 （3 3）揭示生命奧秘揭示生命奧秘： 1953-1959年，小布拉格的兩位助手佩魯茨和年，小布拉格的兩位助手佩魯茨和 肯德羅，用改進(jìn)了的肯德羅，用改進(jìn)了的X射線分析法測定了肌紅蛋白射

29、線分析法測定了肌紅蛋白 及血紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)，為此獲得及血紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)，為此獲得 1962 年的諾貝年的諾貝 爾化學(xué)獎。爾化學(xué)獎。 1962年諾貝爾生理學(xué)獎及醫(yī)學(xué)獎授予英國生物年諾貝爾生理學(xué)獎及醫(yī)學(xué)獎授予英國生物 物理學(xué)家克里克、威爾金森、美國生物學(xué)家沃森，物理學(xué)家克里克、威爾金森、美國生物學(xué)家沃森， 表彰他們發(fā)現(xiàn)表彰他們發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這是的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這是20世紀(jì)生世紀(jì)生 物學(xué)的最偉大成就，他們依靠的也是物學(xué)的最偉大成就，他們依靠的也是X射線分析法。射線分析法。 DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)分子雙螺旋結(jié)構(gòu) （4）其它應(yīng)用：其它應(yīng)用： X光機(jī)對機(jī)場、車站對旅客行李的安全檢查；光機(jī)對機(jī)場、

30、車站對旅客行李的安全檢查； 檢驗集成電路板質(zhì)量；檢驗集成電路板質(zhì)量； 墻壁厚度測量；墻壁厚度測量； 測量尺寸的復(fù)雜變化；測量尺寸的復(fù)雜變化； 透視復(fù)雜物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；透視復(fù)雜物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)； 輔助設(shè)計和生產(chǎn)；輔助設(shè)計和生產(chǎn)； 產(chǎn)生組件缺陷位置的影像；產(chǎn)生組件缺陷位置的影像； 用特征用特征X射線可對材料的元素成分做出分析，射線可對材料的元素成分做出分析， 在考古、材料研究等方面有重要應(yīng)用。在考古、材料研究等方面有重要應(yīng)用。 X光下的世光下的世 界界 X射線衍射 成分分析 無損檢測 1.1.5 X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 X 射 線 原子或離子中的電子原子或離子中的電子 受迫振動。

31、受迫振動。 振動著的電子振動著的電子 成為次生成為次生X射射 線的波源，線的波源，向向 外輻射與入射外輻射與入射 X X 射線同頻率射線同頻率 的電磁波，稱的電磁波，稱 為為散射波散射波。 一）、相干散射一）、相干散射：由于入射線與散射線的波長與由于入射線與散射線的波長與 頻率一致，位相固定，各散射波之間以及與入射頻率一致，位相固定，各散射波之間以及與入射 波可以發(fā)生干涉，故稱相干散射（彈性散射）。波可以發(fā)生干涉，故稱相干散射（彈性散射）。 干涉的結(jié)果干涉的結(jié)果：散射波在某些方向上相互加強(qiáng)，在散射波在某些方向上相互加強(qiáng)，在 另一些方向上相互減弱或抵消。另一些方向上相互減弱或抵消。 晶體中發(fā)生衍

32、射的基礎(chǔ)晶體中發(fā)生衍射的基礎(chǔ) 相干散射并不損失相干散射并不損失x-rayx-ray能量，而只是改變了它的傳能量，而只是改變了它的傳 播方向，但對入射線方向來說，卻起了強(qiáng)度衰減的播方向，但對入射線方向來說，卻起了強(qiáng)度衰減的 作用。作用。 一、一、X射線的散射射線的散射 二）、非相干散射二）、非相干散射 1、概念、概念 電子被撞出原來的軌道，成為反沖電子，而入射電子被撞出原來的軌道，成為反沖電子，而入射 X射線被撞偏方向，在射線被撞偏方向，在角度上形成散射角度上形成散射X射線。射線。 由于反沖電子消耗一定的能量（變?yōu)閯幽埽?，由于反沖電子消耗一定的能量（變?yōu)閯幽埽?故散射故散射X射線的能量要比入射

33、射線的能量要比入射X射線低，其波長變射線低，其波長變 大，頻率變小，從而使散射波與入射波之間不存大，頻率變小，從而使散射波與入射波之間不存 在固定的位相關(guān)系，因此不能產(chǎn)生任何干涉效應(yīng)。在固定的位相關(guān)系，因此不能產(chǎn)生任何干涉效應(yīng)。 所以，這種散射被稱為非相干散射。也稱為所以，這種散射被稱為非相干散射。也稱為 康普頓康普頓吳有訓(xùn)散射，或康普頓吳有訓(xùn)散射，或康普頓吳有訓(xùn)效應(yīng)吳有訓(xùn)效應(yīng) ， 或量子散射?；蛄孔由⑸?。 2、非相干散射的特征、非相干散射的特征 波長變化波長變化 設(shè)散射波的波長為設(shè)散射波的波長為，入射波的波長為，入射波的波長為，則，則， 其增量為：其增量為： 0.002430.00243（1

34、 1cos2cos2） nmnm 式中，式中，22是散射波與入射波之間的夾角，稱為散是散射波與入射波之間的夾角，稱為散 射角。射角。 可見：可見：隨散射角隨散射角2而變化。而變化。 非相干散射波分布在各個方向上，強(qiáng)度很非相干散射波分布在各個方向上，強(qiáng)度很 低，且隨低，且隨sin2/的增加而增大。的增加而增大。 非相干散射不能參與衍射，也無法避免，非相干散射不能參與衍射，也無法避免， 通常，它在衍射圖形上形成連續(xù)的背底，通常，它在衍射圖形上形成連續(xù)的背底， 會給分析帶來困難。會給分析帶來困難。 二、二、X射線的吸收射線的吸收 物質(zhì)對物質(zhì)對x-ray的吸收，的吸收，指的是指的是x-ray能量在通過

35、物質(zhì)時轉(zhuǎn)能量在通過物質(zhì)時轉(zhuǎn) 變?yōu)槠渌问降哪芰?，變?yōu)槠渌问降哪芰?，對對x-ray而言，也就是發(fā)生了能量而言，也就是發(fā)生了能量 損耗。損耗。 物質(zhì)對物質(zhì)對x-ray的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起 的。的。 發(fā)生發(fā)生x-ray的的光電效應(yīng)光電效應(yīng)和和俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)，使，使x-ray的部分能量的部分能量 轉(zhuǎn)變成為光電子、熒光轉(zhuǎn)變成為光電子、熒光x-ray及俄歇電子的能量，故及俄歇電子的能量，故x- ray的強(qiáng)度被衰減。的強(qiáng)度被衰減。 當(dāng)入射當(dāng)入射X射線光子的能量射線光子的能量 足夠大時，足夠大時，(h明顯超過明顯超過 原子的芯電子束縛能原子的芯電子束

36、縛能Eb)， 將使原子中的內(nèi)層電子被將使原子中的內(nèi)層電子被 擊出，使原子處于激發(fā)態(tài)。擊出，使原子處于激發(fā)態(tài)。 隨后，原子中的外層電子隨后，原子中的外層電子 將躍遷到內(nèi)層電子空位上，將躍遷到內(nèi)層電子空位上， 同時輻射出特征同時輻射出特征X射線射線(輻輻 射躍遷射躍遷)。 光電子光電子 h 特征特征X X射線射線 二次特征二次特征X X 射線，射線， 熒光熒光X X射線射線 1 1）光電效應(yīng)與熒光）光電效應(yīng)與熒光( (二次特征二次特征) )輻射輻射 v光電效應(yīng)光電效應(yīng)吸收限的產(chǎn)生機(jī)制吸收限的產(chǎn)生機(jī)制 x-ray與物質(zhì)相互作用可以看作是與物質(zhì)相互作用可以看作是x-ray光子和物質(zhì)中的原子相互碰撞，光

37、子與光子和物質(zhì)中的原子相互碰撞，光子與 原子的碰撞很像前面講過的電子與陽極靶的原子碰撞產(chǎn)生標(biāo)識原子的碰撞很像前面講過的電子與陽極靶的原子碰撞產(chǎn)生標(biāo)識x-ray譜的情況。譜的情況。 當(dāng)當(dāng)x-ray波長足夠短時，其光子的能量就很大，以至能把原子中處于某一能級波長足夠短時，其光子的能量就很大，以至能把原子中處于某一能級 上的電子打出來使原子處于高能激發(fā)態(tài)，內(nèi)層出現(xiàn)空位，外層電子往此空位上的電子打出來使原子處于高能激發(fā)態(tài)，內(nèi)層出現(xiàn)空位，外層電子往此空位 躍遷，產(chǎn)生標(biāo)識躍遷，產(chǎn)生標(biāo)識x-ray。光電效應(yīng)光電效應(yīng) 這種以光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程稱為光電效應(yīng)，被擊出的電子這種以光子激發(fā)原子所發(fā)生的

38、激發(fā)和輻射過程稱為光電效應(yīng)，被擊出的電子 稱為稱為光電子光電子，所輻射出的次級標(biāo)識，所輻射出的次級標(biāo)識x-ray（由（由x-ray激發(fā)出的激發(fā)出的x-ray）稱為）稱為熒光熒光 x-ray（二次標(biāo)識（二次標(biāo)識x-ray）。）。 一次的特征一次的特征x-ray的一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗丈湮镔|(zhì)的二次特征輻射，表現(xiàn)為物的一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗丈湮镔|(zhì)的二次特征輻射，表現(xiàn)為物 質(zhì)對入射質(zhì)對入射x-ray的吸收，這一吸收非常強(qiáng)烈。的吸收，這一吸收非常強(qiáng)烈。 v2 2）俄歇效應(yīng)）俄歇效應(yīng) v定義定義：光子與物質(zhì)中原子相撞，使原子處于激發(fā)狀態(tài)，當(dāng)外光子與物質(zhì)中原子相撞，使原子處于激發(fā)狀態(tài)，當(dāng)外 層電子躍入內(nèi)層空位時

39、，其多余的能量不以層電子躍入內(nèi)層空位時，其多余的能量不以x-ray形式放出形式放出 （熒光（熒光x-ray），而是傳遞給其它外層的電子，使之脫離原），而是傳遞給其它外層的電子，使之脫離原 子。子。 俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)。 例：俄歇電子例：俄歇電子KL2L2 vK層電子被擊出，層電子被擊出，L2層電子跳入層電子跳入K層空位，多余能量傳遞層空位，多余能量傳遞L2、 L3、M層電子，使其脫離原子（形成二次電子）。層電子，使其脫離原子（形成二次電子）。 這種二次電子稱俄歇電子，上述這種二次電子稱俄歇電子，上述K層一個空位被層一個空位被L層二個空層二個空 位所代替，這個過程稱俄歇效應(yīng)（無輻射躍遷過程）。位所

40、代替，這個過程稱俄歇效應(yīng)（無輻射躍遷過程）。 俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng) 光電子光電子 俄歇電子俄歇電子 俄歇電子俄歇電子 KL1L1 LM1M1 L1 K L2 v命名命名:俄歇電子通常用俄歇電子通常用參與俄歇過程的三個能級來命名參與俄歇過程的三個能級來命名。即：。即： 初態(tài)空位所在能級、向空位作無輻射躍遷電子原在能級、發(fā)初態(tài)空位所在能級、向空位作無輻射躍遷電子原在能級、發(fā) 射電子原在能級。上例中俄歇電子為射電子原在能級。上例中俄歇電子為KL2L2。 說明說明：伴隨光電吸收發(fā)生的有熒光伴隨光電吸收發(fā)生的有熒光x-ray和俄歇電子。（輻和俄歇電子。（輻 射躍遷和無輻射躍遷）射躍遷和無輻射躍遷） 通常熒光

41、通常熒光x-ray和俄歇電子是同時存在的。和俄歇電子是同時存在的。 v用途用途：俄歇電子的能量只取決于物質(zhì)原子的能級結(jié)構(gòu)（與參俄歇電子的能量只取決于物質(zhì)原子的能級結(jié)構(gòu)（與參 與該過程的三個能級能量有關(guān)），每種元素都有自己的特征與該過程的三個能級能量有關(guān)），每種元素都有自己的特征 俄歇電子能譜，它是元素的固有特征。所以，可以用俄歇電俄歇電子能譜，它是元素的固有特征。所以，可以用俄歇電 子能譜做元素的成分分析及試樣表面狀態(tài)分析等。子能譜做元素的成分分析及試樣表面狀態(tài)分析等。 三、三、X射線的衰減射線的衰減 1、衰減規(guī)律、衰減規(guī)律 I0：入射：入射X射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度 I：透過物質(zhì)后的強(qiáng)度：透過物質(zhì)后

42、的強(qiáng)度 I：x處處X射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度 dI：X射線通過無限小薄層射線通過無限小薄層dx時的衰減量時的衰減量 dIdIIdxIdx 即：即： dIdIIdxIdx 式中：式中：比例常數(shù)，稱為線吸收系數(shù)，或線衰比例常數(shù)，稱為線吸收系數(shù)，或線衰 減系數(shù)，單位為減系數(shù)，單位為cmcm 1 1。其物理意義是在 。其物理意義是在X X射線傳射線傳 播方向上，單位長度上播方向上，單位長度上X X射線的衰減程度，它主射線的衰減程度，它主 要與入射要與入射X X射線的波長及物質(zhì)種類有關(guān)。對于給射線的波長及物質(zhì)種類有關(guān)。對于給 定物質(zhì)，和特定波長定物質(zhì)，和特定波長X X射線，射線，為常數(shù)。為常數(shù)。 積分上述方程：

43、積分上述方程： I II I0 0 xx 或：或： I II I0 0e e xx 可見：可見：X射線通過物質(zhì)時，按指數(shù)規(guī)律迅速衰減的。射線通過物質(zhì)時，按指數(shù)規(guī)律迅速衰減的。 xI I dx I dI 0 0 2、質(zhì)量吸收系數(shù)、質(zhì)量吸收系數(shù) 線吸收系數(shù)線吸收系數(shù)與物質(zhì)的密度與物質(zhì)的密度有關(guān)，通常：有關(guān)，通常： 為了消除密度（即物質(zhì)的狀態(tài)）的影響，引入一為了消除密度（即物質(zhì)的狀態(tài)）的影響，引入一 個新的系數(shù)個新的系數(shù)m： m m / 稱為質(zhì)量吸收系數(shù)，稱為質(zhì)量吸收系數(shù)，單位為單位為cmcm2 2g g 1 1。 。 它反映每克物質(zhì)引起的相對衰減量，主要取決于它反映每克物質(zhì)引起的相對衰減量，主要取

44、決于 物質(zhì)的化學(xué)成分和入射物質(zhì)的化學(xué)成分和入射X射線的波長。射線的波長。 幾點(diǎn)規(guī)律：幾點(diǎn)規(guī)律： 對單一元素組成的物質(zhì)，對單一元素組成的物質(zhì)，m與其原子序數(shù)與其原子序數(shù)Z，及入，及入 射射X射線的波長射線的波長之間存在明顯的函數(shù)關(guān)系：之間存在明顯的函數(shù)關(guān)系： m m 3 3Z Z3 3 m m 但在但在k處發(fā)生突變，突然增大。處發(fā)生突變，突然增大。 原因：此時原因：此時X射線的能量達(dá)到了激發(fā)射線的能量達(dá)到了激發(fā)K層電層電 子，引起二次特征輻射的程度，其能量被大子，引起二次特征輻射的程度，其能量被大 量吸收，故量吸收，故m突然增大。突然增大。 發(fā)生突變吸收的波長發(fā)生突變吸收的波長k稱為吸收限。稱為

45、吸收限。 k1.24/Vk nm Vk激發(fā)電壓，激發(fā)電壓，kV； k吸收限，又稱為激發(fā)限，吸收限，又稱為激發(fā)限，nm。 連續(xù)譜的質(zhì)量吸收系數(shù)連續(xù)譜的質(zhì)量吸收系數(shù) 當(dāng)連續(xù)當(dāng)連續(xù)X射線穿過物質(zhì)時，通常取各波長吸收系射線穿過物質(zhì)時，通常取各波長吸收系 數(shù)的平均值。數(shù)的平均值。 這個平均值相當(dāng)于這個平均值相當(dāng)于1.31.40波長時對應(yīng)的吸收波長時對應(yīng)的吸收 系數(shù)（系數(shù)（0為短波限），這個波長稱為有效波長：為短波限），這個波長稱為有效波長： 有效有效1.31.31.41.40 01.351.350 0 1.351.35 (1.24/V) (1.24/V)1.67/V (nm) 1.67/V (nm) 復(fù)

46、雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)復(fù)雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù) 當(dāng)當(dāng)X射線通過多種元素組成的復(fù)雜物質(zhì)，如化合物、射線通過多種元素組成的復(fù)雜物質(zhì)，如化合物、 固溶體、機(jī)械混合物時，其衰減將受到各種元素固溶體、機(jī)械混合物時，其衰減將受到各種元素 的影響，但卻與這些原子之間的結(jié)合方式無關(guān)。的影響，但卻與這些原子之間的結(jié)合方式無關(guān)。 m m mi mi W Wi i（/）i i W Wi i 式中：式中：mi mi或（ 或（/）i i為為i i種元素的質(zhì)量吸收系數(shù)；種元素的質(zhì)量吸收系數(shù)； WWi i為為i i元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 四、吸收限（四、吸收限（k）的應(yīng)用）的應(yīng)用 1、濾波片（、濾波片（Filter）

47、的選擇）的選擇 材料材料 材料選取：材料選?。?kkk k：濾波片的吸收限；：濾波片的吸收限； k：K譜線的波長；譜線的波長； k：K譜線的波長。譜線的波長。 獲取單波長獲取單波長X射線射線 濾波片濾波片 濾波選擇吸收限介于選擇吸收限介于X X射線中的射線中的KK 和和KK的波長之間的物質(zhì)。的波長之間的物質(zhì)。 應(yīng)用：應(yīng)用： 濾波片實(shí)際上是利用吸收限兩濾波片實(shí)際上是利用吸收限兩 邊吸收系數(shù)相差懸殊的特點(diǎn)制成邊吸收系數(shù)相差懸殊的特點(diǎn)制成 的。的。 如果選擇一種材料其如果選擇一種材料其K吸收限吸收限 波長波長K恰好位于所用特征恰好位于所用特征x-ray的的 K與與K線波長之間（盡量靠近線波長之間（盡

48、量靠近 K），此時，對），此時，對K線及連續(xù)譜線線及連續(xù)譜線 吸收很大，而對吸收很大，而對K線的吸收卻很線的吸收卻很 小，可得到基本上是單色的小，可得到基本上是單色的K譜譜 線。線。 幾種元素幾種元素K系射線波長和常用的濾波片及其吸收限系射線波長和常用的濾波片及其吸收限 規(guī)律：規(guī)律： 設(shè)陽極靶元素的原子序數(shù)為設(shè)陽極靶元素的原子序數(shù)為Z靶 靶， ， 濾波片物質(zhì)的原子序數(shù)為濾波片物質(zhì)的原子序數(shù)為Z片 片， ， 則：則： 當(dāng)當(dāng) Z Z靶 靶 4040時，時，Z Z片 片 Z Z靶 靶 1 1 Z Z靶 靶40 40時，時，Z Z片 片 Z Z靶 靶 2 2 厚度厚度 濾波片必須具有合適的厚度。若太薄

49、，會對濾波片必須具有合適的厚度。若太薄，會對K譜線譜線 濾得不徹底；而太厚時，又會吸收掉部分濾得不徹底；而太厚時，又會吸收掉部分K譜線。譜線。 實(shí)驗表明，當(dāng)實(shí)驗表明，當(dāng)K譜線的強(qiáng)度被吸收到原來的一半時，譜線的強(qiáng)度被吸收到原來的一半時， K/K的強(qiáng)度比值可由濾波前的的強(qiáng)度比值可由濾波前的1/5提高到提高到1/500左右，左右， 這樣便可以滿足一般的衍射分析工作的要求。這樣便可以滿足一般的衍射分析工作的要求。濾濾 波片的厚度設(shè)計原則波片的厚度設(shè)計原則 2、陽極靶（、陽極靶（Positive target）的選擇）的選擇 材料選?。宏枠O靶的材料選?。宏枠O靶的K譜線波長應(yīng)比試樣的譜線波長應(yīng)比試樣的 吸收限吸收限k稍長一些稍長一些 。 避免熒光輻射避免熒光輻射 試樣試樣 幾種元素幾種元素K系射線波長及其吸收限系射線波長及其吸收限 v根據(jù)根據(jù)m=K Z33知知m隨隨x-r