2X射線的物理學基礎

1、倫倫 琴琴 (w. c. rontgen)1895年，德國物理學家倫琴（w.c. rontgen）在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了一種未知射線，當時對這種射線的本質(zhì)還不了解。因為在代數(shù)上常常用x表示未知數(shù)，故將它命名為x射線x-射線照的相片射線照的相片當時的科學家們雖然還不了解x射線的本質(zhì)，但是發(fā)現(xiàn)x射線具有很高的穿透能力，可以很容易穿過紙、人體、木材、金屬片和其他不透明物體。1896年（x射線發(fā)現(xiàn)的第二年）即被醫(yī)學部門采用作為檢查人體傷、病的工具。1. x-射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生產(chǎn)生的原理產(chǎn)生的原理產(chǎn)生的條件產(chǎn)生的條件x射線管截面圖射線管截面圖 x射線管射線管 x射線是波長在射線是波長在10-8到到10

2、-12米范圍內(nèi)的電磁波，因此具有極強米范圍內(nèi)的電磁波，因此具有極強穿透能力。穿透能力。2.2. x射線的粒子性射線的粒子性 x-射線在空間傳遞時，也具有粒子性。換言之，x-射線是由大量以光速運動的粒子組成的不連續(xù)的粒子流，這些粒子叫做光子，每個光子的能量為 即，x-射線和一切微觀粒子（電子、質(zhì)子、中子等）一樣，都同時具有波動和粒子雙重特性（波粒二像性） 其波動性主要表現(xiàn)為以一定的頻率和波長在空間傳遞，反映了物質(zhì)運動的連續(xù)性；其粒子性主要表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時具有一定的質(zhì)量、能量、動量，反映了物質(zhì)運動的分立性。 x射線的頻率、波長以及其光子的能量光子的能量、動量p之間存在如下關系： 式中h

3、為普朗克常數(shù)，c為光速。 hchhp hx x射線譜指的是物體發(fā)射出來的射線譜指的是物體發(fā)射出來的x x射線的強度射線的強度 隨波隨波長著長著變化的關系曲線。其中變化的關系曲線。其中x x射線強度射線強度的大小由單的大小由單位面積上的光量子數(shù)決定。位面積上的光量子數(shù)決定。 0.00.20.40.60.81.001220 kv30 kv40 kvintensitywavelength50 kv 具有連續(xù)波長的x射線，構(gòu)成連續(xù)x射線譜，它和可見光相似，亦稱白色x射線。x射線譜中的連續(xù)x射線譜短波限短波限 0 連續(xù)x射線譜在短波方向有一個波長極限，稱為短波限0。它是由電子一次碰撞就耗盡所有能量所產(chǎn)生

4、的x射線。它只與管電壓有關，不受其它因素的影響。 相互關系為： 即0 = hc/ev 式中 h, c, e都為常數(shù)， 0 = f (v) ，只是管電壓的函數(shù)。0maxhchev 對于一定元素的靶，當管電壓小于某一限度時，只激發(fā)連續(xù)譜。但當管電壓升高到超過某一臨界值（如 對mo靶, 其臨界值v激20kv）后，曲線產(chǎn)生明顯的變化，在連續(xù)譜的幾個特定波長的地方，強度突然顯著增大，如圖所示。由于它們的波長反映了陽極靶材料的特征，因此稱之為特征特征x射線譜射線譜。 mo陽極發(fā)射的x射線譜波長，0.1nm相對強度35kv2520 h lk= l- kk k k l l h nk= n- kh nl= n-

5、 l激發(fā)與輻射激發(fā)與輻射穿透入射x射線束散射吸收相干散射（經(jīng)典散射）非相干散射的光電子+二次特征輻射熱能 x x 射射 線線晶體中的原子或離子中的原子或離子中的電子產(chǎn)生受迫振動。電子產(chǎn)生受迫振動。振動著的電子成為次生x射線的波源，向外輻射與入射 x 射線相同頻率的電磁波，稱為散射波。散射波之間相互衍射，即為晶體的x射線衍射。相干散射的強度相干散射的強度)22cos1(109 . 722260riie一個電子（位置為一個電子（位置為q）將入射）將入射x射線散射到射線散射到p點（點（p點與q點相相距為距為r， pq 與入射與入射x射線的方向成射線的方向成2角），其角），其p點的散射強點的散射強度度

6、 ie 為：為： 散射強度與距離的平方成反比。散射強度與距離的平方成反比。 各個方向上散射強度不同。各個方向上散射強度不同。pr入射入射x射線射線散射散射x射線射線電子電子2)22cos1(224240rcmeiie入射入射x射線射線量子散射量子散射電子電子2非相干散射突出地表現(xiàn)出非相干散射突出地表現(xiàn)出x-射線的射線的微粒特性微粒特性。非相干散射。非相干散射會增加連續(xù)背影，給衍射圖像帶來不利的影響。會增加連續(xù)背影，給衍射圖像帶來不利的影響。俄歇電子的能量與激發(fā)源（光子或電子）的能量無關，只取決于物質(zhì)原子的能級結(jié)構(gòu)，每種元素都有自己的特征俄歇電子能譜。故可利用俄歇電子能譜做元素的成分分析。 kl

7、iliiliiimklilii俄歇效應俄歇效應真空能級4.3 x射線的衰減射線的衰減 當一束x射線通過物質(zhì)時，由于散射和吸收的作用使其在透射方向上的強度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過物質(zhì)的距離成正比。dxidil比例常數(shù)l稱為線性衰減系數(shù)，它與物質(zhì)種類、物質(zhì)密度、及x射線的波長有關。xxleii0將上式積分，得到：其中，i0是入射x射線的強度，ix是穿透厚度為x的物質(zhì)后的x射線強度，l為線性衰減系數(shù)。上式表明，x射線通過物質(zhì)后，將按指數(shù)規(guī)律迅速衰減。x射線強度的衰減是通過散射和吸收兩種方式進行的。所以線性衰減系數(shù)l應該等于散射系數(shù)和吸收系數(shù)之和。在大多數(shù)情況下，散射系數(shù)要比吸收系數(shù)小得多，所以散射系

8、數(shù)可以不計。以后將l稱為線性吸收系數(shù)。/lm此時衰減規(guī)律則表示為：對于一種物質(zhì)，線性吸收系數(shù)l 正比于它的密度，因此引入質(zhì)量吸收系數(shù)m：如果吸收體物質(zhì)是含有多個元素的物質(zhì)，如化合物、合金、機械混合物等，則其質(zhì)量吸收系數(shù)為：iinilinimimwwmi為第i種元素的質(zhì)量吸收系數(shù)，wi為第i種元素質(zhì)量分數(shù)(%) xxmeii0質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)m m與波長及原子系數(shù)的關系與波長及原子系數(shù)的關系 實驗表明：質(zhì)量吸收系數(shù)隨波長的變化而變化，其變化曲線由兩個明顯不同的連續(xù)部分所組成。即質(zhì)量吸收系數(shù)隨著波長的變化會產(chǎn)生突變。在突變之間， m隨波長和原子系數(shù)z的變化關系可近似為： 其中k為常數(shù)m隨的

9、變化曲線被尖銳的突變分開。這個突變所對應的波長為k吸收限，常用k表示。33zkm吸收限主要是由光電效應引起的吸收限主要是由光電效應引起的：當x射線的波長等于或小于k時，光子的能量高于擊出物質(zhì)的一個內(nèi)層電子所需做的功w，x射線被吸收，激發(fā)光電效應，使m突變性增大。吸收限與吸收物質(zhì)的原子能級的精細結(jié)構(gòu)對應。如l系有三個副層，有三個吸收限。x射線衍射實驗需要近可能接近單色的x射線，可是從x射線管發(fā)射出來的射線不僅含有k線，還有較弱的k線和連續(xù)x射線。我們可以利用k吸收限的性質(zhì)，選擇一種材料，讓該材料的k吸收限k恰好位于陽極靶的特征x射線k 和k的波長之間，把該材料放在原x射線束和衍射線束之間。這種材料叫濾波器。濾波器能把絕大部分k 線吸收掉，而k 線的強度僅受到很小的損失。如ni的k = 1.488 。cu靶的k 線的波長為1.