理學(xué)類(lèi)X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)

關(guān)于理學(xué)類(lèi)X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)第1頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五

2-1X射線的本質(zhì)；

2-2X射線的產(chǎn)生；

2-3X射線譜；

2-4X射線與物質(zhì)相互作用；

2-5X射線的探測(cè)與防護(hù)；

返回第2頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五2-1X射線的本質(zhì)X射線的本質(zhì)是電磁輻射，與可見(jiàn)光完全相同，僅是波長(zhǎng)短而已，因此具有波粒二像性。(1)波動(dòng)性;(2)粒子性。相關(guān)習(xí)題：第3頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五波動(dòng)性X射線的波長(zhǎng)范圍：

0.01~100?表現(xiàn)形式：在晶體作衍射光柵觀察到的X射線的衍射現(xiàn)象，即證明了X射線的波動(dòng)性。第4頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五硬X射線：波長(zhǎng)較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無(wú)損探傷及金屬物相分析。軟X射線：波長(zhǎng)較長(zhǎng)的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。X射線波長(zhǎng)的度量單位常用埃（?）或晶體學(xué)單位（kX）表示；通用的國(guó)際計(jì)量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換算關(guān)系為：1nm=10?=m1kX=1.0020772±0.000053A(1973年值)。第5頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五粒子性特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時(shí)具有的一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量。表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時(shí)交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。X射線的頻率ν、波長(zhǎng)λ以及其光子的能量ε、動(dòng)量p之間存在如下關(guān)系：

式中h——普朗克常數(shù)，等于6.625×J.s;c——X射線的速度，等于2.998×cm/s.

第6頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五相關(guān)習(xí)題：

1.試計(jì)算波長(zhǎng)0.71A（Mo-Kα）和1.54A（Cu-Kα）的X射線束，其頻率和每個(gè)量子的能量？

解答第7頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五2-2X射線的產(chǎn)生(1)產(chǎn)生原理；(2)產(chǎn)生條件；

(3)過(guò)程演示；

(4)X射線管；

(5)其它X射線裝置。

第8頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五產(chǎn)生原理高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。第9頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子；2.使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng);3.在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物使電子突然減速或停止。第10頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X(jué)射線X射線X射線管剖面示意圖（回車(chē)鍵演示）過(guò)程演示第11頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五

X射線管

1.X射線管的結(jié)構(gòu)；圖1-2；

2.特殊構(gòu)造的X射線管；

3.市場(chǎng)上供應(yīng)的種類(lèi)。

第12頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五

X射線管的結(jié)構(gòu)封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空（）二極管。基本組成包括：

(1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。

(2)陽(yáng)極：亦稱(chēng)靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。第13頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五(3)窗口：窗口是X射線從陽(yáng)極靶向外射出的地方。(4)焦點(diǎn)：焦點(diǎn)是指陽(yáng)極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射線。

第14頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五特殊構(gòu)造的X射線管；

(1)細(xì)聚焦X射線管；

(2)旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管。

第15頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五市場(chǎng)上供應(yīng)的種類(lèi)

(1)密封式燈絲X射線管；

(2)可拆式燈絲X射線管.第16頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五2-3X射線譜

由X射線管發(fā)射出來(lái)的X射線可以分為兩種類(lèi)型：(1)連續(xù)X射線；

(2)標(biāo)識(shí)X射線。

第17頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五連續(xù)X射線具有連續(xù)波長(zhǎng)的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜，它和可見(jiàn)光相似，亦稱(chēng)多色X射線。產(chǎn)生機(jī)理；

演示過(guò)程；

短波限；

X射線的強(qiáng)度。

第18頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五產(chǎn)生機(jī)理

能量為eV的電子與陽(yáng)極靶的原子碰撞時(shí)，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個(gè)能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。第19頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M(jìn)電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價(jià)電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量連續(xù)X射線產(chǎn)生過(guò)程電子沖擊陽(yáng)級(jí)靶X射線射出演示過(guò)程（回車(chē)鍵演示）第20頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)波長(zhǎng)極限，稱(chēng)為短波限λ0.它是由光子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。相互關(guān)系為：式中e——電子電荷，等于靜電單位；V——電子通過(guò)兩極時(shí)的電壓降（靜電單位）；h——普朗克常數(shù)，等于相關(guān)習(xí)題：第21頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五相關(guān)習(xí)題試計(jì)算用50千伏操作時(shí)，X射線管中的電子在撞擊靶時(shí)的速度和動(dòng)能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？第22頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五X(qián)射線的強(qiáng)度

X射線的強(qiáng)度是指行垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的光子數(shù)目的能量總和。常用的單位是J/cm2.s.X射線的強(qiáng)度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個(gè)因素決定的,即I=nhv.連續(xù)X射線強(qiáng)度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。第23頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強(qiáng)度。也是陽(yáng)極靶發(fā)射出的X射線的總能量。圖1-7實(shí)驗(yàn)證明，I與管電流、管電壓、陽(yáng)極靶的原子序數(shù)存在如下關(guān)系：且X射線管的效率為:第24頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五標(biāo)識(shí)X射線

是在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長(zhǎng)的譜線，它和可見(jiàn)光中的單色相似，亦稱(chēng)單色X射線。

1.標(biāo)識(shí)X射線的特征

;2.產(chǎn)生機(jī)理

;3.過(guò)程演示

;4.K系激發(fā)機(jī)理

;5.莫塞萊定律；

6.標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度特征。

第25頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五標(biāo)識(shí)X射線的特征

當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，標(biāo)識(shí)譜線的波長(zhǎng)不再變，強(qiáng)度隨電壓增加。如鉬靶K系標(biāo)識(shí)X射線有兩個(gè)強(qiáng)度高峰為Kα和Kβ，波長(zhǎng)分別為0.71A和0.63A.第26頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五產(chǎn)生機(jī)理

標(biāo)識(shí)X射線譜的產(chǎn)生相理與陽(yáng)極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個(gè)能級(jí)。在電子轟擊陽(yáng)極的過(guò)程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽(yáng)極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于是在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)X射線譜。第27頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M(jìn)電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價(jià)電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量標(biāo)識(shí)X射線產(chǎn)生過(guò)程K激發(fā)L激發(fā)Ka輻射K輻射L輻射過(guò)程演示（任意鍵演示）第28頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五K系激發(fā)機(jī)理

K層電子被擊出時(shí)，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級(jí)電子向K層空位填充時(shí)產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時(shí)，產(chǎn)生Kα輻射；M層電子填充空位時(shí)產(chǎn)生Kβ輻射。第29頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五由能級(jí)可知Kβ輻射的光子能量大于Kα的能量，但K層與L層為相鄰能級(jí)，故L層電子填充幾率大，所以Kα的強(qiáng)度約為Kβ的5倍。產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量eVk至少等于擊出一個(gè)K層電子所作的功Wk。Vk就是激發(fā)電壓。第30頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五莫塞萊定律

標(biāo)識(shí)X射線譜的頻率和波長(zhǎng)只取決于陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。且存在如下關(guān)系：莫塞萊定律：標(biāo)識(shí)X射線譜的波長(zhǎng)λ與原子序數(shù)Z關(guān)系為：第31頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度特征

K系標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度與管電壓、管電流的關(guān)系為：當(dāng)I標(biāo)/I連最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的3~5倍時(shí)，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。第32頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五2-4X射線與物質(zhì)相互作用

X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，產(chǎn)生各種不同的和復(fù)雜的過(guò)程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，可分為三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透過(guò)物質(zhì)繼續(xù)沿原來(lái)的方向傳播。X射線的散射

；X射線的吸收；X射線的衰減規(guī)律；

吸收限的應(yīng)用；

X射線的折射；總結(jié)。第33頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五X(qián)射線的散射

X射線被物質(zhì)散射時(shí)，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：相干散射；非相干散射。第34頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五相干散射物質(zhì)中的電子在X射線電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。這樣每個(gè)電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干涉現(xiàn)象稱(chēng)為相干散射。第35頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五非相干散射

X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時(shí)電子獲得一部分動(dòng)能成為反沖電子，X射線光子離開(kāi)原來(lái)方向，能量減小，波長(zhǎng)增加。非相干散射是康普頓（A.H.Compton）和我國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱(chēng)康普頓效應(yīng)。非相干散射突出地表現(xiàn)出X射線的微粒特性，只能用量子理論來(lái)描述，亦稱(chēng)量子散射。它會(huì)增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來(lái)不利的影響，特別對(duì)輕元素。第36頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五X(qián)射線的吸收

物質(zhì)對(duì)X射線的吸收指的是X射線能量在通過(guò)物質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗。物質(zhì)對(duì)X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個(gè)過(guò)程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。光電效應(yīng)；

俄歇效應(yīng)。

第37頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五光電效應(yīng)以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過(guò)程。被擊出的電子稱(chēng)為光電子，輻射出的次級(jí)標(biāo)識(shí)X射線稱(chēng)為熒光X射線。產(chǎn)生光電效應(yīng)，X射線光子波長(zhǎng)必須小于吸收限λk。第38頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五俄歇效應(yīng)原子在入射X射線光子或電子的作用下失掉K層電子，處于K激發(fā)態(tài)；當(dāng)L層電子填充空位時(shí)，放出E-E能量，產(chǎn)生兩種效應(yīng)：(1)熒光X射線；(2)產(chǎn)生二次電離，使另一個(gè)核外電子成為二次電子——俄歇電子。第39頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五X(qián)射線的衰減規(guī)律

當(dāng)一束X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強(qiáng)度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過(guò)物質(zhì)中的距離成正比。式第40頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五質(zhì)量衰減系數(shù)μm

表示單位重量物質(zhì)對(duì)X射線強(qiáng)度的衰減程度。質(zhì)量衰減系數(shù)與波長(zhǎng)和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系：K為常數(shù)μm隨λ的變化是不連續(xù)的其間被尖銳的突變分開(kāi)。突變對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為K吸收限。第41頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五吸收限的應(yīng)用

吸收限主要是由光電效應(yīng)引起的：當(dāng)X射線的波長(zhǎng)等于或小于λ時(shí)光子的能量E到擊出一個(gè)K層電子的功W，X射線被吸收，激發(fā)光電效應(yīng)。使μm突變性增大。吸收限與原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。如L系有三個(gè)副層，有三個(gè)吸收限。第42頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五濾波片的選擇:(1)它的吸收限位于輻射源的Kα和Kβ之間，且盡量靠近Kα。強(qiáng)烈吸收Kβ，K吸收很小；(2)濾波片的以將Kα強(qiáng)度降低一半最佳。

Z靶<40時(shí)Z濾片=Z靶-1；Z靶>40時(shí)Z濾片=Z靶-2；陽(yáng)極靶的選擇:（1）陽(yáng)極靶K波長(zhǎng)稍大于試樣的K吸收限；（2）試樣對(duì)X射線的吸收最小。Z靶≤Z試樣+1。第43頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五

X射線的折射

X射線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)產(chǎn)生折射，折射率M非常接近1,M約為0.99999~0.999999

。

第44頁(yè)，共50頁(yè)，2022年，5月20日，8點(diǎn)34分，星期五X(qián)射線與物質(zhì)相互作用的總結(jié)熱能透射X射線衰減后的強(qiáng)度