第一章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)課件

第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容一X射線的本質(zhì)

1.X射線的發(fā)現(xiàn)

2.X射線的本質(zhì)二X射線譜

1.X射線的產(chǎn)生及X射線管

2.X射線譜——連續(xù)X射線和特征X射線三X射線與物質(zhì)的相互作用1第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1.X射線的發(fā)現(xiàn)

早期X射線重要的研究者有IvanPului教授、威廉·克魯克斯爵士、約翰·威廉·希托夫、EugeneGoldstein、海因里?！?shù)婪颉ず掌潯⒎评铡とR納德、亥姆霍茲、尼古拉·特斯拉、愛迪生、CharlesGloverBarkla、馬克思·馮·勞厄和威廉·康拉德·倫琴。物理學(xué)家希托夫觀察到真空管中的陰極發(fā)出的射線。當(dāng)這些射線遇到玻璃管壁會產(chǎn)生熒光。1876年這種射線被EugeneGoldstein命名為“陰極射線”。隨后，英國物理學(xué)家克魯克斯研究稀有氣體里的能量釋放，并且制造了克魯克斯管。這是一種玻璃真空管，內(nèi)有可以產(chǎn)生高電壓的電極。他還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將未曝光的相片底片靠近這種管時，一些部分被感光了，但是他沒有繼續(xù)研究這一現(xiàn)象。1887年4月，尼古拉·特斯拉開始使用自己設(shè)計的高電壓真空管與克魯克斯管研究X光。他發(fā)明了單電極X光管，在其中電子穿過物質(zhì)，發(fā)生了現(xiàn)在叫做韌致輻射的效應(yīng)，生成高能X光射線。1892年特斯拉完成了這些實驗，但是他并沒有使用X光這個名字，而只是籠統(tǒng)成為放射能。他繼續(xù)進(jìn)行實驗，并提醒科學(xué)界注意陰極射線對生物體的危害性，并他沒有公開自己的實驗成果。1892年赫茲進(jìn)行實驗，提出陰極射線可以穿透非常薄的金屬箔。赫茲的學(xué)生倫納德進(jìn)一步研究這一效應(yīng)，對很多金屬進(jìn)行了實驗。亥姆霍茲則對光的電磁本性進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)。1895年11月8日德國科學(xué)家倫琴開始進(jìn)行陰極射線的研究。1895年12月28日他完成了初步的實驗報告“一種新的射線”。他把這項成果發(fā)布在維爾茨堡'sPhysical-MedicalSociety雜志上。為了表明這是一種新的射線，倫琴采用表示未知數(shù)的X來命名。很多科學(xué)家主張命名為倫琴射線，倫琴自己堅決反對，但是這一名稱仍然有人使用。1901年倫琴獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

2第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的發(fā)現(xiàn)◆1895年，德國物理學(xué)家倫琴研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)，由于對其本質(zhì)不了解，稱為X射線，亦稱倫琴射線。Roentgen3第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的發(fā)現(xiàn)X射線的發(fā)現(xiàn)是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線1895年、放射線1896年、電子1897年）之一，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的產(chǎn)生。

19世紀(jì)末，陰極射線是物理學(xué)研究課題，許多物理實驗室都開展了這方面的研究。1894年11月8日，德國物理學(xué)家倫琴將陰極射線管放在一個黑紙袋中，關(guān)閉了實驗室燈源，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)開啟放電線圈電源時，一塊涂有氰亞鉑酸鋇的熒光屏發(fā)出熒光。用一本厚書，2－3厘米厚的木板或幾厘米厚的硬橡膠插在放電管和熒光屏之間，仍能看到熒光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液體進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果表明它們也是“透明的”，銅、銀、金、鉑、鋁等金屬也能讓這種射線透過，只要它們不太厚。倫琴意識到這可能是某種特殊的從來沒有觀察到的射線，它具有特別強(qiáng)的穿透力。他一連許多天將自己關(guān)在實驗室里，集中全部精力進(jìn)行徹底研究。6個星期后，倫琴確認(rèn)這的確是一種新的射線。

1895年12月22日，倫琴和他夫人拍下了第一張X射線照片。1895年12月28日，倫琴向德國維爾茲堡物理和醫(yī)學(xué)學(xué)會遞交了第一篇研究通訊《一種新射線———初步研究》。倫琴在他的通訊中把這一新射線稱為X射線，因為他當(dāng)時無法確定這一新射線的本質(zhì)。自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，許多物理學(xué)家都在積極地研究和探索，1905年和1909年，巴克拉曾先后發(fā)現(xiàn)X射線的偏振現(xiàn)象，但對X射線究竟是一種電磁波還是微粒輻射，仍不清楚。1912年德國物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線通過晶體時產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線的波動性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性，發(fā)表了《X射線的干涉現(xiàn)象》一文。4第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)5第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)6第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的發(fā)現(xiàn)勞厄(1879～1960)德國物理學(xué)家

1912年發(fā)現(xiàn)了X射線通過晶體時產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了X射線衍射技術(shù)的誕生，它成為研究晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)手段。他因此項成果于1914年獲獎。

7第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的發(fā)現(xiàn)L.布拉格(1890～1971)H.布拉格(1862～1942)

布拉格父子于1913年借助X射線成功地測出金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，并提出了“布拉格公式”，為最終建立現(xiàn)代晶體學(xué)打下了基礎(chǔ)，于1915年獲獎。當(dāng)時，小布拉格年僅25歲，是至今為止最年輕的諾貝爾獎獲得者。

8第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的發(fā)現(xiàn)勞厄的文章發(fā)表不久，就引起英國布拉格父子的關(guān)注，當(dāng)時老布拉格（WH．Bragg）已是利茲大學(xué)的物理學(xué)教授，而小布拉格（WL．Bragg）則剛從劍橋大學(xué)畢業(yè)，在卡文迪許實驗室。由于都是X射線微粒論者，兩人都試圖用X射線的微粒理論來解釋勞厄的照片，但他們的嘗試未能取得成功。年輕的小布拉格經(jīng)過反復(fù)研究，成功地解釋了勞厄的實驗事實。他以更簡潔的方式，清楚地解釋了X射線晶體衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：nλ＝2dsinθ這一結(jié)果不僅證明了小布拉格的解釋的正確性，更重要的是證明了能夠用X射線來獲取關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的信息。1912年11月，年僅22歲的小布位格以《晶體對短波長電磁波衍射》為題向劍橋哲學(xué)學(xué)會報告了上述研究結(jié)果。老布拉格則于1913年元月設(shè)計出第一臺X射線分光計，并利用這臺儀器，發(fā)現(xiàn)了特征X射線。小布拉格在用特征X射線分析了一些堿金屬鹵化物的晶體結(jié)構(gòu)之后，與其父親合作，成功地測定出了金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，并用勞厄法進(jìn)行了驗證。金剛石結(jié)構(gòu)的測定完美地說明了化學(xué)家長期以來認(rèn)為的碳原子的四個鍵按正四面體形狀排列的結(jié)論。這對尚處于新生階段的X射線晶體學(xué)來說是一個非常重要的事件，它充分顯示了X射線衍射用于分析晶體結(jié)構(gòu)的有效性，使其開始為物理學(xué)家和化學(xué)家普遍接受。隨著研究的深入，X射線被廣泛應(yīng)用于晶體結(jié)構(gòu)的分析以及醫(yī)學(xué)和工業(yè)等領(lǐng)域。對于促進(jìn)20世紀(jì)的物理學(xué)以至整個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大而深遠(yuǎn)的影響。9第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

布拉格公式：

nλ＝2dsinθ10第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)與X射線有關(guān)的部分諾貝爾獎獲得者名單11第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)◆X射線廣泛地應(yīng)用醫(yī)學(xué)、工程、材料、宇航事業(yè)上。例如：人體探傷晶體結(jié)構(gòu)分析與物相鑒定材料和構(gòu)件無損探傷12第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2.X射線的本質(zhì)◆

波粒二相性◆

X射線的特征◆

X射線的分類13第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的本質(zhì)◆波粒二相性X射線的本質(zhì)是電磁波，波長處于紫外線的上端，因此，不能用肉眼觀察到。14第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線本質(zhì)的揭示◆1912年，德國物理學(xué)勞厄等人利用晶體光柵觀察到X射線的衍射現(xiàn)象，證實X射線的本質(zhì)是電磁波◆英國物理學(xué)家布拉格父子利用X射線衍射方法測定了NaCl晶體結(jié)構(gòu)，開始了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史15第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的本質(zhì)◆X射線的本質(zhì)是電磁輻射，與可見光完全相同，僅是波長短而已◆X射線和可見光一樣屬于電磁輻射，但其波長比可見光短得多，介于紫外線與γ射線之間，約為0.01—10nm的范圍16第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的本質(zhì)◆波動性X射線的本質(zhì)為電磁波，它與可見光一樣，X射線以光速沿直線傳播，其電場強(qiáng)度矢量E和磁場強(qiáng)度矢量H相互垂直，并位于垂直于X射線傳播方向的平面上。17第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的本質(zhì)◆波動性其磁場分量在與物質(zhì)相互作用中效應(yīng)很弱，所以只考慮電場分量A。一束沿y方向傳播的波長為λ的X射線波方程表示為：18第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的本質(zhì)◆粒子性●X射線在空間傳播具有粒子性，或者說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。這些粒子叫光量子，每個光量子具有能量能量ε動量p式中ν——X射線的頻率，λ——X射線的波長，

h——普朗克常數(shù)，等于6.625×10-34J.sc——X射線的速度，等于2.998×1010cm/s.

所以，對不同頻率、波長的X射線，光量子的能量是不同的。19第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的本質(zhì)◆粒子性●每個光量子的能量是X射線的最小能量單位，當(dāng)它和其他元素的原子或電子交換能量時只能一份一份地以最小能量單位被原子或電子吸收。特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時具有的一定的質(zhì)量、能量和動量。表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時交換能量，如光電效應(yīng)；二次電子等。20第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的本質(zhì)◆

X射線的特征◆頻率大約是可見光的103倍，所以它的光子能量比可見光的光子能量大得多，表現(xiàn)明顯的粒子性?！粲捎赬射線波長短、光子能量大的兩個基本特性，所以，X射線光學(xué)（幾何光學(xué)和物理光學(xué)）雖然具有和普通光學(xué)一樣的理論基礎(chǔ)，但兩者的性質(zhì)卻有很大的區(qū)別，X射線與物質(zhì)相互作用時產(chǎn)生的效應(yīng)和可見光也迥然不同。21第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的本質(zhì)◆X射線和其它電磁波一樣，能產(chǎn)生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等現(xiàn)象?！粼谕ǔ嶒灄l件下，很難觀察到X射線的反射。◆對于所有的介質(zhì)，X射線的折射率n都很接近于1（但小于1），所以幾乎不能被偏折到任一有實際用途的程度，不可能像可見光那樣用透鏡成像。22第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的本質(zhì)◆因為n≈1，所以只有在極精密的工作中才需考慮折射對X射線作用介質(zhì)的影響?！鬤射線能產(chǎn)生全反射，但是其掠射角極小，一般不會超過20’～30’?！粼谖镔|(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)中，原子和分子的距離（1～10埃左右）正好落在X射線的波長范圍內(nèi)，所以物質(zhì)（特別是晶體）對X射線的散射和衍射能夠傳遞極為豐富的微觀結(jié)構(gòu)信息。23第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的本質(zhì)◆大多數(shù)關(guān)于X射線光學(xué)性質(zhì)的研究及其應(yīng)用都集中在散射和衍射現(xiàn)象上，尤其是衍射方面?！鬤射線衍射方法是當(dāng)今研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的主要方法。24第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的本質(zhì)◆X射線的分類通常X射線波長范圍為10-0.001nm。◆硬X射線：波長較短◆軟X射線：波長較長25第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的本質(zhì)◆硬X射線：波長較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無損探傷（0.1-0.005nm）及物相分析（0.25-0.05nm）。◆軟X射線：波長較長的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析，如醫(yī)療透視。

X射線波長的度量單位：常用埃（A）或晶體學(xué)單位（kX）表示；國際計量單位中用納米（nm）表示。換算關(guān)系為：1nm=10A=10E-9m；

1kX=1.0020772±0.000053A(1973年值）26第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二X射線譜◆1.X射線管及X射線的產(chǎn)生

◆

2.X射線譜X射線管結(jié)構(gòu)27第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1.X射線管及X射線的產(chǎn)生◆產(chǎn)生原理◆產(chǎn)生條件◆X光管結(jié)構(gòu)◆光管類型◆相關(guān)部件X射線管結(jié)構(gòu)28第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的產(chǎn)生及X射線管◆X射線的產(chǎn)生原理X射線管是X射線產(chǎn)生器。通過高速電子流轟擊金屬靶能產(chǎn)生X射線。原理：高速運動的電子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運動受阻失去動能，其中99%的能量轉(zhuǎn)換為熱量，而1%的能量轉(zhuǎn)換為X射線：29第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的產(chǎn)生及X射線管◆X射線產(chǎn)生的基本條件●產(chǎn)生自由電子的電子源●設(shè)置自由電子撞擊的靶子，即在自由電子運動的路徑上設(shè)置一個障礙物使電子突然減速或停止●施加在陰極和陽極之間的高壓，使電子作定向的高速運動●高真空（>10-3Pa），促使加速電子無阻地撞擊到陽極靶上。：30第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)◆X射線管的結(jié)構(gòu)封閉式X射線管實質(zhì)上是一個大的真空二極管。●陰極：陰極是發(fā)射電子的地方●陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方●窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方●焦點：焦點是指陽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：31第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X光管（1）陰極（燈絲）——發(fā)射電子。由鎢絲制成，加熱后熱輻射電子。（2）陽極（靶）——發(fā)射X射線。使電子突然減速并釋放X射線。（3）窗口——X射線出射通道。既能讓X射線出射，又能使管密封。窗口材料用金屬鈹或硼酸鈹鋰。窗口與靶面常成3-6°的斜角，以減少靶面對出射X射線的阻礙。（4）循環(huán)冷卻水高速電子轉(zhuǎn)換成X射線的效率只有1%，其余99%都作為熱而散發(fā)了。所以靶材料要導(dǎo)熱性能好，常用黃銅或紫銅制作，還需要循環(huán)水冷卻。（5）焦點——陽極靶表面被電子轟擊的一塊面積。焦點的尺寸和形狀是X射線管的重要特性之一。焦點的形狀取決于燈絲的形狀，螺形燈絲產(chǎn)生長方形焦點。靶的焦點形狀32第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線管的性能X射線衍射工作中希望細(xì)焦點和高強(qiáng)度：細(xì)焦點－提高分辨率高強(qiáng)度－縮短暴光時間、提高信號強(qiáng)度焦點出射角（度）射線源的有效寬度（mm）普通焦點

1mmx10mm60.1細(xì)焦點0.4mmx8mm100.07寬焦點2mmx12mm30.133第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)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射線X射線X光管剖面示意圖（回車鍵演示）X射線的產(chǎn)生過程演示40KV高壓220V400mA電流34第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的產(chǎn)生及X射線管◆當(dāng)給陰極和陽極之間加上極高的電壓（40KV/40mA）的高壓時，陰極產(chǎn)生高速電子打擊在陽極（Cu）上，產(chǎn)生熱量和X射線。◆整個陰極和陽極封裝在一個真實玻璃管中。在陽極的四邊，開設(shè)四個小窗口，兩個為長形，兩個為圓點。長形焦斑用于衍射儀，尺寸為1×10㎜2，而窗口與靶面成3~6°。：35第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的產(chǎn)生及X射線管：燈絲陽極X-RAY窗口兩種焦斑◆X射線束的形狀由長焦斑窗口（6°）得到1×10mm2的有效投射線焦點射線束，由短焦斑得到1×1mm2的有效投射點焦點射線束。36第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的產(chǎn)生及X射線管◆光管類型●密封光管：普通光管由于陽極發(fā)熱量大，需要用水來冷卻陽極，因此，功率不可能太大，目前一般為3KW。●旋轉(zhuǎn)陽極：陽極轉(zhuǎn)動（2000~10000轉(zhuǎn)/分），可以解決陽極熔化的問題，可以提高功率到90KW。此種產(chǎn)品目前以日本理學(xué)公司的D-max2500為代表。：37第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的產(chǎn)生及X射線管◆X光管相關(guān)部件●為X射線射線管提供40KV的高壓電場的高壓變壓器●為加熱陰極燈絲用的低壓穩(wěn)壓電源●水冷卻與自動控制系統(tǒng)：38第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2.X射線譜◆X射線譜：是指X射線的強(qiáng)度I隨著波長λ變化的關(guān)系曲線。X射線的強(qiáng)度由單位時間內(nèi)通過與X射線傳播方向垂直的單位面積上的光量子數(shù)決定。◆由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型：●連續(xù)X射線●特征X射線39第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1.連續(xù)X射線：◆產(chǎn)生機(jī)理◆演示過程◆短波限◆

X射線的強(qiáng)度◆連續(xù)X射線——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，亦稱多色X射線。40第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)連續(xù)X射線：◆連續(xù)X射線是高速運動的電子被陽極靶突然阻止而產(chǎn)生的。它由某一短波限λ0

開始直到波長等于無窮大λ∞的一系列波長組成?！羲哂腥缦聦嶒炓?guī)律：1）當(dāng)增加X射線管壓時，各種波長射線的相對強(qiáng)度一致增高，最大強(qiáng)度X射線的波長λm和短波限λ0變小。41第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2）當(dāng)管壓保持恒定、增加管流時，各種波長X射線的相對強(qiáng)度一致增高，但λm和短波限λ0數(shù)值大小不變。3）當(dāng)改變陽極靶元素時，各種波長的相對強(qiáng)度隨靶元素的原子序數(shù)增加。連續(xù)X射線42第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)連續(xù)X射線◆連續(xù)X射線●產(chǎn)生機(jī)理：能量為eV的電子與陽極靶的原子碰撞時，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)生一個能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時間內(nèi)到達(dá)陽極靶面的電子數(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。：43第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)連續(xù)X射線◆：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）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量連續(xù)X射線產(chǎn)生過程電子沖擊陽級靶44第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)連續(xù)X射線◆連續(xù)X射線的短波限計算●根據(jù)量子力學(xué)觀點，能量為eV的電子和陽極靶碰撞時產(chǎn)生光子，從數(shù)值上看能量應(yīng)該小于或最多等于電子的能量。因此光子能量有一頻率上限νm或短波限λm。：45第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)連續(xù)X射線◆連續(xù)X射線的短波限計算●連續(xù)X射線譜在短波方向上的波長極限，稱為短波限λm.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：

：46第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)◆連續(xù)X射線的短波限計算●式中e——電子電荷，等于4.803×10-10靜電單位

V——電子通過兩極時的電壓（靜電單位）

h——普朗克常數(shù)，等于普朗克常數(shù)，等于6.625×10-34J·sν——X射線的頻率

C——X射線的速度（2.998×1010cm/s）

λ——短波限（cm)：連續(xù)X射線47第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)：●將所有常數(shù)代入上式，可得：上式計算結(jié)果單位為?（1nm=10?)上式表明：短波限只與管電壓有關(guān)。連續(xù)X射線48第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)●被加速的電子中大多數(shù)高速電子與陽極靶撞擊時，其部分能量要消耗在電子對陽極靶的各種激發(fā)作用上，所以轉(zhuǎn)化為X射線光量子的能量要小于加速電子的全部能量。●此外，一個電子有時要經(jīng)過幾次碰撞才能轉(zhuǎn)換成光量子，或者一個電子轉(zhuǎn)換為幾個光量子，那么大多數(shù)輻射出的X射線能量小于加速電子的能量、輻射X射線波長相應(yīng)地短于短波限，波長因而組成了連續(xù)X射線譜。連續(xù)X射線49第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)連續(xù)X射線譜◆X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間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。常用的單位是J/cm2.s?！?/p>

X射線的強(qiáng)度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個因素決定的,即I=nhv.連續(xù)X射線強(qiáng)度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。50第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)連續(xù)X射線：X光管的效率◆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。也是陽極靶發(fā)射出的X射線的總能量?！魧嶒炞C明，I與管電流、管電壓、陽極靶的原子序數(shù)存在如下關(guān)系：

X射線管的效率為51第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X光管的效率K1是個很小的常數(shù)（1.1-1.4）×10-9V-1，當(dāng)用鎢陽極管Z=74、管電壓100kV時，X射線管的效率為1%或者更低。這是由于X射線管中電子的能量絕大部分在和陽極靶碰撞時產(chǎn)生熱能而損失，只有極少部分能量轉(zhuǎn)化為X射線能。所以X射線管工作時必須以冷水持續(xù)沖刷陽極，達(dá)到冷卻陽極的目的。連續(xù)X射線52第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2.特征X射線譜。

◆產(chǎn)生機(jī)理◆過程演示◆

K系激發(fā)機(jī)理◆莫塞萊定律◆特征X射線的強(qiáng)度特征特征X射線譜——是在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線。53第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)◆特征X射線●對一定元素的靶，當(dāng)管壓小于某一限度時，只激發(fā)連續(xù)譜，總強(qiáng)度增高，本質(zhì)無變化。當(dāng)管電壓超過某一臨界值時（如Cu靶超過20kV），強(qiáng)度分布曲線將產(chǎn)生顯著的變化，即在連續(xù)X射線譜某幾個特定波長的地方，強(qiáng)度突然顯著的增大。由于他們的波長反映了靶材料特征，因此稱之為特征X射線。●特征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的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線：54第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)●特征：圖中鉬靶K系特征X射線有兩個，Kα波長0.071nm和Kβ波長0.063nm。其中Kα又可細(xì)分為Kα1和Kα2兩條線，波長相差0.0004nm，強(qiáng)度比約為2：1。Kα和Kβ的強(qiáng)度比約為5：1.

當(dāng)用原子序數(shù)較高的金屬作陽極靶時，除了K系射線外，還可得到L，M等系的特征X射線。在X衍射工作中，一般采用強(qiáng)而窄的Kα線。如CuKα的譜線在標(biāo)準(zhǔn)工作電壓（40kV）時強(qiáng)度為連續(xù)譜的90倍，且半高寬<0.001nm。如繼續(xù)提高管電壓，特征X射線強(qiáng)度增加，波長不變。55第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)特征X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理◆特征X射線譜產(chǎn)生機(jī)理特征X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理與陽極物質(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能級。在電子轟擊陽極的過程中，當(dāng)某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時，于是在低能級上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出特征X射線譜。：56第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)特征X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理◆產(chǎn)生機(jī)理：57第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)特征X射線譜生產(chǎn)過程：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）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量特征X射線產(chǎn)生過程K激發(fā)L激發(fā)Ka輻射K?輻射L輻射58第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)K系輻射的產(chǎn)生◆K系激發(fā)機(jī)理K層電子被擊出時，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K層空位填充時產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時，產(chǎn)生Kα輻射；M層電子填充空位時產(chǎn)生Kβ輻射：59第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)K系X射線的產(chǎn)生機(jī)理◆K系激發(fā)機(jī)理●由能級可知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，故L層電子填充幾率大，所以Kα的強(qiáng)度約為Kβ的5倍?！癞a(chǎn)生K系激發(fā)必須陰極電子的能量eVk至少等于擊出一個K層電子所作的功Wk。Vk就是激發(fā)電壓。：60第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)根據(jù)特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理，可以得出結(jié)論：特征X射線的波長和頻率只取決于陽極靶物質(zhì)的的原子能級，是物質(zhì)的固有特性。61第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)實驗證明1）陽極靶元素的特征譜線按照波長增加的次序分為K、L、M…等若干譜系，每個譜線系又分若干亞系。例如，K系內(nèi)每一條譜線按照波長減小的次序分別稱之為Kα，Kβ，Kr…等譜線。每一譜線對應(yīng)一定的激發(fā)電壓，只有管電壓超過激發(fā)電壓時才能產(chǎn)生該靶元素的特征譜線，且靶元素的原子序數(shù)越大其激發(fā)電壓越高。62第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)63第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

2）每個特征X射線都對應(yīng)一個特定的波長，不同陽極靶元素的特征X射線波長不同。管電流I與管電壓U的增加只能增強(qiáng)特征X射線的強(qiáng)度，而不能改變波長。它的規(guī)律為

式中，c為比例常數(shù)；V激為陽極靶元素特征X射線激發(fā)電壓；n值對K系譜線取1.5，對L系取2。64第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)：◆X射線譜與管電流、管電壓的關(guān)系：K系特征X射線的強(qiáng)度與管電壓、管電流的關(guān)系為◆當(dāng)I特/I激最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的3-5倍時，連續(xù)譜造成的衍射背影最小不同的陽極材料使用的適宜工作電壓不同65第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線譜：

X射線管發(fā)射強(qiáng)度與管工作電壓的關(guān)系

a:某一特征Kα線的最大發(fā)射強(qiáng)度b:Kα線與連續(xù)譜線強(qiáng)度比

為提高峰背比，通常X射線的工作電壓應(yīng)為激發(fā)電壓的3-5倍。當(dāng)使用單色器時則可不遵守此原則。66第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)：3）不同陽極靶元素的原子序數(shù)與特征X波長之間的關(guān)系由莫塞萊定律確定。也就是說，特征X射線譜的波長/頻率只取決于陽極靶的元素的原子序數(shù)。●莫塞萊定律：特征X射線譜的波長λ與原子序數(shù)Z關(guān)系為C，σ為常數(shù)67第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1914年，英國物理學(xué)家莫塞萊（HenryMoseley,1887-1915）莫塞萊定律68第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)三X射線與物質(zhì)的相互作用

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

X射線的散射

◆

X射線的吸收

◆

X射線的折射69第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1.散射——方向偏離●X射線被物質(zhì)散射時，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象▲相干散射——與原波長相同▲非相干散射——改變波長：70第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線是一種電磁波，當(dāng)它通過物質(zhì)時，在入射電場的作用下，物質(zhì)中原子中的電子將被迫繞其平衡位置振動，同時向四周輻射出與入射X射線波長相同的散射X射線，稱之為經(jīng)典散射。由于新的散射波與入射波的頻率或波長相同，位相差恒定，在同一方向上符合相干條件、發(fā)生的干涉現(xiàn)象，稱為相干散射。

相干散射71第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)非相干散射◆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電子獲得一部分動能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加?！穹窍喔缮⑸涫强灯疹D（pton）和我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應(yīng)。非相干散射突出地表現(xiàn)出X射線的微粒特性，只能用量子理論來描述，亦稱量子散射。它會增加連續(xù)背底，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素更是如此。：72第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2.X射線的吸收●X射線的吸收與二次特征輻射光電效應(yīng)俄歇效應(yīng)●X射線的衰減規(guī)律衰減規(guī)律吸收限的應(yīng)用73第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的吸收與二次特征輻射●物質(zhì)對X射線的吸收：指的是X射線能量在通過物質(zhì)時轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚琗射線發(fā)生了能量損耗。●二次特征輻射：當(dāng)X射線光子具有足夠高的能量時，可以將被照射物質(zhì)原子中內(nèi)層電子激發(fā)出來，使原子處于激發(fā)狀態(tài)，通過原子中殼層上的電子躍遷，輻射出X射線特征譜線。這種利用X射線激發(fā)作用而產(chǎn)生的新的特征譜線叫做二次特征輻射，也稱熒光輻射。74第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

顯然，入射X射線光子的能量E必須大于或等于將此原子某一殼層的電子激發(fā)出所需要的脫出功。例如，激發(fā)K系熒光輻射的入射X射線光子的能量E最小值為

或波長必須滿足其中，為K系輻射的激發(fā)電壓；為產(chǎn)生K系激發(fā)的最長波長，成為K系輻射的激發(fā)限。75第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線在通過物質(zhì)時部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问?，?dǎo)致能量損耗。物質(zhì)對X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。原子內(nèi)部的電子躍遷引起了二次特征輻射。二次特征輻射類型：光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。二次特征輻射的類型◆光電效應(yīng)◆俄歇效應(yīng)76第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的吸收◆光電效應(yīng)●以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程。被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級特征X射線稱為熒光X射線●產(chǎn)生光電效應(yīng)，X射線光子波長必須小于吸收限λk注意：發(fā)生光電效應(yīng)時，樣品大量吸收入射的X射線，使原X射線強(qiáng)度明顯減弱，相應(yīng)地衍射X射線強(qiáng)度減弱，造成衍射圖像漫散背底增強(qiáng)，這是在選靶時要注意避免的。：77第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的吸收◆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，放出E-E能量，產(chǎn)生兩種效應(yīng)：

●熒光X射線

●產(chǎn)生二次電離，使另一個核外電子成為二次電子——俄歇電子注意：俄歇電子的產(chǎn)生也會造成入射X射線的減弱，但有利于材料表面物理的研究。78第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的衰減規(guī)律：X射線的衰減

◆X射線的衰減規(guī)律

●當(dāng)一束X射線通過物質(zhì)時，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)過物質(zhì)中的距離成正比。79第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的衰減規(guī)律：X射線通過厚度為dx的無窮小薄層物質(zhì)時，X射線強(qiáng)度衰減量dI正比于入射X射線強(qiáng)度和厚層dx，即式中，為比例常數(shù)，與入射線的波長及物質(zhì)有關(guān)，負(fù)號表示強(qiáng)度的變化由強(qiáng)變?nèi)酢⑸鲜椒e分當(dāng)x=0時，I=I0，得到

I0為入射X射線強(qiáng)度，I為穿透厚度為x的物質(zhì)的X射線的強(qiáng)度，μ1為線衰減系數(shù)。80第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)線衰減系數(shù)μl

對X射線衰減的研究表明，由于散射引起的衰減和由于激發(fā)電子及熱振動等引起的真吸收遵循著不同的規(guī)律，及真吸收部分隨X射線波長和物質(zhì)元素的原子序數(shù)而顯著地變化，散射部分則幾乎和波長及元素的原子序數(shù)無關(guān)。因此，可以將線衰減系數(shù)分解為兩部分前者稱為吸收系數(shù)，后者稱為散射系數(shù)。一半情況下吸收系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過散射系數(shù)，所以散射項往往可以忽略不計。于是μ的物理意義為：X射線通過1立方厘米物質(zhì)時強(qiáng)度的相對衰減量。對同一物質(zhì)而言，μ與物質(zhì)的密度成正比。物質(zhì)的密度越大，X射線遇到的原子越多，散射和吸收也就越厲害，相應(yīng)的X射線衰減越多。81第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)：質(zhì)量衰減系數(shù)μm表示單位重量物質(zhì)對X射線強(qiáng)度的衰減程度。即每克物質(zhì)所引起的X射線強(qiáng)度相對衰減量。它與物質(zhì)的密度無關(guān)，主要取決于物質(zhì)的化學(xué)成分和被吸收的入射波長。假設(shè)物質(zhì)是由單一元素組成的，μm與其原子序數(shù)、入射X射線波長有密切關(guān)系。實驗表明，μm值大致與波長的三次方及原子序數(shù)Z的三次方成正比。82第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)：質(zhì)量吸收系數(shù)μm波長和原子序數(shù)Z存在如下近似關(guān)系：

K為常數(shù)對于一定的物質(zhì)，μm隨λ的變化是不連續(xù)的其間被尖銳的突變分開。對于給定的波長λ，μm隨Z的增大也有類似的規(guī)律突變對應(yīng)的波長為K吸收限。83第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)：物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)

當(dāng)波長減小、能量增大到一定程度時，μm產(chǎn)生一個突變，這是由于入射X光子的能量剛好達(dá)到了激發(fā)元素K層電子的數(shù)值，從而大量地被吸收或消耗在這種激發(fā)上。也就是說，當(dāng)入射X射線的能量足夠把內(nèi)層電子轟出時（即光電效應(yīng)），能量便被吸收，并會部分轉(zhuǎn)化為元素二次輻射的能量，導(dǎo)致了μm

的突變。84第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)X射線通過多種元素組成的物質(zhì)時，X射線的衰減是受到了組成該物質(zhì)的各種元素的影響，由被照射物質(zhì)原子本身的性質(zhì)決定，而與這些原子間的結(jié)合方式無關(guān)。多種元素組成物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)由下式?jīng)Q定：為第i種元素的質(zhì)量吸收系數(shù)；為各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；N表示該物質(zhì)是由N種元素組成的。85第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)◆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射線的波長等于或小于λ時光子的能量E到擊出一個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◆吸收限與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)對應(yīng)。如L系有三個副層，有三個吸收限。86第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)◆吸收限的應(yīng)用濾波片的選擇:(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，Kα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Z濾片=Z靶-1；Z靶>40時Z濾片=Z靶-2；陽極靶的選擇:

（1）陽極靶K波長稍大于試樣的K吸收限；（2）試樣對X射線的吸收最小。Z靶≤Z試樣+1。87第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)濾波片的選擇使X射線管產(chǎn)生的X射線單色化，常采用濾波片法。利用濾波片的吸收限進(jìn)行濾波，除去不需要的Kβ線，使用濾波片是最簡單的單色化方法，但只能獲得近似單色的X射線。原子序數(shù)低于靶元素原子序數(shù)1或2的元素，其K吸收限波長正好在靶元素的Kα和Kβ波長之間，因此對于每種元素作為靶的X射線管，理論上都能找到一種物質(zhì)制成它的Kβ濾波片。使用Kβ濾波片還可以吸收掉大部分的“白色”射線濾波片的厚度通常按Kβ的剩余強(qiáng)度為透過濾波片前的0.01計算，此時Kα通常被衰減掉一半。88第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)89第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)濾波片例如:Ni的K吸收限（0.1488nm），正好在Cu陽極的K

（0.1543nm）與K

（0.1392nm）之間90第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)91第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)陽極靶/實驗波長的選擇

在X射線衍射實驗中，如果所用X射線波長較短，正好小于樣品組成元素的吸收限，則X射線將大量地被吸收，產(chǎn)生熒光現(xiàn)象，造成衍射圖上不希望有的深背景。如果所用X射線波長正好等于或稍大于吸收限，則吸收最小。

因此進(jìn)行衍射實驗時應(yīng)該依據(jù)樣品的組成來合理地選擇工作靶的種類：應(yīng)保證樣品中最輕元素（鈣和原子序數(shù)比鈣小的元素除外）的原子序數(shù)比靶材元素的原子序數(shù)稍大或相等。如果靶材元素的原子序數(shù)比樣品中的元素原子序數(shù)大2～4，則X射線將被大量吸收因而產(chǎn)生嚴(yán)重的熒光現(xiàn)象，不利于衍射分析。92第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)折射的定義：當(dāng)光波從一種介質(zhì)傳到另一種介質(zhì)時，其傳播速度和方向會發(fā)生改變,這種現(xiàn)象叫折射。光在入射介質(zhì)中的傳播速度與折射介質(zhì)中的傳播速度之比，等于入射角正弦與折射角正弦之比。即

υ1/υ2=sini/sinr=n=n2/n1當(dāng)兩種介質(zhì)一定時，n為一常數(shù)，稱為折射介質(zhì)相對入射介質(zhì)的相對折射率。3.X射線的折射n1(光疏質(zhì)