X射线物理学
X射线物理学基础
6) 假定空气由20% O2 和 80% N2 组成, 其密
度为1.29×10-3 g/cm3, 试求其对于Cr Kα的质
量吸收系数um 和线吸收系数u。
7) 作出Cu靶在1, 5, 20 and 40 kV 电压下的强
度-波长关系图。
8) 对于铁靶，应用什么做滤波片，解释你的选
择理由。
一、原子能态及其表征
可以象粒子一样和微观粒子发生相互作用
同样微观粒子既有粒子性，又可以作为一
种波（德布罗意波）有干涉和衍射现象
X射线的特点： 1）不可见 2）折射率接近1 3）穿透性强 5）杀伤作用
(三) X产生与X射线管
1. 产生方式： 1.高速电子流撞击金属靶
2.同步幅射X射线 X射线管的结构 ：
X射线管
阴极产生电子
X射线物理学基础作业 1．在原子序24（Cr）到74（W）之间选择7种元素，根据它们的特征谱波 长（Kα1），用图解法验证莫塞莱定律。 2．若X射线管的额定功率为1.5kW，在管电压为35kV时，容许的最大电流 是多少？ 3．讨论下列各组概念中二者之间的关系： 1）同一物质的吸收谱和发射谱； 2）X射线管靶材的发射谱与其配用的滤波片的吸收谱。 3）X射线管靶材的发射谱与被照射试样的吸收谱。 4．为使Cu靶的Kβ线透射系数是Kα线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。 5．画出MoKα辐射的透射系数（I/I0）-铅板厚度（t）的关系曲线（t取 0~1mm）。 6．欲用Mo靶X射线管激发Cu的荧光X射线辐射，所需施加的最低管电压是 多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？
1
式中K2为与靶中主量子数有关的常数，
K2 (Z )
K2 (Z )
σ为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。 特征X射线谱及管电压对特征谱的影响 （钼钯K系）
chap1_X射线物理学基础
第一篇X射线衍射分析n1910年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。
1895年伦琴初次发现X射线，拍摄的他夫人手指的X射线照在伦琴的两名研究生弗里德里希（W. Friedrich）和克尼(Knipping)的帮助下，劳厄进行了第一次X射线衍射实验，并取得了成功。
第一次X射线衍射实验所用的仪器。
所用的晶体是硫酸铜。
劳厄法X射线衍射实验的基本装置与所拍的照片爱因期坦称，劳厄的实验“物理学最美的实验”。
它一箭双雕地解决了X射线的波动性和晶体的结构的周期性。
第一章X射线的物理特性n1.1 X射线的产生极其性质n1.2 X射线谱n1.3 X射线与物质的相互作用n1.4 X射线的衰减规律第一节Ｘ射线的产生极其性质一、X射线的产生X射线管包括阴极、高压、靶材图1-1 X射线管的结构示意图二、X射线的本质X射线是一种电子波，横波，波长短（0.01-10nm）“硬”X射线，“软”X射线三、X射线的本质Ø不能用一般方法使X射线会聚发散Ø通常靠使荧光物质发光、使照相底片感光、使气体产生电离现象观察检测Ø软X射线的波长与晶体中原子间距比较接近，常被用来进行X射线衍射分析（0.25-0.05nm）Ø对有机质是有害的，需要加上铅制品保护。
第二节X 射线谱图1-2 两种X 射线谱示意图一、连续谱X 射线强度随波长λ而变化的关系曲线，即X 射线谱。
丘包状曲线为连续谱竖直尖峰为特征谱对应两种X 射线辐射的物理过程。
连续谱：大量高速运动的电子与靶材碰撞时而减速，不同能量损失转化成不同波长的X 射线，并按统计规律分布。
2I iZUα连=图1-2 两种X 射线谱示意图2max12o hc eU h m ευνλ====动短波限λo ：hc K e U Uλ==o K=1.24nm ·kV ，短波限只与管电压有关。
连续X 射线总强度：α值约为（1.1-1.4）×10-9X 射线管发射连续X 射线的效率η为：2X X iZU ZUiUαηα===连续射线总强度射线管功率当用钨阳极（Z=74），管电压为100kV 时，η≈1%，可见效率是很低的。
第一章 X射线的性质
透射x射线
热能 图1-9. X射线与物质的相互作用
穿透
入射 X射线透过物质沿原方向的传播
相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子相互作用，散射波 之间发生相互干涉的散射现象称为相干散射。
散射 非相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子产生弹性碰撞， 产生新的光子和反冲电子的过程．（康－吴效应） 吸收 入射 X射线的能量在通过物质时，转变为其它形式的能量，其 本身能量被消耗的现象．
(2) 俄歇效应 处于K激发态的原子能量(EK—EL)如还能继续 产生二次电离使另一个核外电子脱离原子变为二 次电子，如EK—EL＞EL，它就可能使L、M、N等层 的电子逸出，这种二次电子称为KL电子，它的能 量有固定值，近似地等于“EK-EL”这种具有特征能 量的电子就是俄歇电子。
三：X射线的衰减规律 （1）质量吸收系数 实验证明：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 度与所经过物质小的距离成正比，如图1－7所示。 强度的相对变化为： Ix Ix dx dIx
1
二.
重要的概念和公式：
1.高能粒子与物质相互作用 特征辐射（特征X射线）：入射电子，击出k层 电子，发出具有特定波长的x光子。 光电效应（荧光辐射）：入射x光子，击出内层 电子—光电子，发出x光子(荧光X射线)。 俄歇效应：入射x光子，击出一个k层电子，L层 一电子跃入 填充，再使L层上一电子成自由电子 (KL2L2 Auger电子)。
1.1.3 X射线谱 由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型。 (1) 连续X射线谱 ： 定义：高速运动的带电粒子受阻而减速时，都会产 生电磁辐射，这种辐射称之为韧致辐射。由于电子 与阳极碰撞的无规律性，因而其X射线的波长是连续 分布的 ，故叫做连续X射线谱。其谱形如图1-5 (2) 特征X射线 ： 定义：原子外层电子向内层跃迁所产生的X射线叫做 特征X射线，又叫标识X射线。由特征X射线构成的X 射线谱叫特征x射线谱，产生的原理见图1－6。 特征X射线产生的根本原因 1 是原子内层电子的跃迁，它的波 K (Z ) 长与原子序数服从莫塞莱定律。
§ X射线的物理学
x1
ln 2
0.693
对低能射线
m Z
a 3
⑴ Z↑——吸收本领↑ 是X射线医学诊断的物理基础.人体肌肉组织的 主要成分H、C、O,骨骼的主要成分Ca3(PO4)2, 因此骨骼的m大.
铅(82)——很好的防护材料 人工造影——消化道,硫酸钡(钡56)
⑵↑——容易被衰减 放射治疗——高能X射线
物理意义：物质对X射线衰减的强弱程度. 质量衰减系数
m
引入的意义：
同种物质,↑→ ↑但m不变——更便于比较不 同物质(分子构成)对X射线的衰减.
半价层
半价层就是使X 射线强度减弱一半的吸收体厚度 (或质量厚度). 半价层与吸收系数之间的关系式
半价层和吸收系数成反比，它标志着该射线对物 质的贯穿本领。铅对X射线的半价层约为0.1mm。 1.5mm厚的铅板将把射线强度减少215分之一或 30,000分之一。
轫致辐射 h
E-h
hmax=E
E
+
E
+
连续谱特性 ⑴ 不同管电压作用下的连续谱不同； ⑵ 存在短波极限min； ⑶ U↑→ 峰值和min向短波方向移动.
钨靶在较低 管电压下产生 的连续X射线谱
短波极限
hc min
eU E h max
min
hc 1 1.242 nm e U U kV
2. 特征X射线谱 对于钨靶,管电压在70kV以上产生的X射线谱
产生机制 高速运动的电子与阳极靶内某个原子的内层电 子作用,靶原子的内层轨道电子吸收能量从靶原 子中逸出,在原子的内层电子中出现空位；外层 电子向空位跃迁,并在跃迁过程中放出一个光子, 光子能量为电子跃迁前后的能级差.
第1章 X射线的性质
17
1.3 X射线谱--- 连续X射线谱
X射线强度与波长的 关系曲线，称之X射 线谱。 一、连续X射线谱
在管压很低时， 小 于 20kv 的 曲 线 是 连续变化的，故称 之连续X射线谱，即 连续谱。
18
1、连续X射线谱的产生机理
极大数量的电子与靶材随机碰撞 不同且连续的X射线
2、短波限λ0
15
根据量子力学理论，原子系统中的电子按泡利不相容原理不
连续地分布在K、L、M、N……等不同能级的轨道（壳层）上，
而且按能量最低原理首先填充最靠近原子核的第K层，再依次 填L、M、N等。能量大小：K<L<M<N… eg：当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产 生Kα辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，
这么大数目的电子到达靶上的时间和条件不 会相同，并且大多数电子要经过多次碰撞，能量 逐步损失掉，因此其波长必然覆盖一个很大的范 14 围，这种辐射称为连续辐射。
4.X射线产生的机理
特征辐射 当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电 子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量 较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的 能量增高，原子处于激发状态。 处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此 时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。 原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐 射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能 量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。
X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。
从能量的转换角度来看：
一束X射线通过物质时，其能量分为三个部分： 被散射，改变前进方向 被吸收，产生光电效应 热效应 透过物质，强度发生衰减。
第一章-X射线物理学基础
第一章 X 射线的物理学基础1、X 射线有什么性质，本质是什么？波长为多少？与可见光的区别？X 射线性质：(1)X 射线穿透物质时可被吸收；(2)原子量及密度不同的物质，对X 射线的吸收不同；(3)轻原子物质对X 射线来说几乎是透明的，而重元素物质对X 射线的吸收非常显著；(4)可穿透不透明的物质。
本质：属于电磁波。
X 射线的波长：大约在0.01~100 Å之间。
X 射线和可见光本质上同属于电磁波，只不过彼此占据不同的波长范围而已；X 射线虽然和可见光一样（没有静止质量，但有能量），与光传播有关的一些现象（如反射、折射、散射、干涉、以及偏振）都会发生，但由于相对可见光而言，X 射线的波长要短得多（光量子的能量相应要高得多），上述物理现象在表现方式上与可见光存在很大的差异。
不能象可见光一样使X 射线会聚、发散、和变向，使得X 射线无法制成显微镜！2、什么是X 射线管的管电压、管电流？它们通常采用什么单位？数值通常是什么？X 射线的管电压：加载到阴极和阳极侧之间的电压。
（KV ），50KVX 射线的管电流：在阴阳两极电场作用下，向阳极运动，形成的电流。
（mA ）50mA3、X 射线的焦点与表观焦点的区别与联系？焦点：阳极靶表面被电子束轰击的地方，正是这个区域发射X 射线。
对于长方形焦点的X 射线管，引出窗口很重要。
对着焦点长边开设的窗口发射出X 射线的表观焦点为线状（称为线焦斑），其强度较弱，但其水平发散度小，分辨率较高，线性较好，粉末衍射仪多采用线焦斑；对焦点短边开设的窗口发射出的X 射线的表观焦点则为正方形（称为点焦斑），强度较高，可使衍射线明锐，适合于织构测定及德拜、劳埃照相场合。
4、X 射线有几种？产生不同X 射线的条件是什么？产生的机理是怎样的？晶体的X 射线衍射分析中采用的是哪种X 射线？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及金属物相分析。
X射线物理学基础
第一章X射线物理学基础【教学内容】1．X射线的发觉。
2．X射线的本质。
3.X射线的产生与X射线管。
4．X射线谱。
5.X射线与物质的彼此作用。
【重点把握内容】1.X射线的粒子性与波动性。
2.X射线的产生与X射线管的大体构造。
3•持续X射线和特点X射线谱特点及产生的机理。
4.X射线与物质的的彼此作用而产生的散射和吸收。
【了解内容】1.X射线发觉。
2.X射线的平安防护。
【教学难点】1．X射线的散射与干与。
2．X射线的吸收。
【教学目标】1•了解X射线的本质、特点。
2.把握X射线的产生和X射线谱特点。
3．把握X射线与物质的彼此作用有关知识。
4.培育能依照不同的需要选择对不同类型的X射线及在关实验条件的能力。
【教学方式】1．以课堂教学为主，通过量媒体教学手腕，增强教学成效。
并通过部份习题，增进学生对X射线本质的明白得。
2.安排一次对X射线衍射仪的参观，使学生对X射线的产生和大体装置有一个初步的感性熟悉。
一、X射线的发觉X射线发觉于19世纪末期，并在上个世纪之交掀起了一场X射线热。
它的发觉及其本质的确信在物理学上具有划时期的意义。
代表着经典物理学与近代物理学的转折点。
1895年11月8日，德国物理学家伦琴（照片）在研究真空管的高压放电现象时，偶然发觉凳子上镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。
这一现象当即引发的细心的伦琴的注意。
他认真分析一下，以为这可能是真空管中发出的一种射线引发的。
连续数日呆在实验室中不回家。
他试着用各类手、纸板、木块去遮挡，但都无法挡住这种射线。
于是，一项伟大的发觉诞生了。
由于那时对这种射线的本质和特性都不了解，故称之为X射线。
其实在此之前，也有人注意到，放在高压管周围的照相底片有时会发生雾点。
但他们以为这是一种偶然现象。
没有引发重视。
伦琴发觉，不同物质对X射线的穿透能力是不同的。
他用X射线拍了一张其夫人手的照片（照片）。
1896年1月23日。
伦琴在自己的研究所第一次作关于X 射线发觉的报告时，现场再次拍了维尔兹堡闻名的解剖学教授克利克尔的一只手的照片，克利克尔教授带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线称为伦琴射线。
物理学--x射线
第十六章 X 射线
第四节 X射线的产生原理
h E2 E1
hυ为特征X光子能量(即跃迁过程中释放 的能量);E2为跃迁前的能量 ;E1为跃迁后的能 量。
不同的靶物质发出的X射线的波长不同， 原子序数越高，产生的X射线波长越短。特征 X射线与X射线管的管电流无关。
第十六章 X 射线
第四节 X射线的产生原理
第十六章 X射线
第十六章 X 射线
（二）标识X射线谱
1. 产生机制
➢ 壳层间能量差较大，因而发出的光子频率较高， 波长较短。
➢ 电子由不同能级达到同一壳层的空位时发生的谱线 — 线系。
➢ 线系的最短波长边界：一个自由电子(或近似地认为是最外层 价电子)进入这个空位时发出的光子的波长。
➢ X射线管需要加几十千伏的电压才能激发出某些标识X射线系。 当X射线管的管电压较低时只出现连续X射线谱。
第十六章 X 射线
第三节 X射线的产生
➢ X射线管
b.阳极（靶）：它能使高速电子突然受阻而产 生X射线。
• 又称阳极靶面， • 阳极由靶面和散热体两部分组成。 • 通常是将钨材料靶面焊接在实心或空心铜材料圆
柱体上。 • 原因：从阴极飞来的高速电子能，99%以上都在
阳极上变成热能，使阳极产生很高的温度。
钨在较高管电压下的X射线谱
第十六章 X 射线
（二）标识X射线谱
1. 产生机制
产生线状光谱X线的过程与管 电压无关，完全由靶材料的 性质决定，它表征靶物质的 原子结构特性，而与其它因 素无关。通常把这种辐射称 为特征辐射，也称为标识辐 射由此产生的X射线称为特征 X射线。
标识X射线是由较高各能 级的电子跃迁到内壳层的空位 产生的。
第十六章 X 射线
11x射线物理学基础
§2 x射线谱
x射线谱指的是x射线的强度I随波长λ变 化的关系曲线。 x射线强度大小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。 实验表明，x射线管阳靶发射出的X射线 谱分为两类：连续x射线谱和特征x射线 谱。
一、 连续x射线谱
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：如图5—2。
2)每个特征谱线都对应—个特定的波长，
不同阳极靶元素的特征谱波长不同。 如管电流I与管电压V的增加只能增强特征 X射线的强度、而不改变波长。它的规律 为
3)不同阳极靶元素的原子序数与特征谱
波长之间的关系由莫塞莱(Mosley)定律确 定
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。
x射线具有很强的穿透物质的能力，经过电场 和磁场时不发生偏转，当穿过物质时x射线可 被偏振化．可被吸收而使强度减弱，它能使空 气或其它气体电离，能激发荧光效应，使照相 片感光，并能杀死生物细胞与组织。 它成为研究晶体结构，进行元素分析，以及医 疗透射照像和工业探伤等多方面问题的有力工 具。
第七章 X射线衍射与荧光光谱
第6章_X射线物理学基础
1
第六章
X射线物理学基础
第六章 X射线物理学基础
2
第一节 X射线的性质 第二节 X射线的产生与X射线谱 第三节 X射线与物质的相互作用
3. X射线上述特性，成为研究晶体结构、进行元素分析、医 疗透视和工业探伤等方面的有力工具。
第二节 X射线的产生与X射线谱
24
一、X射线产生： 1. X射线：高速运动带电粒子（电子）与某物质相撞击后突 然减速或被阻止，与该物质中内层电子相互作用而产生的。 2. X射线产生条件： 1）产生并发射自由电子（加热W灯丝发射热电子）； 2）在真空中迫使电子作定向的高速运动（加速电子）； 3）在电子运动路经上设障碍，使其突然减速或停止（靶） 据此，就可理解X射线发生器的构造原理了。
2. 威廉· 康拉德· 伦琴（Wilhelm Konrad RÖntgen ）摄于1896年
4
1845年3月27日生于德国莱茵州雷 内普 （Lennep）镇。 1869年获苏黎世大学理学博士学位 1870年回德国维尔茨堡大学工作。 1894年任维尔茨堡大学校长。 1895年11月8日发现了X射线。 1900年任慕尼黑大学物理研究所教 授，主任。 1901年，获首届诺贝尔物理学奖。 1923年2月10日，在慕尼黑去世。
X射线波动性的表现（2）
17
4. 电场矢量E 随传播时间或传播距离变化呈周期性波动， 波振幅为 A（或E0）。 一束沿 y 轴方向传播的波长为λ的X射线波方程为：
第1章 X射线的物理学基础-2012
• X射线的能量 • 量子理论将X射线看成由一种量子或光子组 成的粒子流，每个光子具有的能量为： (依据X射线的波长即可计算出其能量)
1.24 E (keV ) h h (nm)
公式 E(keV) (nm) =1.24/ E (nm) MgK 1.253 0.9895 CaK 3.69 0.3360 FeK 7.057 0.1757 PbL 10.55 0.1175
同步辐射光的特性
• 宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从 远红外、可见光、紫外直到 X射线范围内的连 续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波 长的光。
• 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动 方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小， 几乎是平行光束，堪与激光媲美。 • 高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子 轨道平面上是完全的线偏振光，此外，可以从 特殊设计的插入件得到任意偏振状态的光。来自同步辐射光源的发展历史
• 30多年来，同步辐射光源已经历了三代 的发展，它的主体是一台电子储存环。 第一代同步辐射光源的电子储存环是为 高能物理实验而设计的，只是“寄生” 地利用从偏转磁铁引出的同步辐射光， 故又称“兼用光源”；第二代同步辐射 光源的电子储存环则是专门为使用同步 辐射光而设计的，主要从偏转磁铁引出 同步辐射光；
• * 同步辐射在微结构研究中的应用
同步辐射光源的发展历史
• 电磁场理论早就预言：在真空中以光速 运动的相对论带电粒子在二极磁场作用 下偏转时，会沿着偏转轨道切线方向发 射连续谱的电磁波。1947年人类在电子 同步加速器上首次观测到这种电磁波， 并称其为同步辐射，后来又称为同步辐 射光，并称产生和利用同步辐射光的科 学装置为同步辐射光源或装置。
迷人的X光片~~在X射线下，任何 东西都会很美！！
第一章_X射线物理学基础
它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对 轻元素。
38
（2）X射线的吸收
物质对X射线的吸收：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。 主要表现在对物质原子中的内层
光随后产生的各种过 程。
它主要包括光电效应（二次特征 幅射）和俄歇效应等。
物质中的电子在X射线电场的作用下，产生
强迫振动。
这样每个电子在各方向产生与入射X射线同 频率的电磁波。
新的散射波之间发生的干涉现象称为相干
散射。
37
X射线的散射
②非相干散射 （incoherent scattering 量子散射）
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，波长增加的非相干散射波。 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-吴有训效应。 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。
32
特征（标识）X射线谱
莫塞莱定律
标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的 原子能级结构，是物质的固有特性。
莫塞莱定律：标识X射线谱的波长λ与原子序数Z 关系为：
1
C Z
33
特征（标识）X射线谱
特征X射线的强度特征
K系特征X射线的强度I与管电压U、管电流i的关系 为：
国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为： 1nm=10Å=10-9m 1kX=1.0020772±0.000053Å (1973年值)。
第一章X射线物理学基础
λ＝ｈc/ △E
08:47:09
高速电子在撞击到原子时，很容易将能量传 送給原子中的电子，而使原子离子化当原子內层 轨道的电子被激发后，其空位很快会被外层电子 的跃入填满，在此电子跃迁的过程中，由于不同 轨道间的能量差，X光会随着放出。 此过程所产
生的X光与原子中电子轨道的能量有关。
08:47:09
08:47:09
产生特征X射线的同时也会产生连续X射
线，但特征X射线强度要比同时产生的邻 近波长连续X射线强度高得多，提高管电 压可以提高特征X射线的强度，但同时连 续X射线强度也增加。当工作电压为激发 电压的3－5倍时，特征X射线强度与连续 X射线强度的比率最大，因此电压应选为 激发电压的3－5倍。
08:47:09
连续X射线谱的特点
1.在阳极靶所辐射的全部光子中，光子能 量的最大值不能大于电子的能量，具有 极大能量的光子波长，即为短波极限 λ0 。 当：ev=h·νmax=hc/λ0 有短波极限：λ0=12400/v
08:47:09
X光管管电流、管电压和阳极靶材对连续谱的影响
08:47:09
2.连续谱强度分布的形状主要决定于X 光管 加速电压的大小。当X 光管管压变化时，其 连续谱的强度分布的形状全不相同(见中间图)， 且在λ0的约1.5 倍波长处其强度达到最大值。 连续谱各波长的强度与X 光管的电流成正比 (见左图)。此外，连续谱各波长的强度随阳极 材料的原子序数增大而增加(见右图)。连续谱 的强度(I)与X 光管的电压(V)平方、电流(i)及 阳极材料的原子序数(Z)成正比： I ∝ i Z V2
08:47:09
X射线产生的原理
电磁原理： 当带电粒子在加速或减速过程中， 会释放出电磁波，在巨大加速或减速过 程中，所释放的电磁波具有高能量，当 其波長在10-12－10-8m則成X光。
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连续谱的特征
• 连续谱的表征：
•
短波限 ：
λmin
=
12 .4 V
• 最大峰值波长:
λImax
=
3 2
λmin
• 积分强度：I = 1.1×10−9 ⋅ iV 2Z
连续谱短波限
• 在连续谱短波一侧存在着短波。 它相当于电子撞击在阳极上将其全部 能量以X光子形式释放的情况。因此， 短波限λmin跟阳极物质的种类无关， 仅取决于外加电压（V）的大小。
• 发生电子跃迁的两电子壳层的 能量差将以特征X射线逸出原子。 这种跃迁必须符合量子力学理 论
产生特征X射线的物理过程
• 一是产生原子内壳层电子空位； • 二是发射X射线；
具有壳层电子空位的原子处于激发态，电子将重新排列，外壳层 电子向内壳层跃迁，填补内壳层的电子空位，同时释放出跃迁能 量，使原子回到基态。这跃迁能量以特征X射线形式释放出来， 或者能量转移给另一个轨道电子，使该电子发射出来，即俄歇电 子发射。
特征X射线光谱的特点
特征X射线光谱产生于原子内部的电子跃迁，因此具有一下特点： • X射线光谱因发生于原子的内层轨道，故基本不受价态的影响； • 波长分立，与发射谱相比谱线数量相对少，因而干扰显得不那么严
重； • 谱线波长强烈地依从于Z，并遵循莫塞莱(Moseley)定律；
Moseley定律： (1/λ)1/2=Q(Z-δ)
M 系谱线的相对强度为: Mα1 ： Mα2 ： Mβ1 ： Mγ1 100 ： 10 ： 50 ： 5
这里必须说明：Kα 线的波长为： λ Kα = (2 λ Kα1 + λ Kα2 ) / 3
Kα : Kβ 随原子序数而变: 对Cu(29)约为5 : 1, 对Sn(50)约为3:1,对Al(13)约为25:1
波限位置附近；从短波限到最大值曲线急剧上升；从最大值以 后曲线较平滑的下降。 • 当管电压增加到一定程度（激发电压），连续谱上会叠加有特 征谱。
连续谱与电流、电压和靶材的关系
电流
电压
靶材
特征辐射的产生
• 当一束高能光子与原子相互作 用时，其能量≥原子某一轨道电 子的结合能时，即可将该轨道 电子逐出，形成空穴。
K和L系特征X射线部分能级图
特征辐射-各线系光谱线间的相对强度关系
K 系谱线的相对强度为： Kα1 ：Kα2 ：Kα ：Kβ1 ： Kβ3 ： Kβ2 100 ：50 ：150 ：15 ：15 : 5
L 系谱线的相对强度为： Lα1 ：Lα2 ：Lβ1 ：Lβ2 ：Lβ3 ：Lβ4 ：Lγ1 ：LΙ ：Lη 100 ：10 ：70 ：30 ： 10 ： 5 ：10 ：3 ： 1
造成电子空位的方法
• 电子激发（SEM、TEM、STEM、EPMA、X射线管阳极靶产生的特征谱 即是这种激发的结果）；
• 质子、α粒子、来自粒子加速器的其它离子激发； • 用X光管初级线束（光子）照射； • 用放射性同位素的α、β、γ和和X射线照射； • 用同步辐射源照射； • 用二次靶的二次X射线照射；
X射线的产生
高速运动的电子突然减速便能产生X射线，这是X射线管的工作原理。 因此产生X射线的条件为：
1. 自由电子的发射（例如加热灯丝）； 2. 在真空中，迫使这些自由电子朝一定方向高速运动（例如用高压电场）； 3. 在电子高速运动的途径上设置能突然阻止电子运动的金属靶
X 射线光谱
X射线管: 输出依赖于下列因素： • 灯丝 • 加速电压 • 电流 • 真空 • 阳极靶材料 • 窗口
X射线的产生
• 连续谱或韧致辐射：高速电子在阳极原子核场中运动受阻，能量迅 速损失而产生宽带连续X射线谱。
• 特征X射线：当靶原子内层电子被高速运动的电子逐出，将产生空 穴，外层电子跃迁时就会放射出特征X射线。因此。造成大量电子 空位是产生特征X射线的必要条件。
X射线的产生
• 样品产生的X荧光光谱图
质量衰减系数
样品的质量吸收系数为各组分的质量吸收系数加权。 μcompound ( λ) = Σ μi(λ).wi W为元素或化合物在样品里的重量百分含量
X射线与物质的相互作用
• 吸收
－光电吸收（X射线荧光和俄歇电子发射） －散射吸收
• 散射
－相干散射 －非相干散射 －衍射
X 射线和物质的相互作用
X射线的吸收
• I = I0 exp ( -μρx) (比耳－朗伯定律)
μ －质量衰减系数[cm2/g] ρ－ 密度[g/cm3] x－ 辐射通过吸收体的光路[cm] μρ－ 线性衰减系数[1/cm]
用户培训课程-理论部分之一
X射线物理学
X射线的波长范围
E(keV ) = hν = h c = 1.23984 λ λ(nm)
γ-rays
X-rays
UV Visual
0.001 0.01 0.1 1.0 10.0 100 200 nm
X射线的本质和定义
• X射线波长范围在0.01~10nm之间，能量为 124keV～0.124keV。其短波段与γ射线长波段相重 叠，其长波段则与真空紫外的短波段相重叠。
• 量子理论将X射线看成由一种量子或光子组成的粒 子流，每个光子具有的能量为： E(keV)=1.23984/λ
• 依据X射线的波长即可计算出其能量。
X射线的本质和定义
根据电磁辐射定律计算波长
公式
E(keV)
λ (nm) λ(nm) =1.24/ E
MgKα 1.253
0.9895
CaKα 3.69
0.3360
FeKβ 7.057
0.1757
PbLα 10.55
0.1175
X射线的起源
X射线起源于由下述过程导致的电子的能量损失： • 原子跃迁（特征辐射） • 减速 （韧致辐射，或连续谱） • 方向改变（同步辐射）
X射线的产生
• 用X射线管辐照样品，是产生荧光X射线光谱的常 用方法。X射线管产生的X射线光谱，被称作原级 X射线谱，它是由连续谱和特征谱组成。
λmin
=
12.4 V
V以kV为单位，λ以Å 为单位
I
(λ)
=
KiZ⎢⎣⎡λλmin
−1⎥⎦⎤⎢⎣⎡λ12
⎤ ⎥⎦
连续谱的特征
• 管电压增高，各相应的曲线也升高，同时最大值和短波极限均 向左（短波方向）移动；
• 连续光谱的强度随加速电压的平方而增加、还跟电流i，阳极元 素原子序数Z成正比；
• 一和等定效管波电长压λ I的max强度；分布具有一最短波长极限（短波限） λmin • 连续谱强度最大值在曲线中部而偏左，波长处在二分之三倍短