材料对X光的吸收和散射——μ=τσ
X光在单质材料中衰减现象的实验总结
X光在单质材料中衰减现象的实验总结摘要(Abstract)众所周知，X射线因其波长短、能量大、穿过物质时被吸收的部分少而表现出很强的穿透能力。
本研究报告旨在验证及讨论X光的穿透能力与材料厚度、入射波长、材料质地等的函数关系。
关键词（Keywords）X射线、朗伯定律、控制变量法、吸收边波长、短波限波长。
引言（Introduction）X射线与无线电波、可见光、和γ射线等其他各种高能射线相比，波长很短，在10-3～10nm之间，因此能量很大。
当照射在物质上时，仅有一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，表现出很强的穿透能力，所以X射线可用作医疗诊断，工业探伤或机场安检。
X射线与物质的相互作用，使X射线通过一定厚度的物质后，能量或强度有一定的减弱，称为物质对射线的吸收。
在一定变化范围内，入射光子的能量越大，X 射线的穿透能力越强；吸收物质的密度越大，原子序数越高，每克电子数越多，X射线衰减就越多；波长越短，能量越高，X射线的穿透能力越强。
理论/实验部分(Theory parts/Experimental details)一、X光在某种材料中的衰减系数与材料厚度的关系（朗伯定律）：朗伯定律指出，X光在某种材料中的衰减满足如下关系：I=I0²e-μd。
其中，I0是入射X光的强度，μ为该材料的衰减系数，d为该材料的厚度。
本实验利用X射线实验仪（如图1所示）以及吸收版附件（如图2所示），附件1由厚度为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm和3.0mm的6块铝板组成，每块铝板之间角度统一为10°，因此通过旋转靶台可改变铝板的厚度，并且保证其他实验条件（如入射X射线光强I0等）不变。
图1 X射线实验仪图2 吸收版附件对于所得的I/I0取对数，并与相应的d进行线性拟合，可验证朗伯定律。
二、X光在材料中的衰减系数与波长的关系：X光在材料中衰减的原因是材料对X光的吸收和散射，因而进一步对μ进行分析，知μ=τ+σ。
X射线物理学基础(材料分析方法),技术资料
第一篇材料X射线衍射分析第一章X射线物理学基础§1.1 X射线性质一、X射线的发现：1895年，著名的德国物理学家伦琴（W. C. Rontgen）发现了X射线，因此X 射线又名伦琴射线。
当时，Rontgen在研究阴极射线（一束高速电子流）激发涂有荧光物质的玻璃壁而发生荧光时，偶然发现放在高真空的放电管附近的照相底片被感光了。
但照相底片是用黑纸严密包好的，而阴极射线是透不出玻璃管的，所以Rontgen认为这种使照相底片感光的东西来自阴极射线，但决不是阴极射线本身，一定还存在另一种看不见的射线。
他称这种穿透能力极强的射线为X射线。
Rontgen 还用X射线拍下了物理学历史上最著名、最温情脉脉的一张照片，照片上清楚地显示出Rontgen夫人的手骨结构及手上那枚金戒指的轮廓。
经过反复验证之后，伦琴于1895年12月28日向德国维尔茨堡物理学医学学会递交了一篇轰动世界的论文：《一种新的射线--初步报告》1901年Rontgen获首届诺贝尔物理学奖。
图1、老式X射线管图2、伦琴拍下的他夫人的手的X射线图1912年，德国物理学家劳厄（V on Laue）等发现了X射线在晶体小的衍射现象，确证了X射线是一种电磁波。
同年，英国物理学家布拉格父子（W. H. Bragg 和V. L. Bragg）利用X射线衍射测定了NaCl晶体的结构，从此开创了X射线晶体结构分析的历史。
二、X射线的性质：劳厄的实验已经指出，X射线是一种波长很短的电磁被，波长范围约0.01～10nm（1nm＝10－9m）。
在电磁波谱上它处于紫外线和γ射线之间（见图3）。
测量其波长通常应用的单位是，国际单依制中的nm（纳米）。
用于衍射分析的X射线波长为0.05～0.25nm。
作为电磁波的X射线，它与可见光和所有的其他基本粒子一样，同时具有波动及微粒双重特性，简称为波粒二象性。
它的波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播；它的微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时，具有一定的质量、能量和动量。
物质对X射线的吸收与X射线波长有关
医学物理学
一、X 射线的基本性质：
1.电离作用 —— 气体分子在 X 射线照射下，将电离
成离子对，而成为导电体。
对有机体可诱发各种生物效应;电离作用可用于测量
X 射线强度; 治疗某些疾病（癌细胞电离后，代谢功
能差）。 2. 荧光作用 —— X 射线照射某些物质，能使其发出 荧光（如：ZnSO4、铂氰化钡、钨酸钙、磷等物 质）;用它们涂在纸板上就构成荧光屏。
医学物理学
• 临床上常用质量吸收系数μm和质量厚度dm，以消除 密度的影响。
m 质量吸收系数
m ,
d m 质量厚度
x ( ) ( x )
医学物理学
四、X 射线的吸收
1.吸收 —— X 线通过某物质后其强度的减弱过程。
实验表明，单能X射线通过物质时的吸收规律与 可见光相同，也服从指数衰减规律：
I I 0e
d
其中为线性吸收系数，
医学物理学
与Z、近似地适合下式：
μ = kZ λ
结论：
4 3
k是比例常数
1）长波X射线比短波X射线更容易被吸收。在浅表 治疗时，应使用低能X射线，在深部治疗时，则使用 高能X射线。 2）原子序数越高的物质，吸收本领越大。骨的成分 Ca、P的原子序数比肌肉主要成分H、O、C的原子序 数高，因而骨的吸收系数比肌肉组织大得多。透视时， 会出现骨骼的明显阴影。患者吞服钡盐也是因钡的原 子序数高，吸收本领大，可显示出胃肠的阴影。铅的 原子序数很高，被广泛用做X射线的防护材料。
能，X 光强度正比于高速电子流的数目。
I Nh N1 h 1 N 2 h 2 N 3 h 3 N n h n
i 1 n
X线的吸收与衰减
X线的吸收与衰减1.X线强度在其传播过程中，将以距离平方反比的规律衰减。
X线与物质相互作用形式主要是光电效应和康普顿效应。
在光电效应下，X线光子被吸收；在康普顿效应下，X线光子被散射。
2.连续X线在物质中的衰减特点：连续X线波长范围广，是一束包含各种能量光子的混合射线即λmin=1. 24/V(kVp) nm最强波长等于1.2-1.5λmin。
而它的平均能量的波长范围则是2.5λmin。
一般而言，平均光子能量是最高能量的1/3~1/2。
3.X线在物质中的指数衰减规律条件有2个：一是X线为单一能量射线，一是X线为窄束X线。
4.X线滤过诊断用X线是一束连续能谱的混合射线，当X线透过人体时，绝大部分的低能射线被组织吸收，增加了皮肤照射量。
为此，需要预先把X线束中的低能成分吸收掉，这就是X线滤过。
X线滤过包括固有滤过和附加滤过。
(1)固有滤过：指X线机本身的滤过，包括X线管的管壁，绝缘油层，窗口的滤过板。
固有滤过一般用铝当量表示。
(2)附加滤过：在X线摄中，附加滤过指X线管窗口到被检体之间，所附加的滤过板。
一般对低能量射线采用铝滤过板；高能射线采用铜与铝的复合滤过板。
使用时铜面朝向X线管。
5.衰减系数有吸收系数和散射系数。
它是线衰减系数、质量衰减系数、原子衰减系数和电子衰减系数的简称。
(1)线衰减系数：X线透过单位厚度(m)的物质层时，其强度减少的分数值。
单位1/m。
(2)质量衰减系数：X线在透过质量厚度为1kg/m*2的物质层后，X 线强度减少的分数值。
单位为(m*2/kg)6.影响X线衰减的因素(1)射线能量和原子序数对衰减的影响(2)密度对衰减的影响(3)每克电子数对衰减的影响1.衰系数分别有A.吸收系数和散射系数B..衰减系数和吸收系数C.电子系数和衰减系数D.吸收系数和质量系数E.吸收系数和电子系数答案：A2.下列哪项不是影响X线衰减的因素A.射线能量B.密度C.每克电子数D.物质体积E.原子序数答案：D3.人体组织对X线衰减顺序由大到小为A.骨、肌肉、脂肪、空气B.肌肉、脂肪、空气、骨骼C.脂肪、肌肉、骨骼、空气D.空气、肌肉、脂防、骨俗E.空气、脂肪、肌肉、骨骼答案：A4.与X线吸收衰减系数无关的是A.物质的厚度B.物质的密度C.物质的原子序数D.曝光时间E.曝光所采用能量大小答案：D5.下列概念与单位的组合，错误的是A.X线能量---keVB.半值层一mmC.直线减系数一mD.质量减弱系数一m*2/kgE.波长---nm答案：C6.X线衰减的反平方法则是指A.X线强度与管电压的平方成反比B.X线强度与距离的平方成反比C.X线强度与管电流的强度成反比D.X线强度与原子序数的平方成反比E.X线强度与每克电子束的平方成反比答案：B7.关于X线的滤过，错误的叙述是A.X线滤过是指先把X线束中的低能成分吸收掉B.X线滤过是为了减少高能射线对皮肤的照射量C.X线滤过包括固有滤过和附加滤过D.固有滤过包括X线管壁、绝缘油层、窗口E.附加滤过是指从窗口到检查床之间X线通过的所有材料的滤过总和答案：B8、导致X线衰减的原因是A、物质和距离B、X线不可见C、X线是电磁波D、X线波长短E、X线能量大9、射线强度衰减的平方反比法则成立的条件是A、在空气中B、在真空中C、在造影剂中D、在均匀物质中E、在不均匀物质中B10、X源产生的X射线强度与距离的关系是A、按照距离的平方正比衰减B、按照距离的平方反比衰减C、随着距离的增大，线性增大D、随着距离的增大，线性减小E、与距离无关B11、X线的衰减与距离有关，当距离增加1倍，则射线强度衰减为原来的A、1/2B、1/3C、2/3D、1/4E、1/812、单能窄束X线通过均匀物质层时，错误的是A、X线硬度不变B、X线波长不变C、X线频率不变D、X线穿透力不变E、X线强度不变E13、关于宽束X线的叙述，正确的是A、X线束的高度较宽B、X线束的宽度较窄C、射线束中不含有散射线成分D、含有散射线成分的X线束E、X线束在几何学上较宽大D14、关于连续X线在物质中衰减描述，错误的是A、X射线束中的低能光子衰减快B、X射线束中的高能光子衰减慢C、通过物质后X线低能量成分减少D、透过被照体后射线平均能量降低E、通过物质层越厚X线的平均能量越接近最高能量D15、连续X线在物质中的衰减特点是A、平均能量提高、能谱变宽、线质提高B、平均能量降低、能谱变宽、线质降低C、平均能量提高、能谱变窄、线质提高D、平均能量提高、能谱变宽、线质降低E、平均能量降低、能谱变窄、线质提高C16、与X线的质量衰减系数有关的是A、X线波长和吸收物体的厚度B、吸收物质的密度和厚度C、吸收物质的密度和原子序数D、X线波长和吸收物质的密度E、X线波长和吸收物质的原子序数E17、关于水、冰、水蒸气的质量衰减系数，正确的是A、水和冰相同，比水蒸气的大B、冰和水蒸气相同，比水的大C、水和水蒸气相同，比冰的大D、水、冰、水蒸气三者相同E、水和水蒸气相同，比冰的小D18、影响X射线衰减的因素不包括A、射线能量B、吸收介质的原子序数C、吸收介质的密度D、吸收介质的电子密度E、入射光子数E19、影响X线衰减系数的因素不包括A、射线性质B、物质原子序数C、物质密度D、物质的形态E、每克电子数D20、人体组织对X线的衰减，由大变小的顺序是A、骨、脂肪、肌肉、空气B、骨、肌肉、脂肪、空气C、脂肪、骨、肌肉、空气D、肌肉、骨、脂肪、空气E、肌肉、脂肪、骨、空气B。
X射线与物质相互作用
第三节 X 射线与物质相互作用我们前面讲过当X 射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透 射光电效应等一、X 射线的散射X 射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使 X 射线光子偏离原射线方向，即发生散射。
X 射线的散射现象可分为相干散射和非 相干散射。
1、相干散射及散射强度当X 射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被 迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射 X 射线波长相同的散 射X 射线，称为经典散射。
由于散射波与入射波的频率或波长相同，位 相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。
按动力学理论，一个质量为 m 的电子，在与入射线呈29角度方向 上距离为R处的某点，对一束非偏振X 射线的散射波强度为：2(1 cos 2v2它表示一个电子散射X 射线的强度，式中f e =e 2/mC 2称为电子散射 称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。
可见相干散射是X射线衍射技术的基础。
2、非相干散射 当入射X 射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性 碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿 散射l e =| 0 4 e 2~2 4 R m C 因子l e =l 0 7.9 10 ^6 R 2(1 cos 2 2^ 2这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固 定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底， 给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。
二、 X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是 X 射线射线光子数的减少，而不是 X 射线能量的减少。
所以，透射 X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。
X 射线与物质相互作用，实质上是 X 射线与原子的相互作用，其基本原理 是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的 X 射线易穿过 物质，长波长X 射线易被物质吸收。
塑料对x光的吸收_概述说明以及解释
塑料对x光的吸收概述说明以及解释1. 引言1.1 概述本文将对塑料对X光吸收的现象进行概述说明以及解释。
随着科学技术的进步和应用领域的扩大，X光在医学诊断、工业检测和安全控制等领域中得到了广泛应用。
而塑料作为一种常见的材料，其在X光吸收方面起到重要作用。
因此，了解和研究塑料对X光吸收的机制以及影响因素对于深入理解塑料与X光相互作用的行为具有重要意义。
1.2 文章结构本文共分为五个主要部分进行探讨。
首先是引言部分，介绍了文章的研究背景和整体结构。
第二部分将详细介绍X光的基本概念和特性，并强调了塑料在X光吸收中的重要性。
第三部分将讨论X光在医学诊断、工业领域以及安全检查与控制需求量增长趋势方面的应用情况。
接下来，在第四部分中，我们将探究影响塑料吸收率的因素，包括塑料材料本身的特性以及X光能量与塑料吸收率之间的关系。
最后，结论部分将总结研究结果，并展望塑料对X光吸收的价值和应用前景，同时也提出了未来研究的方向。
1.3 目的本文旨在全面分析和解释塑料对X光吸收的现象，并探讨塑料与X光相互作用的机制和影响因素。
通过此文，希望读者能够深入了解塑料在不同领域中对X 光的影响，为相关应用提供基础科学支持。
此外，我们还将探讨当前研究中存在的局限性，并指出未来在此领域继续发展的方向。
2. 塑料对X光的吸收2.1 X光的基本概念和特性X光是一种电磁辐射，具有高能量和短波长。
它由电子在高压下撞击原子核或外层电子而产生。
X光具有较强的穿透能力，可以通过物质，并且被用于医学诊断、工业检测等领域。
2.2 塑料在X光吸收中的重要性塑料是一种常见的材料，广泛应用于日常生活和工业领域。
了解塑料对X光的吸收特性对于理解其在医学、工业等领域中的应用具有重要意义。
塑料在X光吸收方面具有一定程度的选择性，可根据不同需要进行调节。
2.3 塑料对X光的吸收机制塑料对X光的吸收主要是通过康普顿散射、经过物质后剩余发生次级辐射以及透射三种方式进行。
X射线物理学基础(2)
在X射线衍射晶体结构分析工作中，我们不希望入射的X射 线激发出样品的大量荧光辐射。大量的荧光辐射会增加衍射 花样的背底，使图象不清晰。避免出现大量荧光辐射的原则 就是选择入射X射线的波长，使其不被样品强烈吸收，也就 是选择阳极靶材料，让靶材产生的特征X射线波长偏离样品 的吸收限。 根据样品成分选择靶材的原则是： Z靶≤Z样-1；或Z靶>>Z样。 对于多元素的样品，原则上是以含量较多的几种元素中最轻 的元素为基准来选择靶材。
小结
散射无能力损失或损失相对较小 相干散射是X射线衍射基础, 相干散射是X射线衍射基础,只有相干散射才 能产生衍射。 能产生衍射。 散射是进行材料晶体结构分析的工具 吸收是能量的大幅度转换, 吸收是能量的大幅度转换,多数在原子壳层 上进行,从而带有壳层的特征能量, 上进行,从而带有壳层的特征能量,因此是揭 示材料成分的因素 吸收是进行材料成分分析的工具 可以在分析成分的同时告诉你元素价态 可以在分析成分的同时告诉你元素价态 成分的同时告诉你
本章总结
1. X射线的性质及其本质 射线的性质及其本质 (1)了解X射线有哪些性质； (2)X射线的本质——电磁波(波粒二相性)； 2. X射线的产生 射线的产生 (1)X射线的产生条件； (2)X射线管的结构与工作原理；
3. X射线谱 射线谱——连续谱和特征谱 射线谱 连续谱和特征谱 (1)连续谱产生机理的二种解释(经典、量子)；短波限； (2)特征谱的产生机制；特征谱的命名方法,；临界电压； 激发电压；激发限； 4. X射线与物质的相互作用 射线与物质的相互作用 (1)宏观效应——X射线强度衰减； (2)微观机制——X射线的散射、吸收 ①散射——相干散射、康谱顿散射 ②吸收——产生光电子、二次荧光、俄歇电子 ③吸收限；应用——如何选择滤波片、阳极靶；
X射线与物质相互作用
33
(b)
(a) C对Cu K的散射
34
Be对Cu K的散射
4.光电吸收及其二次效应
1)光电效应的实验规律
X射线波长为λ：对某一元素Z，当λ下降，达到 q 时
，产生光电吸收。
q 最大
λ下降
E q 减少
光电子数（光电流）∝入射X射线强度
发射机制：原子内电子能级跃迁
方向：各向同性
波长：由原子能级确定，与特征谱波长相同。
强度： If I0qf
I 0 入射X射线强度， 物质对X射线的吸收系数， qf 为q 系荧光产额。
qfNqf/Nq N q N qf
q能级受原级X射线激发的原子数 发生q级次级光辐射的原子数
39
荧光产额由物质的原子能级决定。随着原子序数Z
48
实际工作中，常用另外二种表达形式，
dIImdm
II0 e m mI0 e m x
m 称为质量吸收系数，它描述了（单位面积上）单位
质量介质时的吸收。
dm dx，mx
， m
x
它与物质的密度无关 只与元素（Z）和波长有关。
， dIIadN II0e aNI0e anx ， dN nd，xNnx n为单位体积内的原子数目。 a x/n
与实验规律完全一致。
37
3)光电子吸收的二次效应：荧光与俄歇电子 光电吸收——光电子发射，原子处于激发态（内壳
层，例K层，出现空位） 原子退激发过程——二次效应：荧光与俄歇电子
Auger
38
⑴ 荧光：由光子激发的光辐射称为荧光辐射，因而荧 光谱也称为次级光谱。
荧光辐射的本质及其产生的机制，与原级（由高速电 子来激发）特征光谱是完全一样的：
实验十一X射线实验-X射线的吸收与衍射.
实验十一X射线实验—X射线的吸收与衍射I、引言1895年德国科学家伦琴（W.C.Roentgen）研究阴极射线管时发现了X光。
这是人类揭开研究微观世界序幕的“三大发现”之一。
X光管的制成，则被誉为人造光源史上的第二次大革命。
X光也叫X射线（或伦琴射线）。
X射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。
这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应。
波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线；波长长的X射线能量较低，称为软X射线。
当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，这就是X射线管的结构原理。
放射出的X射线分为两类：（1）如果被靶阻挡的电子的能量，不越过一定限度时，只发射连续光谱的辐射，这种辐射叫做轫致辐射；（2）有数条不连续的特殊的线状光谱，这种辐射叫做特征辐射。
连续光谱的性质和靶材料无关，而特征光谱和靶材料有关。
不同材料有不同的特征光谱，这就是为什么称之为“特征”的原因。
X射线在电场磁场中不偏转。
这说明X射线是不带电的辐射。
1906年，实验证明了X射线是波长很短的一种电磁波，它是一种波长很短的电磁辐射，约为10nm到10-2nm之间。
因此能产生干涉、衍射现象。
X射线的特征是波长非常短，频率很高。
因此X射线必定是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的。
所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。
X射线用来帮助人们进行医学诊断和治疗；用于工业上的非破坏性材料的检查；在基础科学和应用科学领域内，被广泛用于晶体结构分析，及通过X射线光谱和X射线吸收进行化学分析和原子结构的研究。
有关X射线的实验非常丰富，其内容十分广泛而深刻。
本实验要求利用德国莱宝公司的X射线实验仪及其附件，进行一系列的实验，从而对X射线的产生、特点和应用有较深刻的认识，并提高独立从事研究工作的能力。
X射线的吸收
X射线的吸收率
光与物质作用主要有以下三种形式：
显然光电效应和电子偶效应都属于“全或无相互作用”。当光子能量不高时，康普 顿效应也近似属于“第二类相互作用”。
所以光和物质相互作用基本上属于“全或无相互作用”。则光经过吸收体后的强度 为：
x
I I0ex I0e
而这时的吸收系数将包括三个部分：
实验结果完全证实了这一推论。例如，对于吸收物银来说，当出现 L吸收限时，同时就有L线系的标识谱线出现，而当出现K吸收限时，则 能同时观察到K线系标识谱的全部谱线。
吸收限的出现，再一次有力的证实了原 子中电子有壳层结构！
X射线的吸收限
吸收限的应用：
吸收限在测量中的应用：过滤片
X射线吸收在医学上的应用：心血管造影术
K吸收限表示光子的能量足 以使一个1S电子脱离原子,从 而引起原子的共振吸收,使吸 收系数有了突然的增加; LI吸 收限表示光子的能量足以使一 个2S电子脱离原子LII和LIII分
别表示使 22 P1 2 和22 P3 2 层
上的电子脱离原子。
X射线的吸收限
所以各吸收限分别代表原子各壳层有一个电子电离时所需要吸收的 能量。原子吸收了这样的能量，使它从基态跃迁到各层的电离态，因此 吸收限对应于基态能级与各电离能级之间的跃迁。
光电 康 对偶
吸收长度（平均自由程）
x0 1
I I0 e1
X射线的吸收率
X射线光子能量不超过150keV, X射线的吸收以 光电效应,康普顿效应为主，同时相干的瑞利散 射也较为重要（线度小于光波波长的微粒对入射 光的散射现象）。
此时的吸收系数：
光电
康
相干
X射线的吸收率
积分(0 x)
材料的光吸收和光发射
第二篇：材料的光吸收和光发射早在4000年前的古代中国青铜器时代，人们就已经知道通过材料的光泽和颜色来估计铜合金的组分，对材料的光学性质有了初步的认识。
而在公元前四世纪周朝墨子的着作中就有“光至，景亡；若在，尽古息”。
也就是说，当光线透过物体时，物体的影子就会消亡；若物体的影子存在，则光线就被物体终止。
实际上这里描述了物体对光的透射、吸收和反射。
十九世纪末，二十世纪初，通过光与物质的相互作用的研究使得物理学和材料科学发生了重大转折：1）X光的发现是材料科学研究中革命性的变革；2）天然放射性的发现开辟了原子核物理和原子能的时代；3）黑体辐射的发现奠定了量子理论的基础；4）激光器的发明从根本上改变了人们对光性质的认识；5）到了上世纪八十年代后，纳米材料所显示出来的特殊的光学性质，表明物体维度的变化会引起材料光谱性质发生显着变化。
这种量子尺寸效应形成了材料光学特性又一新的重大科学问题。
光通过材料后，其强度或多或少地会减弱，实际上就是一部分光能量被固体吸收。
而对材料施加外界作用，如加电磁场等激发，有时会产生发光现象。
这里涉及两个相反的过程：光吸收和光发射。
光吸收：光通过固体时，与固体中存在的电子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用而产生光的吸收。
光发射：固体吸收外界能量，其中一部分能量以可见光或近于可见光的形式发射出来。
由此可见，研究固体中的光吸收和光发射，可直接地获得有关固体中的电子状态，即电子的能带结构及其它各种激发态的信息。
本篇首先引出描述固体光学性质的若干参数及相互间的关系；然后将陆续介绍几种主要的光吸收过程等。
§1材料光学常数间的基本关系在各种波长的光波中，能为人眼所感受的叫可见光的波长范围是：?=400—760nm的窄小范围。
对应的频率范围是：?=7.5?4.3?1014Hz。
在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。
图1是可见光不同的波长所对应的不同颜色。
图1不同波长的可见光所对应的不同颜色。
材料对X光的衰减系数与原子序数的关系的探究
材料对X 光的衰减系数与原子序数的关系的探究俞颉翔(复旦大学物理系 上海)摘要: 通过测量不同波长的X 光对材料的透射强度，探究单质材料对X 的衰减系数与单质的原子序数的关系。
关键词:X 光, 衰减系数, 吸收截面, 原子序数1. 引言通常波长在10‐8m~10‐11m 范围的电磁波被称为X 光。
当高速运动的电子和原子相碰撞时，一般都能发射X 光。
由于X 光的波长与固体中院子的间距有相同的数量级，因此X 光成为研究晶体微观结构的有力工具。
又由于X 光有很强的透射能力，且不同的材料对X 光有不同的吸收，故本实验旨在探究单质材料对X 的衰减系数与单质的原子序数的关系。
2. 理论基础a) 朗伯定律与衰减系数X 光在某些材料中的衰减满足如下指数关系：d e I I μ−=0(1)其中I 0为入射X 光的强度，I 为出射X 光的强度，μ为该材料的衰减系数，d 为该材料的厚度；此即朗伯(Lambert)定律。
所以，衰减系数μ：dTdI I ln ln−=−=μ (2) 其中T 被称为透射率。
显然对于不同波长的X 光，μ的值也是不同的，即可以写成)(λμ。
b) 吸收截面而造成在X 光在材料中衰减的原因是材料对X 光的吸收和散射。
设吸收系数为τ，散射系数为σ，则στμ+=。
因为这些系数又往往正比于物质的质量密度ρ，故常用“质量系数”表示：ρμμ=m 、ρττ=m 、ρσσ=m (3) 它们分别成为质量衰减系数、质量吸收系数和质量散射系数，满足m m m στμ+=。
设A 为原子的摩尔质量，阿伏加德罗常数mol /10022.623×=A N ，则对于单质，又可以定义：A ma N A μμ=、A m a N A ττ=、Am a N A σσ= (4)它们分别被称为原子衰减系数、原子吸收系数和原子散射系数；因为它们有着面积的量纲，故又称为衰减截面、吸收截面和散射截面，它们同样满足a a a στμ+=。
X射线吸收简介
一、X 射线吸收简介X 射线穿过厚度为x 的样品后，其强度0I 会因为吸收而衰减为I （见图1），由此我们可以定义X 射线吸收系数x I I E )ln()(0-=μX 射线吸收谱就是测量X 射线吸收系数随X 射线能量的变化曲线。
从吸收系数与入射光子能量的关系曲线中，可以观察到曲线有三个基本特征（见图2）：1）随着入射光子能量的增加，总的吸收系数在减小；2）在特定的能量点，吸收系数会阶梯函数式的急剧增加，这个能量点称为吸收边；3）吸收边之后，出现会出现一系列的摆动或者振荡，这种小结构一般为吸收截面的百分之几。
图 1 X 射线吸收过程，0I 为入射光强，I 为出射光强，样品厚度为x ，吸收系数被定义为μ图2X 射线吸收系数随光子能量的变化曲线， 321L L L 、、、K 分别对应23p 221p 2s 2s 1、、、电子吸收边第一个特征就是众所周知的X 原子对射线的吸收现象，它是光滑且单调下降的曲线，在数据处理中我们可以将它作为本底扣除。
第二个特征的能量位置对于给定的吸收原子是独一无二的；源于内壳层电子的激发能量，入射光子激发原子芯能级电子跃迁到自由态或空态。
最后一个特征即所谓的XAFS 曲线，它包含着体系的结构信息。
合理分析XAFS 谱，能够获得关于材料的几何结构以及电子和振动特性信息。
在许多科学领域里，如生物、化学、电子、地质、材料等，对局域原子结构信息（如原子的种类、数目以及所处的位置等）的了解是极其重要。
但是目前还没有其它的实验手段能够比较好地给出无序体系的结构信息，因此XAFS 是一个非常重要的实验手段。
XAFS 谱)(k χ宏观上可以定义为：在给定的吸收边能量以上，归一化的X 射线吸收谱的振荡部分，即00)]()([)(μμμχ∆-=E E k (1) 其中)(0E μ是一个关于能量平滑变化的函数，相当于中心吸收原子在周围没有散射原子情况下的吸收系数；0μ∆是归一化因子，近似等于吸收边前后本底信号的跳跃幅度。
实验十二 X——ray
实验X 光实验【实验目的】1． 了解用电子加速轰击金属靶产生X 光的方法与X 光的特性。
2． 了解晶体衍射（布拉格衍射）测量晶格常数的原理和方法。
3． 了解材料对 X 光吸收特性。
【实验原理】1． 电子加速轰击金属靶发射X 光当具有一定能量的电子和原子相碰撞时，可把原子的外层电子撞击到高能态(称为激发)甚至击出原子(称为电离)。
当电子从高能态回归到低能态，或被电离的原子(离子)与电子复合时，就会发光。
这是一般气体放电光源(如生活中常用的日光灯、实验室常用的汞灯、钠灯等)的基本发光过程。
如果电子的能量高达几万电子伏(~1014焦耳)时，它就可能把原子的内层电子撞击到高能态，甚至击出原子。
这时，原子的外层电子就会向内层跃迁，其所发出的光子能量较大，即波长较短，通常为X 光。
例如，钼原子内主要有两对电子可在其间跃迁的能级，其能量差分别为17.4kev 和19.6kev ，电子从高能级跃迁到低能级时，分别发出波长为7.13⨯l0-2nm 和6.33⨯ 10-2nm 的两种X 光。
这两种X 光在光谱图上表现为两个尖峰(如图1中两尖峰曲线所示)，在理想情况下则为两条线，故称为“线光谱”，这种线光谱反映了该物质(钼)的特性，称为“标识X 射线谱”或“X 射线特征光谱”。
此外，高速电子接近原子核时，原子核的库仑场要使它偏转并急剧减速，同时产生电磁辐射，这种辐射称为“轫致辐射”，只要电子的速度足够大，这种轫致辐射就能达到X 光的频率范围。
与标识谱不同，它的能量分布是连续的，在光谱图上表现为很宽的光谱带，称为“连续谱”(如图1中的宽带曲线所示)。
2．X 光的布拉格散射由于X 光的波长与一般物体中原子的间距同数量级，因此X 光成为研究物质微观结构的有力工具。
当X 光射入原子有序排列的晶体时，会发生类似于可见光入射到光栅时的衍射现象(如图2所示)。
1913年，英国科学家布拉格父子(W H ．Bragg 和W L Bragg)证明了X 光在晶体上衍射的基本规律为：λ=θk d sin 2 (1)其中，d 是晶体的晶面间距，即相邻晶面之间的距离，θ是衍射光的方向与晶面的夹角，λ是X 光的波长，k 是一个整数，代表衍射级次。
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朗伯定律：I=I0·e-μd X射线仪与吸收版附件
X射线实验仪
吸收版附件
数据处理：对I/I0=e-μd两边取对数进行拟合，斜率-μ。 实验结果：μ=1.22±0.08
误差分析：
后两点偏离较大
d较大，X光较弱
计数不稳定
实验关键：选取一定的波长
通过两个基础实验来确定：
• 莫塞莱定律的验证→吸收边波长→λ<λk对应β=4.9° • 普朗克常数的测定→短波限波长→λ>λmin对应β=3.5°
τ的物理意义：由于光电效应所引起的入射束通过
单位厚度吸收介质时衰减率的大小
σ的物理意义：每个原子对入射X光的光电吸收截面
与理论值误差为4.25%。
Fe的数据点有较大偏差
因为其吸收能力较强，
透射光弱，计数不稳定。
延长计数时间减少误差
选择其他材料代替Fe
X光在材料中衰减系数 与该材料原子序数的关系
衰减系数与 • 朗伯定律：I=I0·e-μd 材料厚度 • d较大时计数不稳定
衰减系数与 • 远离吸收边处τα∝λ3 入射波长 • 用Cu比用Zr效果更好
两者的关系：τ=N·σα ，N-单位体积吸收介质原子数 经验公式：
• λ<λK时，σα=常数·Z3.94λ3 • λK<λ<λL1时，σα=常数·Z4.30λ3
}→ τm=τ/ρ∝Z4λ3/A
取λ对应角度为β=4.1°（根据布拉格公式2dsinβ=kλ）
数据处理：对τm∝Z4λ3/A两边取对数进行拟合求斜率 实验结果： α=4.17，
Cu的α值比较接近于理论值
图像上看与吸收边有关
• Zr的吸收边波长较小
• Cu的吸收边波长较大
• 吸收边波长与原子序数有关
原子序数↗原子半径↗
电离能↗波长↘
用Cu比用Zr效果更好。
Cu与Zr透射率随波长的变化关系
实验关键：选取一定的波长
通过两个基础实验来确定：
• 莫塞莱定律的验证→吸收边波长→λ<λk对应β=4.9° • 普朗克常数的测定→短波限波长→λ>λmin对应β=3.5°
衰减系数与 • 近似认为μ ≈ τ 原子序数 • 在λmin<λ<λk范围选定λ
2008.1.2
物质对X光吸收的主要原因：内层电子的电离
某一壳层电子的电离条件：E>Ek→λ<λk λ<λk且接近于λk时，越容易激发电离，吸收系数越大；
λ>λk，吸收系数就会突然下降，如图存在突变。 K层吸收边波长与原子序数的关系，即Moseley定律为
• 质量散射系数σm=σ/ρ 原子散射系数σα=σm·A/NA
一个近似： μ ≈ τ，即I=I0·e- τd
理论关系： 在远离吸收边处τα∝λα ， α=3
λ的分辨：利用布拉格衍射
τα的求解：利用经验公式τα=f（T）
数据处理：对于τα∝λα两边取对数进行拟合，斜率α 。 实验结果： 锆片α=2.27±0.04， 铜片α=90±0.04
改变原子序数测吸收边波长
以求里德堡常数R及屏蔽系
数σk。
吸收系数τα随X光波长λ的变化
实验结果R=1.037×107m-1,σk=2.3。
特征短波限波长λmin大小：与X光管的加速电压有关。 λmin→E min→ 入射电子的全部动能→λmin=hc/eU。 实验方法：记录不同加速电压下的衍射普在短波限
波长侧的一部分进行拟合，得到短波限波长λmin， 与1/eU进行拟合求得h。 实验结果h=6.44×10-34J·s，
与理论值误差为2.9%。
当U较小时，线性区域的
斜率较大，实验精度为=0.1°
不够精准，可能产生误差。
不同加速电压下的X光衍射谱线
解决方法：
延长采样时间
增强透射率
选择衰减系数更小的材料 X光光源更强
X光透射率与材料厚度的关系
衰减的原因：材料对X光的吸收和散射——μ=τ+σ。
结合物质本身的物理量，引入概念：
• 质量衰减系数μm=μ/ρ 原子衰减系数μα=μm·A/NA
• 质量吸收系数τm=τ/ρ
原子吸收系数τα=τm·A/NA