第1章x射线的产生
第1章 X-射线原理
X射线衍射应用领域
X射线衍射(XRD)是所有物质，包括从流 体、粉末到完整晶体，重要的无损分析工具。 对材料学、物理学、化学、地质、环境、 纳米材料、生物等领域来说，X射线衍射仪都 是物质结构表征，以性能为导向研制与开发新 材料， 宏观表象转移至微观认识，建立新理 论和质量控制不可缺少的方法。
X射线衍射能解决的问题
电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列
γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波
波长
高能辐射区 γ射线 能量最高，来自于核能级跃迁 χ射线 来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁 可见光 红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 长 无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁
p
h
X射线强度的描述
用波动性的观点来描述：单位时间内通过垂直 于X射线传播方向的单位截面上能量的大小，强度I 与波振幅A 的平方成正比，I＝A2 。 • 用粒子性描述为单位时间内通过单位截面的光 量子数。
•
•X射线的绝对强度难以测定，通常用相对强度值。 例如：衍射峰的相对高低， 照相底板上的明暗程度
这种强度峰的波长反映了 物质的原子序数特征。 所以叫特征X射线峰。 产生特征X射线的最低电 压叫激发电压。
二.特征X射线
特征X射线谱
特征X射线谱的产生
特征X射线谱反映了物质的原子结构特征。原子系统的电子分别分布在原子核 外不同能级的壳层上，离原子核越近的电子能量越低。当阴极来的高能电子把 内壳层中某个电子轰出去后，在原位置上留下空位，使原子系统能量升高，处 于激发态。激发态是不稳定的，外层电子就要向内层空位处跃迁，使系统回到 稳定态。这一过程是高能态→低能态的过程。 如果K层少了一个电子，高 能 L 层的某个电子去补位， 这时能量降为
医学影像物理学__复习大纲整理
医学影像物理学__复习⼤纲整理医学影像物理学复习整理(四种成像技术的物理原理，基本思想等)第⼀章：X射线物理第⼀节：X射线的产⽣医学成像⽤的X射线辐射源都是利⽤⾼速运动的电⼦撞击靶物质⽽产⽣的。
1. 产⽣X射线的四个条件：（1）电⼦源（2）⾼速电⼦流（3）阳极靶（4）真空环境2.X射线管结构及其作⽤（阴极，阳极，玻璃壁）（1）阴极：包括灯丝，聚焦杯，灯丝为电⼦源，聚焦杯调节电流束斑⼤⼩和电⼦发射⽅向。
（2）阳极：接收阴极发出的电⼦；为X射线管的靶提供机械⽀撑；是良好的热辐射体。
（3）玻璃壁：提供真空环境。
3.a.实际焦点：灯丝发射的电⼦，经聚焦加速后撞击在阳极靶上的⾯积称为实际焦点。
b.有效焦点：X射线管的实际焦点在垂直于X射线管轴线⽅向上投影的⾯积，称为有效焦点。
c.有效焦点的⾯积为实际焦点⾯积的sinθ倍。
(θ为靶与竖直⽅向的夹⾓)补充：影响焦点⼤⼩的因素有哪些？答：灯丝的形状、⼤⼩及在阴极体中的位置和阳极的靶⾓θ有关。
4.碰撞损失：电⼦与原⼦外层电⼦作⽤⽽损失的能量。
5.辐射损失：电⼦与原⼦内层电⼦或原⼦核作⽤⽽损失的能量。
6.管电流升⾼，焦点变⼤；管电压升⾼，焦点变⼩。
7.a.标识辐射：⾼速电⼦与原⼦内层电⼦发⽣相互作⽤，将能量转化为标识辐射。
b.韧致辐射：⾼速电⼦与靶原⼦核发⽣相互作⽤，将能量转化为韧致辐射。
6.连续X射线的短波极限只与管电压有关。
且与其成反⽐。
7.X射线的产⽣机制：电⼦与物质的相互作⽤，X射线是⾼速运动的电⼦在与物质相互作⽤中产⽣的。
韧致辐射是产⽣连续X射线的机制。
（1）X射线的穿透作⽤（2）荧光作⽤（3）电离作⽤（4）热作⽤（5）化学和⽣物效应*X射线的穿透作⽤是X射线医学影像学的基础。
第⼆节：X射线辐射场的空间分布1.X射线强度：X射线在空间某⼀点的强度是指单位时间内通过垂直于X射线传播⽅向上的单位⾯积上的光⼦数量与能量乘积的总和。
补充：X射线强度是由光⼦数量和光⼦能量两个因素决定。
第1章 X射线的性质
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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
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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。
1章 X射线
Kα,Kβ,Kγ,Lα,Lβ等辐射线系 的产生
例如，电子从L到K，M到K所引起的K系 辐射定义为Kα、Kβ谱线。依次有L系谱 线、M系谱线等。
******上一讲内容提要******
X射线的性质、产生及产生装置
X射线谱
电磁波（波长、强度），为什么可以进行材料的结构分析，产生条件，产生装置
X射线谱：定义，分类 连续X射线谱：谱的特征，产生条件及产生机理（量子解析），短波限及存在原 因，谱峰位置及强度影响因素。 特征X射线谱：谱的特征，产生条件及产生机理（电子跃迁，能量最小原理）， 临界激发电压， K（α, β, γ）系,L（α, β，γ）系，M系……等辐射线系的产生 及特征 比较两类X 射线产生机理（前者：电子与靶碰撞时以光子形式消耗部分能量；后 者：电子受激跃迁过程中以光子形式释放能量）
Kα等辐射线的双线为何存在？
虽然同一壳层的能量差固定，但是同一 壳层上的电子并不处于同一能量状态， 而分属于若干个亚能级。如L层8个电子 分属于LI，LII，LIII三个亚能级，M层的 18个电子分居五个亚能级等。 不同亚能级上电子跃迁会引起特征波长 的微小差别。
Kα等辐射线的双线为何存在？
第一章 X射线的性质
1-4 X射线谱
连续谱产生的原因： 假设管电流为10mA，则可以计算出 每秒到达阳极靶上的电子数可达 6.25x1016个，如此之多的电子到达靶 上的时间和条件不会相同，并且绝大多 数到达靶上的电子要经过多次碰撞，逐 步把能量释放到零，同时产生一系列能 量为hν的光子序列，即形成连续谱。
原子结构模型——壳层结构
（1）主量子数n： 决定电子的主要能量 当n=1，2，3，4……时 用K ，L，M，N……符号表 示 具有相同n值的电子处于相同的电子壳层； n值大，则电子离核就远。
1-第一章X射线物理课后习题答案
第一章 X 射线物理习题一解答1-1 产生X 射线需要哪些条件？答：首先要有产生电子的阴极和被轰击的阳极靶，电子加速的环境条件即在阴极和阳极间建立电位差，为防止阴极和阳极氧化以及电子与中性分子碰撞的数量损失，要制造压强小于4-Pa 的真空环境，为此要有一个耐压、密封的管壳。
1-2 影响X 射线管有效焦点大小的因素有哪些？答：影响有效焦点大小的因素有：灯丝大小、管电压和管电流、靶倾角。
1-3 在X 射线管中，若电子到达阳极靶面的速度为1.5⨯810ms -1，求连续X 射线谱的最短波长和相应的最大光子能量。
答：此题的思路是由动能公式221v m 求出电子的最大动能，此能量也是最大的光子能量，从而求出最短波长。
但当速度可与光速c=3⨯810ms -1相比较时，必须考虑相对论效应，我们可以用下面公式求出运动中电子的质量此题的结果告诉我们，管电压为73.8KV 。
反过来，如果知道管电压，求电子到达阳极靶表面的电子速度时，同样需要考虑相对论效应。
1-4 下面有关连续X 射线的解释，哪些是正确的？A ．连续X 射线是高速电子与靶物质轨道电子相互作用的结果；B ．连续X 射线是高速电子与靶物质的原子核电场相互作用的结果；C ．连续X 射线的最大能量决定于管电压；D ．连续X 射线的最大能量决定于靶物质的原子序数；E ．连续X 射线的质与管电流无关。
正确答案：B 、C 、E1-5 下面有关标识X 射线的解释，哪些是正确的？A ．标识X 射线是高速电子与靶物质轨道电子相互作用的结果；B ．标识X 射线的质与高速电子的能量有关；C ．标识X 射线的波长由跃迁电子的能级差决定；D ．滤过使标识X 射线变硬；E ．靶物质原子序数越高，标识X 射线的能量就越大。
正确答案：A 、C 、E1-6 影响X 射线能谱的因素有哪些？答：电子轰击阳极靶产生的X 射线能谱的形状（归一化后）主要由管电压、靶倾角和固有滤过决定。
当然，通过附加滤过也可改变X 射线能谱的形状。
第一章 X射线的性质
早期应用（发现后半年）：骨折诊断和定位 铸件探伤 早期应用（发现后半年）：骨折诊断和定位/铸件探伤 ）：骨折诊断和定位 X射线透视技术 射线透视技术
伦琴拍摄的世界上第一 伦琴拍摄的世界上第一 射线照片（ 张 X射线照片（伦琴夫 射线照片 人的手机戒指） 人的手机戒指）
探讨X射线本质的研究基础 探讨 射线本质的研究基础 1911 年，劳埃—光波通过光栅的衍射理论研究 劳埃 光波通过光栅的衍射理论研究 1911 年，爱瓦尔德 可见光通过晶体的衍射行为 爱瓦尔德—可见光通过晶体的衍射行为 1908 年，佩兰 解决了准确测定阿伏加德罗常数。 佩兰—解决了准确测定阿伏加德罗常数 解决了准确测定阿伏加德罗常数。 可计算晶体中一个原子或分子所占空间 的体积及粒子间的距离 粒子间的距离。 的体积及粒子间的距离。 两种假说 X射线是电磁波，应具有衍射现象? 射线是电磁波，应具有衍射现象 射线是电磁波 晶体具有空间点阵结构（规则排列）？ 晶体具有空间点阵结构（规则排列）？ 无法证实！！ 无法证实！！
X射线非相干散射示意图 射线非相干散射示意图
二、 X射线的吸收 射线的吸收 X射线被物质吸收的实质是发生能量转换。这种能量 射线被物质吸收的实质是发生能量转换。 射线被物质吸收的实质是发生能量转换 转换主要包括光电效应和俄歇效应 光电效应和俄歇效应。 转换主要包括光电效应和俄歇效应。 当入射X光子的能量足够大时 光子的能量足够大时， 光电效应 ：当入射 光子的能量足够大时，还可以 将原子内层电子击出使其成为光电子。被打掉了内 将原子内层电子击出使其成为光电子。 层电子的受激原子将产生外层电子向内层跃迁的过 同时辐射出波长严格一定的特征 射线。 辐射出波长严格一定的特征X射线 程，同时辐射出波长严格一定的特征 射线。为区别 于电子击靶时产生的特征辐射， 于电子击靶时产生的特征辐射，由X射线发出的特征 射线发出的特征 辐射称为二次特征辐射，也称为荧光辐射。 辐射称为二次特征辐射，也称为荧光辐射。 俄歇效应：如果原子 层电子被击出 层电子被击出， 层电子向 层电子向K 俄歇效应：如果原子K层电子被击出，L层电子向 层跃迁，其能量差不是以产生K系 射线光量子的形 层跃迁，其能量差不是以产生 系X射线光量子的形 式释放，而是被邻近电子所吸收， 式释放，而是被邻近电子所吸收，使这个电子受激 发而逸出原子成为自由电子-----俄歇电子。 俄歇电子。 发而逸出原子成为自由电子 俄歇电子
第一章X射线衍射基础
而改变了前进的方向，造成散射线，另一部分光子可能被原
子吸收，产生光电效应，再有部分光子的能量可能在与原子
碰撞过程中传递给了原子，成为热振动能量。
1. 相干散射
2. 非相干散射
3. 二次特征辐射（荧光辐射）
真吸收
俄歇效应
光电效应
X射线与物质的相互作用
4. X射线的衰减
当X射线穿过物质时，由于受到散射，光电效应等的影响，强度 会减弱，这种现象称为X射线的衰减。
X射线衍射分析
引言
1895年11月5日，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时，发现了X 射线。
1912年，德国物理学家劳厄等人发现了X射线在胆矾晶体中的衍 射现象，一方面确认了X射线是一种电磁波，另一方面又为X射 线研究晶体材料开辟了道路。
同年，英国物理学家布拉格父子首次利用X射线衍射方法测定了 NaCl晶体的结构，开创了X射线晶体结构分析的历史。
图中之点皆代表晶体结构中相当的质点的中心，其结点间距为a，入射X射 线S0与此行列的交角为0，波长为，假定在S1方向有衍射线，它与行列的 交角为h。
由相邻原子所射出的次生X射线在S1方向上有一段行程差（），这段行程 差可以这样求出：由A、B引AC、BD两线分别垂直于BC、AD，则：
=AD-CB=ABcosh-ABcos0=a(cosh-cos0)=H 由以前可知：只有当行程差等于波长的整数倍时相邻原子所发射出的次生X
特征X射线的产生可以从原子结 构的观点得到解释。
特征X射线的相对强度是由各能 级间的跃迁几率决定的，另外还 与跃迁前原来壳层上的电子数多 少有关。
特征X射线的绝对强度随X射线管 电压、管电流的增大而增大。
第一节放射线的产生及特性2013-11级
化学特性
感光作用
着色作用
生物效应
穿透作用
X线有很强的贯穿本领
由于X线波长短，具有较高的能量，在与物质作用时，物
质对其吸收较弱。
X线的贯穿本领不仅与X线的能量有关，还与被贯穿 的物质本身结构和原子性质有关
同一X线 对原子序数较低的元素所组成的物质，如空气、纸张、木材、水、 肌肉组织等，其贯穿本领较强 对原子序数较高的元素组成的物质，如铅、铝、铜、骨等，贯穿 本领相对较弱 对人体而言，人体不同组织密度和成分的不同，使得X线
当x射线管中的高速电子流射到阳极靶上时， 其中有些电子接近靶的原子能，受到原子 核的强电场阻碍而急剧减速和转向。此时 电子的动能一部分转化为热，另一部分就 转化为x光子而辐射出来。
（二）连续谱
由于各个电子在核电场中受阻的情形不同， 加之转化为热的量值也不一样，从而可辐 射出各种不同波长的X光子。这样就产生了 连续X射线，其能量由小到大，一直到与电 子动能相等的最大值。
重叠在标识谱线上的是连续X射线。 连续谱包括各种波长，任何x射线管都会产生，靶 材料的原子序数越大，连续X射线的强度也越强。
（一）标识谱
标识谱是线状谱，靶的材料决定谱线的波 长，每一种元素都有一套特征射线谱 X射线标识谱是由内层电子受激发所引起
钨靶X射线管发射的X射线谱
（二）连续谱
的热电子流奔向阳极，这些高速电子突然被靶阻止 时，其动能的一部分或全部转化为光能向外辐射， 即X射线。
二、X射线谱
（一）标识谱
（二）连续谱
标识谱和连续谱
x射线谱包括两个主要部分：
强度大且具有特定波长的明线光谱，叫做标识
X射线。
X射线基础
第一章 X射线基础－－ 1.1概述1895年伦琴（W.C.Roentgen）研究阴极射线管时，发现管的对阴极能放出一种有穿透力的肉眼看不见的射线。
由于它的本质在当时是一个"未知数"，故称之为X射线。
这一伟大发现当即在医学上获得非凡的应用——X射线透视技术。
1912年劳埃(M.Von Laue）以晶体为光栅，发现了晶体的X射线衍射现象，确定了X射线的电磁波性质。
此后，X射线的研究在科学技术上给晶体学及其相关学科带来突破性的飞跃发展。
由于X射线的重大意义和价值，所以人们又以它的发现者的名字为其命名，称之为伦琴射线。
X射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长比可见光短得多，介于紫外线与γ射线之间，约为10－2到102埃的范围（图1.1）。
X射线的频率大约是可见光的103倍，所以它的光子能量比可见光的光子能量大得多，表现明显的粒子性。
由于X射线波长短，光子能量大的两个基本特性，所以，X射线光学（几何光学和物理光学）虽然具有和普通光学一样的理论基础，但两者的性质却有很大的区别，X射线与物质相互作用时产生的效应和可见光也迥然不同。
X射线和其它电磁波一样，能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。
但是，在通常实验条件下，很难观察到X射线的反射。
对于所有的介质，X射线的折射率n都很接近于1（但小于1），所以几乎不能被偏折到任一有实际用途的程度，不可能像可见光那样用透镜成像。
因为n≈1，所以只有在极精密的工作中才需考虑折射对X射线作用介质的影响。
X射线能产生全反射，但是其掠射角极小，一般不会超过20'～30'。
在物质的微观结构中，原子和分子的距离（1 ～ 10埃左右）正好落在X射线的波长范围内，所以物质（特别是晶体）对X射线的散射和衍射能够传递极为丰富的微观结构信息。
可以说，大多数关于X射线光学性质的研究及其应用都集中在散射和衍射现象上，尤其是衍射方面。
X射线衍射方法是当今研究物质微观结构的主要方法。
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射线衍射基础
对于一定波长的 X 射线而言，晶体中能产生衍 射的晶面数是有限的
对于一定晶体而言，在不同波长的 X 射线下， 能产生衍射的晶面数是不同的
Bragg方程的应用
根据布拉格公式
若已知晶体结构，可通过测
求入射X射线的波长及波谱 求晶面间距及晶体结构
若已入射X射线波长，可通过测
根据布喇格公式
NaCl 晶体
X-radiation
可见光
Microwaves 微波 g-radiation
无线电波
UV
IR
Radio waves
10-6
10-3
1
103
106
109
1012
Wavelength(nm)
UV:紫外线；IR：红外线
X射线的产生
X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然 减速，或与该物质中的内层电子相互作用而产生的
FHKL结构因数 Phkl：多重性因数 φ （θ ）：角因子： e-2M 温度因数 A（θ ） 吸收因数
四种基本类型点阵的系统消光规律：
判断FHKL是否为零
布拉菲点阵 可能出现的反射 消失的反射
FHKL≠0
简单点阵
底心点阵
FHKL=0
无
H+K奇数
全部
H+K为偶数
体心点阵
面心点阵
H+K+L为偶数
当X射线照射到粉末试样后，总会有足 够多的HKL面满足布拉格方程产生衍射， 衍射线分布在顶角为4θ的圆锥上
多晶体粉末试样衍射圆锥
4 θ1 P 入射线
θ1
O
多晶体衍射的积分强度表达式如下： 4 3 e V 2 2 M I相 I0 2 4 2 F HKL Phkl ( ) e A( ) m c 32R v
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
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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。
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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
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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。
x射线产生的原理
x射线产生的原理
X射线是一种高能电磁辐射，具有很强的穿透能力，因此在医学影像学、工业领域和科学研究中得到了广泛的应用。
那么，x射线是如何产生的呢？本文将从原理的角度进行介绍。
首先，我们需要了解x射线的产生源。
x射线的主要产生源是x 射线管，它由阴极和阳极组成。
当x射线管通电时，阴极产生一束高速电子流，这些电子受到阳极的吸引，因此在电子流与阳极碰撞时就会产生x射线。
其次，让我们来看一下x射线的产生过程。
当高速电子流撞击阳极时，会产生两种不同的辐射，热辐射和特征辐射。
热辐射是由电子与阳极原子核之间的库仑相互作用产生的连续谱辐射，而特征辐射则是由电子与阳极原子内层电子碰撞后产生的。
接着，我们来详细了解一下特征辐射的产生原理。
当高速电子流撞击阳极时，部分电子会与原子内层电子碰撞，使得原子内层电子被激发到一个较高的能级。
随后，原子内层电子会迅速跃迁到较低的能级，释放出能量的同时产生特征辐射。
这种特征辐射具有特定的能量和频率，因此可以用来进行材料成分分析和结构表征。
最后，让我们来总结一下x射线产生的原理。
x射线是通过x 射线管产生的，当高速电子流撞击阳极时，会产生热辐射和特征辐射。
特征辐射是由原子内层电子的跃迁产生的，具有特定的能量和频率，因此在医学影像学、工业领域和科学研究中得到了广泛的应用。
总的来说，x射线的产生原理是一个复杂而精密的过程，它的应用范围非常广泛。
通过对x射线产生原理的深入了解，我们可以更好地应用和控制x射线技术，为医学诊断、材料分析和科学研究提供更多可能性。
希望本文能够对读者们有所帮助，谢谢阅读！。
2.衍射晶体学与衍射原理
劳埃在慕尼黑
劳埃后来又在德国跑了几个不同的地方，也曾回普朗克那里呆过， （可能）由于个人原因，最终他还是回到了慕尼黑。1909年秋天加入 索墨菲(Sommerfeld)在慕尼黑的研究组。
射线晶体学中最基本的公式)看出，第n级衍射的衍射角由下式决
定： sinθn = nλ/2d
• 布拉格方程可以改写为：2(dhkl/n)sinθ = λ，即可以把某一晶面的n
级衍射看成另一假想面(其晶面间距d’hkl =dhkl/n)，这样， 我们仅要 考虑的是一级衍射， Bragg方程可以改写为：
2dsinθ = λ
意沃德对自己的工作一番详细介绍后，劳埃突然问：“如果极短波 长的波穿过晶体，你觉得有可能发生什么现象？”
意沃德打开他的论文，翻到第六段公式7，说：“这个公式显示了 结果，没有作任何近似或忽略，只需要讨论下这个公式在短波长 下的情况。然而，我必须几天内递交论文，准备答辩。非常欢迎 您来讨论这个公式。”
上次课
第1章 X射线(X-ray)的产生及其性质
• 1.1 X射线的产生 • 1.2 X射线的性质及X射线谱 • 1.3 X射线与物质的相互作用 • 1.4 X射线的吸收 • 1.5 X射线的探测与防护
• 实验室获得X射线的方式；
• X射线的本质及X射线谱； • 获得单色X射线的方式，一种方式是选择合适的金属片吸收，
但与光栅不同，晶体中的原子是三维的。的确，三维 光栅这种概念并没有人想到，在当时甚至可以说是疯 狂的想法。
但是，劳埃的直觉告诉他，那一定可以。
在索墨菲反对时，劳埃坚持试一下
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②特征X射线谱
X射线谱
连续谱+标识（特征）谱
连续谱
正如太阳光包含有红、橙、黄、 绿、蓝、靛、紫等许多不同波长的光 一样，从X射线管中发出的X射线也不 是单一波长（单色）的，而是包含有 许多不同波长的X射线。这些波长构 成连续的光谱。
别名：多色X射线 白色X射线 波长（Å） 强度
特 征 谱
连续谱
连续X射线谱
个人贡献 伦琴一生在物理学许多领域中进行过实验研究工作，如对电介质 在充电的电容器中运动时的磁效应、气体的比热容、晶体的导热性、 热释电和压电现象、光的偏振面在气体中的旋转、光与电的关系、物 质的弹性、毛细现象等方面的研究都作出了一定的贡献,由于他对X射 线的发现赢得了巨大的荣誉，以致这些贡献大多不为人所注意。
P h
X射线的产生
高速运动的电子（高能粒子）与物体碰撞时， 发生能量转换，能量转变为X射线。 高能粒子：电子、中子、光子（X射线本身） 等
X射线的产生
X射线产生的基本条件： （1）产生自由电子；
（2）使电子做定向高速运动；
（3）在电子运动的路径上设置使其突然减速的 障碍物。
X射线的产生
钼靶X射线管在某电压下 产生的特征谱线
特征X射线谱产生机理
特征X射线谱产生的机 理与连续谱不同，它的 产生是与阳极靶物质的 原子结构紧密相关。
原子内部的电子分布在 不同的壳层上k、l„
每个壳层上的电子具有 不同的能量ε k、ε l„ ，且ε k＜ε l„
泡利不相容原理
特征（标识）谱产生
L→K跃迁: M→K跃迁: N→K跃迁:
Kα Kβ Kγ
同理, M→L 跃迁: N→L 跃迁: N→M 跃迁:
Lα Lβ Mα
特征X射线谱产生条件
产生某系激发要阴极电子的能量eU
至少等于击出一个 某层电子所作的功（将某层电子变成自由电子所需要的能 量）。
临界激发电压：电子具足够能量把靶原子某一能级上的
1 2 m0 eV 2
m 9.111031 kg
h 6.6251034 Js
p m0
hc 0 eV
c 3 108 m / s e 1.6 1019 C
连续谱强度
X射线的强度是指垂直于X射线传播方向的单位面积
上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。
入射电子
L系激发 Lβ Lα K
K系激发
Kγ
Kβ
Kα
L
M N
释放的能量（Δ E=EL-EK=hν ）以电磁波的形
式放射出去，
其波长λ ＝h/Δ E必然是个仅取决于原子序数 的常数。即特征x射线波长为一定值。 不同原子序数Z，有不同特征X射线，Kα、 Kβ也不同。
谱系命名:
K层电离,电子由其它壳层向K层跃迁产生的X 射线叫K系谱线；跨跃1个能级的标记为α ，2个 能级的标记为β 等。
通常使用热阴极X射线管 被加热的灯丝发射出电子流，在高压电场作用
下，加速飞向阳极。
高速电子流在撞击阳极（靶）时，所携带的动 能部分转变为光量子，以X射线形式发射出来。
产
生---X射线管
真空 X射线 钨丝 玻璃
X射线管由阳极靶和阴极灯丝组成
铜
冷却水
管座（接变压器）
靶（阳极）
X射线 铍窗
聚焦罩
对X射线波动性最完美的研究是德国物理学家劳厄（Laue）
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。
X射线波粒二象性。
后来的科学证明，与可见光一样，X射线具有波 粒二象性。 X射线的本质是一种电磁波。 它既具波动性，又 具有粒子性。 在X射线衍射分析中应用的主要是它的波动性， 反映在在传播过程中发生干涉、衍射作用。 而在与物质相互作用，进行能量交换时，则表现 出它的粒子性，这种微粒子通常称为光子。
短波限
eV h max
hc
1.24 λSWL= nm V
0
式中e——电子电荷， c——光速， ν——频率 V——电子通过两极时的电压降（kv kv） ） 34 6 . 625 10 js h——普朗克常数，h=
试计算用50千伏操作时，X射线管中的 电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的X 射线短波限为多少？
1895年伦琴初次发现x射线 时，拍摄的他夫人手指的x 射线照
1896年1月23日伦琴在他的 研究所作了第一个关于x射 线的学术报告。 1896年，伦琴将他的 发现和初步的研究结果写了 一篇论文“论一种新射线” ，发表在英国的《nature》 杂志上。他的发现在社会上 引起了轰动，也为他赢得了 很大的荣誉。 1910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。
管电流
靶原子序数
强度
↑
↓
↑ － －
↑
λSWL
λM
－
－
↓
X射线管的效率
η=连续x射线的总强度/x射线管的功率
η= =αzv
一般η ≤1%（当用钨靶z=74，管压为100kv，η ≈1%）， 电子能量的99%左右在转变过程中损失掉了。
为了提高效率，选用重金属靶并施以高电压。
特征X射线谱(标识谱) characteristic X-ray
X射线的波动性
X射线的波动性表现在它以一定的波长和频率在空间 传播。X射线的波长在电磁波谱上位于紫外线之后 （图1-1）。 X射线波长的度量单位常用埃（Å） 通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示 它们之间的换算关系为： 1nm=10 Å =10-9m X射线的波长范围： 0.01~100 Å
如图所示的曲线是管电流恒定，管电压从5kV逐渐增加到25kV钼钯X 射线管中发出的X射线谱。 特点： ①曲线均有一个最短波长限λ 0和最大强度 点所对应的波长λ m。最大值一般在1.5λ 0 地方。 ②恒定管电流，逐渐升高电压，λ 0和λ m均 向短波方向移动。 λ 0=1.24/v(nm) ③当电压增加时，各个波长所对应的强度增 加，曲线下所围的面积增加。 i连=
产 生---转靶X射线管
转靶X射线管 常规X射线管功率只 有1-2KW ，大功率转 靶X射线管功率可达 10-30 KW 可显示更多衍射信息 和细节
高功率旋转阳极
电子束
X射线
X射线谱
X射线谱是指X射线强度随波长变化的关系曲线
波长连续变化的X射 线组成
①连续X射线谱
X射线谱
一定波长的若干X射 线叠加在连续X射线 谱上构成
产
生---X射线管
（3）窗口(Be)：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。
（4）冷却系统：当电子束轰击阳极靶时，其中只有1%能
量转换为X射线，其余的99%均转变为热能。因此， 阳极的底座一般高导热性的金属（铜）制作。使用时 通冷却水防止熔化。 （5）焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正
是从这块面积上发射出X射线。
在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将 阳极靶原子的内层电子（如K层的一个电子）击出时，于 是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发 态。 高能级上的电子向低能级跃迁（如L层电子跃迁到K层）释 放能量，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。
高能电子
击出靶的内层电子 出现内层空位 外层电子跃入填充 发射X光子
产
生---X射线管
常用X射线管的结构包括：
（1）阴极：如同一般的灯丝，一 般用钨丝做成。用于产生大 量的电子，是发射电子的地 方。 （2）阳极：亦称靶，是使电子突 然减速和发射X射线的地方。 不同金属制成的靶产生的X射 线是不同的。常用的靶材： Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag。
电子要经历多次碰撞，每次碰撞都转换成波长不相同的 辐射(光子能量不同），于是产生了一个连续的X射线谱
。
短波限
连续X射线谱在短波方向有一个波长限，称为短 波限λ0
它是由电子一次碰撞就将全部能量转换成所产生
的X射线 （数目庞大的电子群中总会有这样的电
子）
λ0只与管电压有关，不受其它因素的影响。（的连续x射线谱 上出现了二个 尖锐的峰 kα (0.071nm) 和 kβ (0.063nm)。
特征X射线谱
随着电压的增大，其强 度进一步增强，但波长 不变，也就是说，这些 谱线的波长与管压和管 流无关。 它与靶材有关。对给定 的靶材，它们的这些谱 线是特定的。因此，称 之为特征x射线谱或标识 x射线谱。 产生特征x射线的最低 电压称激发电压。
电子打掉，从而产生特征x-ray所必须达到的最低电压。
对于同种原子：越接近内层临界激发电压越高
Vk > VL > VM > VN
对于不同种原子：原子序数大的临界激发电压大。
注
意 ：
特征X射线产生存在一个临界激发电压
WK：K层电子的逸出功 VK：阴极电子击出靶材原子K电子所需的临界激发电压
在临界条件下：
1910年第一张诺贝尔物理学奖授予w. k. 伦琴
伦琴 -----全名威廉· 康拉德· 伦琴（1845~1923）， 德国实验物理学家。 ●1845年3月27日生于德国莱茵州雷内普镇。 ● 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。