第一章 X射线的物理学基础
材料分析方法总结
第一章 X 射线物理学基础一、X 射线产生的主要装置和条件 主要装置：阳极靶材、阴极灯丝条件：a. 大量自由电子；b. 定向高速运动；c. 运动路径上遇到障碍（靶材）二、短波限一个电子在与阳极靶撞击时，把全部能量给予一个光子，这就是一个光量子所能获得的最大能量，即：h c/λ=eU ，此时光量子的波长即为短波限λSWL 。
三、连续X 射线（强度公式）大量电子在与靶材碰撞的过程中，能量不断减小，光子所获得的能量也不断减小，形成了一系列由短波限λSWL 向长波方向发展的连续波谱。
连续谱强度21iZU K I四、特征X 射线（莫塞莱定律）当X 射线管两端的电压增高到某一特定值U k 时，在连续谱的特定的波长位置上，会出现一系列强度很高，波长范围很窄的线状光谱，它们的波长对一定材料的阳极靶材有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材的标志或特征，所以称为特征谱或标识谱。
莫塞莱定律：Z K 21) U - U ( i K I m n 3 （Un 为临界激发电压，原子序数Z 越大，Un 越大）五、X 射线吸收（透射）公式——（质量吸收系数：单质、化合物（固溶体、混合物）） 单质 m tm m e I eI I 00化合物ni i mim w 1六、光电效应、荧光辐射、俄歇效应光电效应：当入射X 射线光量子能量等于或略大于吸收体原子某壳层电子的结合能时，电子易获得能量从内层逸出，成为自由电子，称为光电子，这种光子击出电子的现象称为光电效应。
荧光辐射：因光电效应处于相应的激发态的原子，将随之发生如前所述的外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出特征X 射线，称X 射线激发产生的特征辐射为二次特征辐射，称这种光致发光的现象为荧光效应。
俄歇效应：原子K 层电子被击出后， L 层一个电子跃入 K 层填补空位，而另一个L 层电子获得能量逸出原子成为俄歇电子，称这种一个K 层空位被两个 L 层空位代替的过程为俄歇效应。
光电效应——光电子荧光辐射——荧光X 射线（二次X 射线） 俄歇效应——俄歇电子七、吸收限及其两个应用：滤波片的选择、靶材的选择吸收限：欲激发原子产生K、L、M等线系的荧光辐射，入射X 射线光量子的能量必须大于或至少等于从原子中击出一个K、L、M层电子所需的能量W K、W L、W M，如，W K= h K = hc / K，式中， K、 K是产生K系荧光辐射时，入射X射线须具有的频率和波长的临界值。
第一章 X射线的物理学基础-fuxn
本课程内容
第二章 X射线荧光分析-------6学时 1. 概述------1 2. X射线荧光------1 3. XRF光谱仪的结构和工作原理---------1 4. 定性分析---------1 5. 定量分析----------1 6. 能谱分析-----------1
X射线最早的应用
在X射线发现后几个 月医生就用它来为病 人服务
右图是纪念伦琴发现 X射线100周年发行的 纪念封
1-1 X射线的发现
伦琴的发现引起了极大的轰动，以 致于在全世界范围内掀起了X射线研 究热，1896年关于X射线的研究论文 高达1000多篇.对X射线的公布，促使 法国物理学家贝克勒尔也投入到这 一研究领域之中，为了弄清X射线产 生的机制。他想，如果把荧光物质 放在强光下照时，是否在发荧光的 同时，也能放出X射线呢？
本课程内容
第四章 X射线光电子能谱分析-----6学时 1. 概述-----1 2. 分析原理------1 3. 谱线识别-------1 4. 谱峰的位移------1 5. 伴峰和谱峰的分裂-------0.5 6. 定性分析与俄歇峰利用------0.5 7. 定量分析-------------0.5 8. XPS实验方法及应用举例-------0.5
本课程内容
第三章 X射线衍射分析--------10学时 1. 概述-----0.5 2. X射线的产生及其性质-----0.5 3. X射线衍射原理------3 4. X射线衍射方法------2 5. X射线衍射数据------2 6. X射线物相定性定量分析------1 7. X射线分析方法的应用---------1
1-1 X射线的发现
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。
X射线物理学基础
敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
1784年左右研究了空气由O2和N2组成； 确定了水的成分，肯定了它不是元素而是化合物。
X射线的发现像一声春雷，唤醒了沉睡的物理学界。由此而引发了一系 列重大的发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现 代物理学的序幕。 敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
1905年，德国基尔大学 1914年，德国法兰克福大学 的勒纳德。阴极射线。 的劳厄，晶体的X射线衍射。
1915年，英国的亨利·布拉格和劳伦 斯·布拉格，X射线分析晶体结构。
01—X射线物理学基础 中国近代物理学奠基人，生于江西。 1921年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究。 1926年获博士学位。 1928年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长。 1945年10月任中央大学校长。 1950年夏任中国科学院近代物理研究所所长，同年12月起 任中国科学院副院长。 1977年11月30日在北京逝世。
发现硝酸，被称为“化学中的牛顿” ；
1781年制得H2，并证明燃烧之后生成水； 首先提出电势的概念，对静电理论的发展起了重要作用；
发现一对电荷间的作用力和它们之间的距离平方成反比， 即后来库伦定律的一部分；
指出导体两端的电势与通过它的电流成正比，即1827年的
卡文迪许(Henry
欧姆定律；
Cavendish,1731.10.10.～ 1810.3.10.)英国化学家、
连续谱上，会出现一系列强度很
Kβ
高、波长范围很窄的线状光谱，
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。
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。
绪论
K吸收限:对应K电子的激发能,E=0-Ek K特征峰:对应外层电子与K电子的能级差,E=El-Ek
• 滤波片利用此现象: • 滤波片元素的原子序数比 靶的原子序数低1~2.
3。 荧光辐射 由入射X射线所激发出来的特征X射线成为荧光辐射 （荧光X射线，二次X射线） 4。 俄歇效应与俄歇电子 由于光电效应而处于激发态的原子释放能量的一种 方式，即一个K层空位被两个L层空位代替的过程称 为俄歇效应，跃出的L层电子称为俄歇电子，其能量 是吸收体元素的特征。 用途 荧光效应 俄歇效应 用于重元素（z＞20）的成分分析 用于表层轻元素的分析
hν=EL-EK
4. 特征谱线频率
2π me 1 2 1 hν = (z −σ ) ( 2 − 1 ) 2 h n2 n1
2 4
5.
标识谱的强度表达式
I = K 3i (U − U n )
对k系：U n M系：m=2
m
U 式中 K3 为常数， n 为标识谱的激发电压，m为常数
= Uk
K系：m=1.5
3.一个电子的散射:
I 0 µ0 2 e 2 1 + cos 2θ Ie = 2 ( ) ( ) 2 R 4π m
2 2
电子散射因数：
µ0 e 2 fe = ( ) 4π m
1 + cos 2θ f = 2
2
偏振因数：
物质对X射线的散射实质上是物质中电子的散射
4.一个原子的散射
4.
连续谱总强度（I）与u，i，z三者之间的关系
I =∫
∞
λ swl
I (λ )d λ = K 1izU
2
其中K 1 为常数。当X射线管仅产生连续谱时，其效率 η 为：
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。
(完整版)XRD复习题
第一章X射线的物理学基础1.X射线的本质是什么？并请叙述其特征。
答：X射线的本质是电磁波，与可见光完全相同；其波长介于紫外线与γ射线之间，约为0.01—10nm的范围。
X射线的特征：波长短、光子能量大。
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。
2.X衍射实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？答：滤波片的选择: (1)它的吸收限位于辐射源的Kα和K β之间，且尽量靠近K α。
强烈吸收Kβ，K吸收很小；(2)滤波片的厚度以将Kα强度降低一半最佳。
Z靶<40时Z滤片=Z靶-1；Z靶>40时Z 滤片=Z靶-2；阳极靶的选择:（1）阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限；（2）试样对X射线的吸收最小。
Z靶≤Z试样+1。
（1）X衍射仪常采用Cu靶，Cu的特征X射线及其波长为，需要用滤波片或单色器去除，用软件去除。
（多选题）aＫα１，1.5406埃；b Ｋα２，1.5444埃； c Ｋβ，1.392埃答案：a, c, b（2）X衍射选用Cu靶，相配的滤波片为(单选题)a Cub Fec Nid Al答案：c由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：、。
X衍射物相分析利用的是在晶体中的衍射。
a连续X射线b特征X射线答案：a b b 或b a b（3）判断对错。
用X衍射仪测一个以Fe为主要成分的样品，合适的X射线管和合适的滤波片是Cu靶和Ni滤波片。
（错）第二章X射线的晶体学基础一、晶体的定义是什么？请叙述其晶体的特点。
答：晶体的定义：内部质点在三维空间有规则排列的物体。
晶体的最明显特征是内部质点在三维空间作有规律的重复。
晶体的特点是：a 、均一性：指在宏观观察中，晶体表现为各部分性状相同的物体b 、各向异性：晶体在不同方向上具有不同的物理性质c 、自限性：晶体物质在适宜的外界条件下能自发的生长出晶面、晶棱等几何元素所组成凸多面体外形d 、固定熔点：晶体具有固定的熔点e、对称性：晶体的理想外形、宏观性质以及微观结构都具有一定的对称性g、最小内能二、晶体有四大空间格子类型、七大晶系，请具体说出其名称及其特征。
第1章 X射线的物理学基础
同步辐射光的特性
• 可精确预知：同步辐射光的光子通量、 角分布和能谱等均可精确计算，因此它 可以作为辐射计量———特别是真空紫 外到 X射线波段计量———的标准光源。 • 此外，同步辐射光还具有高度稳定性、 高通量、微束径、准相干等独特而优异 的性能。
• 已运行的SR装置 70~ 80多个 • 正在建设和计划中 ~ 20多个 • 关于世界各地同步辐射装置的状况详细信 息可以从下列两个网站得到： /SRWORLD/index.html • http: ///srsources.html • （SR装置的水平是国家经济实力的标志）
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。
1.1.2 X射线的产生
• 大量实际所用X射线是由X射线管产生的， 不论是探伤用X光机还是照相法用的X光机 和X射线衍射仪， • 都包括：高压发生器（包括整流部分），控 制线路、X射线管及探测记录系统。其中， X射线管和探测记录系统是X射线仪特有的。 • 本节主要介绍X射线管，而探测系统将在后 面的章节里讨论。至于高压发生器和控制部 分属于一般电气装置，可查阅有关电工书籍。
• • • •
X射线的性质： 1）X射线能使照相底片感光； 2）X射线有很大的贯穿本领； 3）X射线能使某些物质的原子、分子电 离； • 4）X射线是不可见光，它能使某些物质 发出可见光的荧光； • 5）X射线本质上是一种电磁波，同此它 具有反射、折射、衍射、偏振等性质
1-1 x射线物理基础
1.2、X 射线的本质
粒子流？电磁波？
第一节
X射线物理基础
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。
爱因期坦称，劳厄的实验是“ 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。
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 无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁
波长
长
X射线粒子性： X射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流 构成的。它具有一定能量和动量。 能量ε和动量p与X射线光子的频率v和波长λ之间的关 系如下： ε＝hv=hc/λ p＝h/λ h为普朗克常数，为 c 为光速，为
特征X射线的产生遵从光谱选律。
27
特征X射线的多重线系
K 1：L2 K
K 2：L3 K
K射线的双重线K1与K2(钼靶)
28
1.5 X射线与物质的相互作用
X射线激发俄歇电子能谱
医学上透视 X射线衍射 X射线光电子能谱 X射线荧光光谱
X射线与固体物质的相互作用
若X射线照射(气态)自由原子，原子内层电子吸收辐射向高能级跃迁是X 射线吸收光谱分析方法的技术基础。
3、同步幅射X射线源
速度接近光速的带电粒子在磁场中作圆周运动时， 会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。
•频谱宽且连续可调 •亮度高、高准直度
材料分析方法 周玉 第二版
第一章 X 射线物理学基础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（Kα），用图解法验证莫塞莱定律。
（答案略）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？答：1.5KW/35KV=0.043A。
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。
答：因X 光管是Cu 靶，故选择Ni 为滤片材料。
查表得：μ m α ＝49.03cm2／g，μ mβ ＝290cm2／g，有公式，，，故：，解得:t=8.35um t6、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？答：eVk=hc/λVk=6.626×10-34×2.998×108/(1.602×10-19×0.71×10-10)=17.46(kv)λ 0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm)其中 h为普郎克常数，其值等于6.626×10-34e为电子电荷，等于1.602×10-19c故需加的最低管电压应≥17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。
7、名词解释：相干散射、非相干散射、荧光辐射、吸收限、俄歇效应答：⑴ 当χ 射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，受迫振动产生交变电磁场，其频率与入射线的频率相同，这种由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。
⑵ 当χ 射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射χ 射线长的χ 射线，且波长随散射方向不同而改变，这种散射现象称为非相干散射。
⑶ 一个具有足够能量的χ 射线光子从原子内部打出一个K 电子，当外层电子来填充K 空位时，将向外辐射K 系χ 射线，这种由χ 射线光子激发原子所发生的辐射过程，称荧光辐射。
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
延展，强度越来越弱
存在最短波长(λ min)
20kV
0.06 0.08 0.10
波长(nm) 钨靶较低管电压连续X射线发射谱
第一章 X射线物理
24
二、X射线产生机制
光子能量的最大极限(hmax)等于入射电子在X射线管 加速电场中所获得的能量eU（电子直接撞击原子核，损失 全部动能），即
h max eU
31
一、X射线强度
1. X射线强度(x-ray intensity)
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 向上的单位面积内的X光子数量与光子能量乘积。
单能X射线的强度I 为： 多种光子组成的线状谱强度为： 连续X射线能谱的强度为：
I N h
I N i h i
6
第一节 X射线基本性质(特性)
电中性，具有电磁波的共性，是一种横波，在真空中传播速度与光
速相同。可用波长、频率来描述，并有反射、干涉、衍射等现象。波长
极短、频率极高，是高能不可见电离辐射线，与物质作用时突出表现出 的是它的粒子特性。此外，X射线有以下基本特性。
一、穿透本领
由于X射线波长短，能量高
易透性组织 中等透射 性组织 结蒂组织 肌肉组织 软骨 血液 不易透射性 组织
i
I
Emax
E N ( E )dE
0
诊断中
连续X射线总强度
I c K1iZU
n
第一章 X射线物理
32
一、X射线强度
2. X射线的量与质 X射线的量(x-ray quantity) 表示X射线束中的光子数，由管电流与照射时间的乘积间 接表示，通常以毫安秒(mA· s)为单位。 X射线的质(x-ray quality) 又称线质，表示X射线的硬度，即穿透物质本领的大小。 由管电压和滤过间接表示。通常以千伏数（kV）为单位。
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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2010-3-9
2. X射线的产生
(1)产生原理； (2)产生条件； (3)过程演示； (4) X射线管；
制作：艾云龙
2010-3-9
2. X射线的产生
产生原理
高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的 运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变 为X射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物 体温度升高。
近代材料研究方法
艾云龙
2010-3-9
绪论
材料：你们最关心的是什么？ 性能：你认为与哪些因素有关？ 结构：有哪些检测分析技术？ 2010-3-9
制作：艾云龙
绪论
制作：艾云龙
2010-3-9
绪论
制作：艾云龙
2010-3-9
绪论
制作：艾云龙
Hale Waihona Puke 2010-3-9绪论
制作：艾云龙
2010-3-9
绪论
产生条件
1.产生自由电子； 2.使电子作定向的高速运动; 3.在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或 停止。
制作：艾云龙
2010-3-9
（回车键演示） 过程演示
X射线 冷却水 电子 接变压器 金 属 靶 X射线 铍窗口 X射线管剖面示意图 金属聚灯罩
制作：艾云龙
玻璃
钨灯丝
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X射线管
μm---质量衰减系数
表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。 3 3 质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系： μ m ≈ Kλ Z K为常数 表明，当吸收物质一定时，X射线的波长越长越容易被吸收，吸收体 的原子序数越高，X射线越容易被吸收。
制作：艾云龙
2010-3-9
4.X射线与物质相互作用
Wk K系激发
Lβ Lα Kβ
K态（击走K电子）
Wl
Kγ
Ka 辐 射 激 发 激 发 K L
Kβ
辐 射 辐 射 L
L态（击走L电子）
L系激发
K L M N
Kα
Wm Wn
N态（击走N电子）
击走价电子
0
中性原子
标识X射线产生过程
制作：艾云龙
2010-3-9
K系激发机理
K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K 层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生Kα辐射；M层电 子填充空位时产生Kβ辐射。 由能级可知Kβ辐射的光子能 量大于Kα的能量，但K层与L 层为相邻能级，故L层电子 填充几率大，所以Kα的强度 约为Kβ的5倍。 产生K系激发要阴极电子的 能量eVk至少等于击出一个K 层电子所作的功Wk。Vk就是 激发电压。 2010-3-9
制作：艾云龙
Kα
I μm Kα
λ 2010-3-9
4.X射线与物质相互作用
滤波片的选择:
(1)它的吸收限位于辐射源的Kα和Kβ之间，且尽量靠近Kα。 强烈吸收Kβ，K吸收很小； (2)滤波片以将Kα强度降低一半最佳。 例如在研究纯铁时，最 Z靶<40时: Z滤片=Z靶-1； 好选用钴钯或铁钯，而 Z靶>40时: Z滤片=Z靶-2。 不能用镍钯，更不能用
2010-3-9
3.X射线谱
X射线谱可分为两部分： 1）连续X射线谱； 2）标识（特征）X射线谱。 连续X射线谱
具有连续波长的X射线，构 成连续X射线谱，它和可见光相 似，亦称多色X射线。 产生过程； 产生机理； 短波限； X射线的强度。
相 对 强 度 I
连 续 X 射 线
特征X射 线
λmi
n
制作：艾云龙
min
∞ I 连续 = ∫λ I (λ )dλ = KiZV 2
当增加x射线管压时，各种波长射线的相对强度一致增高，最大强度X射线的波 长λmax和短波限λmin变小； 当管压保持恒定、增加管流时，各种波长X射线的相对强度一致增高，但λmax 和λmin数值大小不变 当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随靶元素的原子序数增加
2)非相干散射。
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。 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。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。
制作：艾云龙
2010-3-9
4.X射线与物质相互作用
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。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这 个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应。 1)光电效应 以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子称为光电 子，辐射出的次级标识X射线称为荧光X射线。 产生光电效应，X射线光子波长必须小于吸收限λk。 2)俄歇效应 原子在入射X射线光子或电子的作用下失掉K层电子，处于K激发态； 当L层电子填充空位时，放出EK-EL能量，产生两种效应： (1) 荧光X射线； (2) 产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子——俄歇电子。
n
当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压的3～5倍时，连续 谱造成的衍射背影最小。
制作：艾云龙
2010-3-9
几种常用阳极靶材料的特征谱参数 K系特征谱波长（埃） 阳极靶 元素 Cr Fe Co Ni Cu Mo 原子序数 Z 24 26 27 28 29 42 Kα 2.29100 1.937355 1.790262 1.659189 1.541838 0.710730 Kβ 2.08487 1.75661 1.62079 1.500135 1.392218 0.632288
封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管。 基本组成包括： (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 (2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的 地方。 (3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。 (4)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。
制作：艾云龙
制作：艾云龙
2010-3-9
4.X射线与物质相互作用
X射线的衰减规律 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中的 距离成正比。式 I x − I x + dx dI x = = − μdx Ix Ix
I H = I 0 e −( μ / ρ )ρH = I 0 e − μ m ρH
(1)波动性； (2)粒子性。 解释X射线的传播过程（干涉、衍射等）时，将其看作 波，用波长λ、频率ν、振幅E0和传播方向来表征。 考虑X射线与物质的相互作用时，将其看作微粒流，具 有能量E和动量P。
E = hν = h
二象性公式：
c
λ
P=
h
λ
r = hK
r 1 h为普朗克常数，K =
λ
称为波矢
2010-3-9
μm与λ的吸收曲线关系如图所示
•μm随λ的变化是不连续的
其间被尖锐的突变分开。 其中一些突变对应于相应 的波长称吸收限， 与K层 电子对应的吸收称为K吸 收限。 • 吸收限与光电吸收有关。 存在K、L、M系等吸收限 系。
制作：艾云龙
2010-3-9
4.X射线与物质相互作用
吸收限的应用
吸收限主要是由光电效应引起的：当X射线的波长等于或小于λ时光子 的能量E到击出一个K层电子的功W，X射线被吸收，激发光电效应。使 μm突变性增大。 吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有三个副层，有三个吸收限。 X射线滤波片 •利用吸收限两边吸收系 数相差悬殊的特点，制作 滤波片，以获得单色X射 线。 •选适当材料，使其K吸收 限位于所用的Kα与 Kβ之 间，则Kβ大部被吸收； Kα损失较小。 I μm Kβ Kβ λ
制作：艾云龙
2010-3-9
连续X射线谱
存在短波极限，对应于能量 为eV的电子将能量全部转换 为光量子的能量
eV = hν =
hc
λmin
λmin
12.40 o = (A) V (kV )
管电压越高， λmin越短。
制作：艾云龙
2010-3-9
连续X射线谱
连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳 极靶发射出的X射线的总能量。 连续X射线谱的总强度（能量）：
产生过程； K系激发机理 ； 莫塞莱定律； 标识X射线的强度特征。 2010-3-9
制作：艾云龙
特征X射线谱
标识X射线产生过程
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。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射 出标识X射线谱。
λ
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连续X射线谱
Wk K态（击走K电子）
Wl 原 子 的 能 量 Wm Wn
L态（击走L电子）
0 电子冲击阳级靶
N态（击走N电子） 击走价电子 中性原子
连续X射线产生过程
制作：艾云龙
2010-3-9
连续X射线谱
产生机理
能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以 光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X 射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经 历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。
制作：艾云龙
特征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：