第一章 X射线的性质

4.Kα线与Kβ线
• ⑴ K系激发—K层电子被击出的过程，同理有L 系激发，M、N系激发； K系辐射—外层电子向K层跃迁引起的辐射。 （还有L、M、N系等辐射） • ⑵ K α —L层电子向K层跃迁辐射出的射线（跨 越一个能级）； K β —M层电子向K层跃迁辐射出的射线（跨 越两个能级）； 即：下标α、β分别指跨越了一个能级、两个能 级。
η= 连续X-ray总强度（I连)/ X-ray管功率(iU)= K1ZU
当Z=74（钨）V=100kv时， η =1%（其余99%为热量） 由于K1是很小的数，所以X-ray的效率很低，应尽量选 用重靶（z大），及高电压。
二）、特征X-ray谱
• 1.特征X-ray：在连续谱上，当管电压大 于某个临界值Uk，连续谱线上会出现尖 锐的强度峰，该峰值对应波长只与靶的 原子序数有关，而与管电压无关，因这 种强度峰的波长反映了物质的原子序数 特征，故称特征X-ray。 • 由特征X-ray构成的谱线称之为特征Xray谱。 • 产生特征X-ray的最低电压称之激发电 压。
。
• 3.
X-ray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，可被物 质吸收而使强度减弱，它还可使气体 电离，激发荧光效应，能杀死生物细 胞和组织等，从而可用于晶体结构分 析、元素分析、医疗透射照相、工业 探伤等方面。
三 X-ray的波动性和粒子性
1.波动性 a. X-ray的波动性表现在以一定的频率和波 长在空间传播； b. 在传播过程中发生干涉、衍射等过程。 2.粒子性 a. X-ray的粒子性表现在它是由大量的不连 续粒子流构成的，这些粒子流称为光子。 b. X-ray以光子的形式辐射和吸收时具有质 量、能量和动量。 c. 与物质相互作用并交换能量。
• •
二 X-ray的本质
• 1.属于电磁波或电磁辐射，同时具有波动 性和粒子性特征；
传播时同时具有电场分量E和磁场分量H，但磁场 分量与物质的相互作用很弱，因此在分析应用中只考 虑其电场效应。
• 2.波长较可见光短，约在0.01~10nm左右；
波长单位：a.法定波长单位为 nm b.波长的其余单位:x单位或kx单位 1kx=103 x=1.002056±0.000005Å 波长范围：在10-2 ~102 Å 之间。 波长较短的（能量高）称为硬X-ray；波长较长（能 量低）称之为软X-ray.
X-ray谱图
图 连续X射谱
3 连续谱的特点:
1) x-ray 的强度在λm处有一最大值； 2) 存在短波限λSWL：在连续谱上有一 最短波长λSWL，为短波限。 产生原因：能量为eU的电子经一次 碰撞，将其能量全部转化为X-ray 光量子，此光子的能量最大，故波 长最短。 • eU=hc ／λSWL • λSWL =1.24／U（m）
c.窗口 窗口是X射线射出的通道。通常窗口有两个 或四个，窗口材料要求既要有足够的强度以维持管内 的高真空，又要对X射线的吸收较小,玻璃对X射线的 吸收较大，所以不用，窗口常用材料是金属铍，有时 也用硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。
图 X射 线管剖 面示意 图
2.对X-ray管的几个要求
• a.阴极灯丝外加聚焦罩，起到聚焦电子束 的作用； • b.由于电子束轰击时只有1%能量转化为Xray；而99%转化为热能，故阳极靶必须固定在 高导热性的金属上（黄铜或紫铜），并通冷却 水防止靶熔化； • c.焦点的设置：焦点是阳极靶表面被电子 束轰击出的一块面积，也是X-ray产生的地方， 焦点的尺寸和形状是X-ray管的重要特性之一。
第一章 X-ray的物理学基础
§1.1 X-ray的本质 §1.2 X-ray的产生及X-ray谱 §1.3 X-ray与物质的相互作用
一 X-ray的发现
•
X-ray是由德国物理学家伦琴在1895 年偶尔发现的。 因为当时对其特性和本质上无了解， 故取名为X射线，也叫伦琴射线。 从1895~1897年间，伦琴潜心研究Xray的产生、传播、穿透力等大部分特 性。从而使他在1901年获得诺贝尔物理 奖。
• 2.特征X-ray产生机理： • a.原子核外电子遵从包利不相容原理和能量
• 最小原理，最先填充能量最低轨道，依次向外排（K、 L、M、N、O、P、Q）； • b.当外来电子能量大到将原子核外某壳层电子击出去， 或内层电子获得能量填充到未满的高能级上； • c.此时原子处于激发态（不稳定态），外层电子向内 层跃迁，多余的能量便以X-ray光量子的形式辐射出来； • d.由于不同Z值的物质，各原子能级所具有的能量是 固定的，所以 △EkL=EL-Ek=hc/λ是定值 所以λ只与εL-εk, 即只于Z有关
hv hc /
KL
，能量
差与波长成反比，故电子由M→K层跃迁时所产生的Kβ射线的 波长较L→K层跃迁产生的Kα射线波长要短。另外，因为电子 由L→K层跃迁的几率比由 M→K层跃迁的几率大5倍左右的缘 故，使得Ikα/Ikβ≈5/1。
从能量转换的观点看， X-ray与物质相互作 用分为三个能量转换过程：散射能量、吸收能 量（真吸收转换成俄歇效应、光电效应、正电 子吸收）、透过物质。 一. X-ray射线的散射 散射：光子与电子或原子核相遇，运动方向 发生改变，称为散射。 物质对 X-ray的散射主要是核外电子对Xray的散射（核对电子的散射很差）分为相干 散射和非相干散射。
• 3.临界激发电压存在的原因：
• 外来电子要激发出原子核外电子，必须使 该核外电子获得足够能量挣脱原子核对其束缚 力，即外来电子的能量必须大于或等于该核外 电子的逸出功Wk,或该电子与原子核的结合能Ek 对k层电子：即eU≥ -Ek=Wk 临界条件eUk=-Ek=Wk Uk便为将K层电子激发出所需的最小 电压，即激发电压。 同理 UL…L… Um … M …
什么是Kα、Kβ，为什么λkα>λkβ,Ikα/Ikβ≈5/1? 答 ： 由 于 原 子 系 统 中 不 仅 各 能 级 的 能 量 不 同 （ εK<εL<ε
M……），各能级间的能量差也不是均匀分布的，愈靠近原子
核的相临能级间的能量差愈大，故由于K→M层上电子能量差 大于K→L层上的电子能级差。因为
6.特征谱的强度
I特＝K3i(U-Un)m K3、m为常数；Un为激发电压
7.X-ray管工作电压的选择
在多晶材料的衍射分析中总希望应用以 特征谱为主的单色光源，即尽可能高的I 特/I连，当I特/I连取得最大值时，U/UK=4, ∴ U (3～5）UK
为什么特征X-ray的产生存在临界激发电压？
• ⑶由于:Kα为L→ K辐射，Kβ为M→K辐射，
故λ Kβ < λ Kα ，但L→ K辐射几率大， ∴ Kα强度大于Kβ强度（约5倍左右）。
• 5.莫塞莱定律：
• 总结了特征X-ray的频率和波长只与靶的原子 序数有关（即阳极靶的能级结构有关），而与 外界因素无关，用关系式表示： μ =k2(z-σ) 其中k2、σ均是与靶材有关的常数。 • 利用莫塞莱定律可用于物质原子序数测定（X 射线荧光分析）。
散射线 v, λ X—ray ●
V,λ
(物质中的电子)
2.非相干散射（康普顿-吴有训效应，也称 量子散射） 当X-ray光子与束缚力不大的外层电子 或金属晶体中自由电子碰撞时（金属中 自由电子是 共有化的），这个电子会被 撞离原运行方向，并且带走光子的一部 分能量成为反冲电子，原来的光子也损 失一部分能量而使λ增大，并与原方向偏 离2θ角（根据能量守恒定律，散射光子 和反冲电子的能量之和等于入射光子的 能量）。
二、 X-ray管
X-ray管主要由阴极、阳极、窗口构成，如图所 示
a.阴极 阴极的功能是发射电子.它由钨丝制成，在通 以一定的电流加热后便能释放出热辐射电子。
b.阳极 阳极又称之为靶(target)。是使电子突然减速 并发射X射线的地方。常用靶材主要有Cr、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Mo、 Ag、 W等，在软X射线装置中常用Al 靶。
3)连续谱受管电压U、管电流i、阳 极靶材原子序数Z的作用；
a. U↑ (i、Z不变），连续谱各波长强度↑，各 曲线最大值对应的λm和λSWL都向短波方向移动。 原因： ⑴管压U↑，发射电子能量eU↑，电子碰撞传 递能量↑,光子能h =hc/λ ↑,故λ ↓； ⑵连续谱的峰值代表该峰值对应的波长的Xray光量子的数目最多，也就是产生该波长的 X-ray光量子的几率最大，峰值在λ =1.5λ SWL 处；
§1.2 X-ray的产生及X-ray谱
一 、 X-ray的产生
X-ray是由高速运动着的带电粒子与某种物质相撞 击后突然减速，且与该物质中的内层电子相作用而产 生的。 X-ray的产生需要有几个基本条件：
1.产生并发射自由电子；
2.迫使自由电子作定向高速运动； 3.在电子运动的路径上设置使其减速的障碍物。 。
1.相干散射（弹性散射或汤姆孙散射，也称经典 散射）
X-ray与原子中束缚较紧的内层电子相撞，光 子将能量全部转给电子，电子获得能量后发生受 迫振动（绕其平衡位置），振动频率与入射Xray相同，向四周辐射出新的电磁波，叫做X-ray 散射波。 入射波是单向的（或偏振的），但散射波射 向四面八方，同一方向上各散射波符合相干条件 （λ、γ相等，位相差恒定）—称为相干散射。 原来的光子由能量消失，而随之消失。
非相干散射（康普顿-吴有训效应）
图 X射 线非相 干散射
散射波波长的增大可通过下式计算： △λ= λ’- λ≈0.0024(1-cos2θ )( nm) 由于散射波与入射波波长不同，位相也 不存在确定的关系，因此不能产生干涉，叫 非相干散射。
3.波动性和粒子性之间的关系
X-ray的能量、动量与波长之间的关系
ε = h=hc／λ p=h／λ
λ 越短， X-ray的能量越大。 其中： h ——普朗克常数 6.625×10-34 J·s c —— 光速 2.998×10 8 m/s
4.X-ray的强度
⑴ 用波动性观点： X-ray的强度为 单位时间内通过垂直于传播方向的 单位截面上的能量的大小。 ⑵ 用粒子性的观点： X-ray的强度 为单位时间内通过单位截面的光量 子的数目。 因此强度的单位是J／m2.s，但 强度的绝对值难以测定，通常用相 对值。
图 靶的焦点形 状及接收方向
在X-ray衍射中希望有较小的焦点和较强 的强度，这样可以提高分辨率和缩短曝光时 间。 焦点的形状取决于灯丝的形状，通常在 与靶面成3~6度角的方向上接受X-ray，可缩 小焦点。
三、X-ray谱
X-ray 的强度 —— 垂直于 X-ray 传播方向的单位面积
上在单位时间内光量子数目的能量总和。
1 mv eV ，阳极 2 射出来的电子欲击出靶材原子内层电子，比如K层电子，必
答：由阳极射出来的电子的动能为
2
须使其动能大于 K层电子与原子核的结合能 Ek或K层电子的 逸出功Wk,即eV≥-Ek=Wk,临界条件下即eVk=-Ek=Wk. Vk即是 阴极电子击出靶材原子，K层电子所需的临界激发电压，阳 极靶的原子序数越大，所需临界激发电压值也越高。
X-ray 谱 ——X-ray 的强度随波长而变化的关系曲线。
连续X-ray谱：具有连续的波长分布（波长范围从
某一短波限λSWL开始至波长无穷大）。
Fra Baidu bibliotekX-ray谱
特征X-ray谱：一定波长的若干特强的X-ray，
迭加在连续X-ray谱上构成的。
一）连续X-ray谱
• 1.连续X-ray谱：在管压很低，小于20kv时强 度-波长曲线是连续变化的，故称为连续Xray谱。 • 2 连续X-ray谱的产生：高速运动的电子达到 靶面，能量为eU的电子与靶的原子整体碰撞 时，电子失去能量，一部分以光子的形式辐 射出去，每碰撞一次产生一个能量为h的光 子，多数电子要经过多次碰撞，逐步释放能 量。产生的光子的能量会形成一个序列，即 形成连续谱。
b. i↑ (U 、Z不变），连续谱各 波长强度↑，但λm和λSWL不变。 c. Z↑ (U 、 i不变)，连续谱强 度↑，但λm和λSWL不变。
4、一定条件下发射的X-ray连续谱总强 度决定管于电流i、管电压U、靶原子 数Z，它们之间有下述经验公式：
I连=K1iZU2 K1为常数
5、X-ray管发射X-ray效率