第一章_X射线物理学基础
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无机材料测试技术习题库第一章X射线物理学基础一、名词解释1、特征X射线2、连续X射线3、吸收限（λk）4、光电效应5、俄歇电子6、质量吸收系数7、相干散射8、非相干散射9、荧光X射线10、X射线强度11、AES二、填空1、产生X射线的基本条件、、。
2、X射线的强度是指内通过垂直于X射线方向的单位面积上的。
3、探测X射线的工具是：。
4、影响X射线强度的因素是：。
5、检测X射线的方法主要有：。
6、X射线谱是的关系。
7、吸收限的应用主要是、、。
8、当X射线的或吸收体的愈大时X射线愈容易被吸收。
9、一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：、和。
10、X射线与物质相互作，产生两种散射现象，即和。
11、物质对X射线的吸收主要是由引起的。
三、判断1、入射X射线光子与外层电子或自由电子碰撞时产生相干散射。
2、由X射线产生X射线的过程叫做光电效应。
3、X射线与物质作用，有足够能量的X射线光子激发原子K层的电子，外层电子跃迁填补，多余的能量使L2、L3、M、N等层的电子逸出，这个过程叫做光电效应。
4、由X射线产生X射线的过程叫俄歇效应。
5、连续谱中，随V增大，短波极限值增大。
6、当X射线的波长愈短，或者穿过原子序数愈小的物质时，其吸收就愈大。
7、具有短波极限值的X射线强度最大。
8、具有短波极限值的X射线能量最大。
9、X射线成分分析的理论基础是同种原子发出相同波长的连续X射线。
10、当高速电子的能量全部转换为X射线光子的能量时产生λ0，此时强度最大，能量最高。
11、当高速电子的能量全部转换为X射线光子的能量时产生λ0，此时强度最大。
四、简答及计算：1、什么是莫赛莱定律，莫赛莱定律的物理意义是什么？2、简述特征X射线产生的机理。
3、简述衍射定性物相鉴定的程序。
4、X射线定量分析的基础是什么？5、X射线物相分析有哪些特点？6、试计算空气对CrKα辐射的质量吸收系数和线吸收系数。
假定空气中含有80％（重量）的氮和20％（重量）的氧，空气密度ρ＝0.0013g/cm3。
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。
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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。
材料分析方法部分课后习题答案解析
第一章X 射线物理学基础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、不相干散射、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。
或二次荧光。
⑷指χ射线通过物质时光子的能量大于或等于使物质原子激发的能量，如入射光子的能量必须等于或大于将K 电子从无穷远移至K 层时所作的功W，称此时的光子波长λ称为K 系的吸收限。
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。
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。
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
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
无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁
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
青霉素、B12生物晶体测定
1985 化学
霍普特曼Herbert Hauptman 卡尔Jerome Karle
直接法解析结构
鲁斯卡E.Ruska
电子显微镜
1986 物理 宾尼希G.Binnig
扫描隧道显微镜
罗雷尔H.Rohrer
1994 物理
布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 沙尔 C.G.Shull
X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分辨率； 高强度则可缩短暴光时间
2）旋转阳极靶
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 •高偏振性、高纯净性 •窄脉冲、精确度高 •高稳定性、高通量、 微束径、准相干
M系等依此类推。
依据特征X射线的产生机理：
K，L，…系谱线激发电压VK，VL，…不同，有VK＞VL＞…；
同系各谱线按，…波长顺序减少，如K<K 等。
25
特征谱线的位置只与靶材的原子序数Z有关，而与V和I无关 K<K
25kV 35kV
20kV
特征X射线谱及管电压对特征谱的影响
钼靶K系
26
莫塞菜(Moseley)定律
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
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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
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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
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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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X
光 管 工 作 情 形
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封闭式X射线管
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高功率旋转阳极
电子束 X射线
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加速器中可以引出X射线
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X射线产生必须具备的三个基本条件：
(Ⅰ) 产生自由电子; (Ⅱ) 使电子作定向高速运动; (Ⅲ) 有障碍物使其突然减速;
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小结
一、X射线的产生: 三个基本条件;经典理论和量子理论
解释； 二、X射线的性质:
: 10-12-10-8m、 波动性、 穿透能
力、 沿直线传播; 三、X射线的应用:
晶体结构测定，软、硬X射所有光波是同相的，即峰值都重合，就称之为 相干的(coherent). 不相干的光波(noncoherent)相互 干扰，导致强度的减弱. 在同一方向的射线称为准直的（平行的）collimated beam. 电灯泡的光线是发散的, 射向地球的太阳光基 本是 collimated 。
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具体形式：用高速加速的电子束撞击
阳极靶时，高速电子受到靶原子的阻挡，急 速停下来，其部分动能则以X光的形式释放 出來。高速电子撞击时减少的能量△E 、所 转化出来的X光波长λ，根据爱因斯坦公式 △E＝hν＝hc/λ可表示为：
λ＝ｈc/ △E
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量子原理：高速电子在撞击到原子时，很容
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X-radiation
可见光
g-radiation
Microwaves 微波
UV
IR
无线电波
Radio waves
10-6
10-3
1
103
106
Wavelength(nm)
109
1012
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电磁波谱的本质：电磁辐射按波长顺序排列
高能辐射区 γ射线 能量最高，来自于核能级跃迁
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1912年，德国的Laue第一次成功地进行X射 线通过晶体发生衍射的实验，验证了晶体的 点阵结构理论。并确定了著名的晶体衍射劳 埃方程式。从而形成了一门新的学科—X射 线衍射晶体学。 （1914年获得诺贝尔奖）；
1913年，英国Bragg导出X射线晶体结构分析 的基本公式，既著名的布拉格公式。并测定 了NaCl的晶体结构。（ 1915年获得诺贝尔奖)
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二、教学基本要求
掌握
1. 各种测试技术的基本原理： X-射线衍射技术，电子显微分析技术，热分析技术；
2. 技术的应用：
（1）仪器设备的基本构造与性能； （2）对电子显微分析照片、X射线衍射图谱和热分析曲线等有分 析处理能力；
（3）具有进行物相初步鉴定的能力 （4）各种研究方法与测试技术优缺点。
材料研究与测试方法
管航敏 化学与材料工程工系
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绪论
➢本课程的作用 ➢教学基本要求 ➢考核方式 ➢课程主要内容
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一、本课程的作用
本课程在材料研究领域中起着不同寻常的 作用，它们将材料各专业的核心问题“组 成—结构—性能”有机地联系在一起，从 而实现本专业人才培养的目标。
第一篇 X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础
§1-1 X射线的产生及性质 §1-2 X射线谱 §1-3 X射线与物质的相互作用
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§1-1 X射线的产生及性质
1895年德国物理学家伦琴（1901年 获得首届诺贝尔奖）在研究阴极射线时 发现了X射线，后人为了纪念发现者也称 它为“伦琴射线”。 X射线技术目前在 工业和科学技术中的应用十分广泛，在 材料工业及材料科学中X射线物相分析是 一种重要分析方法。
波长
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
长
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2.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，当其波长在10-12 －10-8m则成X光。
4. X射线的性质
① 是电磁波，具有波粒二象性。 ε=h·ν=h(c/λ) ， P=h/λ； 能被物质吸收，会产生干涉、衍射和光电
效应等现象；与可见光比较，差别主要在波长 和频率。 ② 具有很强的穿透能力，通过物质时可被吸收 使其强度减弱，能杀伤生物细胞。 ③ 沿直线传播，光学透镜、电场、磁场不能使 其发生偏转。
豪普物曼和卡尔勒在50年代后建立了应用X射 线分析的以直接法测定晶体结构的纯数学理论，特 别对研究大分子生物物质结构方面起了重要推进作 用，他们因此获1985年诺贝尔化学奖。
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1.X射线的本质
X射线与无线电波、红外线、可见光、紫 外线γ射线、宇宙射线一样也是一种电磁波或 电磁辐射，它的波长为10-12－10-8m ，在电磁 波谱中位于紫外线与 γ射线之间并与它们部分 相重叠。一般波长短的X射线穿透能力强，称 为硬X射线，反之则称为软X射线。用于晶体 衍射分析常用的X射线波长约在2.5Ǻ到0.5 Ǻ 之间。
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三、考核方式
由于本课程是专业主干课程、学位课程， 所以闭卷且无复习题， 亦实行N+2（一次小论文，一次过程考核，一次 期末考试）， 但期末闭卷考试必须过50分才可通过。 请各位注意！！
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四、课程主要内容
第一篇 X射线衍射分析 第二篇 电子显微分析 第三篇 热分析
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此外，
莫赛莱于1914年发现标识X射线的波长与原子 序数的关系，奠定了X射线光谱学的基础。
巴克拉（1917年，发现元素的特征X射线） 塞格巴恩（1924年，X射线光谱学） 德拜（1936年）、马勒（1946年）、柯马克 （1979年）等人由于在X射线及其应用方面研究而 获得化学、生物、物理诺贝尔奖。
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。
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3.X射线的产生
X-射线：波长0.001-10nm的电磁波 高速电子撞击使阳极元素的内层电子激 发，产生X射线辐射。