特征X射线波长表-周期表
X射线 穿透
X射线穿透(2011-10-07 15:28:12)转载标签：教育X射线的特征是波长非常短，频率很高，其波长约为（20～0.06）×10-8厘米（2——0.006nm）之间。
X射线波长略大于0.5纳米的被称作软X射线。
波长短于0.1纳米的叫做硬X射线。
硬X射线与波长长的（低能量）伽马射线范围重叠，二者的区别在于辐射源，而不是波长：X射线光子产生于高能电子加速，伽马射线则来源于原子核衰变。
X射线谱波长大致介于700～0.1埃范围内的电磁辐射。
在X光管中阴极发射出的电子经高电压加速轰击阳极靶产生的X射线谱有两种。
一种是连续谱，与靶材料无关，是高速电子受到靶的抑制作用，速度骤减，电子动能转化为辐射能，这种过程称为轫致辐射，电子进入靶内的深度不同，电子动能转化为辐射能有各种可能值，因而X 射线的波长是连续变化的，其中最短的波长满足hc／λ0=eV，测定了最短波长λ0和加速电压V可确定h ，是早年测定普朗克常量h的一种方法。
一般最短波长和最长波长相差1.3倍。
例如：计算430kv电压下的最短波长λ0=hc／ev=6.6260693(11)×10^-34 *3×10^8/（1.6*10^-19 *430000）=2.89×10^-12m即0.00289nm另一种是X射线线状标识谱，与加速电压无关，而与靶材料有关。
不同靶元素的X射线标识谱具有相似的结构，随着靶原子的原子序数Z的增加，只是单调变化，而不是周期性变化。
标识谱的这一特征表明它是原子内层电子跃迁所产生的。
当高速电子轰击靶原子，将原子内层电子电离，内层产生一个电子的空位，外层电子跃迁到内层空位所发出的电磁辐射谱线就是标识谱。
周向辐射制冷携带式X射线机 XXH-3506，XXHZ-3506适合用于较厚的铁板及大管径焊缝检测，可一次曝光完成一周焊缝检测.型号输出电压(kv)输入(kw)焦点尺寸(mm)辐射角度最大穿透（A3mm）透照时间（s）XXH-3506 180～350 3.4 1.0×5.025+5°55mm 5 XXH-3506 180～350 3.4 1.0×5.025+5°65mm 10 XXHZ-3506 180～350 3.4 1.0×5.030+5°50mm 5 XXHZ-3506 180～350 3.4 1.0×5.030+5°60mm 10定向辐射制冷携带式X射线机XXQ-3506适合较厚的铁板、铝、橡胶等材质检测，可以获得满意的成像质量和清晰度.型号输出电压输入（kw）焦点尺寸（mm）辐射角最大穿透透照时间(kv) 度(A3mm）（s）XXQ-3506 180～350 3.4 2.8×3.040+5°60mm 5分钟XXQ-3506 180～350 3.4 2.8×3.040+5°70mm 10分钟射线高级计算题1.将两块薄板并列在一起进行射线透照，设其中一块薄板材料质为A，厚度为TA，另一块材质为B，厚度为TB，若A、B的底片黑度分别为DA和DB,试证：DA-DB=0.3GAB(TB/HB-TA/HA) (HA,HB--A,B的半价层，GAB--胶片在DA和DB 之间的平均梯度,又假定是单一波长Χ射线,且为薄板，散射线影响可忽略不计) 证:设无吸收体时的X射线强度为I0,透过厚度TA,TB后的X射线强度分别为IA,IB,则:IA=I02(-TA/HA)--(1), IB=I02(-TB/HB)--(2),(1)÷(2)得:IA/IB=2[(TB/HB)-(TA/HA)]lgIA-lgIB=[(TB/HB)-(TA/HA)](lg2)=0.3[(TB/HB)-(TA/HA)]--(3),∵G AB= (DA-DB)/(lgIA-lgIB)∴DA-DB=GAB(lgIA-lgIB),代入(3)得:DA-DB=0.3GAB(TB/HB-TA/HA)2.已知γ光子的波长λ为0.35A，求此波长下γ光子的能量为多少电子伏？解：∵E=hν=hc/λ=12.395/λ ∴E=12.395/λ=12.395/0.35=35414.3ev3.当阳极靶采用钨（Z=74）,管电压为350KV，管电流10mA，求X射线的转换效率是多少？（η=1×10-9）解：∴η=ηzv=1×10-9×74×350000=0.0259=2.59% ∴X射线的转换效率为2.59%4.当X射线的最短波长是0.5A，试求最大波长？解：λmax=1.3λmin=1.3×0.5=0.65A5.在某管电压下产生的X射线穿过某物质其半值层为o.5cm，则它的十分之一值层是多少？解：半值层0.5cm时，μ=(ln2)/0.5=1.39cm-1，十分之一值层时ln10=1.39X，X=(ln10)/1.39=1.65cm6.透过厚铝板的X射线窄射束的照射剂量率是400x10-7C/Kg，再透过20mm 厚的铝板时，剂量率变为200x10-7C/Kg，那么再透过10mm厚的铝板时，剂量率为多少？解：I1=I0e-μx1，200*10-7=400*10-7*e-2μ，μ=（ln2）/2，再按I2=I0e-μx2，这里x2=20+10=30mm=3cm，代入各参数即可求得I2=141x10-7C/Kg7.10个月前购进192Ir源，当时的射源强度为148x1010Bq，现在的强度为多少？（按每月30天计算）解：192Ir源的半衰期为75天，则λ=0.693/T1/2=0.693/75，根据G=G0e-λt,t=10x30(天)，代入得G≈9.25x1010Bq8.已知透过观片灯窗口的光照度为50000lx，若透过底片的光强不少于50lx，则该观片灯能观察底片的最大黑度值为多少？解：设L0=50000lx，L=50lx，则Dmax=lg(L0/L)=lg(50000/50)=39.200kV时，铜相对钢的等效系数为1.4，对15mm铜板照相，需采用多厚钢的曝光量？答案：20mm10.以X光机（有效焦点尺寸3mm）检测厚度10mm的钢板，若要求几何模糊度Ug为0.5，则射源至底片的距离至少应为多少？答案：70mm11.以相同的条件透照同一工件，若焦距缩短20%，则灵敏度稍有降低，而曝光时间可减少多少？答案：36%12.用半衰期为75天的192Ir源在某时间对某工件透照时的最佳曝光时间为40分钟；5个月后，用该源对同一工件透照，为得到同样黑度的射线底片，曝光时间应为多少？答案：2小时40分钟13.用铅箔增感，焦距1200mm，曝光时间8分钟，得黑度1.5，现焦距改为600mm,为使黑度不变，曝光时间应为多少？答案：2分钟14.已知入射光强200cd/m2，则底片黑度为2.3的区域透过的光强为多少？答案：1cd/m215.用60Co源透照某一零件，曝光时间为10分钟，焦距为600毫米，若将焦距变为300毫米，为得到同样黑度的底片，其曝光时间应为多少？答案：2.5分钟16.220千伏时,钢和铜的射线透照等效系数分别为1.0和1.4,此时对20毫米厚的铜板进行射线透照时,需采用钢曝光参数的厚度为多少？答案：28毫米17.强度为30居里的铱192射源，应用多厚的铅板使其照射率降为0.2R/h 以下？（注：192Ir的r.h.m/Ci为0.55，对铅的半值层为0.12cm）答案：8mm18.铱192的强度为80Ci，射线照相时射源至底片距离50cm，底片黑度2.0，现射源衰退至20Ci，要以同样的照相时间的到同样的结果，则射源至底片的距离应为多少？答案：25cm19.铱192射源强度为50Ci,欲照射2英寸厚度的钢板时曝光系数为0.95,如射源至底片距离25英寸,则曝光时间应为多少？答案：11.9分钟20.192Ir对铅的半值层厚度为0.12cm，若射线剂量需由40mR/h降低为2.5mR/h，则需要的铅屏蔽厚度是多少？答案：0.48cm21.铅对铱192的半值层为1.2mm，铱192的r.h.m/Ci为0.55，假设现有一个50居里的铱192源，距射源10米时，要使剂量率降至10mR/h，需要多厚的铅板屏蔽？答案：5.7mm22.某γ放射源的衰变常数λ=0.021/年，则其半衰期为多少？答案：33年23.管电压为2000KV的X射线管发出的X射线最短波长是多少？答案：λmin=1.24/2000=0.00062mm24.观片灯的入射光强度为500 lx时，观察黑度为0.7的X射线底片，则透过底片的光强度为多少？答案：100 lx25.192Ir的γ射线通过水泥墙后，照射率衰减到200mR/h，为使照射率衰减到10mR/h以下，至少还应复盖多厚的铅板？（HPb=0.5mm）答案：21.5mm 26.采用4.5x4.5mm方形有效焦点的X光机透照厚度100mm的工件，当焦距为1000mm时，其“几何模糊度”是多少？0.5mm27.距离射线源1米处的吸收当量剂量率为472.5毫雷姆/小时，设射线人员在不超过2.1毫雷姆/小时的情况下，应距射线源多远？答案：15m28.用60Coγ射线源，焦距900mm进行透照，曝光时间为12分钟时可获得黑度满意的射线照相底片，如将焦距变为800mm，要得到同样黑度的底片，则曝光时间应为多少？答案：9.5分钟29.用某种胶片透照工件，当管电流和曝光时间的乘积为10mA·min时，底片黑度为1.0，如果其他条件不变，要将黑度提高到2.5，求所需曝光量为多少？（由胶片特性曲线查得黑度为2.5和1.0时所对应的曝光量对数差为1）解：已知E1=10mA·min，D1=1.0，D2=2.5，lgE2-lgE1=1，求E2=？lgE2-lgE1=lg(E2/E1)=1，E2=10E1=10x10=100mA·min30.设有一辐射单一波长γ射线的同位素源，某时在离射源200cm处测得其照射率，14天后同一时刻在离射源192cm处测出其照射率与前同，问此射源半衰期为多少天？解：设此同位素原来的原子核数为N0，14天后同一时刻的原子核数为N，则由衰减律公式 N=N0e-14λ--(1),式中：λ--衰变常数,又设I1和I2分别为距N0 200cm处和距N 200cm处的放射强度，设I3为距N 192cm处的放射强度，则按题意有I1=I3--(2)I2/I3=(192/200)2 --(3) I2/I1= N/N0--(4),由(1)～(4)式得:e-14λ= N/N0 =I2/I1=I2/I3=(192/200)2 e-7λ=0.96 (-7λ)=ln0.96λ=0.00583∴T1/2=0.693/λ=0.693/0.00583≈119d31.对管电压和管电流都保持不变的某一个曝光量，当焦距从1200mm改为900mm时，曝光时间必须从原来的8分钟变为多少分钟？答：4.5分钟32.某台X光机的阳极靶为钨（原子序数Z=74），测得其最短波长为0.045，求在极限波长下的管电压为多少？X射线的转换效率是多少？（计算精确到小数点后两位）解：比例系数α=1.2*10-6/千伏，由λ=12.4/V(千伏)得到V=12.4/λ=12.4/0.045=276(KV) 由η=VZα=276(千伏)*74*(1.2*10-6/千伏)=0.0245=2.45%33.今摄得黑度分别为2.1和2.9的两张底片，按同一条件进行观察，观片时若透过光以外的环境光强与透过黑度为2.9的底片后的光强相同，则同一直径的象质计金属丝在黑度2.9的底片上可见对比度是黑度2.1的底片上可见对比度的几倍？（设黑度在1.2～3.5范围内，△D与D成正比。
X射线荧光光谱分析技术简介1
3.3 标样制作
要做一个测定铝粉的标样如何制作？
1 基础理论与知识
利用X射线荧光进行元素定性、定量分析工作，需要以下 三方面的理论基础知识：
三大定律
1 莫塞莱定律
2
布拉格定 律
3
朗伯-比尔 定律
莫塞莱定律(Moseley's law)，是反映各元素X射线特征光谱规律 的实验定律。1913 年H.G.J.莫塞莱研究从铝到金的38种元素的X射 线特征光谱K和L线，得出谱线频率的平方根与元素在周期表中排列 的序号成线性关系。
2.2 分光系统
分光系统的主要部件是晶体分光器，它的作用是通过晶体衍射现象把 不同波长的X射线分开。根据布拉格衍射定律2dsinθ=nλ，当波长为λ的X射 线以θ角射到晶体，如果晶面间距为d，则在出射角为θ的方向，可以观测 到波长为λ=2dsinθ的一级衍射及波长为λ/2，λ/3等高级衍射。改变θ角，可 以观测到另外波长的X射线，因而使不同波长的X射线可以分开。
2.3 检测记录系统
X射线荧光光谱仪用的检测器有流气正比计数器和闪烁计数器。
上图是流气正比计数器结构示意图。它主要由金属圆筒负极和芯线正 极组成，筒内充氩（90%）和甲烷（10%）的混合气体，X射线射入管内， 使Ar原子电离，生成的Ar+在向阴极运动时，又引起其它Ar原子电离，雪 崩式电离的结果，产生一脉冲信号，脉冲幅度与X射线能量成正比。所以 这种计数器叫正比计数器，为了保证计数器内所充气体浓度不变，气体一 直是保持流动状态的。流气正比计数器适用于轻元素的检测。
X射线特征光谱
根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长， 与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。它是X射线光谱分析的 基本依据，也是X射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的理论基础
分析思路：
使未知物质发出 特征X射线
经过已知晶体 进行衍射
根据莫塞莱定律求 出原子序数
用标准样品 标定出K和
莫塞来定律
由莫塞莱 K 线公式
~K
R(112
-
1 22
)(Z
-1)2
18 Ar 4.194A
可算出 Z
121.6
1 Nhomakorabea19 27
K Co
3.74A
1.79A
28 Ni 1.66A
莫塞来定律的应用
算出波长
同时，莫塞莱定律也被并入整个量子力学的原子观。在一个 K 壳层电子 被弹出后，单独剩余在 K 壳层的另一个1S电子所扮演的角色，可以用薛 定谔方程式给予完整地合理解释。由于与本课程无关，不予讨论。
1913年莫塞莱测量了从Al到Au共38种元素的X射线 的K线系，发现各元素发射的K线系波数的平方根 与原子序数Z成线性关系。
= K ( Z – ơ)
式中 K——与靶材物质主量子数有关的常数 Ơ——屏蔽常数，与一电子所在的壳层位置有关
莫塞来定律
采用原本芮得柏格式标记，莫塞莱
的 K-α 谱线和 L-α 谱线的公式可
莫塞来定律
根据元素X射线在图上的位置, 就可定出该元素的原子序数
早期元素周期表是按原子量大小顺序排列的。如K(A=39.1) 在Ar(A=39.9)前；Ni(A=58.7)在Co(A=58.9)前。 由莫塞莱图给出 Kα－X射线波长是Ar:4.19 ；K:3.74 ； Co:1.79 ； Ni:1.66
X射线特征光谱
用标准样品 标定出K和
算出波长
同时，莫塞莱定律也被并入整个量子力学的原子观。在一个 K 壳层电子 被弹出后，单独剩余在 K 壳层的另一个1S电子所扮演的角色，可以用薛 定谔方程式给予完整地合理解释。由于与本课程无关，不予讨论。
莫塞来定律的应用
根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长， 与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。它是X射线光谱分析的 基本依据，也是X射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的理论基础
分析思路：
使未知物质发出 特征X射线 根据莫塞莱定律求 出原子序数
经过已知晶体 进行衍射
莫塞来定律
根据元素X射线在图上的位置, 就可定出该元素的原子序数
早期元素周期表是按原子量大小顺序排列的。如K(A=39.1) 在Ar(A=39.9)前；Ni(A=58.7)在Co(A=58.9)前。
由莫塞莱图给出 Kα－X射线波长是Ar:4.19 ；K:3.74 ； Co:1.79 ； Ni:1.66
1913年莫塞莱测量了从Al到Au共38种元素的X射线 的K线系，发现各元素发射的K线系波数的平方根 与原子序数Z成线性关系。
= K ( Z – ơ)
式中 K——与靶材物质主量子数有关的常数 Ơ——屏蔽常数，与一电子所在的壳层位置有关
莫塞来定律
采用原本芮得柏格式标记，莫塞莱 的 K-α 谱线和 L-α 谱线的公式可 以表达为： 1 2 1 ~ K R ( Z 1) ( 2 2 ) 1 2
莫塞来定律
由莫塞莱 K 线公式
~
K
1 1 R ( 2 - 2 )(Z - 1) 2 1 2
Ar K Co Ni 4.194A 3.74A 1.79A 1.66A
X射线
穿透作用
X射线因其波长短，能量大，照在物质上时，仅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。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关，X射线的波长越短，光子的能量越大，穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关，利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。（左图为X射线行李检查仪）
实验生成
射线特征 频率值高
辐射同步
穿透力强
射线分类 辐射分类
波长分类
物理效应 穿透作用
电离作用
荧光作用
其它作用
化学效应 感光作用
着色作用
生物效应探测器实际应用
医学领域 工业领域 研究领域展开 编辑本段基本认识
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
中文名称：X射线 英文名称：X-ray 定义：由高速电子撞击物质的原子所产生的电磁波。 应用学科：机械工程（一级学科）；试验机（二级学科）；无损检测仪器-射线探伤机（三级学科） 以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布
求助编辑百科名片
X光足部照片波长介于紫外线和γ射线 间的电磁辐射。X射线是一种波长很短的电磁辐射，其波长约为（20～0.06）×10-8厘米之间。由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现，故又称伦琴射线。伦琴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。波长小于0.1埃的称超硬X射线，在0.1～1埃范围内的称硬X射线，1～10埃范围内的称软X射线。
X射线光电子能谱(XPS)
X射线光电子能谱（XPS）X射线光电子能谱是利用波长在X射线范围的高能光子照射被测样品，测量由此引起的光电子能量分布的一种谱学方法。
样品在X射线作用下，各种轨道电子都有可能从原子中激发成为光电子，由于各种原子、分子的轨道电子的结合能是一定的，因此可用来测定固体表面的电子结构和表面组分的化学成分。
在后一种用途时，一般又称为化学分析光电子能谱法（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称）。
与紫外光源相比，X射线的线宽在以上，因此不能分辨出分子、离子的振动能级。
此外，在实验时样品表面受辐照损伤小，能检测周期表中除和以外所有的元素，并具有很高的绝对灵敏度。
因此是目前表面分析中使用最广的谱仪之一。
7.3.1 谱图特征图7.3.1为表面被氧化且有部分碳污染的金属铝的典型的图谱。
其中图（a）是宽能量范围扫描的全谱，主要由一系列尖锐的谱线组成；图（b）则是图（a）低结合能端的放大谱，显示了谱线的精细结构。
从图我们可得到如下信息：1．图中除了和谱线外，和两条谱线的存在表明金属铝的表面已被部分氧化并受有机物的污染。
谱图的横坐标是轨道电子结合能。
由于X射线能量大，而价带电子对X射线的光电效应截面远小于内层电子，所以主要研究原子的内层电子结合能。
由于内层电子不参与化学反应，保留了原子轨道特征，因此其电子结合能具有特定值。
如图所示，每条谱线的位置和相应元素原子内层电子的结合能有一一对应关系，不同元素原子产生了彼此完全分离的电子谱线，所以相邻元素的识别不会发生混淆。
这样对样品进行一次宽能量范围的扫描，就可确定样品表面的元素组成。
2．从图7.3.1（b）可见，在和谱线高结合能一侧都有一个肩峰。
如图所标示，主峰分别对应纯金属铝的和轨道电子，相邻的肩峰则分别对应于中铝的和轨道电子。
这是由于纯铝和中的铝所处的化学环境不同引起内层轨道电子结合能向高能方向偏移造成的。
这种由于化学环境不同而引起内壳层电子结合能位移的现象叫化学位移。
X射线的发射谱解析
X射线的发射谱实验测得的X射线的发射谱----X射线的波长与强度的关系如图所示。
从图中可以看出，X射线谱是由两部分构成的，一是波长连续变化的部分，称为连续谱，它的最小波长只与外加电压有关；另一部分是具有分立波长的谱线，这部分线状谱线要么不出现，一旦出现，它们的峰所对应的波长位置完全决定于靶材料本身，故这部分谱线称之为特征谱，又称标识谱。
一、连续谱----轫致辐射经典电动力学告诉我们，带电粒子变速运动时伴随着辐射；当带电粒子与原子相碰撞，发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射称之为轫致辐射，又称为刹车辐射．由于在带电粒子到达靶子时，在靶核的库仑场的作用下带电粒子的速度是连续变化的，因此辐射的X射线就具有连续谱的性质。
λ，其数值只依赖于外加电压V，实验测到的连续谱存在一个最小波长minλ与外加电而与原子序数Z无关，如图所示。
实验发现，连续谱的最小波长min139140压V 的关系为：式中V 是外加电压，以kV 为单位．由此得到的波长m in λ的单位是nm 。
要解释上式的物理含义，必须要利用光的量子说。
如果一个电子在电场中得到的动能eV E k 1=，当它到达靶子时，它全部能量就转成辐射能，那末，由此发射的光子可能有的最大能量显然是min min /1λνhc h eV E k ===代入常数值后，便得到)(/24.11/min eV V nm eV hc ==λmin λ称之为量子极限，它的存在是量子论正确性的又一证明。
上式可用来做为精确测定普朗克常数h 的一个方法。
第一次用这样的方法测量h 的是杜安和亨特(1915年)，测到的h 值与光电效应测到的h 值完全一致，从而进一步说明了普朗克常量的普适性；它在完全不同的光的频率范围内具有完全相同的数值。
二、标识谱----电子内壳层的跃迁各元素的特征X 射线谱有相似的结构，但各元素的特征X 射线的能量值各不相同。
正如指纹被作为人的特征一样，特征X 射线电被用来作为元素的标识。
X射线
X射线的研究历史
• 而为何X射线为什么不被称为特斯拉射线 而是伦琴射线呢？
关于第一个制造出X射线的人是谁，其实是有争议的，就连第一张 X射线照片究竟是哪张也众说纷纭，除了最广为流传伦琴的故事之外，
还有一个关于特斯拉的传说，据说特斯拉早在伦琴创世纪的实验之前就
已经制造出了X射线，并将清晰的影像寄给了伦琴。 不过特斯拉虽然制作出产生 X射线的装置，却没有正确地认识 X 射 线的本质，伦琴被称作X射线的发现者也无可厚非，但特斯拉真正传奇
迷人的X光片~~在X射线下， 任何东西都会很美！！
• 当威廉姆-伦琴宣布他发 现X射线时，在他的论文 中附有一张其妻子戴戒指 的手部的X光照片。伦琴 的发现得到了科学界的认 可。在此后的数十年间， 这张带有金属环的手部骨 骼照片成为了X射线被发 现的标志。
伦琴的发现轰动了欧美，美国《生活》杂志于 1896年发表的这幅漫画，着实渲染了一番X射线的 穿透一切的威力。
X射线的研究历史
• 1869年（清同治八年），物理学家约翰· 威廉· 希托夫观 察到，真空管中的阴极发出的射线遇到玻璃管壁会产 生荧光。顺便说一句，这一年，俄国化学家门捷列夫 发现了元素周期表，震动了科学界，而此时X线的发现 还处于胚胎时期，属于一个不重要的意外。1876年这 种射线被欧根· 戈尔德斯坦命名为“阴极射线”。随后 ，英国物理学家克鲁克斯研究稀有气体里的能量释放 ，并且制造了克鲁克斯管。这是一种玻璃真空管，内 有可以产生高电压的电极。他还发现，当将未曝光的 相片底片靠近这种管时，一些部分被感光了，但是他 没有继续研究这一现象。
X线机产生的X线穿透人体后，形成带有人体内部结构信息的 不可见的X线像。透视时，通过荧光屏、X-TV或数字X线装置；摄 影时，通过X线胶片或数字X线装置，最终得到人眼可分辨的可见 图像，供诊断医师分析，达到诊断疾病的目的。 诊断用X线机 产生X线 穿透人体 不可见X线像
X射线荧光谱基础
X射线与物质的相互作用
• 当X射线被物质吸收时，该物质会产生热效应、 电离效应、光解作用、感光效应、荧光或磷光、 次级特征X射线、光电子、俄歇电子或反冲电 子的激发，辐射损失，以及对生物组织的刺激 和损害等等。
质量吸收系数
dIo
I o a d n或 n
dIo / Io dm
I0
dIo
I o m d m或 m
Heinrich算法
C
Z
4
(12937
)n
(1
bE
ea
)
AE
• Heinrich算法计算的是总的质量衰减系数μ
• 式中E为入射线能量(eV)，Z为吸收体原子序数， A为吸收体原子量，C，n，a和b是随吸收体的 原子序数变化的参数，它们同时也随吸收限区 间而变
de Boer算法
1
(
E1 E
)n
n log(1 2 )
• T. P. Thinh and J. Leroux, New Basic Empirical Expression for Computing Tables of X-ray Mass Attenuation Coefficients, X-ray Spectrom., 1979, 8(2), 85-91.
吸收限跃迁因子
K
K
L1
L11
L111
L1
rk 1 rk
k
L1
k L11
L111
吸收限跃迁因子
JK=17.54-0.6608Z+0.01427Z2-1.1x10-4Z3。 L111壳层的吸收限跃迁因子。 在30≤Z≤83范围内， 其表达式为： JL3=20.03-0.7732Z+0.01159Z2-5.835x10-5Z3。
现代分析测试技术 X射线光谱分析
连续转动 在样品上方放置一块分光晶体，利用晶 体衍射把不同的X射线分开。 特定方向产生衍射： 2dsin = 面向衍射束安置一个接收器．便可记录 下不同波长的x射线。
12
在波谱仪中，X射线信号来自样品表层的一个极小的体积，
可将其看作点光源，由此点光源发射的X射线是发散的，故能
定点定性分析 线扫描分析 面扫描分析
定点定量分析
24
1、定点定性分析
对试样某一选定点（区域）进行定性成分分析，以确定
该点区域内存在的元素。
原理如下： 关闭扫描线圈，使电子束定在需要分析的某一点上，激 发试样元素的特征 X 射线。用谱仪探测并显示 X射线谱，根 据谱线峰值位置的波长或能量确定分析点区域的试样中存在
并测得它们的强度射线光谱分析。据此进行材料的成
分分析，这就是X射线光谱分析。
2
用于探测样品受激产生的特征射线的波长和强度的设备，
称为X射线谱仪；有以下两种： 利用特征X射线的波长不同来展谱，实现对不同波长 X射线 检测的波长色散谱仪(WDS)，简称波谱仪。 利用特征X射线的能量不同来展谱，实现对不同能量 X射线 检测的能量色散谱仪(EDS)，简称能谱仪。 区别：
由于Li离子极易扩散的特性，使用和保存都
要在液氮温度下。
X光子电脉冲信号（脉冲高度与被吸收光子的能量成正比）
6
11.2.2 能量色散谱仪的结构和工作原理
能量色散谱仪主要由Si(Li)半导体探测器、多道脉冲高度
分析器以及脉冲放大整形器和记录显示系统组成。
X光子电流脉冲
电压脉冲
锂漂移硅能谱仪方框图
脉冲高度与被 吸收的光子能 量成正比
X射线原理
X射线管
玻璃X射线管 陶瓷X射线管
产生X射线具备的三个基本条件：
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
1912年德国物理学家劳厄发现了X射线在晶
体上的衍射现象、从而证实X射线是光的一种，
具有波动性；同时又证实了晶体结构的周期性。
同年，英国物理学家布拉格父子用X射线衍射方
法测定了NaCl晶体的结构，开创了晶体结构分析
的历史。此后，用X射线衍射方法确定了数万种
无机和有机晶体结构。除此之外，还提供了其它 方面的应用。
短波限λo与管电压的关系
λo＝1.24/V(kV电压越高，短波限越短。 如果管电压固定，改变管电流或者改变 靶时λo不变。
加管电压＞某个临界值时 在连续谱上会出现强度峰， 峰窄而尖锐。 当改变管电压时这些谱线 只改变强度而峰的位置所 对应的波长不变。即波长 只与靶的原子序数有关， 与电压无关。
X射线的波动性: 在晶体中的散射，衍射现象。 以一定的频率ν和波长λ在空间传播. X射线的粒子性: 与离子碰撞时有能量交换。 由大量不连续的离子流（光子）构成，光子具有一定 的质量m，能量ε和动量Ρ。 波动性和粒子性参量之间存在着特定关系：
X射线衍射分析(XRD)
X射线分析系列教程
如果入射电子的能量足够高的话，他们就会将靶材料中的 原子K壳层电子打出，因而产生一个空位。
(需要明确的是，K到L的激发是不可能发生的，因为L壳层 已被占据：激发必须是从n=1到n=∞。)
只要空位一旦产生，它可以被该原子L或M壳层上的电子填 充。这样的内部电子跃迁就导致产生了短波长的，具有高 “穿透”能的“特征”X射线。
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厚积薄发 学而知新
X射线分析系列教程
X射线的波长范围
X射线是一种波长较短的电磁辐射： 波长0.01 ~ 10nm；能量：124 keV - 0.124 keV
其短波段与γ 射线长波段相重叠，其长波段则与真空紫外 的短波段相重叠。
g -rays
X-rays
UV Visual
伦琴对科学作出的最大贡献是在1895年从实验中发现 了X射线，并随后对其性质进行了深入研究，从而为多 种科学领域提供了一种有效的研究手段。他还有一项 意义重大的发现，就是所谓的伦琴电流。此外，他还 在弹性、液体的毛细作用、气体比热、热在晶体中的 传导、压电效应以及偏振光的磁致旋转等方面也都有 研究。
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X射线分析系列教程
平时一直帮他工作的伦琴夫 人感到他举止反常，以为他 有什么事情瞒着自己，甚至 产生了怀疑。六个星期过去 了，伦琴已经确认这是一种 新的射线。才告诉自己的亲 人。1895年12月22日，他邀 请夫人来到实验室，用他夫 人的手拍下了第一张人手X 射线照片（如图）。
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X射线分析系列教程
Cu 靶 产 生 的 X 射线分析系列教程
4.特征X射线的产生
1920年，W. Kossel首次正确的提出了依照波尔（Bohr）的 电子能级理论对X射线光谱的合理解释：
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。
X射线(伦琴射线)的特性
Ek K L M
其中 k 、 L 、M 分别是K、L、M壳层中电子的结合能，而
这些能量是由元素本性决定的，所以俄歇电子动能也是由元 素本性决定的，它可以作为元素的标识。因此Auger电子测 量可作为分析元素的手段之一。 2）核激发效应
n=2dsin n=1、2、….. 出射线就会加强。
晶体可形成许多不同取向的晶面。X射线经不同晶面反射
时，凡光程满足布喇格公式,在 方向衍射的X光将得到加
强，出现了劳厄光斑。
劳厄单晶照像
每个亮点为劳厄斑点,对应于一 组晶面. 斑点的位置反映了对应 晶面的方向. 由这样一张照片就 可以推断晶体的结构.
1.实验发现
1923年，康普顿在研究X射线经物质的散射实验中发 现，散射的X光除有原入射波长成分外，还有波长较长的
部分，其波长差随散射角θ而变。
经典电磁理论预言，散射辐射 具有和入射辐射一样的频率 . 经典理论无法解释波长变化 .
2.量子解释
康普顿：光子与自由电子碰撞 的结果
入射X射线由光子组成；光子 能量由爱因斯坦关系给出。
Rh(铑）K系标识谱精细结构
2.标识谱的特点
☆对一定的阳极靶材料，产生标识谱的外加电压有一个临界值。
☆标识谱线的位置与外加电压无关，而只与靶材元素有关，因
而这些线状谱可作为元素的标识。但是他们的线系结构是相
似的，都分为K,L,M,……等线系；且谱线具有精细结构，K
系分为 K , K , ；KL,系分为
一、X射线的连续谱
XRF介绍
33
X射线光管: 内部 —— 侧窗和端窗
电压（kV）
阴极
阳极靶
真空管
铍窗
电流 (mA)
准直器
34
X射线光管
阴极通电加热 在热电离作用下，阴极发射出电子，受到高电压的作用向阳极高速运动 高能电子轰击阳极，产生X射线 只有<1%的电子束能量转化为X射线，其余的 > 99%以热的形式散发
35
X射线光管: 外部
X射线以keV表示
管电压以kV表示
从光管中发射出的X射线能量与管电压有关：
e.g. 50 kV 产生的X射线的能量为50 keV
36
X射线对人体的影响和防护
X射线对人体有穿透作用，但不会残留在人体内，Ｘ射线分析室也不会有 残余的辐射线存在 Ｘ射线对人体的伤害与人体所接受的Ｘ射线辐射剂量有关。国际放射防 护委员会（ICRP）建议个人年等效剂量上限为 5mSv（毫西弗）。而天 然背景辐射源（如宇宙射线及环境中的砖块岩石）对人类造成的年吸收 剂量约 2mSv，约相当照了 100 张胸部Ｘ光片。 国际辐射防护委员会（ICRP）建议在整个怀孕过程， 母亲腹部表皮的辐 射剂量不可超过 2 毫西弗，这些建议都是为了减低婴儿智能 障碍、先天 异常、与癌症发生的风险。另外对于没有怀孕与还不确定有怀孕的生育 年龄的辐射工作相关妇女，美国辐射防护委员与国际辐射防护委员会并 不建议需特别的管制。 辐射线是影响不孕不育症的环境因素之一，但是低剂量的辐射应不会造 成不孕。若一次暴露在100毫西弗时，会变成暂时不孕。2000 毫西弗以 上将会成为永久性不孕。 辐射线与癌症 ：当身体接受每一毫西弗的辐射剂量就增加 0.0000165 的 致命癌症机会，约为 1/60000 的机会。X射线所造成的致命癌症几率风 险是在万分之一至百万分之一之间
X射线微区分析
94.38 94.40
Given
0.31 2.65 0.22 1.28 0.31
Elem. O Na Mg Al Si K Ca Fe
kRation 0.11732 0.04669 0.00506 0.14257 0.40484 0.01141 0.19693 0.07518
--ZAF-0.3149 0.5465 0.6546 0.7378 0.7545 0.7962 0.8233 0.6864
Weight% 23.9118 5.4809 0.4963 12.3952 34.4252 0.9193 15.3449 7.0263
-Atom%37.6398 6.0042 0.5141 11.5698 30.8692 0.5921 9.642he resulting histogram show the results of collecting a single integration across the image. Total collection time was just a few seconds.
波谱仪（电子探针）
根据 Bragg 方程， 已知分光晶体的晶 面距， 由θ角的变 化即可求得特征X 射线的波长，由此 可确定元素种类。 波谱仪总是与扫描 电镜组合。
波长色散谱仪
Crystal Spectrometer
Entrance slit
Monitor
Detector
X-ray Sample Electronics
Ni Cu Zn Ga Ge As
Br Kr At Rn
Cs Ba La Hf Ra Ac
Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
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
波长散射X射线光谱分析
XRF基础理论 二. XRF应用范围 三. XRF分析原理 四. 仪器结构原理 仪器参数选择
€
一. XRF 基础理论
1.X-射线定义
电磁辐射
波长 0.01 nm - 10.0 nm
能量 124 keV - 0.124 keV
1nm = 10Å = 10-9m = 10-6mm
探测器：用光电转换，探测荧光谱线
DMCA计数电路：测量谱线的净强度
微机及软件：定性和定量分析
晶体分光原理
nλ = 2d Sinθ n------衍射级数； 1. 不同元素的特征谱线，通过晶体的色散，分布在空间 不同位置(θ)； 2. 不同的晶体或同一晶体不同晶面，具有不同的晶面间 距(d),不同的色散 效率、分辨本领和适用的波长范围；
元素 K系 Te - Ni Te - V Te - K Cl - P Cl - P Si Si Cl - Al Cl - Al
元 素 L系 U -Hf U - La U - In Cd - Zr Cd - Zr Nb - Sr Nb - Sr Cd - Br Cd - Br
* C - 本晶体为横向弯曲型晶体
四.光谱仪结构原理
光谱仪原理图
仪器的光路图
波长散射仪器实际光路图
Magix仪器的基本特点
仪器基本结构－两种光路设计
kV K 系谱线 L 谱线 60 Fe - Ba Sm - U 50 Cr - Mn Pr - Nd 40 Ti - V Cs - Ce 30 Ca - Sc Sb - I 24 Be - K Ca - Sn
仪器常用的分光晶体
晶 体 LiF (420) LiF (220) LiF (200) Ge (111) Ge(111)C* InSb(111) InSb(111)C* PE (002) PE(002)C*
X射线荧光光谱仪光谱分析(1)
不同的探测器具有不同的特性，因此在使用探测器时要 考虑其特性与Ｘ射线的特征，作出最佳的选择。通常用作测量Ｘ 射线的探测器具有如下特点： (1)在所测量的能量范围内具有较高的探测效率，如在波长 色散谱仪中用流气式正比计数器测定超轻元素碳和硼时，入射窗 的窗膜应尽可能用1m或更薄的膜，减少射线的吸收。 (2)具有良好的能量线性和能量分辨率。 (3)具有良好的高计数率特性，死时间较短，这点与核电子学 线路也有关。 (4)具有较高的信噪比，要求暗电流小，本底计数低。 (5)输出信号便于处理、寿命长、使用方便、价格便宜。 波长色散谱仪主要使用正比计数器(流气式和封闭式)和闪 烁计数器，测量Ｘ射线范围从铍到铀。实验室用能量色散谱仪主 要使用以Si(Li)半导体探测器为代表的固体半导体探测器；台式 能量色散谱仪使用Si-PIN和Hgl2探测器，通过电致冷方法，在 常温下工作；而便携式则主要使用封闭式正比计数管和Si-PIN 探测器。
缺点： 1、若要进行精确定量分析(误差±0.5%)，最好还要有与样品种类、结 构、形态相近的标准样品相匹配。 2、测定微量或痕量元素（小于0.001%），不够理想。 定量分析仪器的比较 仪器名称 项目 灵敏度 抗干扰性 准确度 分析速度 测试范围 样品要求 镀层、薄膜、价 态、配位 Ｘ射线荧光光谱 较好 好 好 快 好 块、粉末、液体、 (无损检测) 是 ICP 好 较好 较好 快 好 固体→液体 (破坏样品) 否 AAS 最好(10-14克) 最好 最好 慢 较好 固体→液体 (破坏样品) 否