X射线与物质相互作用
X射线与物质相互作用
x射线的性质
穿透性
波长
x射线具有强穿透性，能够穿透一定厚 度的物质。
x射线波长较短，可用于高精度检测和 成像。
能量
x射线具有特定能量，可用于物质成分 分析。
x射线的应用
医学诊断
x射线用于医学影像诊断，如拍片、CT等。
工业检测
x射线用于工业无损检测，如焊接、铸件等。
安全检查
x射线用于机场、海关等安全检查，检测违禁品。
02
03
操作人员培训
采用铅板、铅玻璃等材料对X射 线设备进行屏蔽，减少辐射泄漏。
对操作人员进行专业培训，确保 他们了解安全标准和操作规范， 避免误操作。
操作规范与注意事项
操作前准备
确保X射线设备正常工作，检 查电源、电缆、控制台等是 否完好。
操作过程
按照操作规程进行操作，避 免长时间暴露于X射线辐射下 。
晶体取向
X射线衍射可以用来确定晶体在样品中的取向，有 助于了解晶体生长和排列的规律。
微观结构
结合显微镜技术，X射线可以用来观察样品 的微观结构，如晶粒大小、相分布等，有助 于了解材料的性能和行为。
05
安全与防护
x射线的生物效应
细胞损伤
01
高强度X射线可导致细胞结构损伤，引发DNA断裂和细胞死亡。
这一过程对物质的密度、原子序数和光子能量都有一定影响。
03
x射线衍射
晶体结构与x射线衍射
晶体结构对x射线衍射的影响
晶体结构中的原子或分子的规则排列会对x射线产生衍射现象，通过分析衍射图 谱可以推断晶体的结构特征。
x射线衍射的原理
当x射线通过晶体时，会受到晶体中原子或分子的散射，散射波在某些方向上相 互加强，形成衍射波，通过测量衍射波的方向可以推导出晶体的结构信息。
X射线射线在物质中的衰减规律分析
X射线射线在物质中的衰减规律分析X射线是一种电磁波，具有很高的穿透能力。
当X射线通过物质时，会发生衰减，其衰减规律可以通过对X射线的相互作用、吸收和散射进行分析得出。
X射线在物质中的衰减主要受以下几个因素的影响：1.光子能量：X射线的能量决定了它在物质中的穿透能力。
能量较高的X射线，其穿透能力更强，相对衰减较小。
2.物质的原子序数和密度：物质的原子序数越大，其与X射线的相互作用越强，吸收和散射的几率越大。
此外，物质的密度也会影响到X射线的穿透能力。
3.物质的厚度：物质的厚度越大，X射线在其中的衰减越明显。
衰减规律可以用贝尔-朗伯定律表示：通过一定厚度的物质的射线强度与初始射线强度之比等于e的负一次方。
4.材料的吸收特性：不同的物质对X射线的吸收情况不同，这取决于物质的化学组成和结构。
一些元素（如铅）对X射线有很强的吸收能力，可以用作防护材料。
在实际应用中，通过测量X射线透射或散射的强度，可以对物质进行成分分析和缺陷检测。
常见的X射线衰减规律有：1.能谱吸收规律：当X射线通过物质时，其能量光子被物质吸收，只有剩余能量光子透射。
吸收的能量与物质的厚度成正比。
根据具体的应用需求，可以通过测量透射X射线的能量谱进行物质成分和浓度的分析。
2.指数规律：当X射线通过物质时，其透射强度与物质的厚度呈指数关系。
例如，当X射线通过一定厚度的物质时，其透射强度为初始强度的1/10，再通过同样厚度的物质时，透射强度为初始强度的1/100，以此类推。
具体的指数衰减规律可以通过测量得到。
3.拉伯衰减规律：对于均匀介质，X射线透射强度与厚度的乘积成指数关系。
即透射强度与物质厚度的乘积等于e的负一次方。
这个规律适用于厚度比较小的样品，但不适用于厚度相对较大的样品。
需要注意的是，以上衰减规律是在理想条件下的近似描述，实际情况可能受到多种因素的影响，如能谱漂移、散射、复合效应等。
此外，物质的成分、结构和形态等因素也可能对X射线的吸收和散射产生影响，因此在具体的应用中需要进行更详细的分析和研究。
第一章——第二节_X射线与物质的相互作用
9
X射线的透射/吸收系数
为了更准确的表达物质本质的吸收特性，引入质量吸收系数μm
m
l
将上式代入 I e u l H I0
I I0emH I0emm
m为单位面积厚度为H的体积中的物质的质量。
μm的物理意义：X射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对 衰减量。
若吸收体为化合物、固溶体或混合物时， μm取决于各组元质量吸 收系数μmi及各组元的质量分数wi。
n
m mi w i （n为组元数） 源自 1 10X射线的透射/吸收系数
对于确定物质， μm取决于吸收物质的原子序数Z和X射线的波长λ。 其关系为：
m K43Z 3 （K4为常数）
由上式可以看出：
12
吸收限的概念
随入射波长变化，会相继出现K、L和M吸收限。描述质量吸收系数 随波长改变的关系曲线称为吸收曲线（谱线）。
13
吸收限的应用
滤波片的选择
在XRD分析中，利用吸收限两侧吸收系数差很大的现象制成滤波 片，用以吸收不需要的辐射，可以获得基本单色的入射X射线。
光电管阳极靶发射的K系X-
射线包括Kα和Kβ，Kα的强
度为x处的dx厚度物质，其强度衰减率dIx/Ix可表示为：
dI x Ix
l dx
强度的衰减dIx/dx与dx成正比。
负号表示随厚度增加时强度降低。
H x dx
μl为常数，称为线吸收系数,是X射线通 过单位厚度（即单位体积）物质的相对 I0 衰减量。表明物质对X射线的吸收特性。
Ix Ix+dx I
3
第二节 X射线与物质的相互作用
当一束X射线通过物质时，其能量可分为三部分，即一部分被散射， 一部分被吸收，其余部分则透过物质继续沿原来的方向传播。
x射线衍射的原理及应用
X射线衍射的原理及应用1. 原理介绍X射线衍射是一种利用X射线与物质相互作用的方法，通过测量X射线在晶体上的衍射现象来研究物质的晶体结构和晶体中原子的排列方式。
X射线由于其波长与普通光的波长相比非常短，因此能够穿透物质，将晶体的信息衍射出来。
X射线衍射的原理主要包括布拉格方程和结构因子。
1.1 布拉格方程布拉格方程是X射线衍射的基本方程，它描述了X射线的衍射现象。
布拉格方程的数学表达式为：$n\\lambda = 2d \\sin \\theta$在这个方程中，n表示衍射级数，$\\lambda$表示X射线的波长，d表示晶体中的晶面间距，$\\theta$表示X射线与晶面的夹角。
1.2 结构因子结构因子是描述晶体中原子排列和结构的一个重要参数。
结构因子的大小和复数形式代表了晶体中的原子的位置和分布。
结构因子的数学表达式为：$F_{hkl} = \\sum f_j e^{2\\pi i (hx_j + ky_j + lz_j)}$在这个方程中，Fℎkl表示晶体中ℎkl晶面的结构因子，f j表示第j个原子的散射因子，x j,y j,z j表示第j个原子在晶体中的坐标。
2. 应用介绍X射线衍射具有广泛的应用领域，主要包括材料科学、结晶学和生物学等。
2.1 材料科学在材料科学中，X射线衍射可以用来研究材料的晶体结构、晶格畸变以及晶体的组成成分等。
通过测量X射线衍射图样的特征峰，可以确定材料的晶体结构和晶面间距，从而了解材料的物理性质和化学反应。
2.2 结晶学结晶学是研究晶体的科学，而X射线衍射是结晶学研究中最常用的方法之一。
借助X射线衍射，可以确定晶体的晶胞参数、空间群和晶胞对称操作等。
2.3 生物学在生物学中，X射线衍射可以用来研究生物大分子（如蛋白质和核酸）的结构。
通过对生物大分子晶体的X射线衍射图样进行分析，可以获得生物大分子的高分辨率三维结构信息。
这对于了解生物大分子的功能和生物化学过程具有重要意义。
xrd透射原理
xrd透射原理X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）是一种重要的物质结构分析方法，它利用X射线与物质相互作用的原理来研究物质的晶体结构和非晶态结构。
本文将围绕XRD的透射原理展开讨论，旨在深入理解XRD的工作原理和应用。
一、XRD透射原理的基本概念XRD透射原理是基于X射线与物质相互作用的现象。
当X射线通过物质时，会发生衍射现象，即X射线被物质中的原子或分子散射，形成一定的衍射图样。
这些衍射图样包含了物质的结晶信息，通过解析和处理衍射图样，可以获得物质的晶体结构信息。
二、XRD透射原理的基本过程XRD透射实验通常由X射线源、样品和衍射仪三部分组成。
X射线源产生高能的X射线，经过样品后，被衍射仪接收并记录。
整个过程中，X射线的衍射现象决定了衍射图样的形成。
具体来说，X射线通过样品时，会与样品中的原子或分子相互作用。
根据布拉格的衍射条件，只有当X射线的入射角和出射角满足特定的关系时，才会发生衍射现象。
衍射仪记录并测量入射角和出射角之间的关系，得到衍射图样。
三、XRD透射原理的应用XRD透射原理在材料科学、地球科学、生物科学等领域有着广泛的应用。
以下是几个常见的应用案例：1.材料的结构分析通过XRD透射实验，可以获得材料的晶体结构信息，包括晶格常数、晶胞参数、晶体的对称性等。
这对于新材料的开发和研究具有重要意义。
2.物质的相变研究XRD透射实验可以用来研究物质的相变过程。
通过监测衍射图样的变化，可以确定物质在不同温度、压力等条件下的相变行为，为相变机制的研究提供了重要的实验数据。
3.晶体质量的评估XRD透射实验可以用来评估晶体的质量。
通过分析衍射图样的强度、峰形等特征，可以判断晶体的完整性、纯度和缺陷情况。
4.生物分子的结构研究XRD透射实验在生物科学领域也有着广泛的应用。
通过测量生物分子的衍射图样，可以获得生物分子的三维结构信息，从而揭示生物分子的功能和相互作用机制。
XRD透射原理是一种基于X射线的物质结构分析方法。
第3章 X射线与物质的作用
2、电子对效应的概率
t nZ ln E
2
高能量的光子和大原子序数的介质对电子对效应 的发生是有利的。 由于医学成像的射线能量不会超过200KeV，故电 子对效应在医学成像领域不会出现。
三种作用方式的总结
1) 光子能量一般在 0.01-10MeV 范围。 2) 0.01-0.8MeV时，光电效应占主导。 0.8-4.0MeV时，康普顿散射占主导。 4.0-10..MeV时，电子对效应占主导。 3) 医学影像中X线不超过 0.3 MeV，故电子 对效应不可能发生。
康普顿散射的次级粒子
运动的自由电子 （反冲电子） 散射光子 hv散 新的标识光子
2、康普顿散射发生的概率
N e t C1
E
与介质的原子序数关系不大， 与介质的密度成正比， 与光子能量成反比。
3、康普顿散射对医学成像的影响
是X射线成像的最大散射线来源，影响成像 质量。 散射到各个方向，须加强防护。
3.1.2 光电效应
1、光电吸收现象 光电作用过程是光致电离的过程，一个 辐射光子使原子的一个壳层电子脱离原子， 变成光电子。 光子的能量用来克服电子的结合能使原 子电离，剩余部分能量变为光电子的动能。 这一现象就叫光电效应。 如果光电子来自较低能级的壳层（如K、 L层），那么留出的空位在被更高能级的电 子填充时会产生标识辐射光子。这个过程 与高速电子轰击阳极靶产生标识辐射X线光 子的过程类似。
能量较高的辐射光子在与物质相互作 用时，光子方向发生偏离，能量（频率、 波长）也发生变化。这一现象由A H Compton首先发现，他把这一现象解释为 辐射光子与“自由”电子非弹性碰撞的结 果。
图解康普顿散射
x射线的原理和应用
x射线的原理和应用一、x射线的原理x射线是一种高能电磁辐射，由电子束与物质相互作用产生。
其原理如下：1.电子束：x射线的产生需要一束高速运动的电子。
通常采用电子加速器或x射线管产生电子束。
2.电子束与物质的相互作用：电子束与物质相互作用时会发生电子-原子核相互作用、电子-电子相互作用和电子-原子轨道相互作用。
在这些相互作用下，电子会失去能量并发射出x射线。
3.x射线的产生：电子束与物质相互作用后，部分电子会失去能量并被重新组合，形成x射线。
x射线的能量取决于电子束的能量和物质的成分。
二、x射线的应用x射线在医学、工业和科学研究中有着广泛的应用。
1. 医学应用•诊断：x射线在医学诊断中起到了至关重要的作用。
医生可以利用x 射线影像来观察骨骼和内脏器官，从而发现病变和异常情况。
常见的应用包括X线检查、CT扫描和乳腺X线摄影等。
•放疗：x射线的高能量可以用于治疗肿瘤和其他疾病。
通过照射患者的肿瘤区域，x射线可以破坏癌细胞的DNA，从而达到治疗的目的。
2. 工业应用•材料检测：x射线可以用于材料的非破坏性检测。
通过对材料进行x 射线照射和观察，可以检测材料的结构和缺陷，如金属的裂纹和焊接接头的质量。
•质量控制：很多工业生产过程中都需要对产品进行质量控制。
x射线可以用于检测产品是否符合规格和标准，例如食品中金属异物的检测和纺织品的密度检测等。
3. 科学研究应用•结构分析：x射线衍射技术可以用于研究材料的结构。
通过将x射线束照射到样本中，研究者可以观察到x射线经过样本后的衍射图案，从而推断样本的结晶结构和晶体学参数。
•谱学分析：x射线也可以用于谱学分析。
通过测量x射线在材料中发生的散射和吸收现象，研究者可以获得材料的元素组成和化学环境等信息。
以上只是x射线应用的一部分，随着科技的发展，对x射线的研究和应用还将不断扩展和深化。
三、结语x射线是一种重要的电磁辐射，其原理和应用广泛而深入。
在医学、工业和科学研究领域，x射线发挥着巨大的作用。
1章第三节：X射线与物质的相互作用
二、、原子截面
统计概率： 一个满足某种条件的光子射入物质是否一定与原子或者电子发生相互
作用？
截 面
原子截面：用σ表示，有面积的量纲 入射光子与物质中的一个原子或电子发生一次特定相互作用的“概率”
称为“原子截面”或“电子截面”。
三、光电效应
X光子与轨道电子发生作用 X光子能量全失去
轨道电子被电离变为光电子
第三节：X射线与物质的相 互作用
-------------X光子的物质内部之旅（能量损径
三大主要形式
X光子与物质作用的形式
其他形式
一、X光子的能量在物质中的传递路径
X与物质的相互作用，其本质是能量的转换和传递！
光子能 量
电子势 能
电子动 能
原子动 能
Thank you!
思考：
出现了电子空穴：原子处于不稳定态，还会 发生什么？
三、光电效应原子截面
这个概率的大小：σ
在医用X射线能量范围内
Z为原子序数；h为普朗克常量；v为光子频率
由公式可知： 1、随着原子序数增大，发生光电效应概率越大。
2、随着光子能量的增大，光电效应发生概率迅速减 小 3、光子能量大于等于K层结合能时候，光电效应主要 发生在K层。光子能量小于K层结合能，光电效应只能 发生在L层或者更外层。
三、光电效应边缘吸收
我们用连续能量的X光子与钨钼铜作用：
图中图像的锯齿点，说明 该点X射线的吸收突然增 大，因为这一点的X射线 的能量等于某一层的结合 能，我们把光电效应发生 概率突然增大的地方称为 边缘吸收。
三、光电效应在影像中的利弊
1、不产生散射线，减少了灰雾。 2、可增加人体组织与造影剂之间的对比度 3、能量全部被吸收，辐射剂量大。
放射物理历年习题
17、只有当入射光子能量大于多少时才可能在原子核库仑场中发生电子对效应：
A.0.511MeV
B.1.022Mev
C.1.533MeV
D.2.044MeV
E.2.555MeV
63.体外辐射防护的三要素为（ ）
C.湮灭辐射 [0.3833] Biblioteka D.光电效应 [0.4167]
E.特征Ｘ射线辐射 [0.0167]
题干：
在光电效应过程中，以下哪项是正确的（其中：hn 是入射光子能量，hn’是散射光子能量，Ee是轨道电子动能，Bi是电子束缚能，m0是电子静止质量）C
选项：A.hn=Ee+hn’ [0.0741]
A. 带电粒子的运动方向和速度发生变化
B. 相互作用可以是库仑是核力相相互作用也可以互作用
C. 相互作用过程中原子核不激发不辐射光子
D. 带电粒子能量低时弹性散射截面大
E. 碰撞后绝大部分能量由原子核获得
F. 碰撞后绝大部分能量由散射粒子带走
89.能量注量描述的是：
A、 辐射能量的损失
B.hn=Ee+hn’+m0c2 [0.0741]
C.hn=Ee+Bi [0.5926]
D.hn=Ee+m0c2+Bi [0.1728]
E.hn=Ee+m0c2+Bi+hn’ [0.0741]
题干：
Ｘ射线与物质相互作用中，哪一种相互作用Ｘ射线仅损失部分能量：
B. 处于激发态的原子退激时放出电子
C. 处于激发态的原子核的衰变
X射线与物质的相互作用
X射线与物质的相互作用X射线是一种高能电磁波，具有较短的波长和较高的频率。
当X射线入射到物质上时，它与物质中的原子相互作用，主要有光电效应、康普顿散射和正电子湮灭三种。
首先，光电效应是指当X射线入射到物质中的原子内层电子上时，电子被光子击中后被激发或抛射出原子。
这个过程遵循能量守恒定律，即入射X射线的能量等于光电子的能量加上剩余能量。
光电效应的主要特点是能量转移效率高，但是能量分辨率较差，不适用于微细结构的研究。
其次，康普顿散射是X射线与物质中的自由电子碰撞后散射出去，同时X射线的波长发生了变化。
这个过程遵循动量守恒和能量守恒定律。
康普顿散射在医学诊断中得到了广泛应用，因为它具有良好的能量分辨率和较高的对比度。
最后，正电子湮灭是指当X射线入射到物质中时，一部分入射X射线与物质中的原子碰撞，产生正电子和负电子。
正电子与负电子相遇后发生湮灭，产生两个γ光子。
正电子湮灭谱是通过测量X射线与物质的相互作用，得到信息的有效方法。
除此之外，X射线还会与物质产生其他的相互作用，如光子发射、光子吸收、光子和原子核相互作用等。
这些相互作用过程是多种多样的，可以通过测量入射和散射X射线的强度、能量变化以及角分布来研究物质的结构、成分等信息。
在医学方面，X射线的应用非常广泛。
例如，X射线透视可以用于骨骼和丰富因子的成像，可以用于检查骨折、肺部感染、心脏病等疾病。
另外，计算机断层扫描（CT）是一种通过多个方向的X射线扫描来获取物体横截面图像的技术，可以用于检测和诊断肿瘤、脑血栓等疾病。
在工业领域，X射线也得到了广泛的应用。
例如，X射线非破坏性检测可以用于检测金属和非金属材料的缺陷，如焊缝、裂纹等。
此外，X射线衍射可以用于材料的结晶结构分析，用于研究材料的晶体结构和晶体缺陷。
总之，X射线与物质的相互作用是一种重要的物理现象，具有广泛的应用领域。
通过研究X射线与物质的相互作用机制，可以获得物质的结构、成分等信息，为医学诊断、工业检测等领域提供技术支持。
X射线与物质的相互作用
µ＝ wj µj ∑
j
元素的质量吸收系数， 其中µj 代表吸收体内第 j 元素的质量吸收系数，wj是它所占 重量百分比（ 重量百分比（ ） wj = 1 。
∑
X射线的电离作用 射线的电离作用
∗ 物质受X射线照射时，使核外电子脱离原子轨道， 这种作用叫电离作用。 ∗ 在光电效应和散射过程中，出现光电子和反冲电 子脱离其原子的过程叫一次电离，这些光电子或 反冲电子在行进中又和其它原子碰撞，使被击原 子逸出电子叫二次电离。在固体和液体中，电离 后的正、负离子将很快复合，不易收集。但在气 体中的电离电荷却很容易收集起来，利用电离电 荷的多少可测定X射线的照射量（X射线测量仪器 正是根据这个原理制成的）。 ∗ 电离作用是X射线损伤和治疗的基础
讨论 若 λ 的关系与物质无关 与物质无关， ∆λ 与θ 的关系与物质无关，是光子与近自由电子
0
可见光观察不 可见光观察 到康普顿效应. λ >> λC 则 ≈ λ0 ,可见光观察不到康普顿效应
间的相互作用. 间的相互作用 的散射光是因光子与金属中的紧束缚 光子与金属中的 λ 散射中∆ = 0 的散射光是因光子与金属中的紧束缚 电子（原子核）的作用. 电子（原子核）的作用 物理意义 光子假设的正确性， 光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性 . 微观粒子也遵守能量守恒 动量守恒定律 能量守恒和 定律. 微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律
光电效应的过程
∗电子被光子击出：“光电子”产生。光子本身消 失了， ∗物质的原子被电离，原壳层处留下空位。 ∗“光电子”继续撞击物质中的其它原子，它的动 能以热的形式消耗在附近晶格中； ∗空位为外层电子(自由电子)所填充，产生辐射： 发出标识X-射线。
光电效应示意图
第三节 X射线与物质的相互作用
3. 散射电子和反冲电子的角分布
4. 诊断放射学中的康普顿效应 X射线的散射——需要防护
四、电子对效应
1. 作用过程 当X射线光子从原子核旁经过时，在原子核库
仑场的作用下形成一对正负电子，此过程称为电子 对效应。
发生电子对效应前提——光子的能量大于1.02MeV （兆电子伏 ）
dN 1
N dx
线性衰减系数是光子束能量和靶物质材料的函数， 与入射光子数无关；线性衰减系数越小，说明X射线 的穿透能力越强。
光子数的变化服从指数衰减规律，但必须满足窄束 和单能（单一频率的X射线）条件。所谓窄束是指X 射线光子束的照射范围小，足以保证与靶物质相互 作用后产生的散射光子照不到探测器。
单能平行X射线光子束入射到物质中，如图
入射X射线
靶 厚度
探测器 衰减后的原射线
散射光子
2. μ线性衰减系数 设靶物质单位体积的靶粒子数为n，密度ρ；
在厚度x=0处，与X射线光子束入射方向垂直的单位 面积上的光子数为N0（微分方程的初始条件） ； 在厚度x处，单位面积上的光子数为N；
穿过dx薄层时，有- dN个光子与物质发生了作用。
弹性散射（也称为电子共振），这个电子吸收入射 光子的能量而跃迁到高能级（该电子并未脱离原子， 故反冲体是整个原子），随即又放出一个能量约等 于入射光子能量的散射光子（说明散射光子与原光 子频率差不多）。
相干散射质量衰减系数：
coh Z (h )2
物质对X射线散射的实质是物质中的电子与X光 子的相互作用。
第三节 X射线与物质的相互作用
X射线在与物质的相互作用过程中的大多数情况表 现出其粒子性。
大部分能量转化为热能，产生非生物效应。 光电效应 康普顿效应 电子对效应
x射线的原理
x射线的原理X射线是一种高能电磁辐射，其原理基于电子的特性和物质的相互作用。
X射线的产生过程中，高速运动的自由电子与物质发生碰撞，使得电子发生能量损失并产生特征性辐射。
具体过程如下。
1. X射线的产生：X射线主要通过两种机制产生，即广义上的Bremsstrahlung辐射和特征X射线。
a. Bremsstrahlung辐射：当高速电子经过物质时，与物质内的原子核或电子产生库伦相互作用。
由于电子受到库伦力的影响，它们会经历加速或减速。
当电子被加速或减速时，它们会发射出辐射能量，形成连续能谱的X射线，由于它是在减速过程中产生的原因，所以称为Bremsstrahlung辐射。
b. 特征X射线：当电子与物质内的原子相互作用时，如果原子的内层电子被高速电子击中，内层电子会被击出，并留下一个空位。
这时，外层电子会补充内层电子位置，并释放出能量差。
这些能量差对应着特定能量的X射线，称为特征X射线。
2. X射线的传播和吸收：X射线具有较高的穿透能力，可以穿过人体组织和物质。
当X射线通过物质时，会与物质内的原子相互作用，发生散射和吸收。
a. 散射：X射线在物质中遇到原子核或电子时，会发生散射。
这种散射会改变X射线的传播方向，但不会改变其能量。
b. 吸收：X射线在物质中遇到原子时，会被物质吸收。
吸收率与物质的原子序数、密度、厚度以及X射线的能量有关。
不同组织和物质对不同能量的X射线具有不同的吸收能力。
3. X射线的探测和成像：X射线的探测和成像基于不同物质对X射线的吸收特性。
通过利用X射线透过物体的程度，可以得到关于物体内部结构和组织的信息。
探测器或片子接收并记录X射线通过物质后的剩余强度，然后通过图像处理和重建算法得到体内结构的二维或三维图像。
总之，X射线利用高速运动的电子与物质相互作用，产生辐射能量，进而通过物质的散射和吸收特性进行探测和成像。
这种原理使得X射线在医学、工业和科学研究等领域具有广泛应用。
x射线衍射的原理与应用
x射线衍射的原理与应用一、原理x射线衍射是一种利用x射线与物质相互作用的现象来研究物质结构的方法。
它的基本原理可以归纳为以下几点：1.x射线的性质：x射线是一种波长极短、能量较高的电磁辐射。
它具有穿透性，可以穿过物质并被物质表面散射或吸收。
2.Bragg衍射：当x射线照射到晶体表面时，会发生衍射现象。
根据Bragg方程，当入射角、反射角和晶面间距满足一定关系时，会出现强衍射峰。
该关系可以表示为2d.sin(θ) = n.λ，其中d为晶面间距，θ为入射角，λ为x射线的波长，n为整数。
3.探测器：为了测量衍射强度，常使用像康普顿探测器、平板探测器等器件。
这些探测器能够测量x射线的强度，并转化为电信号进行记录和分析。
二、应用x射线衍射在材料科学、结构生物学、矿物学等领域有着广泛的应用。
下面列举一些主要的应用领域和方法：1.材料学研究：x射线衍射可以用来研究晶体材料的结构和相变行为。
通过分析衍射图案，可以确定晶格常数、晶胞结构、晶体对称性等信息。
这对于材料的合成、改良以及性能的预测具有重要意义。
2.相变研究：x射线衍射可以用来研究物质的相变行为。
通过在不同条件下进行衍射实验，可以观察到衍射图案的变化，进而揭示相变的机理和特征。
这对于理解相变动力学和相变的控制具有重要意义。
3.结构生物学：x射线衍射常用于研究生物大分子（如蛋白质、DNA等）的结构。
通过测量衍射图案，可以确定生物大分子的三维结构，从而揭示其功能和作用机理。
这对于药物设计、疾病治疗等具有重要意义。
4.失效分析：x射线衍射可以用于材料失效分析。
通过研究材料的衍射图案，可以识别出材料中的缺陷、残余应力等问题，并帮助寻找失效的原因。
这对于提高材料的可靠性和安全性具有重要意义。
5.矿物学研究：x射线衍射在矿物学领域有着广泛应用。
通过研究矿物的衍射图案，可以确定其成分、结构和晶形。
这对于矿物的鉴定、勘探和利用具有重要意义。
三、总结x射线衍射是一种重要的研究物质结构的方法。
X射线与物质相互作用
第三节 X 射线与物质相互作用我们前面讲过当X 射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透 射光电效应等一、X 射线的散射X 射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使 X 射线光子偏离原射线方向，即发生散射。
X 射线的散射现象可分为相干散射和非 相干散射。
1、相干散射及散射强度当X 射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被 迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射 X 射线波长相同的散 射X 射线，称为经典散射。
由于散射波与入射波的频率或波长相同，位 相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。
按动力学理论，一个质量为 m 的电子，在与入射线呈29角度方向 上距离为R处的某点，对一束非偏振X 射线的散射波强度为：2(1 cos 2v2它表示一个电子散射X 射线的强度，式中f e =e 2/mC 2称为电子散射 称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。
可见相干散射是X射线衍射技术的基础。
2、非相干散射 当入射X 射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性 碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿 散射l e =| 0 4 e 2~2 4 R m C 因子l e =l 0 7.9 10 ^6 R 2(1 cos 2 2^ 2这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固 定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底， 给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。
二、 X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是 X 射线射线光子数的减少，而不是 X 射线能量的减少。
所以，透射 X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。
X 射线与物质相互作用，实质上是 X 射线与原子的相互作用，其基本原理 是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的 X 射线易穿过 物质，长波长X 射线易被物质吸收。
X射线与物质相互作用
第三节X射线与物质相互作用我们前面讲过当X射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透射光电效应等一、X射线的散射X射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使X射线光子偏离原射线方向，即发生散射。
X射线的散射现象可分为相干散射和非相干散射。
1、相干散射及散射强度当X射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散射X射线，称为经典散射。
由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。
按动力学理论，一个质量为m的电子，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R处的某点，对一束非偏振X射线的散射波强度为：I e =I0)22cos1(24224θ+CmRe它表示一个电子散射X射线的强度，式中fe=e2/mC2称为电子散射因子。
22cos12θ+称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的I e =I0)22cos1(109.72226θ+⨯-R从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。
可见相干散射是X 射线衍射技术的基础。
2、非相干散射当入射X射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿散射这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。
二、X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是X 射线射线光子数的减少，而不是X 射线能量的减少。
所以，透射X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。
X 射线与物质相互作用，实质上是X 射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的X 射线易穿过物质，长波长X 射线易被物质吸收。
《放射物理与防护》教学课件：4第四章1：X线与物质的相互作用
第一节 概述
• η常被称为作用几率 η=NB/N
• 它表示射线通过物质层面Δx时，一个入射 光子与物质中NB个靶核相互作用的几率（N 表示入射光子数）。显然，作用几率η与射 线通过物质上的靶粒子数NB成正比。
• 研究射线通过物质时与物质发生相互作用 ，可以了解射线的性质、射线产生的物理 过程及射线对物质的影响。
• 也是进行射线探测、防护和应用的重要基 础。
第一节 概述
• X线通过物质时，小部分从物质的原子间 隙中穿过，大部分被吸收和散射，从而产 生各种的物理的、化学的及生物的效应。
• 这些效应的产生都是物质吸收X线能的结 果。
X线与物质相互作用---光电效应
第一节 概述
• 下图示：X线光子进入生物组织后，光子能 量在其中的转移、吸收乃至最终引起生物 效应的大概过程。
光电效应
光子
X线光子进 入生物组织
康普顿效应
电子对效应
韧致辐射
高速电子
电子沿径迹 损失能量
电离 激发 热
物化阶段 生化阶段 生物损伤
第一节 概述
一、X线与物质相互作用的几率 • 由于入射光子与物质中的粒子（也称靶粒
第一节 概述
• 作用几率η也可用入射束通过物质前后的强 度变化来表示。
η=I0－I/I0=ΔI/I0 • η ：作用几率； • I0：入射强度； I：出射时的强度。 • 因入射光子通过物质时将与物质粒子发生
相互作用，使出射束的强度减弱。I＜I0
第一节 概述
二、射线的衰减 一）.线衰减系数 • 是让光子束入射到厚度可变的物体上，探
X射线与物质相互作用发生信号原理及应用
本科生课程计说明书题目：X射线与物质相互作用产生信号的原理及应用学生姓名：学号：专业：金属材料工程班级：材料指导教师：X射线与物质相互作用产生信号的原理及应用摘要本文简述了X射线的发现，从X射线的发生入手，研究了X射线与物质相互作用产生信号的种类及原理，并分析了各种信号的实际应用。
引言部分简单介绍了X射线发现历史和其应用意义；第一章简述X射线的产生机制和物理性质；第二章分析了X射线与物质相互作用，所产生的信号种类及其原理，同时标注了各种信号的应用；第三章介绍了X射线在生产实际中的两种应用——厚度测量、元素测定。
在总结里，笔者再次强调了X射线应用的重要意义和发展前景。
关键词：X射线；信号；应用目录摘要 (I)引言 (1)第一章X射线物理学 (2)1.1 X射线的产生 (2)1.2 X射线的性质 (3)第二章X射线与物质的相互作用 (4)2.1 基本的吸收和发射过程 (4)2.2 产生的信号及原理 (5)第三章X射线的应用实例简介 (8)3.1 厚度测量 (8)3.1.1 X射线测厚原理 (8)3.1.2 X射线测厚仪 (8)3.2 X射线荧光法测定元素 (9)3.2.1 X射线荧光法测定元素的原理 (9)3.2.2 X射线荧光分析法简介 (9)总结 (11)参考文献 (12)引言德国物理学家伦琴（W.C.Roentgen）在1895年研究阴极射线时发现了一种奇异的光线，它不但能量高、直线传播、穿透力强，而且能杀死生物组织和细胞，并具有照相效应、荧光效应和电离效应。
因当时对其知之甚少，故称为X射线。
而另一位德国物理学家劳埃（ue）则在1912年用理论和试验证实了X射线为一种能够产生衍射现象、波长为10-10m左右的电磁波。
从此开创了X射线发展的新纪元【1】。
随着对X射线的不断探索，和设备与技术的普及，其应用也日趋广泛。
X射线已逐步变成研究材料和测试的常规方法。
随着高强度X射线源（包括超高强度的旋转阳极X 射线发生器、电子同步加速辐射,高压脉冲X射线源）和高灵敏度探测器的出现以及电子计算机分析的应用，X射线衍射法的用途也越来越广泛，除了在无机晶体材料中的应用，已经在有机材料、钢铁冶金、以及纳米材料的研究领域中发挥出巨大作用，并且还应用于瞬间动态过程的测量。
x线电离效应
x线电离效应
X线电离效应"（X-ray ionization effect）是指X射线与物质相
互作用时，能量足够高的X射线光子可以从原子或分子中去
除一个或多个电子，使原子带正电荷成为离子的过程。
X射线电离效应是X射线与物质相互作用的重要过程之一。
当X射线经过物质时，其高能量的光子会与物质中的原子或
分子发生相互作用。
在与原子或分子相互作用的过程中，X射线光子能量会被转移给电子，使其脱离原子或分子成为自由电子，从而形成正离子和自由电子对。
这个过程被称为电离。
X射线电离效应的具体过程包括两种主要类型：直接电离和间接电离。
直接电离是指X射线光子直接与原子内的电子相互
作用，将电子从原子中剥离。
间接电离是指X射线光子与原
子或分子中的电子相互作用，将能量转移到另一个电子，使其获得足够能量以逃离原子。
无论是直接电离还是间接电离，结果都是产生正离子和自由电子对。
X射线电离效应对于医学成像和放射治疗等领域非常重要。
在医学成像中，通过观察物质对X射线电离效应的响应，可以
获取关于物质内部结构的信息。
在放射治疗中，利用X射线
的电离效应可以对癌细胞进行杀伤。
总之，X射线电离效应是X射线与物质相互作用的重要过程，其对于医学成像和放射治疗等应用具有重要意义。
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第三节 X 射线与物质相互作用
我们前面讲过当X 射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透射光电效应等
一、X 射线的散射
X 射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使X 射线光子偏离原射线方向，即发生散射。
X 射线的散射现象可分为相干散射和非相干散射。
1、相干散射及散射强度
当X 射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X 射线波长相同的散射X 射线，称为经典散射。
由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。
按动力学理论，一个质量为m 的电子，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R 处的某点，对一束非偏振X 射线的散射波强度为：
I e =I 0)2
2cos 1(24224θ+C m R e 它表示一个电子散射X 射线的强度，式中f e =e 2/mC 2称为电子散射因子。
2
2cos 12θ+称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的 I e =I 0)2
2cos 1(109.72226θ+⨯-R 从上式可见（书P5）
相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。
可见相干散射是X 射线衍射技术的基础。
2、 非相干散射
当入射X 射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿散射
这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固
定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。
二、X 射线的透射
X 射线射线透过物质后强度的减弱是X 射线射线光子数的减少，而不是X 射线能量的减少。
所以，透射X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。
X 射线与物质相互作用，实质上是X 射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的X 射线易穿过物质，长波长X 射线易被物质吸收。
三、X 射线的吸收
长波长X 射线被物质吸收时，能量向其他形式转变。
X 射线能量除转变为热量之外，，还可以转变为电子电离，荧光产生，俄歇电子形成等光电效应。
1、光电效应
电离是指当入射光子能量大于物质中原子核对电子的束缚能时，电子将吸收光子的全部能量而脱离原子核的束缚，成为自由电子。
被激出的电子称为光电子。
这种因为入射线光子的能量被吸收而产生光电子的现象称为光电效应。
① 荧光效应①②
指当高能X 射线光子激发出被照射物质原子的内层电子后，较外
层电子填其空穴而产生了次生特征X 射线（或称为二次特征辐射）的现象。
因其本质上属于光致发光的荧光现象，即与短波射线激发物质产
生次生辐射的荧光现象本质相同，故也称为荧光效应或荧光辐射。
要产生荧光效应，显然入射X 射线光量子能量h ν必须等于或大
于将此原子某一壳层的电子激发出所需要的脱出功。
因此产生某系激发都有一个某系激发的最长波长，即激发限。
该波长必须满足λi =
ι
ν24.1（nm ） 荧光效应与X 射线管产生特征X 射线的过程相似，不同之处在于：
X射线管产生特征X射线射线。
入射线是高速运动的电子；荧光效应
的入射线是高能X射线光子。
相同之处在于：均产生波长特定的X射
线。
荧光X射线的波长决定于原子的能级差（外层电子填内层空穴）。
因此从荧光X射线的特征波长可以查明被激发原子是哪种元素。
这就
是X射线荧光光谱技术（XRF）该技术可用于快速定性分析材料中所
含元素，即荧光X射线用于材料的成分分析。
荧光效应产生的次生特征X射线的波长与原射线不同，相位也与原射线无确定关系。
因此不会产生衍射。
但所产生的背底比非相干散
射严重得多。
所以在X射线衍射研究中，应正确选择所实用得X射线
波长，以尽可能避免产生明显得荧光辐射。
②俄歇效应
当较外层电子填空穴时所释放得能量不产生次生X射线，而是转移给另一外层电子，并使之发射出来，这个次生电子叫俄歇电子，这个过程称俄歇效应。
产生俄歇电子除用X射线照射外，还可用电子束、离子束轰击。
俄歇电子能谱：俄歇电子得能量分布曲线称为俄歇电子能谱，它反映了该电子从属得原子以及原子的结构特征，因此俄歇电子能谱分析（Auger Electron Spectroscopy AES）可以分析固体表面化学组成元素的分布，可用于精确测量包括价电子在内的化学键键能。
也可测量化学键之间微细的能量差。
扫描俄歇电子能谱仪还可以观测表面的形貌。
2、X射线的吸收
①线吸收系数和能量吸收系数
当X射线穿过物质时，其强度要衰减，并遵循一定的规律。
吸收系数：当X射线透过通过1cm厚的物质时被吸收的比率称为吸收
系数
透射线强度I
入射线强度为I0
设所透过的物质厚度为x
它们的关系为：I=I 0e -μx
对X 射线衰减的研究表明由于散射引起的衰减和由于激发电子及热振动引起的真吸收遵循不同的规律。
即真吸收部分随X 射线波长和物质元素的原子序数而显著地变化，散射部分则几乎和波长及元素的原子序数无关。
一般情况下真吸收远远超过散射引起的衰减。
因此散射衰减往往忽略不计。
吸收系数μ对同一物质正比于它的密度。
设物质密度为ρ，则上式改写为：
I=I 0x
ρμm -e 0I I =x
ρμm -e
μm =ρ
μ μm ——元素质量吸收系数（cm 2/g ）
I I ——透过系数或透射因子 可见，透射X 射线强度是按指数规律迅速衰减。
μm 对于一定波长和一定物质来说，是与物质密度无关的常数。
其物理意义为每克物质引起的相对衰减量。
它不随物质的物理状态（气态、液态、粉末或块状的固态、机械混合态、化合物或固液体等）而改变。
当X 射线透过多种元素组成的化合物时（p 7），多种元素组成物质的质量吸收系数为μm i 2211w m w w m 1w i m n
i i mi μμμμ ++==∑= W i 为该种物质的质量分数。
N 为表示该物质是由n 种物质构成的。
例：计算SiO 2对Cu 的K a 辐射（λ=15.418nm ）的质量吸收系数
已知M （Si ）=28.09，M （0）=16.0，μmSi =60.6，μm0=11.5
μmSiO2=0
.16209.280.165.110.16209.2809.286.60⨯+⨯+⨯+⨯
=34.45cm 2/g
② 吸收系数与波长、元素的关系
元素的质量吸收系数μm 与入射X 射线的波长及吸收物质原子序数有关
吸收限：当吸收物质一定时，随波长减小，质量吸收系数减小。
当波长减小到一个限度λk 时，质量吸收系数产生一个突变（增大）。
称发生突变时的波长为吸收限。
在λk 处发生突变，这是由于入射线管子能量达到了激发该元素k 层电子的数值，从而大量地被吸收或消耗在这种激发上面，并同时引起特征辐射。
所有元素的μm 与λ的关系曲线均类似，只是吸收限的位置不同。
吸收限是吸收元素的特征量，不随实验条件的改变而改变。
根据电子激发前所处的电子层，分别称为K 吸收限，L 吸收限，M 吸收限等等。
其值λ激K =k
V 24.1决定。
在吸收限处μm 增加了7~10倍。
当入射X 射线波长一定时，不考虑吸收限则一般随原子序数增加μm 越大。
即重金属原子序数越大，对X 射线的吸收系数越大，X 射线越难穿过。
人们之所以用铅板、铅玻璃作为屏蔽X 射线的材料就是基于这一点。
③ 吸收限的应用
A 、物质对X 射线吸收的一个主要应用是对滤波片的选择（P7，勾划线） 由μm —λ关系曲线（画黑板上），如果能找到一种金属薄片作滤波片，它的K 吸收限波长正好介于X 射线所发出的K α、K β两线的
波长之间，则这种滤波片会大量吸收K β线及大部分连续X 射线，
而对K α吸收很小，也就是得到了“单色”的K α辐射了（见书例图
1-5）
滤波片厚度对滤波质量也有影响。
滤波片太厚，对K α的吸收也增
加对实验的不利。
B 、 阳极靶的选择
物质对X 射线的吸收，不仅用于滤波片的选择，而且还用于X 射线靶的选择。
在X射线衍射实验中，总是希望样品对X射线的吸收尽可能少些。
因为若样品对X射线强烈吸收，将大大减弱衍射强度。
而这种吸收激发的荧光辐射使背底加强，使衍射图模糊而不利于分析。
因此在X射线物相分析中应针对试样的原子序数，可以调整靶材的种类，避免产生荧光辐射。
线波长稍大于试样中主要元靶材选择规则：使靶材发出的K
α
素的K系吸收限λK，并尽量靠近λK。
这样不产生K系荧光而且吸收最小
Z靶≤Z试+1。