第二章 X射线物理学基础

X射线功率 K1iZV 2 X射线管效率 K1ZV 电子流功率 iV
由于K1是个很小的数，约为 1.1 ~ 1.4 109V ，如 采用W阳极（z=74）,V=100kV时，效率仅为1%左右。 碰撞阳极靶的电子束的大部分能量都耗费在使阳极 靶发热上 。 水冷却
(2)标识X射线（特征x射线）
X射线的强度 • X射线的强度是指垂直X射线传播方向的单位面积上在 单位时间内所通过的光子数目的能量总和。 常用的 单位是J/(cm2· s) . • X 射线的强度 I 是由光子能量 hv 和它的数目 n 两个因素 决定的,即I=nhv.连续X射线强度最大值在1.5λ0 ,而 不在λ0处。
• 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。 • 实验证明，I与管电流i、管电压V、阳极靶的原子 序数 Z 存在如下关系： 且 X 射线 2 I 连 K1iZV 管的效率为:
2-3 x射线的产生及x射线谱（连续谱和标识谱）
2-4 x射线与物质的相互作用 2-5 x射线的探测、防护及应用
画线部分为重点。
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程
X射线的发现是19世纪末20世纪初物理
学的三大发现（X射线1895年、放射线 1896年、电子1897年）之一，这一发 现标志着现代物理学的产生。
右）能量转变成热能使物体温度升高。
（水冷）
（2）产生条件
a.产生自由电子；
b.使电子作定向的高速运动;
c.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。
X射线 冷却水 电子
玻璃 钨灯丝
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
（3）X射线管 • 封闭式X射线管实质上就是一个大的
波长分别为0.71 Å和0.63 Å.
• 激发电压：发出标识x射线的最低电压或临界电压。
产生机理
• 标识X射线谱的产生机理与阳极靶物质的原子内部 结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容 原理和能量最低原理分布于各个能级。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
似，亦称多色X射线。
• 特性；
相 对 强 度
• 短波限；
• 产生机理； • X射线的强度。
钨靶的连续X射线谱
连续谱特性
（1）每一种管电压下，存在一个短波极限；射线 中含有大于短波极限的各个波长成分。
（2）随着管电压增大，短波极限和强度最大的波
长朝短波方向移动。
相 对 强 度
短波限
• 连续 X 射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限 λ0.它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它 只与管电压有关，不受其它因素的影响。 • 相互关系为：
前一章内容回顾
• 空间点阵
• 晶（向）面指数 • 倒易点阵定义和倒易矢量的基本性质 • 晶带定律
[hkl]* (hkl)， r * d 1 [uvw] (uvw)*，d* r 1 hu kv lw 1
第二章 X射线的物理学基础
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程 2-2 x射线与电磁波谱
伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时无 法确定这一新射线的本质。伦琴发现X射线从而获得诺贝 尔奖。 1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产 ，发表了《X射线的干涉现象》一文。
劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注，
1034
J.s;
X射线 波长范围0.01～10nm，在电磁波谱上位于紫 外线和γ 射线之间。
无线电波
可见光
可见光 X射线
红外线
紫外线
γ射线
分为软x射线（波长大于0.5nm）和硬x射线（波长小于 0.5nm）。 用于衍射分析的波长0.05～0.25nm。 •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。 •软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱， 可用于非金属的分析。 •X射线波长的度量单位常用埃（Å）表示；通用的国 际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关 系为： 1nm=10 Å
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。
K系激发机理及命名
• 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
• X 射线与物质相互作用时， 产生各种不同的和复杂的 过程。就其能量转换而言， 一束 X 射线通过物质时，可 分为三部分： • 一部分被散射， 一部分被吸收， 一 部 分透 过 物 质继 续 沿 原 来的方向传播(透射或折 射)。 • X射线的散射 ； • X射线的吸收 ； • X射线的衰减规律； • 吸收限的应用； • X射线的折射；
个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线 圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用 一本厚书，2－3厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插在 放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、
二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是
“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射 线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特
殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。
他一连许多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行 彻底研究。6个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。
1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。 1895年12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递
交了第一篇研究通讯《一种新射线———初步研究》。
2-2 x射线与电磁波谱
X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅 是波长短而已，因此具有波粒二象性。 (1)波动性; (2)粒子性。
•X射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动 h 量p之间存在如下关系： h hc p


•式 中 h—— 普 朗 克 常 数 ， 等 于 6 . 6 2 5 × c——X射线的速度，等于2.998× 108 m/s.
连续谱造成的衍射背影最小。
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。且存在如下关系：
• 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

K 2 Z
•标识X射线谱应用：化学元素的分析 •上式是元素分析的理论依据。
总结
• 1 x射线谱分为连续谱和标识谱（或特征谱）
• 是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱
线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。
1.标识X射线的特征 ; 2.产生机理 ;
3.K系激发机理 ;
4.莫塞莱定律；
5.标识X射线的强度特征。
X射线谱
标识X射线的特征
• 当电压达到临界电压时，发出标识谱线； 随电压增加，标识谱线的波长不变化， 强度增强。 • 如钼靶 K 系标识 X 射线有两个强度高峰为 Kα 和 Kβ ，
eV h max
hc

0
• 式中
相 对 强 度
e——电子电荷，等于 1.6 1019
V——电子通过两极时的电压降；
库仑；
钨靶的连续X射线谱
h——普朗克常数，等于 6.6251034 j s
eV h max
hc

0
hc 0 eV 6.6251034 3.0 108 9 10 1.601019 V 1240 (nm) V
• 4 K系激发电压，K系标识谱线的命名。
K层电子被击出时所需最低电压。 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。
• 5 莫塞莱定律
1

K 2 Z
2-4 X射线与物质相互作用
• 2 短波限λ0是连续谱上的最小波长。由电子一次
eV h 碰撞就耗尽能量所产生的X射线，它与管压的关系：
max

hc

0
• 3 标识谱的产生机理
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，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。
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
• 总结 。
X射线的散射
• X射线被物质散射时，产生两种现象：
• 相干散射； • 非相干散射。
相干散射
• 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。 • 用于x射线衍射分析。
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
计，并利用这台仪器，发现了特征X射线。
X射线已被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工业 等领域。对于促进20世纪的物理学以至整个科学技术 的发展产生了巨大而深远的影响。
X射线衍射分析的特点：