第二章 x射线物理基础2
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此式把吸收限与激发电压联系起来。
从激发光电效应角度讲，我们可以称K为激发限波长，
即只有波长小于K的X光子才能激发K系产生X光电效应而使 X射线的能量被吸收。
讨论与辨析
激发限波长λk
二次特征X射线 光电子 光电效应
连续X射线波长限λ0
特征X射线
VS
反冲电子
其他效应
俄歇效应
原子在入射X射线光子的作用下失掉K层电子，处 于K激发态；当L层电子填充空位时，放出EL-EK能 量，可能产生两种效应： (1) 荧光X射线； (2) 产生二次电离，使另一个核外电子成为二 次电子——俄歇电子。
2.3.1 连续X射线谱
I
40mA
30mA 20mA
ຫໍສະໝຸດ Baidu
10mA
0
短波限 0
管电流(i)对连续谱的影响(钨靶)
2.3.2 特征X射线（标识X射线）
➢ 特点： 1）和靶的物质有关，和电压无关 2）电压要达到一定值才能产生
➢ 莫塞来定律：
1 K(Z )
式中K为与靶中主量子数有关的
常数，σ为屏蔽常数，与电子所 特征X射线谱及管电压对
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。由于散射线与入射线的频率和
波长一致，位相固定，在相同的方向上各个散射
波符合干涉条件，因此称为相干散射。
电子将入射X射线向其四周散射；或者说入射波 将自身的能量传给电子，而电子又将该能量转化 为与入射波长相同的散射X射线。
X 射线
振动着的电子 成为次生X射 线的波源，向 外辐射与入射 X 射线同频率 的电磁波，称 为散射波。
第二章 X射线的物理基础
2.1 X射线的产生
电子源 加速电压
靶材 真空环境
2.2 X射线的本质
一、波粒二象性
➢一个光子的能量： E hν h c λ
➢一个光子的动量： p h λ
其中 普朗克常数h=6.625*10-34J.s 光速c =2.998*108m/s
X线的硬度（X线的贯穿本领）
在的壳层有关。
特征谱的影响（钼钯K系）
特征X射线产生机理
eVk =hvk=Wk
hv K→L=△EKL=EL-Ek
==hc/λ X射线波长是一定的 特征X射线
特征X射线产生机理
2.4 X射线与物质相互作用
• 定义
2.4.1 相干散射
干涉条件：
1，频率相同 2，相位差固定 3，振动方向一致
物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强
质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能 量损耗。
➢物质对X射线的非热能的吸收主要是由原子内
部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射
线的光电效应和俄歇效应。
➢ 热能 ➢ 光电效应； ➢ 俄歇效应。
光电效应 （荧光辐射）
光电效应 （荧光辐射）
定义： 当一个具有足够能量的X射线光子碰撞到物
质的原子时，也可以击出原子内层(如K层)的电 子而产生电子空位，且高能级的电子填充该空 位发生电子跃迁时，同样会产生辐射，即产生 特征X射线。
实质： 能量大的光子被物质吸收少，其贯穿本领强，相应 的射线硬度大。
X线
X线
A束
B束
硬度比较： B束 大于 A 束 常用管电压的千伏数（kV）表示X线硬度。
2.2 X射线的本质
➢ 2.人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离， 使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧 光物质发出荧光。
➢ 3.X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转； 当穿过物体时仅部分被散射。
➢ 4.X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨 大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。
2.3 X射线谱
依赖于加速电压 的连续X射线
不依赖于加速电 压的特征X射线
2.3.1 连续X射线谱
eU
hv
c
hvmaxeUh0
0
hc124n0m eU U
2.3.1 连续X射线谱
短波限 0
管电压(V)对连续谱的影响(钨靶)
相干散射并未损失X射线的能量 （频率或者波长没变），而只 是改变了它的传播方向。因此 相干散射又称为弹性散射。
** 相干散射是X射线在晶体中产生衍射的基础。
（1）劳厄方法
X 射 线 管
（2）衍射仪法
X射线衍射
铅 屏
晶体
底 片
因此，晶 体可看作 三维立体 光栅。
2.4.2非相干散射
• X射线光子与束缚力不大
这种以X射线光子激发物质原子所发生的激发 和辐射的过程称为光电效应。被击出的电子被 称为X射线光电子，所辐射的特征X射线称为次 级（或二次）X射线，或称为荧光X射线。
光电效应产生条件
➢当X光子激发K系（电
子）产生光电效应时， 光子的能量必须大于击 出一个K层电子所做的 功（临界值）。
hceV1V2 .4(A)
康吴效应
非相干散射是康普顿和我国物理学家吴有 训等人发现的，亦称康普顿效应或康普顿-吴有 训效应。
非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性， 只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它会增 加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别 对轻元素。
2.4.3 X射线的吸收
➢物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物
的外层电子 或自由电子 碰撞时电子获得一部分动
入射X射线
2
能成为反冲电子，X射线
电子
光子离开原来方向，能量
损失，波长增加。
21 m h 0 c ( 1 c2 o ) s 0 .0
2 ( 1 c 42 o 3 )A s ( )
这种散射波的位相与入射线的位相之间不存在固定关
系，不能产生干涉效应，因此称为非相干散射。
俄歇效应
KLILII
KLL俄歇跃迁
真空能级
M ➢俄歇电子的能量与
LIII 激发源（光子或电子
LII LI
）的能量无关，只取
决于物质原子的能级
结构，每种元素都有
自己的特征俄歇电子
K 能谱。故可利用俄歇 电子能谱做元素的成
分分析。
光电效应小结
光电子
被X射线击出壳层的电子即光电子,它带有 壳层的特征能量,所以可用来进行成分分析 (XPS)
高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另
俄歇电子 一个电子送出去,这个被送出去的电子就是 俄歇电子带有壳层的特征能量(AES)
高能级的电子回跳,多余能量以X射线形式
二次荧光 发出.这个二次X射线就是二次荧光也称荧 光辐射同样带有壳层的特征能量
X射线与物质相互作用的总结
入射X射线
散射X射线
电子
相干
非相干 反冲电子 俄歇电子 光电子
荧光X射线
康吴效应 俄歇效应
光电效应
透射X射线衰减后的强度I0
热能
小结
散射
相干散射无能量损失或损失相对较小
从激发光电效应角度讲，我们可以称K为激发限波长，
即只有波长小于K的X光子才能激发K系产生X光电效应而使 X射线的能量被吸收。
讨论与辨析
激发限波长λk
二次特征X射线 光电子 光电效应
连续X射线波长限λ0
特征X射线
VS
反冲电子
其他效应
俄歇效应
原子在入射X射线光子的作用下失掉K层电子，处 于K激发态；当L层电子填充空位时，放出EL-EK能 量，可能产生两种效应： (1) 荧光X射线； (2) 产生二次电离，使另一个核外电子成为二 次电子——俄歇电子。
2.3.1 连续X射线谱
I
40mA
30mA 20mA
ຫໍສະໝຸດ Baidu
10mA
0
短波限 0
管电流(i)对连续谱的影响(钨靶)
2.3.2 特征X射线（标识X射线）
➢ 特点： 1）和靶的物质有关，和电压无关 2）电压要达到一定值才能产生
➢ 莫塞来定律：
1 K(Z )
式中K为与靶中主量子数有关的
常数，σ为屏蔽常数，与电子所 特征X射线谱及管电压对
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。由于散射线与入射线的频率和
波长一致，位相固定，在相同的方向上各个散射
波符合干涉条件，因此称为相干散射。
电子将入射X射线向其四周散射；或者说入射波 将自身的能量传给电子，而电子又将该能量转化 为与入射波长相同的散射X射线。
X 射线
振动着的电子 成为次生X射 线的波源，向 外辐射与入射 X 射线同频率 的电磁波，称 为散射波。
第二章 X射线的物理基础
2.1 X射线的产生
电子源 加速电压
靶材 真空环境
2.2 X射线的本质
一、波粒二象性
➢一个光子的能量： E hν h c λ
➢一个光子的动量： p h λ
其中 普朗克常数h=6.625*10-34J.s 光速c =2.998*108m/s
X线的硬度（X线的贯穿本领）
在的壳层有关。
特征谱的影响（钼钯K系）
特征X射线产生机理
eVk =hvk=Wk
hv K→L=△EKL=EL-Ek
==hc/λ X射线波长是一定的 特征X射线
特征X射线产生机理
2.4 X射线与物质相互作用
• 定义
2.4.1 相干散射
干涉条件：
1，频率相同 2，相位差固定 3，振动方向一致
物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强
质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能 量损耗。
➢物质对X射线的非热能的吸收主要是由原子内
部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射
线的光电效应和俄歇效应。
➢ 热能 ➢ 光电效应； ➢ 俄歇效应。
光电效应 （荧光辐射）
光电效应 （荧光辐射）
定义： 当一个具有足够能量的X射线光子碰撞到物
质的原子时，也可以击出原子内层(如K层)的电 子而产生电子空位，且高能级的电子填充该空 位发生电子跃迁时，同样会产生辐射，即产生 特征X射线。
实质： 能量大的光子被物质吸收少，其贯穿本领强，相应 的射线硬度大。
X线
X线
A束
B束
硬度比较： B束 大于 A 束 常用管电压的千伏数（kV）表示X线硬度。
2.2 X射线的本质
➢ 2.人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离， 使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧 光物质发出荧光。
➢ 3.X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转； 当穿过物体时仅部分被散射。
➢ 4.X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨 大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。
2.3 X射线谱
依赖于加速电压 的连续X射线
不依赖于加速电 压的特征X射线
2.3.1 连续X射线谱
eU
hv
c
hvmaxeUh0
0
hc124n0m eU U
2.3.1 连续X射线谱
短波限 0
管电压(V)对连续谱的影响(钨靶)
相干散射并未损失X射线的能量 （频率或者波长没变），而只 是改变了它的传播方向。因此 相干散射又称为弹性散射。
** 相干散射是X射线在晶体中产生衍射的基础。
（1）劳厄方法
X 射 线 管
（2）衍射仪法
X射线衍射
铅 屏
晶体
底 片
因此，晶 体可看作 三维立体 光栅。
2.4.2非相干散射
• X射线光子与束缚力不大
这种以X射线光子激发物质原子所发生的激发 和辐射的过程称为光电效应。被击出的电子被 称为X射线光电子，所辐射的特征X射线称为次 级（或二次）X射线，或称为荧光X射线。
光电效应产生条件
➢当X光子激发K系（电
子）产生光电效应时， 光子的能量必须大于击 出一个K层电子所做的 功（临界值）。
hceV1V2 .4(A)
康吴效应
非相干散射是康普顿和我国物理学家吴有 训等人发现的，亦称康普顿效应或康普顿-吴有 训效应。
非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性， 只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它会增 加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别 对轻元素。
2.4.3 X射线的吸收
➢物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物
的外层电子 或自由电子 碰撞时电子获得一部分动
入射X射线
2
能成为反冲电子，X射线
电子
光子离开原来方向，能量
损失，波长增加。
21 m h 0 c ( 1 c2 o ) s 0 .0
2 ( 1 c 42 o 3 )A s ( )
这种散射波的位相与入射线的位相之间不存在固定关
系，不能产生干涉效应，因此称为非相干散射。
俄歇效应
KLILII
KLL俄歇跃迁
真空能级
M ➢俄歇电子的能量与
LIII 激发源（光子或电子
LII LI
）的能量无关，只取
决于物质原子的能级
结构，每种元素都有
自己的特征俄歇电子
K 能谱。故可利用俄歇 电子能谱做元素的成
分分析。
光电效应小结
光电子
被X射线击出壳层的电子即光电子,它带有 壳层的特征能量,所以可用来进行成分分析 (XPS)
高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另
俄歇电子 一个电子送出去,这个被送出去的电子就是 俄歇电子带有壳层的特征能量(AES)
高能级的电子回跳,多余能量以X射线形式
二次荧光 发出.这个二次X射线就是二次荧光也称荧 光辐射同样带有壳层的特征能量
X射线与物质相互作用的总结
入射X射线
散射X射线
电子
相干
非相干 反冲电子 俄歇电子 光电子
荧光X射线
康吴效应 俄歇效应
光电效应
透射X射线衰减后的强度I0
热能
小结
散射
相干散射无能量损失或损失相对较小