第二章 x射线物理基础2
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02.2第二章 X-射线晶体学(2)
与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
二、X射线的产生
热阴极二极管 阳极---靶（A），一般为纯 金属（Cu,Cr,V,Fe,Co）抛 光镜面 阴极---灯丝（C）产生热电 子 真空管---铍玻璃-金属管 直流高压---U(几千~几万伏） 两种类型X射线波长：
连续X射线 特征X射线
Microstructural scale Microstructure: general term Macro covering a wide range of Meso structural features, from interatomic distance to those visible to the naked eye. Micro
Macrostructure: the scale of the engineering components, visible to the eye. Mesostructure: On the Nano borderline of the visible. Microstructure: grain, precipitates, dislocation, microcracks, microporosity… Nanostructure: Sub-micro feautures
ห้องสมุดไป่ตู้
K β 、Lα特征射线是怎样产生的？
五、X射线与物质的相互作用
五、X射线与物质的相互作用
一、X射线的散射 1. 相干散射（经典散射/汤姆逊散射） X射线光电子和受原子和束缚 得很紧的电子（如原子内层电子） 相碰撞而弹射，光子的方向改变了， 但能量几乎没有损失，于是产生了 波长不变的散射。 是X射线在晶体中产生衍射现象的 基础 2. 非相干散射 当X射线光子与原子中受束缚力弱 的电子（如原子中的外层电子）发 生碰撞时，电子被撞离原子并带走 光子的一部分能量而成为反冲电子。 因损失能量而波长变长的光子也被 撞偏了一个角度2θ 成为散射光子。 散射光子和反冲电子的能量之和等 于入射光子的能量。
第二节X射线的物理学基础-精选
• 因高速电子的动能仅1%左右转变为X射线，99%都转变成热能，为避 免烧熔靶面，需通水冷却。
19
二、X射线的产生 （2）X射线管
• 窗口：金属铍制成，是X射线射出的通道，要求既要由足够的强度维持高 真空，又要对X射线吸收小。通常由四个或两个窗口。
• X射线在各个方向上的强度不相同，与电子束垂直的方向，强度最大。由 于靶面不是绝对光滑平整，因此常在与靶面成6度的方向接收X射线。
7
一、X射线的性质 （4）贡献
图为澳大利亚悉尼大学一名工作人员在审视手中的X射线照片
8
一、X射线的性质
（5）X射线的本质
• 1912年，德国物理学家劳厄（M. V. Laue)等根据理论预见到， 并用实验证实：X射线照射晶体时，将产生干涉（即衍射）现 象。证明了X射线的本质是电磁波。这是X射线衍射学的第一个 里程碑。
几个月后被用于医学诊断，后来又用于金属材料和机械零件的 探伤。 1901年获第一届诺贝尔物理奖。 1912年劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射 线的波动性和晶体内部结构的周期性。（1914诺奖） 1912年11月，布拉格利用X射线分析晶体结构，提出著名的布 拉格方程，成功解释劳厄的实验。（1915诺奖）
根据X射线波长的不同，可将X射线分为以下两种： • 硬X射线：波长短 • 软X射线：波长较长
波长愈短穿透能力愈强，用于金属探伤的X射线波长为 0.005~ 0. 01nm或更短 ；适用于晶体结构分析的X射线， 波长约为0. 05~ 0. 25nm。
12
一、X射线的性质 （9）X射线探测与防护
• 因X射线是人类肉眼看不见的射线，必须使用专门的设备 和仪器进行间接探测。探测X射线的主要仪器设备是：荧 光屏、照相底片和探测器等。
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二、X射线的产生 （2）X射线管
• 窗口：金属铍制成，是X射线射出的通道，要求既要由足够的强度维持高 真空，又要对X射线吸收小。通常由四个或两个窗口。
• X射线在各个方向上的强度不相同，与电子束垂直的方向，强度最大。由 于靶面不是绝对光滑平整，因此常在与靶面成6度的方向接收X射线。
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一、X射线的性质 （4）贡献
图为澳大利亚悉尼大学一名工作人员在审视手中的X射线照片
8
一、X射线的性质
（5）X射线的本质
• 1912年，德国物理学家劳厄（M. V. Laue)等根据理论预见到， 并用实验证实：X射线照射晶体时，将产生干涉（即衍射）现 象。证明了X射线的本质是电磁波。这是X射线衍射学的第一个 里程碑。
几个月后被用于医学诊断，后来又用于金属材料和机械零件的 探伤。 1901年获第一届诺贝尔物理奖。 1912年劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射 线的波动性和晶体内部结构的周期性。（1914诺奖） 1912年11月，布拉格利用X射线分析晶体结构，提出著名的布 拉格方程，成功解释劳厄的实验。（1915诺奖）
根据X射线波长的不同，可将X射线分为以下两种： • 硬X射线：波长短 • 软X射线：波长较长
波长愈短穿透能力愈强，用于金属探伤的X射线波长为 0.005~ 0. 01nm或更短 ；适用于晶体结构分析的X射线， 波长约为0. 05~ 0. 25nm。
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一、X射线的性质 （9）X射线探测与防护
• 因X射线是人类肉眼看不见的射线，必须使用专门的设备 和仪器进行间接探测。探测X射线的主要仪器设备是：荧 光屏、照相底片和探测器等。
第二章 X射线衍射
第二章 X射线衍射分析
• 主要内容: • X射线的物理基础 • X射线衍射原理（布拉格方程） • 样品制备及实验方法 • X射线衍射方法在材料研究中的应用
2.1 X射线的产生及性质
2.1.1 X射线的发现及性质
发现：
1895年，著名的德国物理学家伦琴发现了X射线，也叫伦 琴射线。 1912年，德国物理学家劳厄等人发现了X射线在晶体中的
43m 2 4
90
30
31 32
O Td Oh
43,34,6m
m 3 m 43,34,62,9m, i
2.2.1 X射线衍射
原理：通过在晶体中所产生的衍射现象进行结构分析
X射线衍射: 衍射：光线照射到物体边沿后,通过散射继续在空间发射 的现象。 X射线投射到晶体中时，会受到晶体中原子的散射，而散 射波就好象是从原子中心发出，每一个原子中心发出的散射
非晶体（noncrystal)
是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规
则周期性排列的固体。它没有一定规则的外形，如玻璃、 松香、石蜡等。 它的物理性质在各个方向上是相同的，叫“各向同性”。 非晶体是内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体，
具有近程有序，但不具有长程有序。如玻璃。外形为无规
2、均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。 3、各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。 4、对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的 对称性。 5、自限性：晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。 6、解理性：晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。 7、最小内能：成型晶体内能最小。 8、晶面角守恒：属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角 恒定不变。
2.2.2 布拉格方程 英国物理学家布拉格父子把空间点阵理解为互相平行且 面间距相等的（hkl）的一组平行点阵（或面网），面网间距 为d。入射X射线S0（波长为λ）沿着与面网成θ角（掠射角） 的方向射入。
• 主要内容: • X射线的物理基础 • X射线衍射原理（布拉格方程） • 样品制备及实验方法 • X射线衍射方法在材料研究中的应用
2.1 X射线的产生及性质
2.1.1 X射线的发现及性质
发现：
1895年，著名的德国物理学家伦琴发现了X射线，也叫伦 琴射线。 1912年，德国物理学家劳厄等人发现了X射线在晶体中的
43m 2 4
90
30
31 32
O Td Oh
43,34,6m
m 3 m 43,34,62,9m, i
2.2.1 X射线衍射
原理：通过在晶体中所产生的衍射现象进行结构分析
X射线衍射: 衍射：光线照射到物体边沿后,通过散射继续在空间发射 的现象。 X射线投射到晶体中时，会受到晶体中原子的散射，而散 射波就好象是从原子中心发出，每一个原子中心发出的散射
非晶体（noncrystal)
是指组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规
则周期性排列的固体。它没有一定规则的外形，如玻璃、 松香、石蜡等。 它的物理性质在各个方向上是相同的，叫“各向同性”。 非晶体是内部质点在三维空间不成周期性重复排列的固体，
具有近程有序，但不具有长程有序。如玻璃。外形为无规
2、均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。 3、各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。 4、对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的 对称性。 5、自限性：晶体具有自发地形成封闭几何多面体的特性。 6、解理性：晶体具有沿某些确定方位的晶面劈裂的性质。 7、最小内能：成型晶体内能最小。 8、晶面角守恒：属于同种晶体的两个对应晶面之间的夹角 恒定不变。
2.2.2 布拉格方程 英国物理学家布拉格父子把空间点阵理解为互相平行且 面间距相等的（hkl）的一组平行点阵（或面网），面网间距 为d。入射X射线S0（波长为λ）沿着与面网成θ角（掠射角） 的方向射入。
第二章X射线物理基础
消息传遍全球，各国竞相开展试验研究。虽未了解此现象本质，因其有 强大穿透力，能透过人体显示骨骼，迅速被医学界广泛利用，成为透 视人体、检查伤病的有力工具，产生了X射线透视学。
后来又用于金属探伤，对工业技术也有很大促进作用。
2020/1/27
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
2020/1/27
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
荷兰Philips公司第二代陶瓷X射线管
2020/1/27
2.2.2 产生条件
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
（1）产生自由电子（如加热钨丝发射热电子）；
1895年11月8日发现了X射线。 1900年任慕尼黑大学物理研究所教授，主 任。 1901年，获首届诺贝尔物理学奖。 1923年2月10日，在慕尼黑去世。
2020/1/27
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
伦琴夫人的手 －摄于1895年12月22日
六个星期后，伦琴确认是一种新射线， 才告诉自己夫人。
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0.001-10nm ，一般波 长短的X射线穿透能力强，称为硬X射线（0.005-0.01nm），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。
2020/1/27
1912年，德国物理学家劳埃（M. Von Laue）利用晶体作为天然光栅成功观 察到了X射线衍射现象。
他用CuSO4·5H2O进行了实验，获得了 第一张X射线衍射照片。
1914年获诺贝尔物理学奖
2020/1/27
Max von Laue 马克斯 • 冯 • 劳埃(1879-1960)
后来又用于金属探伤，对工业技术也有很大促进作用。
2020/1/27
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
2020/1/27
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
荷兰Philips公司第二代陶瓷X射线管
2020/1/27
2.2.2 产生条件
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
（1）产生自由电子（如加热钨丝发射热电子）；
1895年11月8日发现了X射线。 1900年任慕尼黑大学物理研究所教授，主 任。 1901年，获首届诺贝尔物理学奖。 1923年2月10日，在慕尼黑去世。
2020/1/27
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
伦琴夫人的手 －摄于1895年12月22日
六个星期后，伦琴确认是一种新射线， 才告诉自己夫人。
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0.001-10nm ，一般波 长短的X射线穿透能力强，称为硬X射线（0.005-0.01nm），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。
2020/1/27
1912年，德国物理学家劳埃（M. Von Laue）利用晶体作为天然光栅成功观 察到了X射线衍射现象。
他用CuSO4·5H2O进行了实验，获得了 第一张X射线衍射照片。
1914年获诺贝尔物理学奖
2020/1/27
Max von Laue 马克斯 • 冯 • 劳埃(1879-1960)
X射线物理学基础
6) 假定空气由20% O2 和 80% N2 组成, 其密
度为1.29×10-3 g/cm3, 试求其对于Cr Kα的质
量吸收系数um 和线吸收系数u。
7) 作出Cu靶在1, 5, 20 and 40 kV 电压下的强
度-波长关系图。
8) 对于铁靶，应用什么做滤波片，解释你的选
择理由。
一、原子能态及其表征
可以象粒子一样和微观粒子发生相互作用
同样微观粒子既有粒子性，又可以作为一
种波（德布罗意波）有干涉和衍射现象
X射线的特点： 1）不可见 2）折射率接近1 3）穿透性强 5）杀伤作用
(三) X产生与X射线管
1. 产生方式： 1.高速电子流撞击金属靶
2.同步幅射X射线 X射线管的结构 ：
X射线管
阴极产生电子
X射线物理学基础作业 1．在原子序24（Cr）到74（W）之间选择7种元素，根据它们的特征谱波 长（Kα1），用图解法验证莫塞莱定律。 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？ 3．讨论下列各组概念中二者之间的关系： 1）同一物质的吸收谱和发射谱； 2）X射线管靶材的发射谱与其配用的滤波片的吸收谱。 3）X射线管靶材的发射谱与被照射试样的吸收谱。 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。 5．画出MoKα辐射的透射系数（I/I0）-铅板厚度（t）的关系曲线（t取 0~1mm）。 6．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？
1
式中K2为与靶中主量子数有关的常数，
K2 (Z )
K2 (Z )
σ为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。 特征X射线谱及管电压对特征谱的影响 （钼钯K系）
第二章-X射线成像的物理基础
特征辐射
高速电子流轰击阳 极靶，将某些内层电子 击出，转移到外部壳层 或击出原子之外。
轨道电子从外层跃迁 到内层。放出特征X射 线光子。
1. 连续辐射(韧致辐射)：如果被靶阻挡的电子的能量，不越过一 定限度时，只发射连续光谱的辐射。这种辐射叫做轫致辐射。 连续光谱的性质和靶材料无关。
2. 特征辐射(标识辐射)：当电子的能量超过一定的限度时，可以 发射一种不连续的，它只有几条特殊的线状光谱，这种发射 线状光谱的辐射叫做特征辐射。 特征光谱和靶材料有关，不同的材料有不同的特征光谱这就是 为什么称之为“特征”的原因。
在压产生X射 线的时间
X射线的量：管电流×曝光时间（mA×s）
穿透物质 的能力
X射线的质：管电压（kV）
X射线的质/线质一般用于表示X射线的硬度(hardness of X-ray)
X射线的三个参量：
管电压(kVp) 管电流(mA) 曝光时间(s)
名称
极软X射线
X射线谱， 波长大致介于70～0.01 nm范围内的电磁
辐射，X射线谱由连续谱和标识谱两部分组成，标识谱重
叠在连续谱背景上。连续谱是由于高速电子受靶极阻挡而
产生的轫致辐射，其短波极限λ0由加速电压V决定：
0
=
hc eV
为普朗克常数，e为电子电量，c为真空中的光速。 标识谱是由一系列线状谱组成，它们是因靶元素内层
第二章 X线成像物理基础
章节目录
第1节 X线的本质 第2节 X射线的产生和影响因素 第3节 X线的各种作用 第4节 X射线与物体原子间相互作用 第5节 X线的量与质
我们视而不见的光亮，对于我们就是黑 暗。当我们清醒时，曙光才会破晓。来日方 长，太阳只是启明星。
第2章 X射线的物理基础
焦斑——阳极靶面被电子束轰击的区域
X射线从焦斑区域出发 焦斑的形状对X射线衍射图的形状、清晰度、分辨率有较大影响
较小的焦斑 & 较强的强度
在与靶面成 出射角为 3°~6° 处接受X射线
在与焦斑短边垂直处，可得到正方形焦点，即电光源 在与焦斑长边垂直处，可得到细线型焦点，即线光源
X射线谱
Bragg W L 1890-1971
与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
年 份 学 科 1901 物理 1914 物理 1915 1917 1924 1937 1954 1962 1962 1964 1985 1986 1994 得奖者 伦琴Wilhelm Conral Rontgen 劳埃Max von Laue 亨利.布拉格Henry Bragg 物理 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg. 物理 巴克拉Charles Glover Barkla 物理 卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn 戴维森Clinton Joseph Davisson 物理 汤姆孙George Paget Thomson 化学 鲍林Linus Carl Panling 肯德鲁John Charles Kendrew 化学 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、 生理医学 Maurice h.f.Wilkins 化学 Dorothy Crowfoot Hodgkin 霍普特曼Herbert Hauptman 化学 卡尔Jerome Karle 鲁斯卡E.Ruska 物理 宾尼希G.Binnig 罗雷尔H.Rohrer 布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 物理 沙尔 C.G.Shull 内 容 X射线的发现 晶体的X射线衍射 晶体结构的X射线分析 元素的特征X射线 X射线光谱学 电子衍射 化学键的本质 蛋白质的结构测定 脱氧核糖核酸DNA测定 青霉素、B12生物晶体测定 直接法解析结构 电子显微镜 扫描隧道显微镜 中子谱学 中子衍射
2. X射线物理学基础
X射线的特点
波动性：
以一定的频率 ν 和 波 长 λ 在 空间 传播；具有干涉、 衍 射 、偏 振 等现 象。
微粒性：
具有一定的质量m、 能量E和动量p， 在与电子、质子、 中子间相互作用时， 表现出粒子的特征。
X射线的波粒两重性
ν、λ与E、p之间也有如下的关系: E=hν=hc/λ P=h/λ
5. X射线命名规则
X射线命名规则：主字母代表终态，下标 代表层序差＝1，＝2。。。。。例如 K：LK， K：MK
6. X射线与物质的相互作用
X 射线与物质相互作用时 ( 过程复 杂 ) 。但就其能量转换而言，一束 X 射 线通过物质时，它的能量可分为三部 分：散射、吸收、透过(透过物质后的 射线束强度被衰减)。
常用X射线管的结构
X射线
玻璃
钨灯丝
冷却水
电子
接变压器 示 金属聚灯罩
3. X射线的产生--装置
（1）常用的靶材：Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag （2） 冷却系统：当电子束轰击阳极靶 时，其中只有1%能量转换为X射线，其 余的99%均转变为热能。因此， 阳极 的底座一般用铜制作。使用时通循环水 进行冷却。以防止阳极过热的熔化。
X射线的性质
（1）穿透性
（2）感光作用 （3）电离作用 （4）荧光作用 （5）生物效应
3. X射线的产生—原理
X射线的产生，是因为在阴极 射线管中的电子流高速射入正极 靶内的物质时，因为电子减速或 造成靶中原子内部的扰动，而放 射出高频率的电磁波。
3. X射线的产生--装置
当冲击物质的带电质点或光子的能量足够大时, 物质原子内层的某些电子被击出，或跃迁到外部 壳层，或使该原子电离，而在内层留下空位。然 后，处在较外层的电子便跃入内层以填补这个空 位。这种跃迁主要是电偶极跃迁，跃迁中发射出 具有确定波长的线状标识X 射线谱。
x射线物理学基础
X射线是一种短波长（0.005-10nm） 、高能量（2.5×105-1.2×102）的电磁波 。它是原子内层电子在高速运动电子流 冲击下，产生跃迁而发射的电磁辐射。
一、x射线须具备如下条件：
1．产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射 热电子；
2．设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用以 产生x射线；
1912年、劳厄(M.v.Lnue)等利用晶体作为产生 x射线衍射的光栅，使x射线产生衍射，证实了 x射线本质上是一种电磁波，波动性是其本性 的—个方面。
它与可见光一样，x射线以光速沿直线传播， 其电场强度矢量E和磁场强度矢量H相互垂直 ，并位于垂直于x射线传播方向的平面上。
x射线波长范围为10—0.001nm，在X射 线金属学中，常用的波长约在0.25— 0.05nm之间，用于材料探伤的x射线波长 在0.1—0.005nm之间，一般波长短的x射 线称为硬x射线．反之称为软X射线。
x射线物理学基础
2020年4月22日星期三
开创了人类认 识物质微观结 构的新纪元
发展了X射线 的衍射理论
1912年劳埃（Laue ）
X射线的发现和广泛应用是廿世纪科学发展 中最伟大成就之一
围绕X射线发现 、发展和应用 而进行科研工 作的科学家获 诺贝尔奖的就 有近卅人之多
1901年 伦琴(英)
获诺贝尔物理奖
当X射线管中高速运动的电子和阳极靶碰撞时 、产生极大的负加速度，电子周围的电磁场将 发生急剧的变化，辐射出电磁波。由于大量电 子轰击阳极靶的时间和条件不完全相同，聚射 出的电磁波具有各种不同的波长，因而形成了 连续X射线谱。
根据量子力学观点、能量为eV的电子和阳极靶 碰撞时产生光子，从数值上看光子的能量应该 小于或最多等于电子的能量。
第二章 X射线物理学基础
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
年轻的小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实
验事实。他以更简洁的方式，清楚地解释了X射线晶体
衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：2dsinθ＝ nλ 。这一结果不仅证明了小布拉格解释的正确性，更 重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信 息。1912年11月，年仅22岁的小布位格以《晶体对短波 长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结 果。老布拉格则于1913年元月设计出第一台X射线分光
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:
X射线物理学基础(2)
1. 光电效应 ---光电子和荧光X射线
激发K系光电效应时，入射光子的能量必须等于 或大于将K电子从K层移至无穷远时所作的功WK，即
hγ k =
hc
λk
= ωk
将激发限波长λK和激发电压VK联系起 ，即
eVk = ωk =
hc
λk
hc 12.4 = (nm) λk = eVk Vk
2. 俄歇效应
µl µm = ρ
工作中有时需要计算i个元素组成的化合 物、混合物、合金和溶液等的质量衰减系 数µm。由于µm与物质的存在状态无关， 因此衰减系数可按下式求得： µm=ω1µm1+ω2µm2+…ωiµmi
(3) X射线的吸收曲线 X射线的吸收曲线 如果用σm仍表示散射 系数，τm表示吸收系数。 在大多数情况下吸收系数 比散射系数大得多，故 μm≈τm。质量吸收系数 与波长的三次方和元素的 原子序数的三次方近似地 成比例。
温故而知新
1. X射线的本质 X射线的本质 2. X射线的产生 X射线的产生 (1) 产生条件 (2) X射线管的主要结构 X射线管的主要结构 3. X射线谱 X射线谱 连续X射线谱、特征X 连续X射线谱、特征X射线谱
第三节 X射线与物质的相互作用
【教学目标】 教学目标】
1. 理解X射线的散射与吸收。 2. 掌握X射线的衰减规律及线吸收系数和质量吸收系数。
光电子被被xx射线击出壳层的电子即射线击出壳层的电子即光电子光电子它带有壳它带有壳层的特征能量层的特征能量所以可用来进行成分分析所以可用来进行成分分析xpsxps俄歇电子高能级的电子回跳高能级的电子回跳多余能量将同能级的另多余能量将同能级的另一个电子送出去一个电子送出去这个被送出去的电子就是这个被送出去的电子就是俄歇电子俄歇电子带有壳层的特征能量带有壳层的特征能量aesaes二次荧光高能级的电子回跳高能级的电子回跳多余能量以多余能量以xx射线形式发射线形式发出出
第二章 X射线的产生与性质讲解
第二章 X射线的产生与性质绪论一．X射线实验技术的发展概况1895年，德国物理学家伦琴（W.K.Rontgen)，作阴极射线实验时，发现了一种不可见的射线，由于当时不知它的性能和本质，故称X射线，也称伦琴射线。
1909年，巴克拉（Barkla)利用X射线，发现X射线与产生X射线的物质（靶）的原子序数（Z）有关，由此发现了标识X射线，并认为此X射线是原子内层电子跃迁产生。
1908~1909年，德国物理学家Walte.Pohl，将X射线照金属（相当于光栅），产生了干涉条纹。
1910年，Ewald发现新散射现象，劳埃由此得出：散射间距（即原子间距）近似于1A数量级。
1912年，劳埃提出非凡预言：X射线照射晶体时，将产生衍射。
随后，为解释衍射图象，劳埃提出了劳埃方程；1913年，布拉格父子导出了简单实用的布拉格方程；随后，厄瓦尔德把衍射变成了图解的形式：厄瓦尔德图解1913~1914年，莫塞莱定律的发现，并最终发展成为X射线光谱分析及X射线荧光分析。
X射线衍射理论已基本完善，是一门相当成熟的学科，而X射线衍射技术仍在不断发展，近年来，发展尤为显著，其主要方面和原因有：（1）新光源的发明：转靶、同步辐射、X射线激光、X射线脉冲源，高效率、强光源，使测量精度提高4个数量级。
（2）新的探测器：由气体探测器到固体探测器，高分辨率、高灵敏度，使测量提高2个数量级。
（3）新的数据记录及处理技术：高度计算机化a. 实验设备、实验数据全自动化；b. 数据分析计算程序化；c. 衍射花样的计算机模拟。
二．X射线分析在金属材料领域中的主要应用物相分析点阵常数的精确测定织构的测定此外还有：晶粒大小的测定，应力测定等等。
第二章 X射线的产生和性质（即X射线物理学）重点：X射线的电磁波本质；两种X射线谱的成因及其实验规律；X射线与物质（试样）相互作用的物理效应及意义。
（首先对探测所用的辐射进行了解，然后对探测对象——晶体进行了解）第一节 X射线的本质1.１性质1895年德国物理学家伦琴（W.K.Rontyen）在研究阴极射线时，发现一种新的射线。
X射线物理学基础(1)
第二章 X射线的物理学基础
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返回目录
1
2-1 X射线的本质； 2-2 X射线的产生； 2-3 X射线谱； 2-4 X射线与物质相互作用； 2-5 X射线的探测与防护；
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2
2-1 X射线的本质
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 具有波粒二像 性。
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：
eV
hmax
hc
0
式中e——电子电荷，等于4.8031010静电单位； V——电子通过两极时的电压降（静电单位）； h——普朗克常数，等于 6.6251034js
相关习题：
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21
相关习题
试计算用50千伏操作时，X射线管中的 电子在撞击靶时的速度和动能，所发 射的X射线短波限为多少？
可用于分析非金属的分析。
X射线波长的度量单位常用埃（Å）或晶
体学单位（kX）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 ： 1 nm=10 Å =10 9 m 1kX=1.0020772±0.000053A (1973年值)。
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5
粒子性
特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一
教学ppt
10
过程演示（回车键演示） X射线
冷却水
电子
金 属 靶
铍窗口
X射线 X射线管教剖学pp面t 示意图
玻璃 钨灯丝
接变压器
金属聚灯罩
11
X射线管
1.X射线管的结构；图1-2； 2.特殊构造的X射线管； 3.市场上供应的种类。
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1
2-1 X射线的本质； 2-2 X射线的产生； 2-3 X射线谱； 2-4 X射线与物质相互作用； 2-5 X射线的探测与防护；
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2
2-1 X射线的本质
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 具有波粒二像 性。
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：
eV
hmax
hc
0
式中e——电子电荷，等于4.8031010静电单位； V——电子通过两极时的电压降（静电单位）； h——普朗克常数，等于 6.6251034js
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体学单位（kX）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 ： 1 nm=10 Å =10 9 m 1kX=1.0020772±0.000053A (1973年值)。
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5
粒子性
特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一
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10
过程演示（回车键演示） X射线
冷却水
电子
金 属 靶
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X射线 X射线管教剖学pp面t 示意图
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接变压器
金属聚灯罩
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X射线管
1.X射线管的结构；图1-2； 2.特殊构造的X射线管； 3.市场上供应的种类。
X线放射物理与防护第二章PPT课件
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4
X线具有微粒性，X线的波动性可以成功地解释X线 的干涉与衍射现象，但却不能解释X线的光电效应、 荧光作用、电离作用等，这些只能用X线的粒子性 做出圆满的解释。即X线是由一个个微粒即X光子组 成的。
.
5
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6
X线是一种电磁波，它具有电磁波的共同属性。此外，由于X线的能 量大、波长短，它还具有以下几方面的特有性质。
• 荧光的强弱与X线的量成正比
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8
• 5．电离作用
• X线虽然不带电，但它具有足够能量的X线光子能够撞击原子 中的轨道电子，使之脱离原子产生一次电离。被击脱的电子仍有 足够能量，去电离更多的原子。X线的电离作用主要是它的次级 电子的电离作用。X线在气体中产生的正、负离子，在电场力的 作用下很容易收集起来。通常就是利用空气中电离电荷(或电流) 的多少来测定X线的照射量。多种测定X线剂量仪器的探头，如 电离室、盖革弥勒计数管等都是根据这个原理制造的。
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14
1.电子源：电子源能提供所需数量的电子。
2.高速运动的电子流：要使电子成为高速运动的电子流需要两个条件; (1)有一个给电子加速的高压场，在高压场的作用下，电
子获得足够大的动能。 （2）有一个高真空的空间，是电子在高压场作用下而加
速运动的过程中，免遭气体分子的阻挡而降低能量。
3.阳极靶：一个能经受的住的高速电子撞击而产生的X射线的靶。
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23
• 固定阳极X线管
• 由于焦点面受温的限制，功率不能太大，若功率太大，温度过高， 靶面会融化，使靶面凹凸不平，在工作中产生大量的额散射线， 影像图像质量，增加了射线的环境污染和防护难度。降了X线 管的使用寿命。、
第二章 X线的产生和性质
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1
《材料科学研究与测试方法》第二章 X射线的物理基础
m 为质量吸收系数，反映了单位质量的物质量对X射线的衰减程度。
m K43Z3
m K
L1 L2 L3
O
K
L1
L3
L2
<
吸收谱：
k < k < k
2．4．3吸收限的作用
吸收限的作用主要有两个：选靶材和滤片。
1．选靶材
目的：保证靶材产生的特征X射线不被样品大量吸 收，从而产生衍射花样。故依样品而定。
0.165919
0.150014
0.154184
0.139222
0.071073
0.063228
K吸收 限
K/nm
0.20702
0.17434 6
0.16081 5
0.14880 7
0.13805 7
0.06197 8
Uk /kV 5.43,5.98 6.4,7.10
6.93,7.71 7.47,8.29
注意：发生二次特征时，吸 收很强，难以再衍射。衍 射的作用内层电子，并未 打飞，而仅是原位振动， 产生与入射X射线一样的 波长，从而发生相干，形 成衍射。
c
h K h W K K
K
hc eU K
1240 UK
K、K 、Uk分别称为K系 的激发频率、激发限波长
和激发电压。
注意点：
1）激发限波长K与前面讨论的连续特征谱的波长限0形式相似。K是能产生二次特 征X射线所需的入射X射线的临界波长，是与物质一一对应的常数。而0是连续X射线谱 的最小波长，是随管压的增加而减小的变量。二次特征X射线是由一次特征X射线作用物 质（试样）后产生的，而连续X射线是由电子束作用物质（靶材）后产生的。
8.04,8.86 17.44,20.0
x射线的物理学基础ppt课件
x射线衍射分析
晶体结构分析
通过测量晶体对X射线的衍射角度 ，可以推断出晶体的晶格常数、 原子间距等结构信息。
相变研究
利用X射线衍射技术可以研究物质 在相变过程中的晶体结构变化，揭 示相变的本质。
残余应力分析
通过测量材料表面的X射线衍射信息 ，可以计算出材料内部的残余应力 分布。
x射线光谱分析
元素分析
定期的安全检查
对X射线源进行定期的安全检查，确保其处于良好状态。
应急处理措施
制定应急处理预案，对可能发生的事故进行及时、有效的处理。
环境保护法规与标准
相关法规
《中华人民共和国放射性污染防 治法》 《放射性同位素与射线装置安全 和防护条例》
环境保护法规与标准
环境保护标准 《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》 《X射线诊断放射卫生防护标准》 其他相关行业标准及地方标准
性质
X射线具有波粒二象性，既可以表 现为波动性质（如干涉、衍射） ，也可以表现为粒子性质（如光 电效应）。
x射线的发现及历史
发现
1895年，德国物理学家伦琴在研究 阴极射线时意外发现了X射线。
历史
自伦琴发现X射线以来，X射线在医学 、工业、科研等领域得到了广泛应用 ，对现代科学技术的发展产生了深远 影响。
02
增加与X射线源的距离，降低照射强度。
屏蔽防护
03
使用铅板、混凝土等厚重物质遮挡X射线，减少散射线的影响。
x射线源的安全管理
封闭型X射线源
安全性能高，但一旦损坏可能造成严重后果。
开放型X射线源
使用时需特别注意安全，避免射线泄漏。
x射线源的安全管理
严格的操作规程
确保工作人员熟悉操作规程，避免误操作。
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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)
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）
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
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)
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
2.3.1 连续X射线谱
I
40mA
30mA 20mA
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
➢ 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射线谱源自eUhvchvmaxeUh0
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)
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。
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
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。
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。
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。
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
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。