第二章 X射线物理学基础

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X射见线光
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。
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就是激发电压。L层内不同亚能级电子向K层跃迁
所发射的K1和K2的关系
k1 k 2 ,
I k 1
2Ik 2
X射线谱
标识X射线的强度特征
• K系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为：
I标 K 2iV Vk n
二、X射线谱
由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型： (1)连续X射线； (2)标识X射线。
（1）连续X射线
• 具有连续波长的X射线，构成 连续X射线谱，它和可见光相 似，亦称多色X射线。
• 特性；
• 短波限；
相
对
• 产生机理；
强
• X射线的强度。
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。
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。
线的衍射现象，推动了x射线的应用）
1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在 一个黑纸袋中，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。
冷却水 金 属 靶
X射线 电子
玻璃 钨灯丝
接变压器
铍窗口
X射线 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 真空（ 105 ~ 107）mm二Hg 极管。基本组成包 括：
• (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 • (2)阳极：亦称靶，是使电子突然减
速和发射X射线的地方。
• 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。
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。
总结
• 1 x射线谱分为连续谱和标识谱（或特征谱）
• 2 短波限λ0是连续谱上的最小波长。由电子一次
碰撞就耗尽能量所产生的X射线，它与管压的关系：eV

h
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
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。
对x射线的发现和应用有巨大贡献的科学家
• 德国物理学家伦琴（1895年）（发现了未知射线） • 德国物理学家劳厄（1912年）（证明x射线的波动性） • 英国布拉格父子（1912年）（简洁形式描述晶体对x射
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 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
• 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射线管的效
率为:
I连 K1iZV 2


X射线管效率

X射线功率 电子流功率

K1iZV 2 iV
K1ZV
由于K1是个很小的数，约为 1.1 ~ 1.41，0如9V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
一、x射线的产生 （1）产生原理
高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换， 电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％ 左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99％左 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。
劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注， 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 光计，并利用这台仪器，发现了特征X射线。
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 ，
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 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。
位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。
• 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
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、动量
p之间存在如下关系： h hc

p h

•式 中 h—— 普 朗 克 常 数 ， 等 于 6 . 6 2 5 ×1034 J.s; c——X射线的速度，等于2.998×108m/s.
h——普朗克常数，等于 6.625 1034 j s
eV

h max

hc

0
hc
0 eV

6.6251034 3.0 1.60 1019V
108
109
1240 (nm) V
短波限λ0随管压V的增大而减小。
产生机理
• 高能电子与阳极靶的原子碰撞时，受靶中原子核的库 仑场作用而速度骤减，电子失去自己的能量，其中部 分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的 光子，这样的光子流即为X射线。高速电子进入靶内 不同深度，损失的动能有各种数值，使射线(光子)波 长连续变化,形成连续谱。
(2)标识X射线（特征x射线）
• 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；
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： • 式中
eV

h max

hc

0
相
对
强
度
e——电子电荷，等于 1.61库0仑19 ；
V——电子通过两极时的电压降； 钨靶的连续X射线谱
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。