X射线分析-1 X射线的性质
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能量值，被击打出的光电子的能量为：
＝ 入射线的能量－ 电子在原子核外所具有的能量
由于不同元素的核外电子具有不同的能量， 因此，测定该光电子的能量就可以确定物质的 化学成分。 （XPS原理）
37
第一章. X射线的性质
光电效应 被光电效应打掉了内层电子的原子将处于
激发状态，当原子由激发状态转变为稳定状态 时，和前面讲述的X射线产生的原理一样，将 产生X射线，称之为二次X射线－－荧光辐射。
例如对Cu靶产生的X射线，原始的特征 线强度分布为
Iα1：Iα2：Iβ ＝ 100:50:13.8 用Ni滤波片“过滤”后，强度分布为：
Iα：Iβ ＝ 500 ：1
47
6．X射线的探测
1 荧光板 ：将ZnS、CdS等荧光材料涂布在纸 板上制成，当X射线信号照射到荧光板上时，荧光 板就会发出荧光。
2照相方法：照相法是最早使用的检测并记录X射 线的方法，直到现在仍被采用。当感光乳剂受到X 射线照射后，AgBr颗粒离解形成显影核，经过显 影而游离出来的单质银微粒使感光处变黑。
大多数关于X射线光学性质的研究及其应 用都集中在散射和衍射现象上，尤其是衍射 方面。
X射线衍射方法是当今研究物质微观结构 的主要方法。
9
第一章. X射线的性质
（3） 穿透性质 X射线可以穿透由较轻元素组成的物质。 在X射线穿透物质的过程中，有一部分会被物质
吸收。吸收的程度与物质的组成、密度和厚度有关。
作业
1. 以Cu靶为例，简述Kα1、Kα2、Kβ射线的产生 原理。
2. 试论述物质对于X射线的吸收（吸收系数与原 子序数、波长的关系）
51
3 当激发L系特征X射线时，能否同时产生K特征 X射线？反之，当激发K系特征X射线时，能否同 时产生L系特征X射线？为什么?
4 解释为什么会有吸收边。K吸收边为什么只有 一个，而L系吸收边却有三个？
11
第一章. X射线的性质
（5） 吸收性质 物质吸收X射线的过程主要是光电效应、
俄歇效应和热效应。 光电效应产生光电子和二次X荧光，二
者皆可用于用于分析物质的成分（XPS、 XRF）。
俄歇效应产生俄歇电子，也可用于对物 质的成分进行分析。
热效应可以使物质发热。
12
第一章. X射线的性质
3 X射线的产生
第一章. X射线的性质
可见光光谱： （单位 nm） 720 - 620 - 592 - 578 - 500 - 464 - 446 - 390
红 橙黄 绿 青 兰 紫
7
第一章. X射线的性质
2 X射线的性质
（1） 一般性质
X射线和其它电磁波一样，能产生反射、折射、 散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。
16
第一章. X射线的性质
（1） 连续谱的产生
高速电子与阳极靶的原子碰撞时，由高速运 动突然转为停止不动，电子失去动能以光子形 式辐射，这个光子流就是X射线。
17
第一章. X射线的性质
设电子的动能为 ＝eV，若一个电子的动能 全部转化成X光子的能量，则：
＝hν＝ h c /λ λ =hc/ 这时该光子将具有最短的波长λs。 实际上电子的数量是极其巨大的，碰撞时的 角度千差万别，绝大多数电子，其能量在转化 为X光子的能量时，都有能量损耗，因此转化成 的X光子频率会变小，即波长变长。 实际形成：从λs为最短波长的连续谱线。
52
现在人们已经发现了许多的X射线产生机制， 其中最为实用的能获得有足够强度的X射线的方 法 仍 是 当 年 伦 琴 所 采 用 的 方 法 —— 用 阴 极 射 线 （高速电子束）轰击阴极（靶）的表面。
13
X射线 高速电子流
高真空
10-4—10-6Pa
至高压发生器 40-120kV
接地
14
第一章. X射线的性质
35
第一章. X射线的性质 5 物质对X射线的吸收
除了被散射和透射的一部分外， X射线将被物质吸收，吸收的实质是 发生能量转换。这种能量转换主要包 括光电效应和俄歇效应。
36
第一章. X射线的性质
光电效应 当入射X光子的能量足够大时，还可以将
原子内层电子击出使其成为光电子。 若入射X射线的波长是单色，具有恒定的
ΔE ＝ EL-EK ＝ hν 该差值能量将以X射线的形式放射出去。
放射出的X射线的波长 λ＝h/ΔE 必然是仅取 决于原子序数。
这种由L→K的跃迁产生的X射线我们称为Kα辐 射， M→K为Kβ辐射， N→K为 Kγ辐射。不过离原 子核越远的轨道产生跃迁的几率越小。
我们把这种Kα、Kβ、及Kγ等辐射称之为特征谱。
用于结构分析和成分分析的一般为硬射线， 用于医学透视的为软射线。
4
第一章. X射线的性质
X射线波长短、光子能量大，由于这两个基本 特性，所以，X射线光学（几何光学和物理光学） 虽然具有和普通光学一样的理论基础，但两者的 性质却有很大的区别，X射线与物质相互作用时 产生的效应和可见光也迥然不同。
5
6
24
第一章. X射线的性质
在由L→K跃迁产生Kα辐射时，由于原子核的L电 子层有三个亚层，三个亚层之间有微小的能量差异。 能发生电子跃迁的是第二和第三亚层。
ΔE ＝ EL-EK ＝ hν＝ hc/ λ 所产生的Kα射线就分为Kα1和Kα2。其中 Kα1的强度是Kα2的两倍。前者的波长比后者 稍微短一点。
λ = h c / ＝ h c / eV
代入各个参数后得到：
λs = 12.395／V； V的单位为KV, λs的单位为 A (angstrum) 21
第一章. X射线的性质
(2) 特征谱的产生 从原子物理学知道，原子内的电子按照鲍
林不相容原理和能量最低原理分布在各个能级 上（电子轨道），用记号K、L、M、N……表示。 K层最靠近原子核，能量最低，稳定性最强。
18
第一章. X射线的性质
19
第一章. X射线的性质
20
第一章. X射线的性质
连续光谱又称为“白色”X射线，包含了从 短波限λs开始的全部波长，其强度随波长变化 连续地改变。从短波限开始随着波长的增加强 度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向 于零。连续光谱的短波限λs只决定于X射线管 的工作高压。
X射线衍射分析
1
第一章. X射线的性质
X射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长 比可见光短得多，介于紫外线与γ射线之间，约 为10－2到102A的范围。X射线的频率大约是可见 光的103倍，所以它的光子能量比可见光的光子 能量大得多，表现明显的粒子性。
习惯上，称波长短的x射线为被x射线，波长 长的x射线为软x射线。软、硬表示x射线穿透物 质约能力。射线越硬，即其波长越短，则穿透物 质的能力就越大。
比如Cu ， λKα1 ＝1.5405A λKα2 ＝1.5443A
另外其β射线 λKβ ＝1.3921A
25
26
第一章. X射线的性质
27
第一章. X射线的性质
通常情况下，在特征谱中，Kα1、Kα2、 Kβ的强度分布如下：
Iα1：Iα2：Iβ：＝100：50：13.8 由于 Kα1、Kα2的波长很接近，所以在很 多情况下，都是按二者的加权平均值作为Kα 射线的波长，计算方法如下：
3 各种X射线探测器方法：正比计数、闪烁计数、 固体探测器等。
48
7. X射线的防护
X射线直接照射到人体局部组织，将引起 组织局部灼伤或坏死，全身过剂量将发生射 线病如头晕、精神萎靡、脱反、血液组成变 化，严重者将影响生殖。
但如采取适当防护措施即可防止，无需 存有畏惧心理。
49
50
第一章. X射线的性质
X射线作用生物细胞组织，还会导致生理效应， 使新陈代谢发生变化甚至造成辐射损伤。
10
第一章. X射线的性质
（4） 散射性质 X射线散射的过程又可分为两种，一种是
只引起X射线方向的改变， 不引起能量变化 的散射，称为相干散射，这是X射线衍射的 物理基础；
另一种是既引起X射线光子方向改变，也 引起其能量的改变的散射，称为不相干散射 或康普顿散射。
39
第一章. X射线的性质
40
第一章. X射线的性质
除此之外，X射线穿透物质时还有热效应， 产生热能。
我们将光电效应，俄歇效应和热效应所消 耗的那部分入射X射线能量称为物质对X射线的 真吸收。可见，由于散射和真吸收过程的存在 （主要是真吸收），与物质作用后入射X射线 的能量强度将被衰减。
41
第一章. X射线的性质
31
第一章. X射线的性质
32
第一章. X射线的性质 4 X射线与物质的相互作用 （X射线散射）
当入射光子碰撞电子后，若电子能牢固地保 持在原来位置上（原子对电子的束缚力很强）， 则光子将产生刚性碰撞，其作用效果是辐射出 电磁波--散射波。
这种散射波的波长和频率与入射波完全相同， 新的散射波之间将有可能发生相互干涉--相干 散射。
当灯丝被通电加热至高温时（达2000℃），大 量的热电子产生，在正负极之间的高电压作用下 被加速，高速轰击到靶面上。
高速电子到达靶面，运动突然受阻，其动能部 分转变为辐射能，以X射线的形式放出。轰击到靶 面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线 能，而大部分都转变成为热能。
15
第一章. X射线的性质
但是，在通常实验条件下，很难观察到X射线 的反射。只有在其掠射角极小(不超过20‘－30’) 时，X射线能产生全反射。
8
wenku.baidu.com
第一章. X射线的性质
（2） 衍射性质 在物质的微观结构中，原子和分子的距
离（1 － 10A左右）正好落在X射线的波长 范围内，所以物质对X射线的散射和衍射能 够传递极为丰富的微观结构信息。
该X射线的波长，完全取决与物质中的原 子类型，而与入射线的波长无关。
若测定该二次射线的波长，即可得到物质 的化学组成。（XRF原理）
38
第一章. X射线的性质
俄歇效应 如果原子K层电子被击出，L层电子向K层跃
迁，其能量差不是以产生K系X射线光量子的形 式释放，而是被邻近电子所吸收，使这个电子 受激发而逸出原子成为自由电子-----俄歇电子。 这种现象叫做俄歇效应（俄歇电子谱仪AES专 门分析这种电子的能量，从而获得物质的成 分）。
43
第一章. X射线的性质
μm出现台阶状跳 跃的原因（用光 电效应来解释）：
（1） 波长恒定， μm随原子序数的 变化；
44
第一章. X射线的性质
（2） 元素 恒定， μm随 波长的变化
45
第一章. X射线的性质
吸收系数的应用－－滤波片： 对原始X射线进行过滤，目的是滤掉β射线。
46
第一章. X射线的性质
λKα = （2λKα1 +λKα2 ）／3 至于Kβ射线，因其波长差异较大，必须设 法去掉和消弱其强度。
28
第一章. X射线的性质 典型的X射线谱 （含连续谱和特征谱）
29
第一章. X射线的性质
几种常用阳极靶材料的特征谱参数
30
第一章. X射线的性质
X射线波长与阳极材料的关系
式中 λ —— 某线系(α、β)的特征射线的波长 Z－－原子序数 K， —— 为给定的线系的常数。
当外来电子将 K层 的一个电子击出后，这时 原子就处于高能的不稳定状态(激发态)，必然 自发地向稳定态过渡。此时位于较外层较高能 量的 L层 电子可以跃迁到K层。
22
第一章. X射线的性质
3 X射线的产生 （8）
23
第一章. X射线的性质
在跃迁的过程中，前后存在能量差异，其差异即 等于 K层 与 L层 的能级差，
物质对于X射线的总体吸收用吸收系数来描述： μ/ρ= K λ3 Z3
式中K为常数， λ为X射线的波长，Z为物质的 原子序数， μ为吸收系数，ρ为物质的密度。
μ/ρ为称质量吸收系数，记为μm 。
由公式可知，μm随原子序数及X射线的波长急 剧增大，但其增大的过程很有意义,见下图：
42
第一章. X射线的性质
X射线的衍射现象正是基于相干散射之上的。
33
34
第一章. X射线的性质
当物质中的电子与原子之间的束缚力较 小（如原子的外层电子）时，电子可能被X 光子撞离原子成为反冲电子。因反冲电子将 带走一部分能量，使得光子能量减少，从而 使随后的散射波波长发生改变。
由于波长不一致，入射波与散射波将不再 具有相干能力，称为非相干散射。
＝ 入射线的能量－ 电子在原子核外所具有的能量
由于不同元素的核外电子具有不同的能量， 因此，测定该光电子的能量就可以确定物质的 化学成分。 （XPS原理）
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第一章. X射线的性质
光电效应 被光电效应打掉了内层电子的原子将处于
激发状态，当原子由激发状态转变为稳定状态 时，和前面讲述的X射线产生的原理一样，将 产生X射线，称之为二次X射线－－荧光辐射。
例如对Cu靶产生的X射线，原始的特征 线强度分布为
Iα1：Iα2：Iβ ＝ 100:50:13.8 用Ni滤波片“过滤”后，强度分布为：
Iα：Iβ ＝ 500 ：1
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6．X射线的探测
1 荧光板 ：将ZnS、CdS等荧光材料涂布在纸 板上制成，当X射线信号照射到荧光板上时，荧光 板就会发出荧光。
2照相方法：照相法是最早使用的检测并记录X射 线的方法，直到现在仍被采用。当感光乳剂受到X 射线照射后，AgBr颗粒离解形成显影核，经过显 影而游离出来的单质银微粒使感光处变黑。
大多数关于X射线光学性质的研究及其应 用都集中在散射和衍射现象上，尤其是衍射 方面。
X射线衍射方法是当今研究物质微观结构 的主要方法。
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第一章. X射线的性质
（3） 穿透性质 X射线可以穿透由较轻元素组成的物质。 在X射线穿透物质的过程中，有一部分会被物质
吸收。吸收的程度与物质的组成、密度和厚度有关。
作业
1. 以Cu靶为例，简述Kα1、Kα2、Kβ射线的产生 原理。
2. 试论述物质对于X射线的吸收（吸收系数与原 子序数、波长的关系）
51
3 当激发L系特征X射线时，能否同时产生K特征 X射线？反之，当激发K系特征X射线时，能否同 时产生L系特征X射线？为什么?
4 解释为什么会有吸收边。K吸收边为什么只有 一个，而L系吸收边却有三个？
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第一章. X射线的性质
（5） 吸收性质 物质吸收X射线的过程主要是光电效应、
俄歇效应和热效应。 光电效应产生光电子和二次X荧光，二
者皆可用于用于分析物质的成分（XPS、 XRF）。
俄歇效应产生俄歇电子，也可用于对物 质的成分进行分析。
热效应可以使物质发热。
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第一章. X射线的性质
3 X射线的产生
第一章. X射线的性质
可见光光谱： （单位 nm） 720 - 620 - 592 - 578 - 500 - 464 - 446 - 390
红 橙黄 绿 青 兰 紫
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第一章. X射线的性质
2 X射线的性质
（1） 一般性质
X射线和其它电磁波一样，能产生反射、折射、 散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象。
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第一章. X射线的性质
（1） 连续谱的产生
高速电子与阳极靶的原子碰撞时，由高速运 动突然转为停止不动，电子失去动能以光子形 式辐射，这个光子流就是X射线。
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第一章. X射线的性质
设电子的动能为 ＝eV，若一个电子的动能 全部转化成X光子的能量，则：
＝hν＝ h c /λ λ =hc/ 这时该光子将具有最短的波长λs。 实际上电子的数量是极其巨大的，碰撞时的 角度千差万别，绝大多数电子，其能量在转化 为X光子的能量时，都有能量损耗，因此转化成 的X光子频率会变小，即波长变长。 实际形成：从λs为最短波长的连续谱线。
52
现在人们已经发现了许多的X射线产生机制， 其中最为实用的能获得有足够强度的X射线的方 法 仍 是 当 年 伦 琴 所 采 用 的 方 法 —— 用 阴 极 射 线 （高速电子束）轰击阴极（靶）的表面。
13
X射线 高速电子流
高真空
10-4—10-6Pa
至高压发生器 40-120kV
接地
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第一章. X射线的性质
35
第一章. X射线的性质 5 物质对X射线的吸收
除了被散射和透射的一部分外， X射线将被物质吸收，吸收的实质是 发生能量转换。这种能量转换主要包 括光电效应和俄歇效应。
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第一章. X射线的性质
光电效应 当入射X光子的能量足够大时，还可以将
原子内层电子击出使其成为光电子。 若入射X射线的波长是单色，具有恒定的
ΔE ＝ EL-EK ＝ hν 该差值能量将以X射线的形式放射出去。
放射出的X射线的波长 λ＝h/ΔE 必然是仅取 决于原子序数。
这种由L→K的跃迁产生的X射线我们称为Kα辐 射， M→K为Kβ辐射， N→K为 Kγ辐射。不过离原 子核越远的轨道产生跃迁的几率越小。
我们把这种Kα、Kβ、及Kγ等辐射称之为特征谱。
用于结构分析和成分分析的一般为硬射线， 用于医学透视的为软射线。
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第一章. X射线的性质
X射线波长短、光子能量大，由于这两个基本 特性，所以，X射线光学（几何光学和物理光学） 虽然具有和普通光学一样的理论基础，但两者的 性质却有很大的区别，X射线与物质相互作用时 产生的效应和可见光也迥然不同。
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第一章. X射线的性质
在由L→K跃迁产生Kα辐射时，由于原子核的L电 子层有三个亚层，三个亚层之间有微小的能量差异。 能发生电子跃迁的是第二和第三亚层。
ΔE ＝ EL-EK ＝ hν＝ hc/ λ 所产生的Kα射线就分为Kα1和Kα2。其中 Kα1的强度是Kα2的两倍。前者的波长比后者 稍微短一点。
λ = h c / ＝ h c / eV
代入各个参数后得到：
λs = 12.395／V； V的单位为KV, λs的单位为 A (angstrum) 21
第一章. X射线的性质
(2) 特征谱的产生 从原子物理学知道，原子内的电子按照鲍
林不相容原理和能量最低原理分布在各个能级 上（电子轨道），用记号K、L、M、N……表示。 K层最靠近原子核，能量最低，稳定性最强。
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第一章. X射线的性质
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第一章. X射线的性质
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第一章. X射线的性质
连续光谱又称为“白色”X射线，包含了从 短波限λs开始的全部波长，其强度随波长变化 连续地改变。从短波限开始随着波长的增加强 度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向 于零。连续光谱的短波限λs只决定于X射线管 的工作高压。
X射线衍射分析
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第一章. X射线的性质
X射线和可见光一样属于电磁辐射，但其波长 比可见光短得多，介于紫外线与γ射线之间，约 为10－2到102A的范围。X射线的频率大约是可见 光的103倍，所以它的光子能量比可见光的光子 能量大得多，表现明显的粒子性。
习惯上，称波长短的x射线为被x射线，波长 长的x射线为软x射线。软、硬表示x射线穿透物 质约能力。射线越硬，即其波长越短，则穿透物 质的能力就越大。
比如Cu ， λKα1 ＝1.5405A λKα2 ＝1.5443A
另外其β射线 λKβ ＝1.3921A
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第一章. X射线的性质
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第一章. X射线的性质
通常情况下，在特征谱中，Kα1、Kα2、 Kβ的强度分布如下：
Iα1：Iα2：Iβ：＝100：50：13.8 由于 Kα1、Kα2的波长很接近，所以在很 多情况下，都是按二者的加权平均值作为Kα 射线的波长，计算方法如下：
3 各种X射线探测器方法：正比计数、闪烁计数、 固体探测器等。
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7. X射线的防护
X射线直接照射到人体局部组织，将引起 组织局部灼伤或坏死，全身过剂量将发生射 线病如头晕、精神萎靡、脱反、血液组成变 化，严重者将影响生殖。
但如采取适当防护措施即可防止，无需 存有畏惧心理。
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第一章. X射线的性质
X射线作用生物细胞组织，还会导致生理效应， 使新陈代谢发生变化甚至造成辐射损伤。
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第一章. X射线的性质
（4） 散射性质 X射线散射的过程又可分为两种，一种是
只引起X射线方向的改变， 不引起能量变化 的散射，称为相干散射，这是X射线衍射的 物理基础；
另一种是既引起X射线光子方向改变，也 引起其能量的改变的散射，称为不相干散射 或康普顿散射。
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第一章. X射线的性质
40
第一章. X射线的性质
除此之外，X射线穿透物质时还有热效应， 产生热能。
我们将光电效应，俄歇效应和热效应所消 耗的那部分入射X射线能量称为物质对X射线的 真吸收。可见，由于散射和真吸收过程的存在 （主要是真吸收），与物质作用后入射X射线 的能量强度将被衰减。
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第一章. X射线的性质
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第一章. X射线的性质
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第一章. X射线的性质 4 X射线与物质的相互作用 （X射线散射）
当入射光子碰撞电子后，若电子能牢固地保 持在原来位置上（原子对电子的束缚力很强）， 则光子将产生刚性碰撞，其作用效果是辐射出 电磁波--散射波。
这种散射波的波长和频率与入射波完全相同， 新的散射波之间将有可能发生相互干涉--相干 散射。
当灯丝被通电加热至高温时（达2000℃），大 量的热电子产生，在正负极之间的高电压作用下 被加速，高速轰击到靶面上。
高速电子到达靶面，运动突然受阻，其动能部 分转变为辐射能，以X射线的形式放出。轰击到靶 面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线 能，而大部分都转变成为热能。
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第一章. X射线的性质
但是，在通常实验条件下，很难观察到X射线 的反射。只有在其掠射角极小(不超过20‘－30’) 时，X射线能产生全反射。
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第一章. X射线的性质
（2） 衍射性质 在物质的微观结构中，原子和分子的距
离（1 － 10A左右）正好落在X射线的波长 范围内，所以物质对X射线的散射和衍射能 够传递极为丰富的微观结构信息。
该X射线的波长，完全取决与物质中的原 子类型，而与入射线的波长无关。
若测定该二次射线的波长，即可得到物质 的化学组成。（XRF原理）
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第一章. X射线的性质
俄歇效应 如果原子K层电子被击出，L层电子向K层跃
迁，其能量差不是以产生K系X射线光量子的形 式释放，而是被邻近电子所吸收，使这个电子 受激发而逸出原子成为自由电子-----俄歇电子。 这种现象叫做俄歇效应（俄歇电子谱仪AES专 门分析这种电子的能量，从而获得物质的成 分）。
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第一章. X射线的性质
μm出现台阶状跳 跃的原因（用光 电效应来解释）：
（1） 波长恒定， μm随原子序数的 变化；
44
第一章. X射线的性质
（2） 元素 恒定， μm随 波长的变化
45
第一章. X射线的性质
吸收系数的应用－－滤波片： 对原始X射线进行过滤，目的是滤掉β射线。
46
第一章. X射线的性质
λKα = （2λKα1 +λKα2 ）／3 至于Kβ射线，因其波长差异较大，必须设 法去掉和消弱其强度。
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第一章. X射线的性质 典型的X射线谱 （含连续谱和特征谱）
29
第一章. X射线的性质
几种常用阳极靶材料的特征谱参数
30
第一章. X射线的性质
X射线波长与阳极材料的关系
式中 λ —— 某线系(α、β)的特征射线的波长 Z－－原子序数 K， —— 为给定的线系的常数。
当外来电子将 K层 的一个电子击出后，这时 原子就处于高能的不稳定状态(激发态)，必然 自发地向稳定态过渡。此时位于较外层较高能 量的 L层 电子可以跃迁到K层。
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第一章. X射线的性质
3 X射线的产生 （8）
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第一章. X射线的性质
在跃迁的过程中，前后存在能量差异，其差异即 等于 K层 与 L层 的能级差，
物质对于X射线的总体吸收用吸收系数来描述： μ/ρ= K λ3 Z3
式中K为常数， λ为X射线的波长，Z为物质的 原子序数， μ为吸收系数，ρ为物质的密度。
μ/ρ为称质量吸收系数，记为μm 。
由公式可知，μm随原子序数及X射线的波长急 剧增大，但其增大的过程很有意义,见下图：
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第一章. X射线的性质
X射线的衍射现象正是基于相干散射之上的。
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第一章. X射线的性质
当物质中的电子与原子之间的束缚力较 小（如原子的外层电子）时，电子可能被X 光子撞离原子成为反冲电子。因反冲电子将 带走一部分能量，使得光子能量减少，从而 使随后的散射波波长发生改变。
由于波长不一致，入射波与散射波将不再 具有相干能力，称为非相干散射。