X射线与物质相互作用
X射线与物质相互作用
x射线的性质
穿透性
波长
x射线具有强穿透性，能够穿透一定厚 度的物质。
x射线波长较短，可用于高精度检测和 成像。
能量
x射线具有特定能量，可用于物质成分 分析。
x射线的应用
医学诊断
x射线用于医学影像诊断，如拍片、CT等。
工业检测
x射线用于工业无损检测，如焊接、铸件等。
安全检查
x射线用于机场、海关等安全检查，检测违禁品。
02
03
操作人员培训
采用铅板、铅玻璃等材料对X射 线设备进行屏蔽，减少辐射泄漏。
对操作人员进行专业培训，确保 他们了解安全标准和操作规范， 避免误操作。
操作规范与注意事项
操作前准备
确保X射线设备正常工作，检 查电源、电缆、控制台等是 否完好。
操作过程
按照操作规程进行操作，避 免长时间暴露于X射线辐射下 。
晶体取向
X射线衍射可以用来确定晶体在样品中的取向，有 助于了解晶体生长和排列的规律。
微观结构
结合显微镜技术，X射线可以用来观察样品 的微观结构，如晶粒大小、相分布等，有助 于了解材料的性能和行为。
05
安全与防护
x射线的生物效应
细胞损伤
01
高强度X射线可导致细胞结构损伤，引发DNA断裂和细胞死亡。
这一过程对物质的密度、原子序数和光子能量都有一定影响。
03
x射线衍射
晶体结构与x射线衍射
晶体结构对x射线衍射的影响
晶体结构中的原子或分子的规则排列会对x射线产生衍射现象，通过分析衍射图 谱可以推断晶体的结构特征。
x射线衍射的原理
当x射线通过晶体时，会受到晶体中原子或分子的散射，散射波在某些方向上相 互加强，形成衍射波，通过测量衍射波的方向可以推导出晶体的结构信息。
第一章——第二节_X射线与物质的相互作用
9
X射线的透射/吸收系数
为了更准确的表达物质本质的吸收特性，引入质量吸收系数μm
m
l
将上式代入 I e u l H I0
I I0emH I0emm
m为单位面积厚度为H的体积中的物质的质量。
μm的物理意义：X射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对 衰减量。
若吸收体为化合物、固溶体或混合物时， μm取决于各组元质量吸 收系数μmi及各组元的质量分数wi。
n
m mi w i （n为组元数） 源自 1 10X射线的透射/吸收系数
对于确定物质， μm取决于吸收物质的原子序数Z和X射线的波长λ。 其关系为：
m K43Z 3 （K4为常数）
由上式可以看出：
12
吸收限的概念
随入射波长变化，会相继出现K、L和M吸收限。描述质量吸收系数 随波长改变的关系曲线称为吸收曲线（谱线）。
13
吸收限的应用
滤波片的选择
在XRD分析中，利用吸收限两侧吸收系数差很大的现象制成滤波 片，用以吸收不需要的辐射，可以获得基本单色的入射X射线。
光电管阳极靶发射的K系X-
射线包括Kα和Kβ，Kα的强
度为x处的dx厚度物质，其强度衰减率dIx/Ix可表示为：
dI x Ix
l dx
强度的衰减dIx/dx与dx成正比。
负号表示随厚度增加时强度降低。
H x dx
μl为常数，称为线吸收系数,是X射线通 过单位厚度（即单位体积）物质的相对 I0 衰减量。表明物质对X射线的吸收特性。
Ix Ix+dx I
3
第二节 X射线与物质的相互作用
当一束X射线通过物质时，其能量可分为三部分，即一部分被散射， 一部分被吸收，其余部分则透过物质继续沿原来的方向传播。
x射线传感器原理
x射线传感器原理
X射线传感器是一种用于检测和测量X射线的设备，常见于医疗成像、安检、工业质检等领域。
这些传感器利用X射线与物质相互作用的原理来获取图像或其他信息。
以下是X射线传感器的原理：
1. X射线的生成：X射线是一种高能电磁辐射，通过X射线管等设备产生。
在X射线管中，电子被加速至高速并撞击金属靶，产生X射线辐射。
2. X射线与物质的相互作用：X射线穿透物质时会发生不同的相互作用，包括吸收、散射和透射。
这些作用取决于物质的密度和成分。
3. 传感器结构：X射线传感器通常包括X射线探测器和信号处理系统。
X射线探测器可以是闪烁体探测器、半导体探测器等，用于捕获X射线与物质相互作用后的信号。
4. 信号检测：当X射线通过被检测物质时，探测器会记录X射线的吸收量或散射情况，并将这些信息转换为电信号。
5. 图像重建：通过测量X射线的吸收量或散射情况，可以重建出被检测物质的内部结构或密度分布，形成X射线影像。
6. 应用：X射线传感器在医学影像学中用于诊断和治
疗、在工业中用于质量控制和安全检测、在安全领域用于安检等。
7. 安全性：在使用X射线传感器时，需要遵循安全操作规程，以避免X射线辐射对人体和设备造成伤害。
X射线传感器通过检测X射线与物质的相互作用，可以获得有关被检测物质内部结构和密度的信息，为医学、工业和安全领域提供重要的辅助诊断和检测手段。
xrd透射原理
xrd透射原理X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）是一种重要的物质结构分析方法，它利用X射线与物质相互作用的原理来研究物质的晶体结构和非晶态结构。
本文将围绕XRD的透射原理展开讨论，旨在深入理解XRD的工作原理和应用。
一、XRD透射原理的基本概念XRD透射原理是基于X射线与物质相互作用的现象。
当X射线通过物质时，会发生衍射现象，即X射线被物质中的原子或分子散射，形成一定的衍射图样。
这些衍射图样包含了物质的结晶信息，通过解析和处理衍射图样，可以获得物质的晶体结构信息。
二、XRD透射原理的基本过程XRD透射实验通常由X射线源、样品和衍射仪三部分组成。
X射线源产生高能的X射线，经过样品后，被衍射仪接收并记录。
整个过程中，X射线的衍射现象决定了衍射图样的形成。
具体来说，X射线通过样品时，会与样品中的原子或分子相互作用。
根据布拉格的衍射条件，只有当X射线的入射角和出射角满足特定的关系时，才会发生衍射现象。
衍射仪记录并测量入射角和出射角之间的关系，得到衍射图样。
三、XRD透射原理的应用XRD透射原理在材料科学、地球科学、生物科学等领域有着广泛的应用。
以下是几个常见的应用案例：1.材料的结构分析通过XRD透射实验，可以获得材料的晶体结构信息，包括晶格常数、晶胞参数、晶体的对称性等。
这对于新材料的开发和研究具有重要意义。
2.物质的相变研究XRD透射实验可以用来研究物质的相变过程。
通过监测衍射图样的变化，可以确定物质在不同温度、压力等条件下的相变行为，为相变机制的研究提供了重要的实验数据。
3.晶体质量的评估XRD透射实验可以用来评估晶体的质量。
通过分析衍射图样的强度、峰形等特征，可以判断晶体的完整性、纯度和缺陷情况。
4.生物分子的结构研究XRD透射实验在生物科学领域也有着广泛的应用。
通过测量生物分子的衍射图样，可以获得生物分子的三维结构信息，从而揭示生物分子的功能和相互作用机制。
XRD透射原理是一种基于X射线的物质结构分析方法。
X射线与物质相互作用
第三节X射线与物质相互作用我们前面讲过当X射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透射光电效应等一、X射线的散射X射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使X射线光子偏离原射线方向，即发生散射。
X射线的散射现象可分为相干散射和非相干散射。
1、相干散射及散射强度当X射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散射X射线，称为经典散射。
由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。
按动力学理论，一个质量为m的电子，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R处的某点，对一束非偏振X射线的散射波强度为：I e =I0)22cos1(24224θ+CmRe它表示一个电子散射X射线的强度，式中fe=e2/mC2称为电子散射因子。
22cos12θ+称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的I e =I0)22cos1(109.72226θ+⨯-R从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。
可见相干散射是X 射线衍射技术的基础。
2、非相干散射当入射X射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿散射这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。
二、X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是X 射线射线光子数的减少，而不是X 射线能量的减少。
所以，透射X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。
X 射线与物质相互作用，实质上是X 射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的X 射线易穿过物质，长波长X 射线易被物质吸收。
第3章 X射线与物质的作用
2、电子对效应的概率
t nZ ln E
2
高能量的光子和大原子序数的介质对电子对效应 的发生是有利的。 由于医学成像的射线能量不会超过200KeV，故电 子对效应在医学成像领域不会出现。
三种作用方式的总结
1) 光子能量一般在 0.01-10MeV 范围。 2) 0.01-0.8MeV时，光电效应占主导。 0.8-4.0MeV时，康普顿散射占主导。 4.0-10..MeV时，电子对效应占主导。 3) 医学影像中X线不超过 0.3 MeV，故电子 对效应不可能发生。
康普顿散射的次级粒子
运动的自由电子 （反冲电子） 散射光子 hv散 新的标识光子
2、康普顿散射发生的概率
N e t C1
E
与介质的原子序数关系不大， 与介质的密度成正比， 与光子能量成反比。
3、康普顿散射对医学成像的影响
是X射线成像的最大散射线来源，影响成像 质量。 散射到各个方向，须加强防护。
3.1.2 光电效应
1、光电吸收现象 光电作用过程是光致电离的过程，一个 辐射光子使原子的一个壳层电子脱离原子， 变成光电子。 光子的能量用来克服电子的结合能使原 子电离，剩余部分能量变为光电子的动能。 这一现象就叫光电效应。 如果光电子来自较低能级的壳层（如K、 L层），那么留出的空位在被更高能级的电 子填充时会产生标识辐射光子。这个过程 与高速电子轰击阳极靶产生标识辐射X线光 子的过程类似。
能量较高的辐射光子在与物质相互作 用时，光子方向发生偏离，能量（频率、 波长）也发生变化。这一现象由A H Compton首先发现，他把这一现象解释为 辐射光子与“自由”电子非弹性碰撞的结 果。
图解康普顿散射
肿瘤放射物理学-物理师资料-2.3 X(γ)射线与物质的相互作用
(3).光电截面
电子在原子中被束缚得越紧，产生光电效应的概率就越大。 如果入射光子的能量超过K层电子结合能，那么大约80％的光 电吸收发生在这K层电子上。
入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光电截面。
5 4
k
k为k层光电截面
(4). 作用系数
光电效应总截面：
Z n /(h )3
低原子序数 n≈4 高原子序数 n≈4.8
光电线性衰减系数：
MA
N A
Zn
/(h )3
光电质量衰减系数：
NA MA
Z n1 /(h )3
a. 原子序数的影响 光电效应总截面 光电线性衰减系数
Z4～4.8
光电质量衰减系数
Z3～3.8
随原子序数增加，光电效应发生的概率迅速增加。
如果一个入射粒子与物质的相互作用有多种相互独立的 作用方式，则相互作用总截面等于各种作用截面之和
c p
总截面 光电效应截面
电子对效应截面 康普顿效应截面
2、线性衰减系数、质量衰减系数
X（γ）光子与每单位厚度物质发生相互作用的概率，称为线性
衰减系数，用µ表示，单位m-1或cm-1。
en tr (1 g)
g为次级电子的动能因辐射而损失的份额。
4、半价层（HVL） 定义为X（γ）射线束流强度衰减到其初始值一半时所需的某种
物质的衰减块的厚度。它与线性衰减系数的关系可表示为
HVL 0.693
与μ的意义一样， HVL表示物质对X（γ）光子的衰减能力。
5、平均自由程（l） 定义为X（γ）光子在与物质发生作用前平均的自由运动距离。
1章第三节：X射线与物质的相互作用
二、、原子截面
统计概率： 一个满足某种条件的光子射入物质是否一定与原子或者电子发生相互
作用？
截 面
原子截面：用σ表示，有面积的量纲 入射光子与物质中的一个原子或电子发生一次特定相互作用的“概率”
称为“原子截面”或“电子截面”。
三、光电效应
X光子与轨道电子发生作用 X光子能量全失去
轨道电子被电离变为光电子
第三节：X射线与物质的相 互作用
-------------X光子的物质内部之旅（能量损径
三大主要形式
X光子与物质作用的形式
其他形式
一、X光子的能量在物质中的传递路径
X与物质的相互作用，其本质是能量的转换和传递！
光子能 量
电子势 能
电子动 能
原子动 能
Thank you!
思考：
出现了电子空穴：原子处于不稳定态，还会 发生什么？
三、光电效应原子截面
这个概率的大小：σ
在医用X射线能量范围内
Z为原子序数；h为普朗克常量；v为光子频率
由公式可知： 1、随着原子序数增大，发生光电效应概率越大。
2、随着光子能量的增大，光电效应发生概率迅速减 小 3、光子能量大于等于K层结合能时候，光电效应主要 发生在K层。光子能量小于K层结合能，光电效应只能 发生在L层或者更外层。
三、光电效应边缘吸收
我们用连续能量的X光子与钨钼铜作用：
图中图像的锯齿点，说明 该点X射线的吸收突然增 大，因为这一点的X射线 的能量等于某一层的结合 能，我们把光电效应发生 概率突然增大的地方称为 边缘吸收。
三、光电效应在影像中的利弊
1、不产生散射线，减少了灰雾。 2、可增加人体组织与造影剂之间的对比度 3、能量全部被吸收，辐射剂量大。
X射线与物质的相互作用
X射线与物质的相互作用X射线是一种高能电磁波，具有较短的波长和较高的频率。
当X射线入射到物质上时，它与物质中的原子相互作用，主要有光电效应、康普顿散射和正电子湮灭三种。
首先，光电效应是指当X射线入射到物质中的原子内层电子上时，电子被光子击中后被激发或抛射出原子。
这个过程遵循能量守恒定律，即入射X射线的能量等于光电子的能量加上剩余能量。
光电效应的主要特点是能量转移效率高，但是能量分辨率较差，不适用于微细结构的研究。
其次，康普顿散射是X射线与物质中的自由电子碰撞后散射出去，同时X射线的波长发生了变化。
这个过程遵循动量守恒和能量守恒定律。
康普顿散射在医学诊断中得到了广泛应用，因为它具有良好的能量分辨率和较高的对比度。
最后，正电子湮灭是指当X射线入射到物质中时，一部分入射X射线与物质中的原子碰撞，产生正电子和负电子。
正电子与负电子相遇后发生湮灭，产生两个γ光子。
正电子湮灭谱是通过测量X射线与物质的相互作用，得到信息的有效方法。
除此之外，X射线还会与物质产生其他的相互作用，如光子发射、光子吸收、光子和原子核相互作用等。
这些相互作用过程是多种多样的，可以通过测量入射和散射X射线的强度、能量变化以及角分布来研究物质的结构、成分等信息。
在医学方面，X射线的应用非常广泛。
例如，X射线透视可以用于骨骼和丰富因子的成像，可以用于检查骨折、肺部感染、心脏病等疾病。
另外，计算机断层扫描（CT）是一种通过多个方向的X射线扫描来获取物体横截面图像的技术，可以用于检测和诊断肿瘤、脑血栓等疾病。
在工业领域，X射线也得到了广泛的应用。
例如，X射线非破坏性检测可以用于检测金属和非金属材料的缺陷，如焊缝、裂纹等。
此外，X射线衍射可以用于材料的结晶结构分析，用于研究材料的晶体结构和晶体缺陷。
总之，X射线与物质的相互作用是一种重要的物理现象，具有广泛的应用领域。
通过研究X射线与物质的相互作用机制，可以获得物质的结构、成分等信息，为医学诊断、工业检测等领域提供技术支持。
X射线与物质的相互作用
µ＝ wj µj ∑
j
元素的质量吸收系数， 其中µj 代表吸收体内第 j 元素的质量吸收系数，wj是它所占 重量百分比（ 重量百分比（ ） wj = 1 。
∑
X射线的电离作用 射线的电离作用
∗ 物质受X射线照射时，使核外电子脱离原子轨道， 这种作用叫电离作用。 ∗ 在光电效应和散射过程中，出现光电子和反冲电 子脱离其原子的过程叫一次电离，这些光电子或 反冲电子在行进中又和其它原子碰撞，使被击原 子逸出电子叫二次电离。在固体和液体中，电离 后的正、负离子将很快复合，不易收集。但在气 体中的电离电荷却很容易收集起来，利用电离电 荷的多少可测定X射线的照射量（X射线测量仪器 正是根据这个原理制成的）。 ∗ 电离作用是X射线损伤和治疗的基础
讨论 若 λ 的关系与物质无关 与物质无关， ∆λ 与θ 的关系与物质无关，是光子与近自由电子
0
可见光观察不 可见光观察 到康普顿效应. λ >> λC 则 ≈ λ0 ,可见光观察不到康普顿效应
间的相互作用. 间的相互作用 的散射光是因光子与金属中的紧束缚 光子与金属中的 λ 散射中∆ = 0 的散射光是因光子与金属中的紧束缚 电子（原子核）的作用. 电子（原子核）的作用 物理意义 光子假设的正确性， 光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性 . 微观粒子也遵守能量守恒 动量守恒定律 能量守恒和 定律. 微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律
光电效应的过程
∗电子被光子击出：“光电子”产生。光子本身消 失了， ∗物质的原子被电离，原壳层处留下空位。 ∗“光电子”继续撞击物质中的其它原子，它的动 能以热的形式消耗在附近晶格中； ∗空位为外层电子(自由电子)所填充，产生辐射： 发出标识X-射线。
光电效应示意图
x射线在生活中的应用及其原理
X射线在生活中的应用及其原理1. 引言X射线是一种高能电磁辐射，由于其具有穿透力强和可见光无法触及的特性，因此在科学、医学和工业等领域有着广泛的应用。
本文将介绍X射线的基本原理，并探讨其在生活中的应用。
2. X射线的原理X射线是由高能电子撞击物质而产生的电磁辐射，其频率范围在10^16 -10^21 Hz之间。
X射线与物质相互作用时，主要存在三种主要的相互作用形式：光电效应、康普顿散射和X射线衍射。
这些相互作用导致了X射线的吸收和散射，从而形成了X射线影像。
3. X射线在医学中的应用3.1 X射线拍片X射线在医学诊断中最常见的应用是通过拍片来获取人体内部的影像。
医生可以通过X射线拍片来检测骨骼的异常、肺部疾病和消化道问题等。
这是一种非侵入性的检查方法，可以提供快速的诊断结果。
3.2 CT扫描计算机断层扫描（CT扫描）是一种通过多个X射线片来构建人体的三维图像的方法。
CT扫描可以提供更详细的影像信息，并在诊断肿瘤、血管病变等疾病时起到重要作用。
3.3 血管造影血管造影是一种通过注入X射线造影剂来观察血管系统的方法。
通过这种方法，医生可以检测血管疾病、病变以及手术前的血管情况。
血管造影可以帮助医生做出准确的诊断和治疗决策。
4. X射线在科学研究中的应用4.1 衍射研究X射线衍射是一种通过测量物质中X射线的衍射模式来研究晶体结构的方法。
这种方法可以帮助科学家了解分子和晶体的空间排列，从而揭示物质的性质和反应机制。
衍射研究在化学、材料科学和生物学等领域有着广泛的应用。
4.2 X射线光谱学X射线光谱学是一种通过分析物质中X射线的能谱来研究物质组成和结构的方法。
这种方法可以用于分析元素的含量、确定物质的化学状态和测量材料的表面组成。
X射线光谱学在矿物学、环境科学和材料研究中广泛应用。
5. X射线在工业中的应用5.1 无损检测X射线可以用于无损检测材料和构件中的缺陷和问题。
通过X射线的穿透力，工程师可以检测到金属材料中的裂纹、气孔和非均匀性等缺陷。
第三节 X射线与物质的相互作用
3. 散射电子和反冲电子的角分布
4. 诊断放射学中的康普顿效应 X射线的散射——需要防护
四、电子对效应
1. 作用过程 当X射线光子从原子核旁经过时，在原子核库
仑场的作用下形成一对正负电子，此过程称为电子 对效应。
发生电子对效应前提——光子的能量大于1.02MeV （兆电子伏 ）
dN 1
N dx
线性衰减系数是光子束能量和靶物质材料的函数， 与入射光子数无关；线性衰减系数越小，说明X射线 的穿透能力越强。
光子数的变化服从指数衰减规律，但必须满足窄束 和单能（单一频率的X射线）条件。所谓窄束是指X 射线光子束的照射范围小，足以保证与靶物质相互 作用后产生的散射光子照不到探测器。
单能平行X射线光子束入射到物质中，如图
入射X射线
靶 厚度
探测器 衰减后的原射线
散射光子
2. μ线性衰减系数 设靶物质单位体积的靶粒子数为n，密度ρ；
在厚度x=0处，与X射线光子束入射方向垂直的单位 面积上的光子数为N0（微分方程的初始条件） ； 在厚度x处，单位面积上的光子数为N；
穿过dx薄层时，有- dN个光子与物质发生了作用。
弹性散射（也称为电子共振），这个电子吸收入射 光子的能量而跃迁到高能级（该电子并未脱离原子， 故反冲体是整个原子），随即又放出一个能量约等 于入射光子能量的散射光子（说明散射光子与原光 子频率差不多）。
相干散射质量衰减系数：
coh Z (h )2
物质对X射线散射的实质是物质中的电子与X光 子的相互作用。
第三节 X射线与物质的相互作用
X射线在与物质的相互作用过程中的大多数情况表 现出其粒子性。
大部分能量转化为热能，产生非生物效应。 光电效应 康普顿效应 电子对效应
X射线与物质相互作用
33
(b)
(a) C对Cu K的散射
34
Be对Cu K的散射
4.光电吸收及其二次效应
1)光电效应的实验规律
X射线波长为λ：对某一元素Z，当λ下降，达到 q 时
，产生光电吸收。
q 最大
λ下降
E q 减少
光电子数（光电流）∝入射X射线强度
发射机制：原子内电子能级跃迁
方向：各向同性
波长：由原子能级确定，与特征谱波长相同。
强度： If I0qf
I 0 入射X射线强度， 物质对X射线的吸收系数， qf 为q 系荧光产额。
qfNqf/Nq N q N qf
q能级受原级X射线激发的原子数 发生q级次级光辐射的原子数
39
荧光产额由物质的原子能级决定。随着原子序数Z
48
实际工作中，常用另外二种表达形式，
dIImdm
II0 e m mI0 e m x
m 称为质量吸收系数，它描述了（单位面积上）单位
质量介质时的吸收。
dm dx，mx
， m
x
它与物质的密度无关 只与元素（Z）和波长有关。
， dIIadN II0e aNI0e anx ， dN nd，xNnx n为单位体积内的原子数目。 a x/n
与实验规律完全一致。
37
3)光电子吸收的二次效应：荧光与俄歇电子 光电吸收——光电子发射，原子处于激发态（内壳
层，例K层，出现空位） 原子退激发过程——二次效应：荧光与俄歇电子
Auger
38
⑴ 荧光：由光子激发的光辐射称为荧光辐射，因而荧 光谱也称为次级光谱。
荧光辐射的本质及其产生的机制，与原级（由高速电 子来激发）特征光谱是完全一样的：
x射线的原理
x射线的原理X射线是一种高能电磁辐射，其原理基于电子的特性和物质的相互作用。
X射线的产生过程中，高速运动的自由电子与物质发生碰撞，使得电子发生能量损失并产生特征性辐射。
具体过程如下。
1. X射线的产生：X射线主要通过两种机制产生，即广义上的Bremsstrahlung辐射和特征X射线。
a. Bremsstrahlung辐射：当高速电子经过物质时，与物质内的原子核或电子产生库伦相互作用。
由于电子受到库伦力的影响，它们会经历加速或减速。
当电子被加速或减速时，它们会发射出辐射能量，形成连续能谱的X射线，由于它是在减速过程中产生的原因，所以称为Bremsstrahlung辐射。
b. 特征X射线：当电子与物质内的原子相互作用时，如果原子的内层电子被高速电子击中，内层电子会被击出，并留下一个空位。
这时，外层电子会补充内层电子位置，并释放出能量差。
这些能量差对应着特定能量的X射线，称为特征X射线。
2. X射线的传播和吸收：X射线具有较高的穿透能力，可以穿过人体组织和物质。
当X射线通过物质时，会与物质内的原子相互作用，发生散射和吸收。
a. 散射：X射线在物质中遇到原子核或电子时，会发生散射。
这种散射会改变X射线的传播方向，但不会改变其能量。
b. 吸收：X射线在物质中遇到原子时，会被物质吸收。
吸收率与物质的原子序数、密度、厚度以及X射线的能量有关。
不同组织和物质对不同能量的X射线具有不同的吸收能力。
3. X射线的探测和成像：X射线的探测和成像基于不同物质对X射线的吸收特性。
通过利用X射线透过物体的程度，可以得到关于物体内部结构和组织的信息。
探测器或片子接收并记录X射线通过物质后的剩余强度，然后通过图像处理和重建算法得到体内结构的二维或三维图像。
总之，X射线利用高速运动的电子与物质相互作用，产生辐射能量，进而通过物质的散射和吸收特性进行探测和成像。
这种原理使得X射线在医学、工业和科学研究等领域具有广泛应用。
x射线衍射的原理与应用
x射线衍射的原理与应用一、原理x射线衍射是一种利用x射线与物质相互作用的现象来研究物质结构的方法。
它的基本原理可以归纳为以下几点：1.x射线的性质：x射线是一种波长极短、能量较高的电磁辐射。
它具有穿透性，可以穿过物质并被物质表面散射或吸收。
2.Bragg衍射：当x射线照射到晶体表面时，会发生衍射现象。
根据Bragg方程，当入射角、反射角和晶面间距满足一定关系时，会出现强衍射峰。
该关系可以表示为2d.sin(θ) = n.λ，其中d为晶面间距，θ为入射角，λ为x射线的波长，n为整数。
3.探测器：为了测量衍射强度，常使用像康普顿探测器、平板探测器等器件。
这些探测器能够测量x射线的强度，并转化为电信号进行记录和分析。
二、应用x射线衍射在材料科学、结构生物学、矿物学等领域有着广泛的应用。
下面列举一些主要的应用领域和方法：1.材料学研究：x射线衍射可以用来研究晶体材料的结构和相变行为。
通过分析衍射图案，可以确定晶格常数、晶胞结构、晶体对称性等信息。
这对于材料的合成、改良以及性能的预测具有重要意义。
2.相变研究：x射线衍射可以用来研究物质的相变行为。
通过在不同条件下进行衍射实验，可以观察到衍射图案的变化，进而揭示相变的机理和特征。
这对于理解相变动力学和相变的控制具有重要意义。
3.结构生物学：x射线衍射常用于研究生物大分子（如蛋白质、DNA等）的结构。
通过测量衍射图案，可以确定生物大分子的三维结构，从而揭示其功能和作用机理。
这对于药物设计、疾病治疗等具有重要意义。
4.失效分析：x射线衍射可以用于材料失效分析。
通过研究材料的衍射图案，可以识别出材料中的缺陷、残余应力等问题，并帮助寻找失效的原因。
这对于提高材料的可靠性和安全性具有重要意义。
5.矿物学研究：x射线衍射在矿物学领域有着广泛应用。
通过研究矿物的衍射图案，可以确定其成分、结构和晶形。
这对于矿物的鉴定、勘探和利用具有重要意义。
三、总结x射线衍射是一种重要的研究物质结构的方法。
X射线与物质相互作用
第三节X射线与物质相互作用我们前面讲过当X射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透射光电效应等一、X射线的散射X射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使X射线光子偏离原射线方向，即发生散射。
X射线的散射现象可分为相干散射和非相干散射。
1、相干散射及散射强度当X射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散射X射线，称为经典散射。
由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。
按动力学理论，一个质量为m的电子，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R处的某点，对一束非偏振X射线的散射波强度为：I e =I0)22cos1(24224θ+CmRe它表示一个电子散射X射线的强度，式中fe=e2/mC2称为电子散射因子。
22cos12θ+称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的I e =I0)22cos1(109.72226θ+⨯-R从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。
可见相干散射是X 射线衍射技术的基础。
2、非相干散射当入射X射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿散射这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。
二、X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是X 射线射线光子数的减少，而不是X 射线能量的减少。
所以，透射X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。
X 射线与物质相互作用，实质上是X 射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的X 射线易穿过物质，长波长X 射线易被物质吸收。
低能x线与物质的相互作用
低能x线与物质的相互作用低能X射线是一种电磁辐射，具有较低的能量和频率。
当低能X射线与物质相互作用时，会产生一系列的现象和效应。
本文将从不同角度探讨低能X射线与物质的相互作用。
低能X射线与物质的相互作用主要包括散射和吸收。
散射是指当低能X射线穿过物质时，其方向的改变。
这种散射分为两种类型：弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指低能X射线与物质中的原子或分子发生碰撞后，能量和动量守恒，射线的能量不会改变。
而非弹性散射则是指射线与物质中的原子或分子发生碰撞后，能量和动量不守恒，导致射线的能量发生变化。
低能X射线与物质的相互作用还包括电离和激发。
电离是指低能X 射线与物质中的原子或分子相互作用，使得物质中的电子脱离原子或分子，形成正离子和自由电子。
这种电离作用可以用来测量物质的成分和结构。
激发是指低能X射线与物质中的原子或分子相互作用，使得原子或分子中的电子跃迁到较高能级，形成激发态。
激发态的原子或分子会发出特定能量的辐射，用于分析物质的性质和结构。
低能X射线与物质的相互作用还表现为衍射和干涉效应。
衍射是指低能X射线通过物质的缝隙或晶格结构时，射线会偏离原来的直线传播路径，形成衍射图样。
这种衍射现象常用于研究物质的晶体结构和缺陷。
干涉是指低能X射线通过物质时，射线会与其他射线相互干涉，形成干涉条纹。
这种干涉现象可用于研究物质的厚度和薄膜的性质。
低能X射线与物质的相互作用还涉及能量吸收和散射强度的测量。
根据物质对低能X射线的吸收和散射能力不同，可以测量物质的成分和密度。
通过测量低能X射线的吸收和散射强度，可以得到物质的衰减系数和散射截面，从而分析物质的性质和结构。
低能X射线与物质的相互作用还可以应用于医学诊断和材料检测等领域。
在医学诊断中，低能X射线被用于X射线摄影和CT扫描等影像学技术，用于检测人体内部的病变和异常。
在材料检测中，低能X射线被用于无损检测和材料分析，用于检测材料的缺陷和成分。
低能X射线与物质的相互作用涉及散射、吸收、电离、激发、衍射、干涉等现象和效应。
X射线光谱分析的原理和应用
X射线光谱分析的原理和应用X射线光谱分析是一种重要的分析技术，它基于X射线的特性对物质进行研究和分析。
本文将介绍X射线光谱分析的原理和应用，并探讨其在不同领域的具体应用案例。
一、X射线光谱分析的原理X射线光谱分析依据X射线与物质的相互作用来获得样品的信息。
其原理主要包括以下几点：1. X射线产生：通过X射线发射管产生高能的X射线，发射管中的阴极产生电子，经过加速后，撞击阳极产生X射线。
2. 样品与X射线的相互作用：高能的X射线与样品中的原子发生相互作用。
主要有光电效应、康普顿散射、孤立子散射等作用，其效应形成了X射线谱。
3. X射线谱的测量：通过光电探测器、康普顿散射探测器等，测量X射线谱。
根据不同能量的X射线能够穿透不同厚度的物质，从而获取元素组成和样品内部结构的信息。
4. 数据分析：通过分析X射线谱，利用标准样品建立光谱库，进行定量和定性分析。
二、X射线光谱分析的应用X射线光谱分析广泛应用于材料科学、环境监测、生物医学等领域。
下面将详细介绍其应用案例：1. 材料分析材料科学中的成分分析是非常重要的，X射线光谱分析可以快速准确地分析材料的元素组成。
例如，对金属材料中的微量杂质进行分析，可以检测到不同元素的含量，从而评估材料的质量和适用性。
2. 环境监测X射线光谱分析可用于环境中有害物质的检测与定量。
例如，对水体中重金属的检测可以使用X射线光谱分析，通过分析不同元素的能谱，判断水体中是否含有有害物质，保护环境的安全。
3. 考古研究考古学中，X射线光谱分析被用于物质的鉴定和年代的确定。
例如，对古陶瓷进行分析，可以了解其成分和生产工艺，推断其年代和来源。
4. 生物医学X射线光谱分析在生物医学领域具有重要作用。
例如，对人体内部的钙、铁等元素进行定量分析，有助于研究骨质疏松等疾病的发生机制，并提供治疗方案的依据。
5. 其他应用领域除了上述应用，X射线光谱分析还被广泛应用于材料的物相分析、催化剂研究、地质学、电子元器件检测等领域。
《放射物理与防护》教学课件：4第四章1：X线与物质的相互作用
第一节 概述
• η常被称为作用几率 η=NB/N
• 它表示射线通过物质层面Δx时，一个入射 光子与物质中NB个靶核相互作用的几率（N 表示入射光子数）。显然，作用几率η与射 线通过物质上的靶粒子数NB成正比。
• 研究射线通过物质时与物质发生相互作用 ，可以了解射线的性质、射线产生的物理 过程及射线对物质的影响。
• 也是进行射线探测、防护和应用的重要基 础。
第一节 概述
• X线通过物质时，小部分从物质的原子间 隙中穿过，大部分被吸收和散射，从而产 生各种的物理的、化学的及生物的效应。
• 这些效应的产生都是物质吸收X线能的结 果。
X线与物质相互作用---光电效应
第一节 概述
• 下图示：X线光子进入生物组织后，光子能 量在其中的转移、吸收乃至最终引起生物 效应的大概过程。
光电效应
光子
X线光子进 入生物组织
康普顿效应
电子对效应
韧致辐射
高速电子
电子沿径迹 损失能量
电离 激发 热
物化阶段 生化阶段 生物损伤
第一节 概述
一、X线与物质相互作用的几率 • 由于入射光子与物质中的粒子（也称靶粒
第一节 概述
• 作用几率η也可用入射束通过物质前后的强 度变化来表示。
η=I0－I/I0=ΔI/I0 • η ：作用几率； • I0：入射强度； I：出射时的强度。 • 因入射光子通过物质时将与物质粒子发生
相互作用，使出射束的强度减弱。I＜I0
第一节 概述
二、射线的衰减 一）.线衰减系数 • 是让光子束入射到厚度可变的物体上，探
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uuuv
uEuouvx E0 cos
Eoz E0 sin
10
分别计算它们的散射波电场 Epx、Epz，然后矢量相
加求出散射波总的电场及散射强度。计算可得散 射波强度为
Ie
re02 R2
(cos2
sin2
cos2 )I0
（2.4）
11
如入射X射线为完全非偏振光（例X射线管发射的X射线），
uuv Ee (
R,
t
)
e
4 0c
2
R
v n
v (n
v a(t
))
式中
v n
为辐射方向，R为观察点与电子之间的距离，
t t R c
6
(1)入射X射线u为uv线偏振光 v
令电场为 设α为 uEuv0 与
nvE0的e夹iwt 角，，则则a(t
)
uuv eE0 eiwt m
Ia Z 2Ie
14
⑵ 短波 λ～ a
这时原子内各处电子发出的散射波有很大的位相差， 散射波的强度由相互间干涉来决定。
结构分析中常用的X射线波长λ～À，正是这种情况
定义 f 原子结构因子（原子散射因子） f Aa Ae
Aa 一个原子相干散射波的振幅（电场强度） Ae 一个电子相干散射波的振幅（电场强度）
，
E0e
(R,
t
)
e2 E0
4 0c2 Rm
sin
iw(t
e
R c
)
7
式中负号表示在入射波前进方向上，散射波 与入射波位相差180度，散射波的强度为
Ie
I0
e4
16 202c4R 2 m2
sin2
re2 R2
I0
sin2
re 为电子经典半径，re 2.81015 m
电偶极子辐射出次级辐射，即散射X射线。 电子受迫振动的频率与入射波的振动频率一致
（不考虑阻尼），故散射波的频率与入射波一致， 也即散射波的波长与入射波相同。即相干散射， 对入射X射线（原级）来说，这种散射只是改变 方向而波长不变的一种次级辐射。
5
由电动力学，一个电子作加速运动时，电磁辐射为
用于改变X射线方向、聚焦、滤去高能X射线 X射线“透镜”
毛细管束X射线透镜－－－用于聚焦
23
X射线毛细管透镜
1931年提出原理，80年代有实用报道
Tu6-23 X光在毛细管内反射的情形
24
单毛细管X射线聚焦/准直 Cornell
3
2.X射线的相干散射
相干散射 (λ不变,远场光学) 弹性散射(Ex不变) Ryleigh散射
不相干散射（λ改变） 非弹性散射(Ex改变) Compton散射 Raman散射
4
1)自由电子的相干散射
电子在入射X射线的交变电场作用下作受迫振动， 成为具有交变电矩的电偶极子。
16
f 与Z，，关系
Ia f 2Ie
f
Sin
17
3）凝聚态物质的相干散射 所有原子相干散射的叠加 晶体、准晶体、液晶 ——X射线衍射 非晶体、液体 ——相干散射图形→干涉 函数→相关函数
18
4）介质的X射线光学特性
界面的反射、折射、全uv反射 uuv
原子→电偶极子→ P E0, 1 , n 1/2
则 (0 2 ) 对求平均，得
Ie
1
2
2 0
re02 R2
(cos2
sin2
cos2 )I0d
r0e2 R2
1
cos2
2
I0（2.5）
式中
1 (1 cos2 )
2
是偏振因子P( )
P( ) 由入射波的偏振情况确定。偏振情况不同时，偏振因
子相应变化。
12
2）单个原子的X射线相干散射 原子对X射线的散射，主要由电子贡献，原子核
的作用一般情况下是微不足道的，因为散射波强 度与带电粒子的质量平方成反比。 设原子半径为a，电子分布在这球体中，入射X射
线波长为λ，原子散射波强度为 I a 。
13
⑴ 长波 a
原子内不同处的电子的散射波到达远处的 观察点P时没有显著的位相差。
可以得出折射率n为
n
1
Ne2
2 0 m 2
1
式中N为单位体积内的电子数，ω为X射线频率，在X 射线频率的范围内δ的数值为 103 10。6
由光学在界面上的折射、反射的菲涅耳公式，在掠入
射角为大角度时，X射线在界面的反射率是很小的，可以 忽略不计，折射引起的角度变化也很小近于0。当 2 0时， 即折射光束消失，发生全反射。此时的掠入射角 为全反射临界角 c
cosc
1
1 2
c
2
1
c 2
对X射线，c 的数值为mrad量级，它随X射线
波长（频率）与介质的电子密度变化。
22
X射线全反射的重要应用 X射线反射镜
8
(2)入射波为非偏振情况
E pz
E px
p
O
图6 单个电子的X射线相干散射
9
(2)入射波为非偏振情况
令入射方向为 OY ，P为观察点，散射方向
v n(OP)
与
OY确定的平面为散射面 YOZ ,令散射方向与入射方向
夹角为θ。 可将任一偏振方向的
uuv E0
的入射波，分解为
uuuv Eox
uuuv
Ia f 2Ie
15
计算可得出
sin kr f u(r) dr
0
kr
式中u(r) 4r2 2为原子中径向电子密度分布函数，
为电子波函数。
k 4 sin / ，散射角为2θ
f 与Z，，有关
各元素原子、离子的结构因子可查
International Tables for X-ray crystallography
1
2
1.概述
X射线与物质相互作用的宏观效应： （波） 相干散射、衍射，界面的反射、折射，衰减 （粒子）不相干散射，光电吸收及其二次效应(荧光,俄歇) 电子对的产生(Ex>1.022MeV) 物质的变化：热效应 改性 辐射损伤(结构变化)
微观本质 ：X射线与物质中电子的相互作用
理论处理方法：经典电磁理论，量子力学
19
空气 θ1
介质 θ2
i1 i1 θ1 掠入射
i2
图7 X射线的折射与反射
20
但当X射线从真空（空气）以小角度掠入射至介 质，当掠入射角小于临界角将发生全反射。由折 射定律，
sin i1 n2 1
sin i2 n1
1
2
i1,2
2
i2
cos / cos2 1