第一章X射线物理
chap1_X射线物理学基础
第一篇X射线衍射分析n1910年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。
1895年伦琴初次发现X射线，拍摄的他夫人手指的X射线照在伦琴的两名研究生弗里德里希（W. Friedrich）和克尼(Knipping)的帮助下，劳厄进行了第一次X射线衍射实验，并取得了成功。
第一次X射线衍射实验所用的仪器。
所用的晶体是硫酸铜。
劳厄法X射线衍射实验的基本装置与所拍的照片爱因期坦称，劳厄的实验“物理学最美的实验”。
它一箭双雕地解决了X射线的波动性和晶体的结构的周期性。
第一章X射线的物理特性n1.1 X射线的产生极其性质n1.2 X射线谱n1.3 X射线与物质的相互作用n1.4 X射线的衰减规律第一节Ｘ射线的产生极其性质一、X射线的产生X射线管包括阴极、高压、靶材图1-1 X射线管的结构示意图二、X射线的本质X射线是一种电子波，横波，波长短（0.01-10nm）“硬”X射线，“软”X射线三、X射线的本质Ø不能用一般方法使X射线会聚发散Ø通常靠使荧光物质发光、使照相底片感光、使气体产生电离现象观察检测Ø软X射线的波长与晶体中原子间距比较接近，常被用来进行X射线衍射分析（0.25-0.05nm）Ø对有机质是有害的，需要加上铅制品保护。
第二节X 射线谱图1-2 两种X 射线谱示意图一、连续谱X 射线强度随波长λ而变化的关系曲线，即X 射线谱。
丘包状曲线为连续谱竖直尖峰为特征谱对应两种X 射线辐射的物理过程。
连续谱：大量高速运动的电子与靶材碰撞时而减速，不同能量损失转化成不同波长的X 射线，并按统计规律分布。
2I iZUα连=图1-2 两种X 射线谱示意图2max12o hc eU h m ευνλ====动短波限λo ：hc K e U Uλ==o K=1.24nm ·kV ，短波限只与管电压有关。
连续X 射线总强度：α值约为（1.1-1.4）×10-9X 射线管发射连续X 射线的效率η为：2X X iZU ZUiUαηα===连续射线总强度射线管功率当用钨阳极（Z=74），管电压为100kV 时，η≈1%，可见效率是很低的。
第一章 X射线的性质
透射x射线
热能 图1-9. X射线与物质的相互作用
穿透
入射 X射线透过物质沿原方向的传播
相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子相互作用，散射波 之间发生相互干涉的散射现象称为相干散射。
散射 非相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子产生弹性碰撞， 产生新的光子和反冲电子的过程．（康－吴效应） 吸收 入射 X射线的能量在通过物质时，转变为其它形式的能量，其 本身能量被消耗的现象．
(2) 俄歇效应 处于K激发态的原子能量(EK—EL)如还能继续 产生二次电离使另一个核外电子脱离原子变为二 次电子，如EK—EL＞EL，它就可能使L、M、N等层 的电子逸出，这种二次电子称为KL电子，它的能 量有固定值，近似地等于“EK-EL”这种具有特征能 量的电子就是俄歇电子。
三：X射线的衰减规律 （1）质量吸收系数 实验证明：当一束X射线通过物质时，由于散射和 吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程 度与所经过物质小的距离成正比，如图1－7所示。 强度的相对变化为： Ix Ix dx dIx
1
二.
重要的概念和公式：
1.高能粒子与物质相互作用 特征辐射（特征X射线）：入射电子，击出k层 电子，发出具有特定波长的x光子。 光电效应（荧光辐射）：入射x光子，击出内层 电子—光电子，发出x光子(荧光X射线)。 俄歇效应：入射x光子，击出一个k层电子，L层 一电子跃入 填充，再使L层上一电子成自由电子 (KL2L2 Auger电子)。
1.1.3 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射线谱 ： 定义：高速运动的带电粒子受阻而减速时，都会产 生电磁辐射，这种辐射称之为韧致辐射。由于电子 与阳极碰撞的无规律性，因而其X射线的波长是连续 分布的 ，故叫做连续X射线谱。其谱形如图1-5 (2) 特征X射线 ： 定义：原子外层电子向内层跃迁所产生的X射线叫做 特征X射线，又叫标识X射线。由特征X射线构成的X 射线谱叫特征x射线谱，产生的原理见图1－6。 特征X射线产生的根本原因 1 是原子内层电子的跃迁，它的波 K (Z ) 长与原子序数服从莫塞莱定律。
医学影像物理学__复习大纲整理
医学影像物理学__复习⼤纲整理医学影像物理学复习整理(四种成像技术的物理原理，基本思想等)第⼀章：X射线物理第⼀节：X射线的产⽣医学成像⽤的X射线辐射源都是利⽤⾼速运动的电⼦撞击靶物质⽽产⽣的。
1. 产⽣X射线的四个条件：（1）电⼦源（2）⾼速电⼦流（3）阳极靶（4）真空环境2.X射线管结构及其作⽤（阴极，阳极，玻璃壁）（1）阴极：包括灯丝，聚焦杯，灯丝为电⼦源，聚焦杯调节电流束斑⼤⼩和电⼦发射⽅向。
（2）阳极：接收阴极发出的电⼦；为X射线管的靶提供机械⽀撑；是良好的热辐射体。
（3）玻璃壁：提供真空环境。
3.a.实际焦点：灯丝发射的电⼦，经聚焦加速后撞击在阳极靶上的⾯积称为实际焦点。
b.有效焦点：X射线管的实际焦点在垂直于X射线管轴线⽅向上投影的⾯积，称为有效焦点。
c.有效焦点的⾯积为实际焦点⾯积的sinθ倍。
(θ为靶与竖直⽅向的夹⾓)补充：影响焦点⼤⼩的因素有哪些？答：灯丝的形状、⼤⼩及在阴极体中的位置和阳极的靶⾓θ有关。
4.碰撞损失：电⼦与原⼦外层电⼦作⽤⽽损失的能量。
5.辐射损失：电⼦与原⼦内层电⼦或原⼦核作⽤⽽损失的能量。
6.管电流升⾼，焦点变⼤；管电压升⾼，焦点变⼩。
7.a.标识辐射：⾼速电⼦与原⼦内层电⼦发⽣相互作⽤，将能量转化为标识辐射。
b.韧致辐射：⾼速电⼦与靶原⼦核发⽣相互作⽤，将能量转化为韧致辐射。
6.连续X射线的短波极限只与管电压有关。
且与其成反⽐。
7.X射线的产⽣机制：电⼦与物质的相互作⽤，X射线是⾼速运动的电⼦在与物质相互作⽤中产⽣的。
韧致辐射是产⽣连续X射线的机制。
（1）X射线的穿透作⽤（2）荧光作⽤（3）电离作⽤（4）热作⽤（5）化学和⽣物效应*X射线的穿透作⽤是X射线医学影像学的基础。
第⼆节：X射线辐射场的空间分布1.X射线强度：X射线在空间某⼀点的强度是指单位时间内通过垂直于X射线传播⽅向上的单位⾯积上的光⼦数量与能量乘积的总和。
补充：X射线强度是由光⼦数量和光⼦能量两个因素决定。
第1章 X射线的性质
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1.3 X射线谱--- 连续X射线谱
X射线强度与波长的 关系曲线，称之X射 线谱。 一、连续X射线谱
在管压很低时， 小 于 20kv 的 曲 线 是 连续变化的，故称 之连续X射线谱，即 连续谱。
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1、连续X射线谱的产生机理
极大数量的电子与靶材随机碰撞 不同且连续的X射线
2、短波限λ0
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根据量子力学理论，原子系统中的电子按泡利不相容原理不
连续地分布在K、L、M、N……等不同能级的轨道（壳层）上，
而且按能量最低原理首先填充最靠近原子核的第K层，再依次 填L、M、N等。能量大小：K<L<M<N… eg：当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产 生Kα辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，
这么大数目的电子到达靶上的时间和条件不 会相同，并且大多数电子要经过多次碰撞，能量 逐步损失掉，因此其波长必然覆盖一个很大的范 14 围，这种辐射称为连续辐射。
4.X射线产生的机理
特征辐射 当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电 子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量 较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的 能量增高，原子处于激发状态。 处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此 时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。 原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐 射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能 量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。
X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。
从能量的转换角度来看：
一束X射线通过物质时，其能量分为三个部分： 被散射，改变前进方向 被吸收，产生光电效应 热效应 透过物质，强度发生衰减。
材料分析方法-第一章-X射线物理学原理
一、X射线的发现
1895年11月8日，德国物理学家 伦琴在研究真空管的高压放电时， 偶然发现镀有氰亚铂酸钡的硬纸板 会发出荧光。经仔细分析，认为这 是真空管中发出的一种射线引起的。 由于当时对这种射线不了解，故称 之为X射线。后来也称伦琴射线。
伦琴发现，不同物质对X射 线的穿透能力是不同的。他 用X射线拍了一张其夫人手 的照片。很快，X射线发现 仅半年时间就在医学上得到 了应用。
连续X射线谱的强度
连续X射线谱的总强度（X光管发 射出的X射线的总能量）即测得 的谱线与横坐标围起来的面积， 写成积分的形式为：
I 连 I ( )d K1iZV m
0
经验公式
式中：K1和m都是常数，m ≈2， K1 ≈1.1~1.4× 10-9；Z为阳极靶材 料的原子序数。
eV h max
或者
0
hc
hc 0 eV
式中 e —电子电荷，等于 1.6 1019 C （库仑） V—管电压 34 h—普朗克常数，等于 6.62510 j s
短波限
将所有常数代入上式，可得：
6.6251027 3 1010 108 12.4 0 V V 10 4.8 10 1000 300
特征X射线谱
对钼靶X射线管，保持管电流（i）不变，逐渐
增加管电压（V），记录不同管电压下X射
线强度（I）随波长（λ）的变化规律。 实验结果特征： （1）V<20KV，只产生连续X射线谱。随着管 压的增加，X射线强度增加，衍射谱线向短 波方向移动 （2）V>20KV，在连续X射线谱上某几个波长 一定的位置的强度突然明显增大： Kβ辐射 λ=0.63Å ， Kα辐射λ=0.71Å 。 （3）出现标识谱线后，增加管电压只增加标
X射线的性质PPT课件
M K, K
M亚层K, K1， K2
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特征X射线谱的特点
1) 需要最低的管电压Vk（激发电 压），它由阳极靶的原子序数Z决 定。 2) 靶不同，特征X射线谱的波长也 不同。 3) V>V激时,特征X射线谱的波长不 变，仅强度增大。
Mo靶X射线管的X射线强度曲线
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1.4 X射线与物质相互作用
2、X射线产生的基本条件 • 产生自由电子； • 使电子作定向的高速运动; • 与靶材相互碰撞，突然减速。
4
3、X射线管的结构
阴极：灯丝(钨丝)，通电加热后便能释放出电子。
阳极：靶材，通常由纯金属制成(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag, W等)，使电子
突然减速并发射X射线。
高压：使电子加速；25－50 KV
到达靶上的电子要经过多次碰撞，逐步把能 量释放到零，产生能量各不相同的辐射，因此 形成连续X射线谱。
特点： （1）强度随连续变化，
短波限0
（2）随电压增加，X强度增加；向短波方向移动， 存在短波限；
（3）不同电压，有不同的短波限0
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产生短波限的原因：
假设电子在一次碰撞中将全部能量(h)一次转换为一个光量子（即X 射线），这个光量子具有最高能量（光量子能量不可能超过电子的能量）, 最高能量 最短波长。
俄歇电子的能量与激发源（光或电子）的能量无关，只取决于物质的 能级结构，是元素的特征值，俄歇效应特别适合做表面轻元素的分析。
俄歇电子
E＝（El－Ek）
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3、X射线的吸收
X射线通过均匀物质,其强度的衰减符合下式:
dI dx I
I=I0e -t
其中μ为线吸收系数,表示在X 射线的传播方向上,单位长度物质引起X 射
1-第一章X射线物理课后习题答案
第一章 X 射线物理习题一解答1-1 产生X 射线需要哪些条件？答：首先要有产生电子的阴极和被轰击的阳极靶，电子加速的环境条件即在阴极和阳极间建立电位差，为防止阴极和阳极氧化以及电子与中性分子碰撞的数量损失，要制造压强小于4-Pa 的真空环境，为此要有一个耐压、密封的管壳。
1-2 影响X 射线管有效焦点大小的因素有哪些？答：影响有效焦点大小的因素有：灯丝大小、管电压和管电流、靶倾角。
1-3 在X 射线管中，若电子到达阳极靶面的速度为1.5⨯810ms -1，求连续X 射线谱的最短波长和相应的最大光子能量。
答：此题的思路是由动能公式221v m 求出电子的最大动能，此能量也是最大的光子能量，从而求出最短波长。
但当速度可与光速c=3⨯810ms -1相比较时，必须考虑相对论效应，我们可以用下面公式求出运动中电子的质量此题的结果告诉我们，管电压为73.8KV 。
反过来，如果知道管电压，求电子到达阳极靶表面的电子速度时，同样需要考虑相对论效应。
1-4 下面有关连续X 射线的解释，哪些是正确的？A ．连续X 射线是高速电子与靶物质轨道电子相互作用的结果；B ．连续X 射线是高速电子与靶物质的原子核电场相互作用的结果；C ．连续X 射线的最大能量决定于管电压；D ．连续X 射线的最大能量决定于靶物质的原子序数；E ．连续X 射线的质与管电流无关。
正确答案：B 、C 、E1-5 下面有关标识X 射线的解释，哪些是正确的？A ．标识X 射线是高速电子与靶物质轨道电子相互作用的结果；B ．标识X 射线的质与高速电子的能量有关；C ．标识X 射线的波长由跃迁电子的能级差决定；D ．滤过使标识X 射线变硬；E ．靶物质原子序数越高，标识X 射线的能量就越大。
正确答案：A 、C 、E1-6 影响X 射线能谱的因素有哪些？答：电子轰击阳极靶产生的X 射线能谱的形状（归一化后）主要由管电压、靶倾角和固有滤过决定。
当然，通过附加滤过也可改变X 射线能谱的形状。
第一章 X射线的性质
早期应用（发现后半年）：骨折诊断和定位 铸件探伤 早期应用（发现后半年）：骨折诊断和定位/铸件探伤 ）：骨折诊断和定位 X射线透视技术 射线透视技术
伦琴拍摄的世界上第一 伦琴拍摄的世界上第一 射线照片（ 张 X射线照片（伦琴夫 射线照片 人的手机戒指） 人的手机戒指）
探讨X射线本质的研究基础 探讨 射线本质的研究基础 1911 年，劳埃—光波通过光栅的衍射理论研究 劳埃 光波通过光栅的衍射理论研究 1911 年，爱瓦尔德 可见光通过晶体的衍射行为 爱瓦尔德—可见光通过晶体的衍射行为 1908 年，佩兰 解决了准确测定阿伏加德罗常数。 佩兰—解决了准确测定阿伏加德罗常数 解决了准确测定阿伏加德罗常数。 可计算晶体中一个原子或分子所占空间 的体积及粒子间的距离 粒子间的距离。 的体积及粒子间的距离。 两种假说 X射线是电磁波，应具有衍射现象? 射线是电磁波，应具有衍射现象 射线是电磁波 晶体具有空间点阵结构（规则排列）？ 晶体具有空间点阵结构（规则排列）？ 无法证实！！ 无法证实！！
X射线非相干散射示意图 射线非相干散射示意图
二、 X射线的吸收 射线的吸收 X射线被物质吸收的实质是发生能量转换。这种能量 射线被物质吸收的实质是发生能量转换。 射线被物质吸收的实质是发生能量转换 转换主要包括光电效应和俄歇效应 光电效应和俄歇效应。 转换主要包括光电效应和俄歇效应。 当入射X光子的能量足够大时 光子的能量足够大时， 光电效应 ：当入射 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。被打掉了内 将原子内层电子击出使其成为光电子。 层电子的受激原子将产生外层电子向内层跃迁的过 同时辐射出波长严格一定的特征 射线。 辐射出波长严格一定的特征X射线 程，同时辐射出波长严格一定的特征 射线。为区别 于电子击靶时产生的特征辐射， 于电子击靶时产生的特征辐射，由X射线发出的特征 射线发出的特征 辐射称为二次特征辐射，也称为荧光辐射。 辐射称为二次特征辐射，也称为荧光辐射。 俄歇效应：如果原子 层电子被击出 层电子被击出， 层电子向 层电子向K 俄歇效应：如果原子K层电子被击出，L层电子向 层跃迁，其能量差不是以产生K系 射线光量子的形 层跃迁，其能量差不是以产生 系X射线光量子的形 式释放，而是被邻近电子所吸收， 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。 俄歇电子。 发而逸出原子成为自由电子 俄歇电子
第一章 X射线物理
“足跟”效应(阳极效应) 改变
焦点的大小和形状
第一章 X射线物理
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二、X射线强度的空间分布
2．厚靶周围X射线强度的空间分布
第一章 X射线物理
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二、X射线强度的空间分布
2．厚靶周围X射线强度的空间分布
第一章 X射线物理
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二、X射线强度的空间分布
2．厚靶周围X射线强度的空间分布 阳极效应的另一个重要的后果就是改变了有效焦 点的大小和形状
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一、X射线管(X-ray tube)
3. X射线管的焦点(focal spot)
理 想有效 焦点是圆 形 实际形状双香蕉状
焦点的一般形状
第一章 X射线物理
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一、X射线管(X-ray tube)
3. X射线管的焦点(focal spot)
3.9 3.8 50kVp
焦点大小(mm)
3.7
3.6
3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 110kVp 80kVp
光电线性衰减系数，符号 τ 光电质量衰减系数，符号 τ 3
Z (h )3
光电效应发生的概率随光子能量的变化
第一章 X射线物理
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二、光电效应(photoelectric effect)
2. 作用系数
10
1
L
10 0
101
K
光电质量衰减系数
j
第一章 X射线物理
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一、X射线与物质相互作用系数
2. 质能转移系数和质能吸收系数
线性能量转移系数 光子在物质中穿行单位距离时，其 总能量由于各种相互作用而转移给 带电粒子动能的份额
Etr tr h
总转移系数
【复习题】影像物理复习题
【关键字】复习题第一章X射线物理第一节X射线的产生1.X射线产生条件：电子源、高速电子流、阳极靶2.靶去倾角越小，有效焦点的长度越小，即有效焦点的面积越小；实际焦点越大有效焦点的面积也增大，影像在胶片上所形成影像的清晰度；焦点上α射线增强度的差别主要是由灯丝，聚焦罩和加在聚焦罩上的电压来决定。
影像有效焦点大小的因素：灯丝大小、管电压和管电流、靶倾角3.电子与原子的外层电子作用而损失的能量统称为碰撞损失。
凡属电子与原子核或原子的内层电子作用而损失的能量统称为辐射损失。
100KV管电压下，电子撞击在钨靶上，99.1%的能量以碰撞损失，仅有0.9%的能量产生X射线。
4.连续X射线：韧致辐射是高速电子与靶原子核发生相互作用的结果，韧致辐射能谱连续。
短波极限（λmin），hνmax=eU，λmin=，λmin=(nm)。
连续X射线的短波极限只与管电压有关，而与其他因素无关。
5.特征X射线：如果高速电子没有与靶原子的外层电子作用，而是与内层电子发生作用，就会产生特征辐射，特征辐射的谱是线状的。
X射线的能量等于发生跃迁的来年各个轨道电子的结合能之差。
只有当入射电子的动能大于靶原子的某一壳层电子的结合能时，才能产生特征X射线。
而入射电子的动能完全由管电压决定。
因此，管电压U须满足eU≥Wi6.影响X射线能谱的大小和相对位置的因素①管电流：能谱的幅度②管电压：能谱的幅度和位置③附加滤过：能谱幅度，在低能时更加有效④靶材料：能谱的幅度和标识X射线谱的位置⑤管电压波形：能谱幅度，在高能时更加有效第二节X射线辐射场的空间分布1.X射线强度：X射线在空间某一点的强度是指单位时间内通过笔直于X射线传播方向上的单位面积上的光子数量与能量乘积的总和。
X射线强度是由光子数目和光子能量两个因素决定的I=N-hv2.X射线的量与质：X射线的量决定于X射线束中的光子数。
X射线的质只与光子的能量有关，而光子的能量又由管电压和滤过厚度有关。
第一章-X射线物理学基础
第一章 X 射线的物理学基础1、X 射线有什么性质，本质是什么？波长为多少？与可见光的区别？X 射线性质：(1)X 射线穿透物质时可被吸收；(2)原子量及密度不同的物质，对X 射线的吸收不同；(3)轻原子物质对X 射线来说几乎是透明的，而重元素物质对X 射线的吸收非常显著；(4)可穿透不透明的物质。
本质：属于电磁波。
X 射线的波长：大约在0.01~100 Å之间。
X 射线和可见光本质上同属于电磁波，只不过彼此占据不同的波长范围而已；X 射线虽然和可见光一样（没有静止质量，但有能量），与光传播有关的一些现象（如反射、折射、散射、干涉、以及偏振）都会发生，但由于相对可见光而言，X 射线的波长要短得多（光量子的能量相应要高得多），上述物理现象在表现方式上与可见光存在很大的差异。
不能象可见光一样使X 射线会聚、发散、和变向，使得X 射线无法制成显微镜！2、什么是X 射线管的管电压、管电流？它们通常采用什么单位？数值通常是什么？X 射线的管电压：加载到阴极和阳极侧之间的电压。
（KV ），50KVX 射线的管电流：在阴阳两极电场作用下，向阳极运动，形成的电流。
（mA ）50mA3、X 射线的焦点与表观焦点的区别与联系？焦点：阳极靶表面被电子束轰击的地方，正是这个区域发射X 射线。
对于长方形焦点的X 射线管，引出窗口很重要。
对着焦点长边开设的窗口发射出X 射线的表观焦点为线状（称为线焦斑），其强度较弱，但其水平发散度小，分辨率较高，线性较好，粉末衍射仪多采用线焦斑；对焦点短边开设的窗口发射出的X 射线的表观焦点则为正方形（称为点焦斑），强度较高，可使衍射线明锐，适合于织构测定及德拜、劳埃照相场合。
4、X 射线有几种？产生不同X 射线的条件是什么？产生的机理是怎样的？晶体的X 射线衍射分析中采用的是哪种X 射线？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。
《放射物理与防护》知识重点
第一章 X射线第一节、X线的发现：1895年德国伦琴发现X射线。
1896年法国贝克勒尔在钠盐中发现天然放射性。
1901年，居里夫人发现了镭，之后又发现了钋。
X射线的用途：1.医学（影像学）领域：核医学成像、X—CT、磁共振成像、热图像、介入性放射学、内镜技术。
2.工业领域：晶体结构分析、工业探伤、货运集装箱、透视检查、科学研究、半导体、机械加工第二节、X线的本质与特性X线属电离辐射，与可见光、红外线、紫外线、γ射线完全相同，都是电磁波，只是X线的波长很短。
X射线的本质属于电离辐射。
频率为3*1016——3*1020Hz,波长为10--10-3nm.X线的本质：（一）具有波动性1、干涉、衍射现象2、偏振现象3、反射现象4、折射现象主要表现在以一定的波长和频率在空间传播，它是一种横波，其传播速度在真空中与光速相同。
（二）具有粒子性X射线的粒子性能解释X射线的光电效应、荧光作用、电离作用等过程。
（三）具有波粒二象性1、在X线传播时，突出表现了它的波动性，具有频率和波长，并有干涉、衍射等现象。
2、X线在与物质相互作用时，则突出表现了它的粒子特征，具有能量、质量和动量。
X线的基本特性：P29（一）物理特性1、X线是直线传播的不可见电磁波。
2、X线不带电，它不受外界磁场或电场的影响。
3、有穿透性：由于人体不同组织或器官的密度和元素构成不同，造成穿透人不同部位X线强弱的差异，这正是X线透视、摄影和CT检查的物理学基础，也是选择屏蔽防护材料和滤过板材料的依据。
按人体组织对X射线透射性能的不同分为四类：易透性组织较易透性组织中等透射物质不易透射性组织气体脂肪组织结缔组织骨骼肌肉组织软骨血液4.荧光作用5.电离作用6.热作用（二）X线化学特性1、感光作用：可使胶片乳剂感光，能使很多物质发生光化学反应。
2、着色作用：铅玻璃、水晶等物质经大剂量X线长期照射后，其结晶体脱水改变颜色。
（三）生物效应特性X线是电离辐射，生物细胞特别是增殖性强的细胞，经一定量的X线照射后，可以产生抑制、损伤、甚至坏死。
X线物理与防护(第一章)
公式
• hv=E(能级差） • h是普朗克常数；v为光子的频率。
元素、核素及Leabharlann 位素• 核素：具有确定质子数和中子数，并处于特定 能量状态的原子或原子核称为核素（氢的三种 核素：氕、氘、氚） 同位素：质子数相同而中子数不等的同一种元 素的原子互称同位素.他们在元素周期表中处于 同一位置. 元素：具有相同质子数的一类单核粒子的总称.
• 电离辐射包括带电粒子辐射（直接致电离辐射）和不带电粒子辐射 （间接电离辐射）
电磁辐射
• 是由空间共同移送的电能量和磁能量所组 成，而该能量是由电荷移动所产生;举例说， 正在发射讯号的射频天线所发出的移动电 荷，便会产生电磁能量。 电磁辐射即电磁 波。 • 有些辐射既是电离辐射，也是电磁辐射， 比如X射线、y射线。
核外电子的排布规律
1、电子壳层由内往外称为K、L、M、N、O、 P、Q…….壳层，壳层分别对应主量子数n=1、 2、3、4、5、6、7…… 2、每个壳层上最多容纳的电子数不超过2n2。 3、每个原子的最外层电子数不得超过8个（若 K层为最外层时，不超过2个）
原子能级及结合能
• 原子能级：由于电子处于不同轨道而原子 具有的一系列不连续的能量数值称为原子 能级。 • 结合能：通常把移走原子中某壳层轨道电 子所需的最小能量，称为该壳层电子在原 子中的结合能。 • 原子能级是结合能的负值。
原子的激发和跃迁
• 基态：原子处于最低能量的状态。 • 激发：原子吸收一定大小的能量，且吸收能 量等于某两个能级之差时，电子将自发地过 渡到某一较高能级上，这一过程称为原子的 激发，此时原子处于不稳定的激发态。 • 跃迁：激发态的原子，在极短的时间内，外 层电子或自由电子将自发地填充其空位，同 时发出一个能量等于两能级之差的光子，此 过程称为跃迁
第1章 X射线的物理学基础
同步辐射光的特性
• 可精确预知：同步辐射光的光子通量、 角分布和能谱等均可精确计算，因此它 可以作为辐射计量———特别是真空紫 外到 X射线波段计量———的标准光源。 • 此外，同步辐射光还具有高度稳定性、 高通量、微束径、准相干等独特而优异 的性能。
• 已运行的SR装置 70~ 80多个 • 正在建设和计划中 ~ 20多个 • 关于世界各地同步辐射装置的状况详细信 息可以从下列两个网站得到： /SRWORLD/index.html • http: ///srsources.html • （SR装置的水平是国家经济实力的标志）
同步辐射光的特性
• 宽波段：同步辐射光的波长覆盖面大，具有从 远红外、可见光、紫外直到 X射线范围内的连 续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波 长的光。
• 高准直：同步辐射光的发射集中在以电子运动 方向为中心的一个很窄的圆锥内，张角非常小， 几乎是平行光束，堪与激光媲美。
• 高偏振：从偏转磁铁引出的同步辐射光在电子 轨道平面上是完全的线偏振光，此外，可以从 特殊设计的插入件得到任意偏振状态的光。
1.1.2 X射线的产生
• 大量实际所用X射线是由X射线管产生的， 不论是探伤用X光机还是照相法用的X光机 和X射线衍射仪， • 都包括：高压发生器（包括整流部分），控 制线路、X射线管及探测记录系统。其中， X射线管和探测记录系统是X射线仪特有的。 • 本节主要介绍X射线管，而探测系统将在后 面的章节里讨论。至于高压发生器和控制部 分属于一般电气装置，可查阅有关电工书籍。
• • • •
X射线的性质： 1）X射线能使照相底片感光； 2）X射线有很大的贯穿本领； 3）X射线能使某些物质的原子、分子电 离； • 4）X射线是不可见光，它能使某些物质 发出可见光的荧光； • 5）X射线本质上是一种电磁波，同此它 具有反射、折射、衍射、偏振等性质
《影像物理学》x射线物理
图 1-7 钨靶在较低管电压下的连续 X 射线发射谱 由图 1-7 可以看出，连续谱的 X 射线强度是随波长的变化而连续变化的。每 条曲线都有一个峰值；曲线在波长增加的方向上都无限延展，但强度越来越弱； 在波长减小的方向上，曲线都存在一个最短波长，称为短波极限(λmin)。 我们知道，光子能量的最大极限( hνmax )等于入射电子在 X 射线管加速电场
计算知道
碰撞损失 辐射损失
816MeV Ek Z
(1-1)
这里，Ek 是高速电子的动能（以 MeV 为单位），Z 是靶物质的原子序数。例如，
100kV 管电压下，电子撞击在钨靶上，99.1%的能量以碰撞损失，仅有 0.9%的能
量产生 X 射线。可见，不管 X 射线管有多先进，它的效率总是非常低的。阳极
对大多数 X 射线管而言，焦点大小不是一个常数，它随管电流和管电压变 化，如图 1-5 所示。
图 1-5 管电流和管电压对有效焦点长度的影响 二、X 射线的产生机制
1．电子与物质的相互作用 X 射线是高速运动的电子在与物质相互作用中 产生的。在 X 射线管中，从阴极发射的电子，经阴极、阳极间的电场加速后， 电子的速度已非常高。例如，在 100kV 管电压下，电子抵达靶时，速度可达 0.55c(c 为光速)。这些电子轰击 X 射线管靶原子时，它们便将其动能传递给了靶原子。 这些相互作用发生在穿入靶面不太深的地方。当相互作用发生时，发射电子将会 慢下来并最终完全停止。事实上，这些相互作用十分复杂。一般情况下，电子在 失去它的全部能量前要经受很多次与靶原子的碰撞，其能量损失分为碰撞损失 (collision loss)和辐射损失(radiation loss)。
第一章X射线物理学基础
λ＝ｈc/ △E
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高速电子在撞击到原子时，很容易将能量传 送給原子中的电子，而使原子离子化当原子內层 轨道的电子被激发后，其空位很快会被外层电子 的跃入填满，在此电子跃迁的过程中，由于不同 轨道间的能量差，X光会随着放出。 此过程所产
生的X光与原子中电子轨道的能量有关。
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产生特征X射线的同时也会产生连续X射
线，但特征X射线强度要比同时产生的邻 近波长连续X射线强度高得多，提高管电 压可以提高特征X射线的强度，但同时连 续X射线强度也增加。当工作电压为激发 电压的3－5倍时，特征X射线强度与连续 X射线强度的比率最大，因此电压应选为 激发电压的3－5倍。
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连续X射线谱的特点
1.在阳极靶所辐射的全部光子中，光子能 量的最大值不能大于电子的能量，具有 极大能量的光子波长，即为短波极限 λ0 。 当：ev=h·νmax=hc/λ0 有短波极限：λ0=12400/v
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X光管管电流、管电压和阳极靶材对连续谱的影响
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2.连续谱强度分布的形状主要决定于X 光管 加速电压的大小。当X 光管管压变化时，其 连续谱的强度分布的形状全不相同(见中间图)， 且在λ0的约1.5 倍波长处其强度达到最大值。 连续谱各波长的强度与X 光管的电流成正比 (见左图)。此外，连续谱各波长的强度随阳极 材料的原子序数增大而增加(见右图)。连续谱 的强度(I)与X 光管的电压(V)平方、电流(i)及 阳极材料的原子序数(Z)成正比： I ∝ i Z V2
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X射线产生的原理
电磁原理： 当带电粒子在加速或减速过程中， 会释放出电磁波，在巨大加速或减速过 程中，所释放的电磁波具有高能量，当 其波長在10-12－10-8m則成X光。
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• 连续X射线的最短波长λmin：
光子能量的最大极限hυmax等于入射电子 在X射线管加速电场中所获得的能量eU，即
h max eU
h c eU
m in
m in
hc eU
m in
1.24 U
• 左下式中，U的单位为kV， λmin的单位为nm
• 可见，连续X射线的最短 波长只与管电压有关
二、X射线产生机制
1. 电子与物质相互作用
高速电子与靶物质作用的过程较复杂。
高速电子带负电荷，在物质中主要与原子核 的正电场及轨道电子的负电场作用。当高速电子 穿过物质时几乎会与相遇的每个原子发生作用， 作用很频繁。如一个动能为1MeV的高速电子在被 阻止前会遭受1万次的碰撞，每一次碰撞电子不 仅要损失部分能量还会改变运动方向。
世界上第一张X射线照片 →
哪一张是真的？
一、X射线的产生
1. X射线产生条件
在高真空管内高速行进成束的电子流 撞击阳极靶(钨、钼等)时与原子核或内层 电子相互作用而产生X射线，即高速电子流 和靶物质相互作用的结果产生X射线。
X射线产生条件
产生X射线需具备以下三个条件： ①电子源：根据实际情况提供足够数量的 电子。 ②高速电子流：在高真空管内施加高电压 的电场使电子获得足够的动能。 ③适当的靶物质：特定材料制成的、能经 受高速电子流撞击的阳极靶面。
连续X射线
+
2.连续X射线 X射线管发出的X射线是由连续X射线和标识X射
线两部分组成的混合射线。 连续放射：又称韧致辐射
是高速电子流撞击阳极靶面时，与靶物质的 原子核相互作用而产生的、连续波长的X射线(连 续X射线)的过程。
阴极电子撞击阳极靶面的动能取决于管电压的 大小，管电压越高，阴极电子获得的动能就越大， 由于单位时间内大量能量不等的电子同时撞击靶面， 与靶原子相互作用中损失的能量各不相同，因而发 出的X射线光子的能量也互不相同，大量的X射线光 子组成了具有频率连续的X射线发射谱。
。 • 3）标识辐射的X射线波长是由跃迁的电子能量差
决定的，与高速电子的能量（管电压）无直接关 系，主要决定于靶物质的原子序数，原子序数越 高，产生的标识辐射的波长越短。
三、X射线的基本特性
• X射线的穿透作用 • X射线的荧光作用 • X射线的电离作用 • X射线的热作用 • X射线的化学和生物效应
3 标识放射：又称特征辐射
h E2 E1
hυ为特征量 E1为跃迁后的能量
不同的靶物质发出的X射线的波长不同， 原子序数越高，产生的X射线波长越短。标识X 射线与X射线管的管电流无关。
特征辐射/标识辐射 标识X射线的波长同阳极靶原子的结构 有着密切的联系，仅取决于阳极靶物 质，与X射线产生过程中的其它因素无 关。
X射线的化学和生物特性 1）、感光作用 2）、脱水作用/着色作用 3）、生物效应
第二节 X射线辐射场的空间分布 一、X射线强度
1.X射线的强度 单位时间内垂直于X射线束的单位面积上通过
的光子数和能量的总和叫做X射线线的强度。 X射线线的强度是X射线的质与量的综合指标，它
按人体组织对X射线透射性能的不同分 为三类：
易透性组织 中等透射物质 不易透射性组织 易透性组织 中等透射物质 不易透射性组织
气体
结缔组织 肌肉组织
骨骼
脂肪组织
软骨 血液
2、荧光作用 当射线照射某种物质时，能够发出荧光，具有这
种光特性的物质称为荧光物质。 如钨酸钙、铂氰化钡、银激活的硫化锌镉等荧光
保持管电流不变，将管电压从20kV增 加到50kV时，测量各波段的相对强度而绘 成的连续X射线谱。
连续谱的X射线强度是随 波长的变化而连续变化的。 每条曲线都有一个峰值； 曲线在波长增加的方向上 都无限延伸，但强度越来 越弱；在波长减小的方向 钨靶在较低管电压上 短下， 波的曲 极连续线 限X都 波射存 长线在的谱一极图 个限称值为。
电子在碰撞过程中的能量损失分为碰撞损失 和辐射损失。
碰撞损失只涉及原子的外层电子，这部分能 量将全部变为热。
辐射损失涉及内层电子和原子E E核热 E。电离 E辐射 电子与靶原子因碰撞而损失能量的过程就是 能量转换的过程。
E E热 E电离 EE辐E射热 E电离 E辐射
当时不甚了解其性质，故用了数学上的未知数 “X”表示，称为“X射线”（X-ray），简称X射线 或X光，又称“伦琴射线”。X射线的发现为自然科 学开辟了一条崭新的道路，伦琴荣获了1901年度首 届诺贝尔物理学奖。
1895年12月28日伦琴写出了他的第一篇关于X 射线的论文，发表后立即引起了人们极大的兴趣。 目前，X射线已经广泛应用于医学诊断和治疗、工 业探伤、民用安全检查、物质结构分析等领域。
不同靶材料的辐射光子的能量和波长 也不同。每一种元素的标识X射线的波 长是固定不变的。
特征辐射/标识辐射
• 产生标识X射线的最低激发电压U必须满足 eU W
•
W为脱出能。eU
W
时，U
W e
为最低激发电压，不
同的激发电压产生的标识X射线量占总的X射线量
的比率是不同的。
小结 • 1）连续谱的形状与靶的材料无关。 • 2）连续谱存在一最大的能量值，它取决于管电压
第一章 X射线物理
X射线的发现
1895年11月8日，德国物理学家威廉·康拉德·伦 琴在德国沃兹堡大学实验室用克鲁克斯管研究高真 空下放电现象时，却发现距克鲁克斯管约1米远处 的一块氰亚铂酸钡纸屏风上发出了荧光，伦琴认定 克鲁克斯管中发出了一种能够穿透某些物质而又看 不见的射线，进一步的试验，用书本、木板等都遮 不住这种射线，更甚者，当伦琴用手去拿那块纸屏 风时，竟在纸屏风上看到了自己手骨的影像。
物质受X射线照射时，物质原子被激发或电离，当 被激发的原子恢复到基态时，便可放出荧光。
X射线荧光作用的应用：
• X射线透视荧光屏、增感屏、影像增强器、闪烁 计数器等。
• 电离作用 • 具有足够能量的X射线光子不仅可从原子中击脱
电子产生一次电离，脱离了原子的电子还能与其 他原子碰撞产生二次电离。 • X射线电离作用的应用： • X射线剂量仪器探头原理及X射线损伤和治疗的基 础。