第一章：X射线物理学基础教学文稿

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第一章 X射线物理学基础

式中，K3为常数；Un为特征谱的临界激发电压，对于K系， Un = UK ；m为常数(K系m = 1.5， L系m = 2)
为了提高特征谱的强度，应采用较高的管电压，当U/Uk =4时，I特/I连最大，所以X射线管适宜的电压为， U = (3~5)UK
20
第三节 X射线与物质的相互作用
一、衰减规律和吸收系数如图1-6，强度为I0的X射线照射厚度为t的均匀物质上，穿过深度为x处的dx厚度时的强度衰减量dIx/Ix与dx成正比，
9
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装臵主要由阴极 (W灯丝) 和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制成的阳极(靶)组成阴极通电加热，在阴、阳极之间加以直流高压 (约数万伏) 阴极发射的大量电子高速飞向阳极，与阳极碰撞产生X 射线
13
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱为什么连续X射线谱存在短波限SWL？用量子理论可以解释连续谱和短波限，若管电压为U，则电子到达阳极靶的动能为eU，当电子在一次碰撞中将全部能量转化为一个光量子，可获得最大能量hmax ，其波长即为SWL， eU = hmax = hc /SWL
Fe
Co Ni Cu Mo
26
27 28 29 42
1.93604
1.78897 1.65791 1.54056 0.70930
1.93998
1.79285 1.66175 1.54439 0.71359
1.93736
1.79026 1.65919 1.54184 0.71730
1.75661
1.72079 1.50014 1.39222 0.63229

材料分析X射线XRAY演示文稿

第一章 X射线物理学基础
三、X射线的产生与X射线管 5、X射线管的基本电气电路与X射线
产生
高压变压器
第二十七页，共78页。
灯丝变压器
第一章 X射线物理学基础
四、X射线谱 (一) 连续X射线（白色X射线）
为一波长连续的光
谱，包括从某一最小值开始的一系列连续波长的辐射。它与可见光中的白光相似，
第三十三页，共78页。
第一章 X射线物理学基础四、X射线谱 (一) 连续X射线 2、连续X射线产生机理
其中少数电子在一次碰撞中就将能量全部转化为光子，因
此它产生的光子能量最大，波长最小。其短波限λ0取决于能量最大电子，这与管压有关。大多数的电子经过多次碰撞，能量逐步地释放，产生的光子能量也相应减小，波长大于λ0。由于X射线的强度取决于光子的数目。所以连续X射线谱的最大值不在λ0的位置。
第十三页，共78页。
第十四页，共78页。
当光通过与其波长相当的光栅时会发生衍射作用。
如果X射线是一种波，且波长与晶体内部质点的间距相当。那么，用X射线照射晶体 ······
第十五页，共78页。
人们推测晶体内部的质点是规则排列的，且间距在108cm。
X射线衍射？!
第十六页，共78页。
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
第十七页，共78页。
第十它一箭双雕地解决了X射线的波
1985 化学
霍普特曼Herbert Hauptman 卡尔Jerome Karle

第一章X射线物理学基础

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 ?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。

第一章+X射线物理基础

第一章 X射线物理学基础
一、X射线的散射
• 入射X射线与物质作用，使一部分X射线穿过物质后偏离原来的入射方向，即发生了X射线的散射。
• 两种散射现象：
第一章 X射线物理学基础
1、相干散射(弹性散射、经典散射)
• 相干散射：散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，这种散射称为相干散射。
第一章 X射线物理学基础
• ③折射率≈1
• X射线穿过不同媒质时，呈直线传播，在电场和磁场中也不发生偏转，因此不能用常规方法使X 射线会聚或发散。
• ④ 对生物细胞有很强的杀伤作用。
第一章 X射线物理学基础
二、 X射线的本质
• 1、X射线的本质 • 也是电磁波，即也是一种无静止质量并以光速运动的光子。
。 IK :IK 5:1
第一章 X射线物理学基础
• K系特征X射线中Kα是由Kα1 和Kα2双线组成。
• 有：λKα2＞λKα1＞λKβ
IK1 2IK2
IK (5~7)IK
第一章 X射线物理学基础
4、莫塞莱定律
• 特征X射线谱的波长（或频率）是物质的固有特性。
• 莫塞莱定律——特征谱波长和阳极靶原子序数Z之间的关系：
• 管电压不变时，随管电流的升高，各辐射强度均升高，但λ0和λmax保持不变。
第一章 X射线物理学基础
不同的靶面物质发射的连续谱具有相似的
特征
二、特征X射线谱
• 1、定义
• 当U管超过某临界值后，叠加在连续谱上的强度很高且具有一定波长的X射线谱，称为特征X射线谱，简称特征谱。
• 如钼靶X射线管，当管电压等于或高于20kV时，则除连续谱外，位于一定波长处（ 0.063nm和0.071nm）,叠加有少数强谱线。

chapter 1-X射线物理学基础

KLL俄歇电子
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)
俄歇电子高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另一个电子送出去,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)
荧光辐射
高能级的电子回跳,多余能量以X射线形式发出。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。大量的荧光辐射会增加衍射花样的背底，使图象不清晰。
1895年伦琴初次发现X射线时，拍摄的他夫人手指的X射线照
• 1895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分性质
• 1910年，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。
• 1912年劳埃进行了晶
体的X射线衍射实验
•1910年第一张诺贝尔物理学奖授予W. K. 伦琴
②X射线具有粒子性
X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续粒子流。这些粒子称为光量子，并具有能量 E 和动量P。
E = hν =
hc
λ
hv P = h/λ = c
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、X射线的产生： X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。
俄歇效应激发二次特征辐射时原子中一个k层电子被激发出来后l层的一个电子将跃入k层填补空白剩下的能量将促使l层的另一个电子跳到原子之外既k层的一个空白被l层的两个空位所代替此过程称为俄歇效kll俄歇电子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俄歇电子高能级的电子回跳多余能量将同能级的另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荧光辐射高能级的电子回跳多余能量以x射线形式发出

第一章 X射线物理学基础

/ t
I 0e
m t
IT: 透射束的强度；I0: 入射束的强度；
一般情况下是分辨不出来的，这时Kα 线的波长是用双线波长的加权平均值来表示的：
K
2K 1 K 2 3
特征谱线的波长随原子序数Z的增大而变短，波长和原子序数之间的关系符合莫塞莱定律：
1

K (Z )
K和σ是常数
特征谱线的辐射强度随管流i、管压U的增大而增大。K 系谱线强度的经验公式为： A：比例常数； n I Ai(U U k ) Uk：K系谱线的临界激发电压； n: 常数，约为1.5 经验表明，欲得到最大的特征X射线与连续X射线的强度比，X射线管的工作电压应选在3~5Uk时为最佳。
二、X射线的吸收
A）光电效应与荧光辐射
当入射X射线的光量子的能量足够大时，同样可以将原子内层电子击出，这就是光电效应。被击出的电子称为光电子。受激原子的外层电子向内层跃迁时，同样会辐射出波长严格一定的特征X射线。
由X射线激发产生的特征辐射称为二次特征辐射。二次特征辐射本质上属于光致发光的荧光现象，故也称这种辐射为荧光辐射。
电子能级间的能量差并不是均等分布的，愈靠近原子核，相邻能级间能量差愈大，所以同一靶材的Ｋ、Ｌ、Ｍ系谱线中，以 K 系谱线的波长最短，而L系谱线的波长又短于M系；
K L M
此外，在同一线系各谱线间，如在 K 系谱线中，必定有：
K K K
原子中同一壳层上的电子并不处于同一能量状态，而分属于若干个亚能级。如 L 层中的 8 个电子分属于 LⅠ 、 LⅡ 、 LⅢ 三个亚能级； LⅠ 亚能级上的电子不能跃迁到 K 能级上（选择定则），所以Kα 线是电子从LⅢ 到K（ Kα １）、 LⅡ 到K（ Kα ２）跃迁时辐射出来的Kα １和Kα ２两根谱线组成， LⅢ层上的四个电子跃迁到K层的几率比LⅡ 层的两个电子跃迁到K层的几率大一倍，所以组成Kα 线的两根线的强度比为二比一。双线的波长相差很小，在结构分析中常用的K系谱线中： 4 104 nm

X射线物理学基础

第一章X射线物理学基础【教学内容】1．X射线的发现。

2．X射线的本质。

3．X射线的产生与X射线管。

4．X射线谱。

5．X 射线与物质的相互作用。

【重点掌握内容】1．X射线的粒子性与波动性。

2．X射线的产生与X射线管的基本构造。

3．连续X射线和特征X射线谱特点及产生的机理。

4．X射线与物质的的相互作用而产生的散射和吸收。

【了解内容】1．X射线发现。

2．X射线的安全防护。

【教学难点】1．X射线的散射与干涉。

2．X射线的吸收。

【教学目标】1．了解X射线的本质、特点。

2．掌握X射线的产生和X射线谱特点。

3．掌握X射线与物质的相互作用有关知识。

4. 培养能根据不同的需要选择对不同类型的X射线及在关实验条件的能力。

【教学方法】1．以课堂教学为主，通过多媒体教学手段，增强教学效果。

并通过部分习题，增进学生对X射线本质的理解。

2．安排一次对X射线衍射仪的参观，使学生对X射线的产生以及基本装置有一个初步的感性认识。

一、X 射线的发现X射线发现于19世纪末期，并在上个世纪之交掀起了一场X射线热。

它的发现及其本质的确定在物理学上具有划时代的意义。

代表着经典物理学与近代物理学的转折点。

1895年11月8日，德国物理学家伦琴（照片）在研究真空管的高压放电现象时，偶然发现凳子上镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。

这一现象立即引起的细心的伦琴的注意。

他仔细分析一下，认为这可能是真空管中发出的一种射线引起的。

一连数日呆在实验室中不回家。

他试着用各种手、纸板、木块去遮挡，但都无法挡住这种射线。

于是，一项伟大的发现诞生了。

由于当时对这种射线的本质和特性都不了解，故称之为X射线。

其实在此之前，也有人注意到，放在高压管附近的照相底片有时会发生雾点。

但他们认为这是一种偶然现象。

没有引起重视。

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（照片）。

1896年1月23日。

伦琴在自己的研究所第一次作关于X射线发现的报告时，现场再次拍了维尔兹堡著名的解剖学教授克利克尔的一只手的照片，克利克尔教授带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线称为伦琴射线。

X射线物理基础

1，像可见光一样直线传播，经电场不发生偏转。 2，有很强的穿透能力，所有物质多少它都能够透过。 3，使萤光物质发光，使气体电离。 4，使照相底片感光，而人的肉眼无法直接观察到它。
X射线的性质
瑞典皇家科学院院长奥得纳(C.T.Odher)在伦琴获诺贝尔奖的致词中说：
对于这种能量辐射的真实组成，目前尚不清楚，然而，伦琴本人和后来从事这方面研究的其他科学家已发现了它的若干特殊性质。毫无疑问，当人们充分研究这种奇异的能量形式并全面探索它的广阔应用领域时，物理科学将取得许多成就。
X射线产生的几个基本条件
产生自由电子；使电子作定向的高速运动; 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。
X射线管的结构
阴极：又称灯丝(钨丝)，通电加热后便能释放出热辐射电子。阳极：又称靶，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。阳极需要水强制冷却。窗口：是X射线射出的通道，维持管内高真空，对X射线吸收较少，如金属铍、含铍玻璃、薄云母片。
1.1 X射线的物理学基础
X射线的本质
X射线是一种本质与可见光完全相同的电磁波或电磁辐射，只不过X射线是由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作用而产生的，因此能量大，波长短（0.1-10 nm），穿透物质的能力强。
无线电波
红外线可见光紫外线 X射线 γ射线宇宙射线
1029
10－4 10－6 10－7 10－8
2） X射线具有粒子性，是具有一定能量光子的粒子流，反映物质运动的分立性。现象表现为光电效应和荧光辐射。
证明X射线的波动性
已出现的设想：晶体中呈有规律、周期性排列，组成三维原子网络，以上未能得到实验证实。

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

第一章X射线物理学基础

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二、教学基本要求
掌握
1. 各种测试技术的基本原理： X-射线衍射技术，电子显微分析技术，热分析技术；
2. 技术的应用：
（1）仪器设备的基本构造与性能；（2）对电子显微分析照片、X射线衍射图谱和热分析曲线等有分析处理能力；
（3）具有进行物相初步鉴定的能力（4）各种研究方法与测试技术优缺点。
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（3）特征X射线的强度：
(a). 经验公式: 如K系谱线强度
IK Ai(UUK)n A,n为常数U； k为K系谱线的临界激发
(b). 特征X射线与连续X射线的强度比：
U=3~5Uk 有最大比值。
(c). I K 5 I K I K1 2I K 2
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材料研究与测试方法
管航敏化学与材料工程工系
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绪论
➢本课程的作用 ➢教学基本要求 ➢考核方式 ➢课程主要内容
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一、本课程的作用
本课程在材料研究领域中起着不同寻常的作用，它们将材料各专业的核心问题“组成—结构—性能”有机地联系在一起，从而实现本专业人才培养的目标。
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3）特征谱结构 K系特征谱： Kα、Kβ、Kγ, Kα(Kα1、Kα2) 4）λ与Z的关系
1/K(Z)
荧光X射线光谱分析（XRF、XFS）
5) 特征X射线的强度
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§1-3 X射线与物质的相互作用
入射X射线 I0
相干的
散射X射线非相干的反冲电子
电子俄歇电子光电子
这个公式表明：只要是同种原子，不论它所处的物理状态和化学状态如何，它发出的特征X射线均具有相同波长。

第1章X射线物理学基础

式中： K——与靶材物质主量子数有关的常数； σ——屏蔽常数，与电子所在的壳层位置有关。

成为X射线荧光分析和电子探针微区成分分析的理论基础。
第一节 X射线的性质
一、 X射线的波动性

14
X射线属电磁波，同时具有波动性和粒子性。 1、波动性表现为以一定频率和波长在空间传播，具有干涉与衍射现象；描述参量：频率ν和波长λ 。 2、同时有电场矢量E和磁场矢量H，以相同周相，在两相互垂直平面内作周期振动，且与传播方向垂直，以光速呈直线传播。X射线衍射分析主要由电场矢量E引起的物理效应。
IA

2
2、X射线强度－－用粒子性观点描述：单位时间内通过与传播方向相垂直的单位截面的光量子数目。 3、绝对强度单位是J／(m2· s)，但难以测定，常用相对强度，如：底片相对黑度、探测器（计数管）计数值等。

X射线波粒二相性

21
1. X射线波动性：反映物质运动的连续性； X射线粒子性：反映物质运动分立性。 2. 对同一辐射所具有的波动性与粒子性的描述： ① 可用时间和空间展开的数学形式来描述； ② 可用统计学法确定某时间、位置粒子出现概率来描述。因此，须同时接受波动和粒子两种模型。

美国热电瑞士ARL公司

28
新型陶瓷X光管 X-ray Tubes
Ceramic Tube（陶瓷光管）
Glass Tube（玻璃光管）
Possible targets are Cu, Cr, Fe, Co or Mo 可有的靶材为： Cu，Cr，Fe，Co 或Mo
三、X射线光管分类

E h hc
P h h / c
ν－X射线频率； h－普朗克常数（6.626×10-34 J· s） c－ X射线传播速度（2.998×108m/s）

1.1X射线物理基础1

i1
λ λ
16
短波限λº的形成
量子理论解释
eV h max hc
0
hc 12.4 1.24 1240 A nm nm eV V (kV) V (kV) V (V)
短波限只与管电压有关，不受其它因素影响。
17
特征（标识）X射线谱
特点：
– 具有特定的波长。 – 叠加在连续X-ray谱上。 – 当管电压超过某一特定值Vk时产生。
32
X射线的吸收
宏观强度衰减规律 I＝I0e－lx
l－线吸收系数：表示单位厚度的物质对X射线的吸收； l ＝ m， m－质量吸收系数：表示单位质量物质对X射线的吸收与吸收体的原子序数及X射线波长有关，与吸收体的密度（疏密，比如气体还是固体）无关
33
不同原子序数、不同光子能量下，衰减系数各成分所占的主要区段
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。 10
11
同步辐射X射线
高能电子束的产生与加速高能电子束以接近光速的速度沿圆形轨道运动，产生电磁辐射非常昂贵，多用户，国家投资
12
同步辐射X射线光特点
• • • • • • • •
辐射光的波长覆盖面大且连续可调具有很高的亮度有强的辐射功率有好的准直性脉冲光源，有特定的时间结构同步辐射是偏振光同步辐射是“光谱纯”的光高度稳定性可计算性
31
电子对生成
作用对象： X-射线与物质原子在原子
区相互作用
过程：
X-射线光子的能量 >1.02 MeV
产生电子对（一个电子和一个正电子）
二者静止质量所对应于的能量各为：

第一章1.1 X射线物理基础

⑶且波长取决于阳极靶元素的原子序数
• 不同阳极材料，有不同的标识谱波长，即对某一特定材料，具有波长恒定的标识谱。遵循莫塞来定律（X-ray成分分析基础）
• 莫塞莱定律 • 莫塞莱发现同系特征X射线的波长,随阳极靶的原子序数的增加而变短,在射线频率V的平方根和原子序数Z之间存在线性关系,即:
1
Compton-Wu散射 ---X射线粒子性的证明 λ′ 入射X射线光子
与原子中受核束缚较弱的电子发生碰撞。
2）非相干散射
λ
散布于各个方向的散射波波长互不相同，与入射波的相位不存在确定关系，不能互相干涉。形成连续背底，不利于衍射分析
• 非相干散射
• 当X射线冲击束缚力不大的电子或自由电子时，可以产生另一种散
+W衰减
1、X射线的散射
散射：x-ray光子与物质中的电子相遇时改变了原来传播方向，造成了在原来传播方向上强度减弱的现象称为散射可分为：相干散射非相干散射
1）.相干散射
产生：
• X射线是一种电磁波,当它通过物质时,在入射束电
场的作用下,物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置
发生震动,并在运动期间被连续地加速和减速.同时向其四周辐射出与入射线同频率的电磁波,即入射波将自身的能量传给了电子,而电子又将该能量转化为与入射波长相同的散射X射线.
2、X射线的吸收
物质对x-ray的吸收，指的是x-ray能量在通过物质时转变为其它形式的能量，对x-ray而言，也就是发生了能量损耗。
物质对x-ray的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。
发生x-ray的光电效应和俄歇效应，使x-ray的部分能量转变成为光电子、荧光x-ray及俄歇电子的能量，故x-ray的强度被衰减。

第一章_X射线物理学基础

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。
38
（2）X射线的吸收

物质对X射线的吸收：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。主要表现在对物质原子中的内层

光随后产生的各种过程。

它主要包括光电效应（二次特征幅射）和俄歇效应等。

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。
37
X射线的散射
②非相干散射（incoherent scattering 量子散射）

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，波长增加的非相干散射波。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-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。
32

特征（标识）X射线谱
莫塞莱定律

标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。

莫塞莱定律：标识X射线谱的波长λ与原子序数Z 关系为：
1

C Z
33
特征（标识）X射线谱
特征X射线的强度特征

K系特征X射线的强度I与管电压U、管电流i的关系为：
国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为： 1nm=10Å=10-9m 1kX=1.0020772±0.000053Å (1973年值)。

X射线物理学基础

或简写成2dsinθ=λ，在使用中可认为反射级数永远等于1，因为反射级数n实际上已包含在d之中。也就是， (hkl)的n级反射，可以看成来自某种虚拟的晶面的1级反射。 2.干涉面指数 2.干涉面指数晶面(hkl)的n级反射面n(hkl)，用符号(HKL)表示，称为反射面或干涉面。其中H=nh，K=nk，L=nl。 (hkl)是晶体中实际存在的晶面，(HKL)只是为了使问题简化而引入的虚拟晶面。干涉面的面指数称为干涉指数，一般有公约数n。在X射线结构分析中，如无特别声明，所用的面间距一般指干涉面间距。
14种布拉菲点阵
1848年布拉菲（Bravais）证实七种晶系中总共可以有十（）四种点阵－布拉菲点阵布拉菲点阵。布拉菲点阵布拉菲将晶胞分为简单晶胞复杂晶胞简单晶胞和复杂晶胞简单晶胞复杂晶胞，简单晶胞中只有一个结点，而复杂晶胞中有两个以上的结点。简单三斜简单单斜底心单斜简单六方简单菱方简单正方体心正方 • • • • • • • 简单正交体心正交底心正交面心正交简单立方面心立方体心立方
第二节 X射线谱
一、连续谱
X射线强度随波长λ而变化射线强度随波长λ 的关系曲线，射线谱。的关系曲线，即X射线谱。丘包状曲线为连续谱丘包状曲线为连续谱竖直尖峰为特征谱竖直尖峰为特征谱对应两种X射线辐射的物理过程。对应两种X射线辐射的物理过程。连续谱：连续谱：大量高速运动的电子与靶材碰撞时而减速，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 能量损失转化成不同波长的X射并按统计规律分布。线，并按统计规律分布。两种X射线谱示意图图1-2 两种X射线谱示意图
第一节Ｘ射线的产生极其性质
一、X射线的产生

第一章 X射线物理

延展，强度越来越弱
存在最短波长(λ min)
20kV
0.06 0.08 0.10
波长(nm) 钨靶较低管电压连续X射线发射谱
第一章 X射线物理
24
二、X射线产生机制
光子能量的最大极限(hmax)等于入射电子在X射线管加速电场中所获得的能量eU（电子直接撞击原子核，损失全部动能），即
h max eU
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一、X射线强度
1. X射线强度(x-ray intensity)
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内的X光子数量与光子能量乘积。
单能X射线的强度I 为：多种光子组成的线状谱强度为：连续X射线能谱的强度为：
I N h
I N i h i
6
第一节 X射线基本性质(特性)
电中性，具有电磁波的共性，是一种横波，在真空中传播速度与光
速相同。可用波长、频率来描述，并有反射、干涉、衍射等现象。波长
极短、频率极高，是高能不可见电离辐射线，与物质作用时突出表现出的是它的粒子特性。此外，X射线有以下基本特性。
一、穿透本领
由于X射线波长短，能量高
易透性组织中等透射性组织结蒂组织肌肉组织软骨血液不易透射性组织
i
I
Emax
E N ( E )dE
0
诊断中
连续X射线总强度
I c K1iZU
n
第一章 X射线物理
32
一、X射线强度
2. X射线的量与质 X射线的量(x-ray quantity) 表示X射线束中的光子数，由管电流与照射时间的乘积间接表示，通常以毫安秒(mA· s)为单位。 X射线的质(x-ray quality) 又称线质，表示X射线的硬度，即穿透物质本领的大小。由管电压和滤过间接表示。通常以千伏数（kV）为单位。

第一章 X射线物理基础

相干散射
当入射X光子与物质中的某些电子（例如内层电子）当入射X光子与物质中的某些电子（例如内层电子）发生碰撞时，由于这些电子受到原子的强力束缚，发生碰撞时，由于这些电子受到原子的强力束缚，光子的能量不足以使电子脱离所在能级的情况下，光子的能量不足以使电子脱离所在能级的情况下，此种碰撞可以近似地看成是刚体间的弹性碰撞，此种碰撞可以近似地看成是刚体间的弹性碰撞，其结果仅使光子的前进方向发生改变即发生了散射，光子的前进方向发生改变，结果仅使光子的前进方向发生改变，即发生了散射，但光子的能量并未损耗，但光子的能量并未损耗，即散射线的波长等于入射线的波长。此时各散射线之间将相互发生干涉，线的波长。此时各散射线之间将相互发生干涉，故成为相干散射相干散射。成为相干散射。相干散射是引起晶体产生衍射线的根源。根源。
X射线光管
获得高强度X射线的方法获得高强度射线的方法——同步辐射射线的方法同步辐射同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同观察到的，便被称为“同步辐射” 步加速器上观察到的，便被称为“同步辐射”。同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱光范围内的连续光谱、步辐射是具有从远红外到光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源，优异性能的脉冲光源，它的强度是X射线管发出的射线强度的100000倍，射线管发出的X射线强度的它的强度是射线管发出的射线强度的倍有些工作要用X射线管进行几十小时甚至几星期射线管进行几十小时甚至几星期，有些工作要用射线管进行几十小时甚至几星期，用同步辐射只需几分钟。用同步辐射只需几分钟。