第2章 X射线物理学基础

标识X射线的特征
当电压达到临界电压时，标识谱线的 波长不再变，强度随电压增加。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0.71A和0.63A.
产生机理
标识X射线谱的产生相理与阳极物质的原子内 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。
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。
产生机理； 演示过程；
短波限；
X射线的强度。
产生机理
能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时， 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。单 位时间内到达阳极靶面的电子数目是极 大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞， 产生能量各不相同的辐射，因此出现连 续X射线谱。
演示过程（ 回车键演示）
Wk
K态（击走K电子）
Wl
原
子 的
Wm
能 Wn 量
0 电子冲击阳级靶
L态（击走L电子）
M态（击走M电子）
N态（击走N电子） 击走价电子 中性原子
X射线射出
连续X射线产生过程
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.它是由光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
X射线的安全防护
X射线设备的操作人员可能遭受电震和辐射损 伤两种危险。
电震的危险在高压仪器的周围是经常地存在的， X射线的阴极端为危险的源泉。在安装时可以 把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等 方法加以保证。
辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。 可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、 毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生 育等。安全措施有：严格遵守安全条例、配带 笔状剂量仪、避免身体直接暴露在X射线下、 定期进行身体检查和验血。
非相干散射
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。
非相干散射是康普顿（A.H.Compton）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。
冷却水
电子
金 属 靶
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
X射线管
1.X射线管的结构；图1-2； 2.特殊构造的X射线管； 3.市场上供应的种类。
X射线管的结构
封闭式X射线管实质上就是一个大的真空
（105 ~ 107 mmHg）二极管。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。
衰减的程度与所经过物质中的距离成正
比。式 I x I xdx dIx dx
Ix
Ix
I H I0e / H I0emH
质量衰减系数μm
表示单位重量物质对X射线强度的衰减 程度。
质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如
下近似关系：m K3Z 3
K为常数
μm随λ的变化是不连续的其间被尖锐的 突变分开。突变对应的波长为K吸收限。
俄歇效应
原子在入射X射线光子或电子的作用下 失掉K层电子，处于K激发态；当L层电 子填充空位时，放出E-E能量，产生两种 效应： (1) 荧光X射线； (2) 产生二次电离，使另一个核外电子成 为二次电子——俄歇电子。
X射线的衰减规律
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。
吸收限的应用
吸收限主要是由光电效应引起的：当X 射线的波长等于或小于λ时光子的能量E 到击出一个K层电子的功W，X射线被吸 收，激发光电效应。使μm突变性增大。 吸收限与原子能级的精细结构对应。如L 系有三个副层，有三个吸收限。
滤波片的选择: (1)它的吸收限位于辐射 源的Kα和K β之间，且尽量靠近K α 。强 烈吸收Kβ，K吸收很小；(2)滤波片的以 将Kα强度降低一半最佳。 Z靶<40时 Z 滤片=Z靶-1； Z靶>40时 Z滤片=Z靶-2；
X射线的散射 ； X射线的吸收 ； X射线的衰减规律； 吸收限的应用； X射线的折射； 总结 。
Βιβλιοθήκη Baidu X射线的散射
X射线被物质散射时，产生两种 现象： 相干散射； 非相干散射。
相干散射
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。
实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶 的原子序数存在如下关系：I连 K1iZV m 且X 射线管的效率为:
X射线管效率
X射线功率 电子流功率
K1ZV 2 iV
K1ZV
标识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.过程演示 ; 4.K系激发机理 ; 5.莫塞莱定律； 6.标识X射线的强度 特征。
粒子性
特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一 定的质量、能量和动量。
表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如 光电效应；二次电子等。
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 ×1034J.s;
因素的影响。
相互关系为：
eV
h max
hc
0
式中e——电子电荷，等于4.8031010静电单位； V——电子通过两极时的电压降（静电单位）； h——普朗克常数，等于 6.625 1034 j s
相关习题：
相关习题
试计算用50千伏操作时，X射线管中的 电子在撞击靶时的速度和动能，所发 射的X射线短波限为多少？
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。
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。且存在如下关系： 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 CZ
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
K系激发机理
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。
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。
产生条件
1.产生自由电子； 2.使电子作定向的高速运动; 3.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。
过程演示（回车键演示） X射线
波动性
X射线的波长范围： 0.01~100 Å
表现形式：在晶体作衍射光栅 观察到的X射线的衍射现象， 即证明了X射线的波动性。
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。
软X射线：波
长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，
可用于分析非金属的分析。
X射线波长的度量单位常用埃（Å）或晶 体学单位（kX）表示；通用的国际计量 单位中用纳米（nm）表示，它们之间的 换 算 关 系 为 ： 1 nm=10 Å =109 m 1kX=1.0020772±0.000053A (1973年值)。
c——X射线的速度，等于2.998×1010 cm/s.
相关习题：
1 . 试 计 算 波 长 0 . 7 1 A（Mo-Kα） 和 1.54A（Cu- Kα）的X射线束，其频率 和每个量子的能量？
解答
2-2 X射线的产生
(1)产生原理； (2)产生条件； (3)过程演示； (4) X射线管； (5)其它X射线装置。
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。
光电效应； 俄歇效应。
光电效应
以X光子激发原子所发生的激发和辐射 过程。被击出的电子称为光电子，辐射 出的次级标识X射线称为荧光X射线。 产生光电效应，X射线光子波长必须小 于吸收限λk。
(3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射 出的地方。
(4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰 击的地方，正是从这块面积上发射出X射 线。
特殊构造的X射线管；
(1)细聚焦X射线管； (2)旋转阳极X射线管。
市场上供应的种类
(1)密封式灯丝X射线管； (2)可拆式灯丝X射线管.
2-3 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； (2)标识X射线。
的关系为：I标 K 2iV Vk n
当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压 的3~5倍时，连续谱造成的衍射背影最小。
2-4 X射线与物质相互作用
X射线与物质相互作 用时，产生各种不同 的和复杂的过程。就 其能量转换而言，一 束X射线通过物质时， 可分为三部分：一部 分被散射，一部分被 吸收，一部分透过物 质继续沿原来的方向 传播。
相干的
非相干 的 反冲电子 俄歇电子 光电子
荧光X射线
康普顿效应 俄歇效应 光电效应
透射X射线衰减后的强度I0
热能
2-5 X射线的探测与防护
（1)X射线的探测； （2）X射线的安全防护。
X射线的探测
荧光屏法； 照相法； 辐射探测器法：X射线光子对气体和某 些固态物质的电离作用可以用来检查X射 线的存在与否和测量它和强度。按照这 种原理制成的探测X射线的仪器电离室和 各种计数器。工作原理在第7章介绍。
X射线的强度
X射线的强度是指行垂直X射线传播方向 的单位面积上在单位时间内所通过的光 子数目的能量总和。 常用的单位是 J/cm2.s. X射线的强度I是由光子能量hv和它的数 目n两个因素决定的,即I=nhv.连续X射线 强度最大值在1.5λ0,而不在λ0处。
连续X射线谱中每条曲线下的面积表示 连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出 的X射线的总能量。图1-7
第二章 X射线的物理学基础
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2-1 X射线的本质； 2-2 X射线的产生； 2-3 X射线谱； 2-4 X射线与物质相互作用； 2-5 X射线的探测与防护；
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2-1 X射线的本质
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 具有波粒二像 性。
(1)波动性; (2)粒子性。 相关习题：
阳极靶的选择:（1）阳极靶K波长稍大于 试样的K吸收限；（2）试样对X射线的 吸收最小。 Z靶≤Z试样+1。
X射线的折射
X射线从一种介质进入另一种介
质产生折射，折射率M非常接近
1,M约为0.99999~0.999999 。
M
1
ne22 2mc 2
1
ne22 2mc 2
X射线与物质相互作用的总结
散射X射线 电子