第2章_X射线的物理基础

（4） 高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都 作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或 紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限 ，大功率需要用旋转阳极 （5） 焦点——阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射 线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是X 射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状， 螺形灯丝产生长方形焦点 X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提 高分辨率；高强度则可缩短暴光时间
旋转阳极
上述常用X射线管的功率为 500～3000W。目前还有旋 转阳极X射线管、细聚焦X 射线管和闪光X射线管。 因阳极不断旋转，电子束 轰击部位不断改变，故提 高功率也不会烧熔靶面。 目前有100kW的旋转阳极， 其功率比普通X射线管大数 十倍。
旋转阳极
加速器中可以引出X射线
加速器中可以引出X射线
特征X射线的产生机理
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。 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， 即 h K WK WL h K h L
特征谱
当管电压超过一定值 （激发电压Vk） 只取决于阳极靶材料
特征X射线的产生
特征X射线——线性光谱，由若干分离且具有特定波长的谱线组成
强度大大超过连续谱线的强度，可迭加于连续线谱之上
结构分析时采用的就是K系X射线 （波长最短）
特征X射线的产生机理
特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。 原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字 母代表它们的名称。 但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。 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层， 称L激发，其余各层依此类推。 产生K激发的能量为WK＝hυK，阴极电子的能量必须满足 eV≥WK＝hυK，才能产生K激发。其临界值为eVK＝WK ，VK 称之临界激发电压。
小结
相干散射 因为是相干波所以可以干涉加强. 只有相干散射才能产生衍射,所以相 干散射是X射线衍射基础
不相干散射
因为不相干散射不能干涉加强产生 衍射,所以不相干散射只是衍射的背 底
1.3.3 二次特征辐射与光电效应
物质对X射线的吸收，是指X射线通过物质时光子 的能量变成了其他形式时能量。 有时将X射线通过物质时造成的能量损失称为真吸 收。 X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使 入射X射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光X 射线的能量，使X射线强度被衰减，是物质对X射 线的真吸收过程。
Bragg W L 1890-1971
与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
年 份 学 科 1901 物理 1914 物理 1915 1917 1924 1937 1954 1962 1962 1964 1985 1986 1994 得奖者 伦琴Wilhelm Conral Rontgen 劳埃Max von Laue 亨利.布拉格Henry Bragg 物理 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg. 物理 巴克拉Charles Glover Barkla 物理 卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn 戴维森Clinton Joseph Davisson 物理 汤姆孙George Paget Thomson 化学 鲍林Linus Carl Panling 肯德鲁John Charles Kendrew 化学 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、 生理医学 Maurice h.f.Wilkins 化学 Dorothy Crowfoot Hodgkin 霍普特曼Herbert Hauptman 化学 卡尔Jerome Karle 鲁斯卡E.Ruska 物理 宾尼希G.Binnig 罗雷尔H.Rohrer 布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 物理 沙尔 C.G.Shull 内 容 X射线的发现 晶体的X射线衍射 晶体结构的X射线分析 元素的特征X射线 X射线光谱学 电子衍射 化学键的本质 蛋白质的结构测定 脱氧核糖核酸DNA测定 青霉素、B12生物晶体测定 直接法解析结构 电子显微镜 扫描隧道显微镜 中子谱学 中子衍射
小结
类型
成因
谱图特征
应用
高速运动的粒 (软X射线 子能量转换成 ) 电磁波 连续谱 高能级电子回 (硬X射线 跳到低能级多 ) 余能量转换成 电磁波 特征谱
强度随波长 生物、医学 连续变化
仅在特定波 长处有特别 强的强度峰
衍射分析
2.4 X射线与物质的相互作用
X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。 一束X射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果 ，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。
X射线产生
原子序数越大，X射线波长越短， 能量越大，穿透能力越强。
（1） 阴极——发射电子。一般由钨丝制成，通电 加热后释放出热辐射电子。 （2） 阳极——靶，使电子突然减速并发出X射线。 （3） 窗口——X射线出射通道。既能让X射线出射 ，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂 构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成 3-6°的斜 角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。
焦斑——阳极靶面被电子束轰击的区域
X射线从焦斑区域出发 焦斑的形状对X射线衍射图的形状、清晰度、分辨率有较大影响
较小的焦斑 & 较强的强度
在与靶面成 出射角为 3°~6° 处接受X射线
在与焦斑短边垂直处，可得到正方形焦点，即电光源 在与焦斑长边垂直处，可得到细线型焦点，即线光源
X射线谱
式中VK以V为单位。与公式1-3形式上非常相似，但物理意义完全不同。 前者说明连续谱的短波限λ0随管电压的增高而减小，而后者说明每种 物质的K激发限波长都有它自己特定的值。 从X射线激发光电效应的角度，称λK为激发限；然而，从X射线被物质 吸收的角度，则称λK为吸收限。
2.4.1 X射线的经典散射
X射线是一种电磁波，当他通过物质时，在 入射电场的作用下，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， 称之为经典散射。 由于散射波与入射波的频率相同，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。
量子力学概念，当能量为eV的电子与靶的原子整体碰撞时 ，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出 去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子，即“韧致辐 射”。 大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多 次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成 连续谱。 极限情况下，能量为ev的电子在碰撞中一下子把能量全部 转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短波长，即 短波限λ0 。都有一个最短波长，称之短波限λ0 ，强度的 最大值在λ0的1.5倍处。 eV = hvmax = hc/λ0 λ0 = 1.24/V （nm）
2.2.2 X射线的性质
2.2.2 X射线的性质
能透过可见光不能透过的物体； X射线沿直线传播，在电场与磁场中不偏转， 通过物体时不发生反射、折射现象， 通过普通光栅亦不引起衍射；
肉眼观察不到，但可使照相底片感光 / 荧光板发光 / 气体电离；
能够杀死生物细胞组织，对生物有很厉害的生理作用。
X射线衍射的物理基础
2.1 X射线发展史 X射线的产生
1895年德国物理学家伦琴 发现X射线 带来了实验水平的革命 为物质结构研究打开了一扇大门
Roห้องสมุดไป่ตู้tgen W C 1845-1923
2.1 X射线发展史
1909年德国物理学家劳埃 第一次用X-射线实验证实了 晶体结构的重复周期性
1.3.2 不相干散射
• 入射X射线遇到约束松的电 子时，将电子撞至一方，成 l l' l 0.0243 1 cos 为反冲电子。入射线的能量 对电子作功而消耗一部份后， 剩余部份以X射线向外辐射。 散射X射线的波长（λ‘）比 入射x射线的波长（λ）长， 其差值与角度α之间存在如 右关系： • 不相干散射在衍射图相上成 为连续的背底，其强度随 （sinθ/λ）的增加而增大， 在底片中心处（λ射线与底 片相交处）强度最小，α越 大，强度越大。
当X射线通过物质时，物质原子 X射线经束缚力不大的 的电子在电磁场的作用下将产生 电子（如轻原子中的电 受迫振动，其振动频率与入射X 子）或自由电子散射后 射线的频率相同。 ，可以得到波长比入射 X射线长的X射线，且波 任何带电粒子作受迫振动时将产 长随散射方向不同而改 生交变电磁场，从而向四周辐射 变。这种散射现象称为 电磁波，其频率与带电粒子的振 康普顿散射或康普顿一 动频率相同。 吴有训散射,也称之为 由于散射线与入射线的波长和频 不相干散射，是因散射 率一致，位相固定，在相同方向 线分布于各个方向，波 上各散射波符合相干条件，故称 长各不相等，不能产生 为相干散射。相干散射是X射线 干涉现象。 在晶体中产生衍射现象的基础。
2.3.2 特征X射线谱
当管电压超过某临界值时，特征谱 才会出现，该临界电压称激发电压 。当管电压增加时，连续谱和特征 谱强度都增加，而特征谱对应的波 长保持不变。 钼靶X射线管当管电压等于或高于 20KV时，则除连续X射线谱外，位于 一定波长处还叠加有少数强谱线， 它们即特征X射线谱。 钼靶X射线管在35KV电压下的谱线， 其特征x射线分别位于0.63Å和 0.71Å处，后者的强度约为前者强度 的五倍。这两条谱线称钼的K系
X射线的产生
高速运动的电子流或其他高能射流（如γ射线，X射线， 中子流等） 被突然减速 产生X射线
1 电子流 产生条件
2 高压 3 靶面
2.2.1 X射线的产生
实验室所用X射线通常由X射线机产生 X射线机包括： X射线管 高压变压器 电压 电流调节稳定系统
辅助设备： 冷却系统、 安全防护 系统、检 测系统， 等
对连续X射线谱的经典解释
根据经典物理学的理论，一个带负电荷的 电子作加速运动时，电子周围的电磁场将 发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁 波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量 的电子射到阳极上的时间和条件不可能相 同，因而得到的电磁波将具有连续的各种 波长，形成连续X射线谱。
对连续X射线谱的量子力学解释
2.3.1 X射线连续谱
X射线管发出的X射线束并不是单一波长的辐射 X射线谱——X射线随波长而变化的关系
叠加
管电压 X射线连续谱的强度 最大强度对应波长 最短波长界限
强度随波长连续变化的连续谱 波长一定、强度很大的特征谱
增加X射线管压时，各种波长射线的相对强 度一致增高，最大强度X射线的波长lm和短 波限l0变小； 当管压保持恒定、增加管流时，各种波长X 射线的相对强度一致增高，但lm和l0数值 不变； 当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强 度随靶元素的原子序数增加而增加。
晶体结构的研究从理论推导进入实 际测量
X-射线为研究物质结构提供了空前 威力的武器 Laue M V 1827-1960
2.1 X射线发展史
法国学者布拉格父子 测定了NaCl晶体结构
Bragg W H 1862-1942
这是人类测试的第一个晶体结构。 自此之后，大量的晶体结构被陆续测出， 从而开拓了晶体结构研究的新领域。
光电效应 ---光电子和荧光X射线
光电效应1
激发K系光电效应时，入射光子的能量必须等于或大于将K电子从K层移 至无穷远时所作的功WK 。
h k
hc
lk
hc lk
Wk
将激发限波长λK和激发电压VK联系起来，即
eVk k
hc 1.24 4 lk 10 eVk Vk