无机材料测试技术思考与练习题答案

1、X射线产生的基本条件是什么？X射线的性质有哪些?

答：X射线产生的基本条件：

(1) 产生自由电子

(2) 使电子做定向高速运动

(3) 在其运动的路径上设置一个障碍物，使电子突然减速。

X射线的性质：

X射线肉眼看不见，可使物质发出可见的荧光，使照相底片感光，使气体电离。X射线沿直线传播，经过电场或磁场不发生偏转，具有很强的穿透能力，可被吸收强度衰减，杀伤生物细胞。

2、连续X射线谱及特征X射线谱的产生机理是什么？

答：连续X射线谱的产生机理：

当高速电子流轰击阳极表面时，电子运动突然受到阻止，产生极大的负加速度，一个带有负电荷的电子在受到这样一种加速度时，电子周围的电磁场将发生急剧的变化，必然要产生一个电磁波，该电磁波具有一定的波长。而数量极大的电子流射到阳极靶上时，由于到达靶面上的时间和被减速的情况各不相同，因此产生的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。

特征X射线谱的产生机理：

当X射线管电压加大到某一临界值Vk时，高速运动的电子动能足以将阳极物质原子的K层电子给激发出来。于是低能级上出现空位，原子系统能力升高，处于不稳定的激发状态，随后高能级电子跃迁到K层空位，使原子系统能量降低重新趋于稳定。在这个过程中，原子系统内电子从高能级向低能级的这种跃迁，多余的能量将以光子的形式辐射出特征X射线。

3、以表1.1中的元素为例，说明X射线K系波长随靶材原子序数的变化规律，并加以解释？

答：根据莫赛莱定律，靶材原子序数越大，X射线K系波长越小。

靶材的原子序数越大，对于同一谱系，所需激发电压越高，，X射线K

系波长越小。

4、什么是X射线强度、X射线相对强度、X射线绝对强度？

答：X射线强度是指垂直于X射线传播方向的单位面积上在单位时间内通过的光子数目的能量总和。

5、为什么X射线管的窗口要用Be做，而防护X光时要用Pb板？

答：，Be吸收系数和密度比较小，强度透过的比较大；而Pb吸收系数和密度比较大，强度透过的比较小。因此X射线管的窗口要用Be做，而防护X光时要用Pb板。

6、解释X射线的光电效应、俄歇效应与吸收限，吸收限的应用有哪些？

答：光电效应：X射线与物质作用，具有足够能量的X射线光子激发掉原子K层的电子，外层电子跃迁填补，多余能量辐射出来，被X射线光子激发出来的电子称为光电子，所辐射的X射线称为荧光X射线，这个过程称为光电效应。

俄歇效应：原子在X射线光子的作用下失掉一个K层电子，它所处状态为K激发态，当一个L2层电子填充这个空位后，就会有数值等于E L2-E k 的能量释放出来，当这个能量E L2-E k>E L，它就有可能使L2、L3、M、N 等层的电子逸出，产生相应的电子空位，而这被Kα荧光X射线激发出的电子称为俄歇电子，这个过程称为俄歇效应。

7、说明为什么对于同一材料其λk<λkβ<λkα。

答：导致光电效应的X光子能量=将物质K电子移到原子引力范围以外所需作的功；；

<

又< 故< 所以<<

所以λk<λkβ<λkα

8、一元素的特征射线能否激发出同元素同系的荧光辐射，例如，能否用Cu kα激发出Cu kα荧光辐射，或能否用Cu kβ激发出Cu kα荧光辐射?或能否用Cu kα X射线激发Cu Lα荧光辐射?为什么?

答：根据能量关系，M、K 层之间的能量差大于L、K 成之间的能量差，K、L 层之间的能量差大于M、L 层能量差。由于释放的特征谱线的能量等于壳层间的能量差，所以kβ的能量大于kα的能量，kα 能量大于Lα的能量。

因此在不考虑能量损失的情况下：

（1） Cukα 能激发Cukα 荧光辐射；（能量相同）

（2） Cukβ能激发Cukα 荧光辐射；（kβ> kα）

（3） Cukα能激发CuLα 荧光辐射；（kα>Lα）

9、试计算当管电压为50kV时，X射线管中电子在撞击靶面时的速度与动能，以及对所发射的连续谱的短波限和辐射光子的最大能量是多少?解：已知条件：U=50kv；电子静止质量m0=9.1×10-31kg；光速

c=2.998×108m/s；电子电量e=1.602×10-19C；普朗克常数h=6.626×10-34J·s 电子从阴极飞出到达靶获得的总动能E=eU=1.602×10-19C×50kv=8.01×10-18kJ

由于E=m0v02/2，所以电子与靶碰撞时的速度为v0=(2E/m0)1/2=4.2×106m/s 连续谱的短波限λ0的大小仅取决于加速电压λ0(Å)＝12400/v(伏) ＝0.248Å

辐射出来的光子的最大动能为E0＝hʋ0＝hc/λ0＝1.99×10-15J

10、计算0.071nm(MoKα)和0.154nm(CuKα)的X射线的振动频率和能量。解：对于某物质X射线的振动频率；能量W=h

其中：C为X射线的速度 2.99810m/s;

为物质的波长；h为普朗克常量为6.625J

对于Mo =

W=h==

对于Cu =

W=h==

11、欲用Mo靶X射线管激发Cu的荧光X射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？

解：eV k=hc/λ

V k=6.626×10-34×2.998×108/(1.602×10-19×0.71×10-10)=17.46(kv)

λ0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm)

其中 h为普郎克常数，其值等于6.626×10-34

e为电子电荷，等于1.602×10-19c

故需加的最低管电压应≥17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。

12、为使CuKα的强度衰减1/2，需要多厚的Ni滤波片？

解：由得t=0.00158cm

13、试计算将Cu辐射中的IKα/IKβ从7.5提高到600的Ni滤片厚度（Ni对CuKβ的质量吸收系数µm=350cm2/g）。

解：

又则 t=7.68×10-4

14、计算空气对CrKα的质量吸收系数和线吸收系数（假设空气中只有质量分数80％的氮和质量分数20％的氧，空气的密度为1.29×10-3g／cm3）。

解：μm=0.8×27.7＋0.2×40.1=22.16+8.02=30.18（cm2/g）

μ=μm×ρ=30.18×1.29×10-3=3.89×10-2 cm-1

15、X射线实验室中用于防护的铅屏，其厚度通常至少为lmm，试计算这种铅屏对于CuKα、MoKα和60KV工作条件下从管中发射的最短波长辐射的透射因数各为多少？

解：透射因数I/I0=e-μmρt，ρPb=11.34g

cm-3，t=0.1cm

对CuKα，查表得μm=585cm2

g-1，

其透射因数I/I0=e-μmρt=e-585×11.34×0.1=7.82×e-289=

对MoKα，查表得μm=141cm2