X射线物理学基础

K 2 Z
01—X射线物理学基础 MgKβ光子 X射线的强度（相对单位） Kα
MgKα光子
Kβ 入射电子
Mg
35kV 25 20
K L
二次电子 （自由电子）
M
0.08 0.1
0.02
0.04
0.06
λ /nm
特征X射线的产生
由于在K激发态下，L层电子向K层跃迁的几率远大于M层跃 迁的几率，所以Kα谱线的强度约为Kβ的五倍。
1.896
1.743 1.608 1.488 0.689
敦 德 励 学
知 行 相 长
01—X射线物理学基础 元素的吸收谱还可作为选择 X 射线管靶材的重要依据。在进行衍射分
析时，总希望X射线尽可能少的被试样吸收，从而获得高的衍射强度和低的
背底。这就应使靶的Kα谱位于试样元素K 吸收限的右近邻或左面远离吸收 限的低μm处。
X射线的发现像一声春雷，唤醒了沉睡的物理学界。由此而引发了一系 列重大的发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现 代物理学的序幕。
敦 德 励 学
知 行 相 长
01—X射线物理学基础
1905年，德国基尔大学 的勒纳德。阴极射线。
1914年，德国法兰克福大学 的劳厄，晶体的X射线衍射。
01—X射线物理学基础
μm
LІ LⅢ K LⅡ λ
μm随入射波长的变化（Z一定）
光电效应消耗大量入射能量，表现 为吸收系数突增，对应的入射波长即为 吸收限。光电效应所造成的入射能量消 耗就是真吸收。 由入射 X 射线所激发出来的荧光 X 射线和俄歇电子都是被照物质化学成分 的信号。
入射光量子
荧光X-ray
吴有训(1897～1977)
1977年11月30日在北京逝世。
康普顿之父曾任伍斯特学院哲学救授兼院长。大哥卡尔是普林斯顿大 学物理系主任，后来成为麻省理工学院院长。 1916年取得哲学博士学位。1919至1920年间，到英国剑桥卡文迪许实 验室工作，跟随卢瑟福、J.J.汤姆逊进行研究。1920年起任圣路易斯华盛 顿大学物理系主任，1923年起任芝加哥大学物理系教授，1945年返回华盛 顿大学任校长，1953年起改任自然科学史教授，直到1961年退休。 因康普顿效应与英国A.T.R威尔逊分享1927年度诺贝尔物理学奖，年 仅35岁。同年被选为美国国立科学院院士。
eU c h SWL
SWL
hc 6.6261034 J s 2.998108 m s 1 12.4 107 m 19 eU 1.60210 C U U
知 行 相 长
敦 德 励 学
特征X射线谱 当管电压增高到 Uk 时，在 连续谱上，会出现一系列强度很 高、波长范围很窄的线状光谱，
知 行 相 长
01Leabharlann BaiduX射线物理学基础 I0
X射线通过深度为x 处的dx 厚度物
x dx 质，其强度的衰减dIx 与dx 成正比。 t
I
X射线通过物质后的衰减
dI x l dx Ix
线吸收系数
I
t
X射线强度随透入深度的 指数衰减关系
I l t l t e 即： I I 0e I0
μm的物理意义：μm指X射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对 衰减量，是反映物质本身对X射线吸收特性的物理量。 μm取决于吸收物质的原子序数Z和X射线的波长λ 。
m K 4 Z
3
敦 德 励 学 知 行 相 长
3
可见，物质的原子序数越大，对X 射线的吸收能力最强；对一定的吸 收体，X射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸收系数的下降。
敦 德 励 学 知 行 相 长
01—X射线物理学基础 在多晶材料的衍射分析中总是希望应用以特征谱为主的单色光源，即有 尽可能高的I特/I连。对K系谱线，当U/Uk＝4时I特/I连获最大值。所以X射线管适 宜的工作电压U≈（3～5）Uk。
阳极靶 元素
Cr Fe Co Ni
原子 序数
24 26 27 28
单色X射线的目的。
序号 1 2 靶材元素 Mo Cu Z 42 29 λ（Kα）10-1mm 0.710 1.542 λ（Kβ）10-1mm 0.632 1.392
3
Fe
序号 1
26
滤波材料 V Z
1.937
λK/10-1mm 2.269
1.757
23
2
3
4 5 6
Mn
Fe Co Ni Zr
25
26 27 28 40
K系特征谱波长（0.1nm） Kα 2.29100 1.937355 1.790260 1.659189 Kβ 2.08487 1.75661 1.62079 1.500135
UK（kV）U适宜（kV）
5.43 6.4 6.93 7.47 20～25 25～30 30 30～35
Cu
Mo
29
42
1.541838
敦 德 励 学
知 行 相 长
01—X射线物理学基础
X射线的产生及其与物质的相互作用
F(滤波片)
μm
I
热
+
I0
U
-
e
λSWL
～ λ∞
λ0
t
透射X射线I=I0e-μmρt,λ=λ0
λ= λ 0
散射X射线 λ'>λ0 反冲电子 俄歇电子 光电子
相干散射
不相干散射
电子
光电效应 俄歇效应
荧光X射线λKα>λ0
40
74－W 47－Ag 42－Mo 29－Cu 24－Cr 13－Al
30
2
30
20
1
10
20 10 0.1 0.15
0
λSWL0.05
λSWLλm
λSWL λm
a）管电压的影响
b）管电流的影响
c）阳极靶原子序的影响
敦 德 励 学
知 行 相 长
01—X射线物理学基础
U、i、Z三个因素决定了连续谱的总强度，即
λm
3 2 1
0
0.05
0.1
0.15
λ（nm）
敦 德 励 学
知 行 相 长
01—X射线物理学基础
连续X 射线谱受管电压U、管电流i和阳极靶材的原子序数Z 三个因素作用。
5 X射线的强度（相对单位） 50kV 50mA 92－U 78－Pt X射线的强度（相对单位）
4
40 3
X射线的强度（相对单位）
XI’AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY
敦 知材料研究方法 德 行 励 第一章 X射线的物理特性 相 学 长
敦德励行 知行相长
01—X射线物理学基础
1895年，德国物理学家伦琴（Rontgen W.C） 在研究阴极射线时发现了 X射线。1901年，首届诺 贝尔物理学奖授予伦琴， 以表彰他发现了对物理 学界有重大影响意义的X射线。 X射线、放射性和 电子被称为世纪之交的三大发现。
01—X射线物理学基础 Kα
Kβ
它们的波长对一定材料的阳极靶
有严格恒定的数值，此波长可作 为阳极靶材的标志或特征，故称 为特征谱或标识谱。
λ/nm
特征谱的波长不受管电压、管电流的影响，只决定于阳极 靶材元素的原子序。莫塞莱定律表明：阳极靶材的原子序数越 大，相应于同一系的特征谱波长越短。 1
敦 德 励 学 知 行 相 长
400
μ /ρ (cm2·g-1)
300
K 吸收限 试样的吸收谱
200
100
0
λKα
0.1
λ/nm
λKα
0.2
光源的波长与试样吸收谱的关系 敦 德 励 学 知 行 相 长
01—X射线物理学基础
相干散射——入射X射线光量子与原子内电子相遇，其能量不足以使原
子电离，但电子可在X-ray作用下发生受迫振动，成为一个电磁波的发射
U
X射线
i
mA
高压U；
阴极产生的大量热电子
将在高压电场作用下飞向 阳极；
kV
热电子e轰击阳极的瞬间
220V
产生X射线。
敦 德 励 学
知 行 相 长
01—X射线物理学基础
连续X射线谱 ——X射线的波长从最小值λSWL（短波限）向长波 方向伸展，强度随波长连续变化，且在λm处有一最大值。
λSWL
4
X射线的强度（相对单位）
自由电子
二次X-ray
光量子
自由电子
E
俄歇电子
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01—X射线物理学基础 利用吸收限两侧吸收系数 差很大的现象可制成滤波片。 单色光源。 选择滤波片时应使其吸收 限满足：
相对强度
18 16
用来吸收不需要的辐射而得到
MoKβ
14 12
37.2
MoKα
8 6 4 2
未滤波的 Mo辐射曲线
0.710730
1.392218
0.632288
8.04
17.44
35～40
50～55
敦 德 励 学
知 行 相 长
01—X射线物理学基础 当X射线与物质相遇时，会产生一系列效应，这是X射线应用的基础。 使气体电离
X-ray
使荧光物质发光
强的穿透能力
入射到某物质的X射线分为穿透和吸收两部分。
敦 德 励 学
康普顿(Arthur Holly Compton 1892-1962)
敦 德 励 学
知 行 相 长
01—X射线物理学基础
1784年左右研究了空气由O2和N2组成； 确定了水的成分，肯定了它不是元素而是化合物。 发现硝酸，被称为“化学中的牛顿” ； 1781年制得H2，并证明燃烧之后生成水； 首先提出电势的概念，对静电理论的发展起了重要作用； 发现一对电荷间的作用力和它们之间的距离平方成反比， 即后来库伦定律的一部分； 指出导体两端的电势与通过它的电流成正比，即1827年的 欧姆定律； 提出每个带电体的周围有“电气”，与电场理论很接近；
1915年，英国的亨利· 布拉格和劳伦 斯· 布拉格，X射线分析晶体结构。
1917 年，英国巴克 拉，发现了标识X 射线。
1937 年 ， 美 国 戴 维 森 和 英 国 1921 年，爱因斯坦， 1924年，瑞典卡尔· 西 G.P.汤姆孙，用晶体对电子进 光电效应。 格班， X 射线光 谱学 。 行衍射。
敦 德 励 学
知 行 相 长
中国近代物理学奠基人，生于江西。 1926年获博士学位。
01—X射线物理学基础
1921年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究。 1928年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长。
1945年10月任中央大学校长。
1950年夏任中国科学院近代物理研究所所长，同年12月起 任中国科学院副院长。
吸收限
K 光 源 K 滤 波 片 K 光 源
滤波后：
吸收曲线(Zr)
IK I K
敦 德 励 学
1 600
知 行 相 长
0
0.05
0.1
滤波后的Mo辐射曲线 λ/nm
滤波片原理示意图
相对吸收
10
01—X射线物理学基础 为几种不同的靶材产生的X射线配备合适的滤波片，从而达到获得
I连


SWL
I( ) d Κ 1iΖ U 2

I连 iU K 1 ZU
产生连续谱时，X射线管的效率
可见，管电压越高，阳极靶材的原子序越大，X射线管的效率越高。
连续谱是如何形成的？为什么存在短波限？
一个光量子所可能获得的最大能量为
hmax eU
max
此光量子的波长即为短波限λSWL
源，向周围辐射与入射X射线波长相同的辐射，各电子所散射的射线波长
相同，有可能相互干涉。
相干散射波虽然只占
入射能量的极小部分，但 由于它的相干特性而成为 Mg
X射线衍射分析的基础。
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知 行 相 长
01—X射线物理学基础
λ
hυ
反冲电子 Mg 光量子与核外电子或 自由电子碰撞，将部分能 量给予电子，使其成为反 冲电子。光量子损失能量， 并改变运动方向。 康普敦－吴有训效应
敦 德 励 学
知 行 相 长
01—X射线物理学基础
劳埃在 1912 年进行的晶体衍射实验 结果证明： X 射线是一种波长很短的电 磁波，也揭示了物质内部原子规则排列 的特性。
敦 德 励 学 知 行 相 长
01—X射线物理学基础
在电磁波谱上， X 射 线处于紫外线和γ射线之间， 波长约为 0.01 ～ 10nm ，用
透射系数
敦 德 励 学
知 行 相 长
线吸收系数μl表明物质对X射线的吸收特性。
01—X射线物理学基础
l dI x I x 1 dx
可知，μl是X射线通过单位厚度（单位体积）物质的相对衰减量。 质量吸收系数μm
m l /
I I 0e
m t
I 0e
m m
m K 4 Z
3
01—X射线物理学基础
3
μm
μm
LІ
LⅢ
LⅡ
K
λ 理想μm随入射波长的变化 （Z一定）
λ 实际μm随入射波长的变化 （Z一定）
每种物质都有本身确定的一系列吸收限，这种带有特征吸收限的吸收
系数曲线称为该物质的吸收谱。吸收限的存在暴露了吸收的本质。
敦 德 励 学
知 行 相 长
于衍射分析的 X 射线波长
一般为0.05～0.25nm。X射
线具有波粒二相性，而粒
子性表现突出，可视为具 有一定能量的光量子流。
敦 德 励 学 知 行 相 长
01—X射线物理学基础 阳极靶材 X射线 阴极灯丝 A e C
板状阳极A和阴极C密封 在玻璃－金属管壳内； 阴极通电加热； 在阳极和阴极间加直流