X射线物理学基础

对x射线的发现和应用有巨大贡献的科学家
• 德国物理学家伦琴（1895年）（发现了未知射线） • 德国物理学家劳厄（1912年）（证明x射线的波动性） • 英国布拉格父子（1912年）（简洁形式描述晶体对x射 线的衍射现象，推动了x射线的应用）
1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一
个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线 圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用 一本厚书，2－3厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插在 放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、
二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是
“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射 线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特
eV h max
hc

0
• 式中
相 对 强 度
e——电子电荷，等于 1.6 1019
V——电子通过两极时的电压降；
库仑；
钨靶的连续X射线谱
h——普朗克常数，等于 6.6251034 j s
eV h max
1034
J.s;
X射线 波长范围0.01～10nm，在电磁波谱上位于紫 外线和γ 射线之间。
无线电波
可见光
可见光 X射线
红外线
紫外线
γ射线
分为软x射线（波长大于0.5nm）和硬x射线（波长小于 0.5nm）。 用于衍射分析的波长0.05～0.25nm。 •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， 可用于非金属的分析。 •X射线波长的度量单位常用埃（Å）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： 1nm=10 Å
似，亦称多色X射线。
• 特性；
相 对 强 度
• 短波限；
• 产生机理； • X射线的强度。
钨靶的连续X射线谱
连续谱特性
（1）每一种管电压下，存在一个短波极限；射线 中含有大于短波极限的各个波长成分。
（2）随着管电压增大，短波极限和强度最大的波
长朝短波方向移动。
相 对 强 度
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.它是由电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，不受其它因素的影响。 • 相互关系为：
计，并利用这台仪器，发现了特征X射线。
X射线已被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工业 等领域。对于促进20世纪的物理学以至整个科学技术 的发展产生了巨大而深远的影响。
X射线衍射分析的特点：
反映出的信息是大量原子散射行为的统计结果，结
果与材料的宏观性能有良好的对应关系。 不足之处：不可能给出材料实际存在的微观成分和 结构的不均匀性的资料。
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。
二、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。
（1）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
伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时无 法确定这一新射线的本质。伦琴发现X射线从而获得诺贝 尔奖。 1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产 生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期 性，发表了《X射线的干涉现象》一文。
劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注，
年轻的小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实
验事实。他以更简洁的方式，清楚地解释了X射线晶体
衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：2dsinθ＝ nλ 。这一结果不仅证明了小布拉格解释的正确性，更 重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信 息。1912年11月，年仅22岁的小布位格以《晶体对短波 长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结 果。老布拉格则于1913年元月设计出第一台X射线分光
2-2 x射线与电磁波谱
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，因此具有波粒二象性。 (1)波动性; (2)粒子性。
•X射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动 h 量p之间存在如下关系： h hc p


•式 中 h—— 普 朗 克 常 数 ， 等 于 6 . 6 2 5 × c——X射线的速度，等于2.998× 108 m/s.
殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。
他一连许多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行 彻底研究。6个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。
1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。 1895年12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递
交了第一篇研究通讯《一种新射线———初步研究》。
第二章 X射线的物理学基础
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程 2-2 x射线与电磁波谱
2-3 x射线的产生及x射线谱（连续谱和标识谱）
2-4 x射线与物质的相互作用 2-5 x射线的探测、防护及应用
画线部分为重点。
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程
X射线的发现是19世纪末20世纪初物理
学的三大发现（X射线1895年、放射线 1896年、电子1897年）之一，这一发 现标志着现代物理学的产生。
右）能量转变成热能使物体温度升高。
（水冷）
（2）产生条件
a.产生自由电子；
b.使电子作定向的高速运动;
c.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 冷却水 电子
玻璃 钨灯丝
接变压器
金 属 靶
X射线 铍窗口 X射线管剖面示意图 金属聚灯罩
（3）X射线管 • 封闭式X射线管实质上就是一个大的
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2-3 x射线的产生及x射线谱
一、X射线的产生 (1)产生原理； (2)产生条件；
(3)X射线管；
二、X射线谱
(1)连续X射线；
(2)标识X射线。
一、x射线的产生 （1）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