第二章X射线物理学基础

1、前一章内容回顾前一章内容回顾 空间点阵空间点阵 晶（向）面指数晶（向）面指数 倒易点阵定义和倒易矢量的基本性质倒易点阵定义和倒易矢量的基本性质 晶带定律晶带定律 1 1d(uvw) 1dr)( * * lwkvhu ruvw hklhkl ， ， 2-1 x2-1 x射线的发现及射线的发现及x x射线学发展过程射线学发展过程 2-2 x2-2 x射线与电磁波谱射线与电磁波谱 2-3 x2-3 x射线的产生及射线的产生及 2-4 x2-4 x射线与物质的射线与物质的 2-5 x2-5 x射线的探测、防护及射线的探测、防护及应用应用 画线部分为重点。画线部分为重点。 第二章第二章 X X射线的物理

2、学基础射线的物理学基础 2-1 x2-1 x射线的发现及射线的发现及x x射线学发展过程射线学发展过程 X X射线的发现是射线的发现是1919世纪末世纪末2020世纪初物理世纪初物理 学的三大发现（学的三大发现（X X射线射线18951895年、放射线年、放射线 18961896年、电子年、电子18971897年）之一，这一发年）之一，这一发 现标志着现代物理学的产生。现标志着现代物理学的产生。 对对x x射线的发现和应用有巨大贡献的科学家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（德国物理学家伦琴（18951895年年）（发现了未知射线）（发现了未知射线） 德国物理学家劳厄（德国物

3、理学家劳厄（19121912年年）（证明）（证明x x射线的波动性）射线的波动性） 英国布拉格父子（英国布拉格父子（19121912年年）（简洁形式描述晶体对）（简洁形式描述晶体对x x射射 线的衍射现象，推动了线的衍射现象，推动了x x射线的应用）射线的应用） 18941894年年1111月月8 8日，德国物理学家伦琴日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一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，一块涂有圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用 一本厚书，23厘米厚的木板

4、木板或几厘米厚的硬橡胶硬橡胶插在 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实验结果表明它们也是 “透明的透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射 线透过，只要它们不太厚。线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特伦琴意识到这可能是某种特 殊的从来没有观察到的射线，殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力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。彻底研究。6 6个星期后，伦琴确认这的确是一种新的

5、射线。个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。 18951895年年1212月月2222日，伦琴和他夫人拍下了第一张日，伦琴和他夫人拍下了第一张X X射线照片。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。 伦琴在他的通讯中把这一新射线称为伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X X射线，因为他当时无射线，因为他当时无 法确定这一新射线的本质。法确定这一新射线的本质。伦琴发现伦琴发现X射线从而获得诺贝射线从而获得诺贝 尔奖。尔奖。 19121912年德国物理学家劳厄发现了年德国物理学家劳厄发现了X X射线通过晶体时产生射线通过晶体时产生

6、 衍射现象，证明了衍射现象，证明了X X射线的波动性和晶体内部结构的周期性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。他验事实。他 。 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。老布拉格则于老布拉格则于19131913年元月设计出第一台年元月设计出第一台X X射线分光射线分光 计，计，并利用这台仪器，发现了 X X射线已被广泛应用于晶体结构的

7、分析以及医学和工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。对于促进业等领域。对于促进2020世纪的物理学以至整个科学技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。术的发展产生了巨大而深远的影响。 X X射线衍射分析的特点：射线衍射分析的特点： 反映出的反映出的信息是信息是， 与材料的与材料的有良好的对应关系。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。结构的不均匀性的资料。 2-2 x2-2 x射线与电磁波谱射线与电磁波谱 X X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅射线的

8、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。是波长短而已，因此具有波粒二象性。 (1)(1)波动性波动性; ; (2)(2)粒子性。粒子性。 X X射线的频率射线的频率、波长波长以及其光子的能量以及其光子的能量、动动 量量p p之间存在如下关系：之间存在如下关系： 式中式中h h普朗克常数，等于普朗克常数，等于6.6256.625 J.s; J.s; c cX X射线的速度，等于射线的速度，等于2.9982.998 m/sm/s. . 在电磁波谱上位于紫在电磁波谱上位于紫 外线和外线和 射线之间。射线之间。 hc h h p 34 10 8 10 无线电波无线电波

9、红外线红外线 可见光可见光 紫外线紫外线 可见光可见光X X射线射线 射线射线 分为软分为软x x射线（波长大于射线（波长大于0.50.5nmnm）和硬和硬x x射线（波长小于射线（波长小于 0.50.5nmnm）。）。 用于衍射分析的波长用于衍射分析的波长0.050.050.250.25nmnm。 硬硬X X射线：波长较短的硬射线：波长较短的硬X X射线能量较高，穿透性较强，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。适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。 软软X X射线：波长较长的软射线：波长较长的软X X射线能量较低，穿透性弱，射线能量较低，穿透性弱， 可用于非

10、金属的分析。可用于非金属的分析。 X X射线波长的度量单位常用埃（射线波长的度量单位常用埃（ ）表示；通用的国际表示；通用的国际 计量单位中用纳米（计量单位中用纳米（nmnm）表示，它们之间的换算关系表示，它们之间的换算关系 为：为： 1 1nm=10 nm=10 2-3 x2-3 x射线的产生及射线的产生及x x射线射线谱谱 一、一、X X射线的产生射线的产生 (1)(1) ( (3)3)X X射线管；射线管； 二、二、X X射线谱射线谱 (1)连续连续X X射线射线； (2)。 一、一、x射线的产生射线的产生 高速运动的电子与物体碰撞时高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，发生能量转换

11、， 电子的运动受阻失去动能，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（其中一小部分（1 1 左右）能量转变为左右）能量转变为X X射线，而绝大部分（射线，而绝大部分（9999左左 右）能量转变成热能使物体温度升高右）能量转变成热能使物体温度升高。 （水冷）（水冷） （1 1）产生原理）产生原理 a.a.产生自由电子；产生自由电子； b.b.使电子作定向的高速运动使电子作定向的高速运动; ; c.c.在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突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。然减速或停止。 （2 2）产生条件）产生条件 接变压器 玻璃 钨灯丝 金属聚灯罩 铍窗口 金属靶 冷却水 电子

12、 X射线 X射线 X射线管剖面示意图 封闭式封闭式X X射线管实质上就是一个大的射线管实质上就是一个大的 真空（真空（ ）二极管。基本）二极管。基本 组成包括：组成包括： (1)(1)阴极：阴极是发射电子的地方。阴极：阴极是发射电子的地方。 (2)(2)阳极：亦称靶，是使电子突然减阳极：亦称靶，是使电子突然减 速和发射速和发射X X射线的地方。射线的地方。 mmHg 75 1010 （3 3）X X射线管射线管 二、二、X X射线谱射线谱 由由X X射线管发射出来的射线管发射出来的X X射线可以分为两种类型：射线可以分为两种类型： (1)(1)连续连续X X射线射线； (2)(2)。 （1 1

13、）连续）连续X X射线射线 具有连续波长的具有连续波长的X X射线，构成射线，构成 连续连续X X射线谱，它和可见光相射线谱，它和可见光相 似，亦称多色似，亦称多色X X射线。射线。 ； 。 钨靶的连续钨靶的连续X X射线谱射线谱 相相 对对 强强 度度 （1）每一种管电压下，存在一个每一种管电压下，存在一个短波极限短波极限；射线；射线 中含有大于短波极限的各个波长成分。中含有大于短波极限的各个波长成分。 （2）随着管电压增大，随着管电压增大，短波极限和强度最大的波短波极限和强度最大的波 长朝短波方向移动。长朝短波方向移动。 相相 对对 强强 度度 连续连续X X射线谱在短波方向有一个波长极限

14、，称为射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限短波限 0 0. .它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X X射线。射线。它它 只与管电压有关，不受其它因素的影响。只与管电压有关，不受其它因素的影响。 相互关系为：相互关系为： 式中式中 e e电子电荷，等于电子电荷，等于 库仑；库仑； V V电子通过两极时的电压降；电子通过两极时的电压降； h h普朗克常数，等于普朗克常数，等于 0 max hc heV 19 106 . 1 sj 34 10625. 6 相相 对对 强强 度度 钨靶的连续钨靶的连续X X射线谱射线谱 0 max hc heV )( 124

15、0 10 1060. 1 100 . 310625. 6 9 19 834 0 nm V V eV hc 短波限0随管压V的增大而减小。 高能电子与阳极靶的原子碰撞时，高能电子与阳极靶的原子碰撞时，受靶中原子核的库受靶中原子核的库 仑场作用而仑场作用而速度骤减，速度骤减， 碰撞一次产生一个能量为碰撞一次产生一个能量为hvhv的的 光子，这样的光子流即为光子，这样的光子流即为X X射线。射线。高速电子进入靶内高速电子进入靶内 不同深度，不同深度，使射线，使射线( (光子光子) )波波 长连续变化长连续变化, ,形成连续谱。形成连续谱。 X X射线的强度是指垂直射线的强度是指垂直X X射线传播方向

16、的单位面积上在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。单位时间内所通过的光子数目的能量总和。 常用的常用的 单位是单位是J/(cmJ/(cm2 2s)s) . . X X射线的强度射线的强度I I是由光子能量是由光子能量hvhv和它的数目和它的数目n n两个因素两个因素 决定的决定的, ,即即I=I=nhvnhv. .连续连续X X射线强度最大值在射线强度最大值在1.51.50 0 , ,而而 不在不在0 0处。处。 连续连续X X射线谱中每条曲线下的面积表示连续射线谱中每条曲线下的面积表示连续X X射线射线 的总强度。也是阳极靶发射出的的总强度。也是阳极靶发射出的X

17、 X射线的总能量。射线的总能量。 实验证明，实验证明，I I与管电流与管电流i i、管电压、管电压V V、阳极靶的原子、阳极靶的原子 序数序数Z Z存在如下关系：存在如下关系： 且且X X射线射线 管的效率为管的效率为: : 2 1iZV KI 连 ZVK iV iZVKX X 1 2 1 电子流功率 射线功率 射线管效率 由于由于K K1 1是个很小的数，约为是个很小的数，约为 ，如，如 采用采用W W阳极（阳极（z=74z=74）,V=100kV,V=100kV时，效率仅为时，效率仅为1%1%左右。左右。 碰撞阳极靶的电子束的大部分能量都耗费在使阳极碰撞阳极靶的电子束的大部分能量都耗费在使

18、阳极 靶发热上靶发热上 。 水冷却水冷却 V 9 104 . 11 . 1 (2)(2)标识标识X X射线（特征射线（特征x x射线）射线） 是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱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，亦称单色线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X X射线。射线。 1.1. X射线谱 当电压达到当电压达到时，发出标识谱线；时，发出标识谱线； 随电压增加，标识谱线的波长不变化，随电压增加，标识谱线的波长不变化， 强度增强强度增强。 如钼靶如钼靶K K系标识系标识X X射线有两个强度高峰为射线有两个强度高峰为K K 和 和K K ， ， 波

19、长分别为波长分别为0.71 0.71 和和0.63 0.63 . . 标识标识X X射线谱的产生机理与阳极靶物质的原子内部射线谱的产生机理与阳极靶物质的原子内部 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。原理和能量最低原理分布于各个能级。 系统能量升高，处于不稳定激发态。系统能量升高，处于不稳定激发态。 K K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K K激激 发态发态，高能级电子向，高能级电子向K K层空位填充时产生层空位填充时产生K K系辐射。系辐射。 由能级可知，由能级可

20、知，K K 辐射的光子 辐射的光子 能量大于能量大于K K 的能量， 的能量，但但K K层层 与与L L层为相邻能级，层为相邻能级，故故L L层电层电 子填充几率大，所以子填充几率大，所以K K 的强 的强 度约为度约为K K 的 的5 5倍。倍。 2 21 2 , 1 k kk II k 产生产生K K系激发要阴极电子的系激发要阴极电子的 能量能量e eV Vk k至少等于击出一个至少等于击出一个K K层电子所作的功层电子所作的功W Wk k。 L L层内不同亚能级电子向层内不同亚能级电子向K K层跃迁所层跃迁所 发射的发射的K K 1 1和和K K 2 2的关系的关系 X X射线谱射线谱

21、K K系标识系标识X X射线的强度与管电压、管电流的关系为：射线的强度与管电压、管电流的关系为： n k VViKI 2标 标识标识X X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子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，是物质的固有特性能级结构，是物质的固有特性。且存在如下关系：。且存在如下关系： 莫塞莱定律莫塞莱定律：标识：标识X X射线谱的波长射线谱的波长与原子序数与原子序数Z Z关系为：关系为： ZK2 1 总结总结 1 x1 x射线谱分为连续谱和标识谱（或特征谱）射线谱分为连续谱和标识谱（或特征谱） 2 2 短波限短波限0 0是连续谱上的最小波长。由电子一次是连续谱上的最

22、小波长。由电子一次 碰撞就耗尽能量所产生的碰撞就耗尽能量所产生的X X射线，它与管压的关系：射线，它与管压的关系： 3 3 标识谱的产生机理标识谱的产生机理 4 K4 K系系激发电压激发电压，K K系系标识谱线的命名标识谱线的命名。 5 5 莫塞莱定律莫塞莱定律 ZK2 1 0 max hc heV 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，较高能级上的电子向低能级上的空电子击出时，于是在低能级上出现空位，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

23、识位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X X射线谱。射线谱。 K K层电子被击出时所需最低电压。层电子被击出时所需最低电压。 K K层电子被击出时，原子系统能量由层电子被击出时，原子系统能量由 基态升到基态升到K K激发态激发态，高能级电子向，高能级电子向K K层空位填充时产生层空位填充时产生K K系辐射。系辐射。L L层电子层电子 填充空位时，产生填充空位时，产生KK辐射；辐射；M M层电子填充空位时产生层电子填充空位时产生KK辐射。辐射。 2-4 X2-4 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 X X射线与物质相互作用时，射线与物质相互作用时， 产生各种不同的和复杂的产生各种不同的和复杂的

24、过程。就其能量转换而言，过程。就其能量转换而言， 一束一束X X射线通过物质时，可射线通过物质时，可 分为三部分：分为三部分： 一部分被散射，一部分被散射， 一部分被吸收，一部分被吸收， 一部分透过物质继续沿原一部分透过物质继续沿原 来的方向传播来的方向传播( (透射或折透射或折 射射) )。 X X射线的散射射线的散射 ； ； ； ； X X射线的折射射线的折射； 总结总结 。 X X射线的散射射线的散射 X X射线被物质散射时，产生两种现象：射线被物质散射时，产生两种现象： 相干散射相干散射； 非相干散射非相干散射。 相干散射相干散射 物质中的物质中的电子电子在在X X射线电场的作用下，射

25、线电场的作用下，产生强迫产生强迫 振动。振动。这样每个电子在各方向这样每个电子在各方向产生产生与入射与入射X X射线射线 同频率的电磁波同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉新的散射波之间发生的干涉 现象称为相干散射现象称为相干散射。 非相干散射非相干散射 X X射线光子与束缚力不大的外层电子射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞或自由电子碰撞 时电子获得一部分动能成为反冲电子，时电子获得一部分动能成为反冲电子，X X射线光子离射线光子离 开原来方向，能量减小，波长增加。开原来方向，能量减小，波长增加。 非相干散射是康普顿（非相干散射是康普顿（A.H.ComptonA.H.Compt

26、on）和我国物理学和我国物理学 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 突出地表现出突出地表现出X X射线的微粒特性，只能用量子理论来射线的微粒特性，只能用量子理论来 描述，亦称量子散射。描述，亦称量子散射。 物质对物质对X X射线的吸收指的是射线的吸收指的是X X射射 线能量在通过物质时转变为其线能量在通过物质时转变为其 它形式的能量，它形式的能量，X X射线发生了能射线发生了能 量损耗。量损耗。 当一束当一束X X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使 其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质

27、其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质 中的距离成正比。式中的距离成正比。式 m m 为质量吸收系数，为质量吸收系数，t t为为x x射线穿透物质的厚度。射线穿透物质的厚度。 tt T x x x dxxx m eIeII dx I dI I II 0 / 0 质量吸收系数质量吸收系数表示单位重量物质对表示单位重量物质对X X射线强度的衰减程度。射线强度的衰减程度。 复杂物质的质量吸收系数复杂物质的质量吸收系数 质量衰减系数与波长和原子序数质量衰减系数与波长和原子序数Z Z存在如下近似关系：存在如下近似关系： K K为常数为常数. . mm随随的变化是不连续的，其间被尖锐的突变分开。的

28、变化是不连续的，其间被尖锐的突变分开。 mm突变对应的波长为突变对应的波长为吸收限吸收限。吸收限吸收限与原子能级的精细与原子能级的精细 结构对应。如结构对应。如L L系有三个亚层，有三个吸收限。系有三个亚层，有三个吸收限。 33 ZK m n i iimm 1 )( 质量吸收系数突变的现象或吸收限质量吸收系数突变的现象或吸收限主要是由光电效主要是由光电效 应引起的：应引起的：当入射当入射X X射线的波长等于或小于射线的波长等于或小于kk时，时， 光子的能量达到击出一个光子的能量达到击出一个K K层电子的功层电子的功W W，X X射线光子射线光子 被吸收，激发光电效应获得能量的电子从内层逸出，被

29、吸收，激发光电效应获得能量的电子从内层逸出， 成为光电子，使质量吸收系数成为光电子，使质量吸收系数mm突变性增大。突变性增大。 光电效应光电效应 以以X X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击被击 出的电子称为光电子，辐射出的次级标识出的电子称为光电子，辐射出的次级标识X X射线称射线称 为荧光为荧光X X射线。射线。 俄歇效应俄歇效应 原子在入射原子在入射X X射线光子或电子的作用下失掉射线光子或电子的作用下失掉K K层电子，层电子， 处于处于K K激发态；当激发态；当L L层电子填充空位时，放出层电子填充空位时，放出E EL L- -E Ek k的的

30、 能量能量，产生两种效应：产生两种效应： (1) (1) 荧光荧光X X射线；射线； (2) (2) 产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电 子子俄歇电子。俄歇电子。 光电子、俄歇电子和荧光光电子、俄歇电子和荧光x x射线都是被照物质化学射线都是被照物质化学 成分的讯号。成分的讯号。 相应元素分析手段：相应元素分析手段：x x射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPSXPS）和荧）和荧 光光谱（光光谱（XFSXFS）（能量色散谱（）（能量色散谱（EDSEDS）分析）分析 1 1 滤波片的选择滤波片的选择: : (1)(1)它的吸收限位于辐射源的它的吸收限位

31、于辐射源的KK和和KK之间，且尽量之间，且尽量 靠近靠近KK。强烈吸收强烈吸收KK， KK吸收很小；吸收很小； (2)(2)滤波片将滤波片将KK强度降低一半最佳。强度降低一半最佳。 2 2 阳极靶的选择阳极靶的选择: : （1 1）阳极靶）阳极靶K K波长稍大于试样的波长稍大于试样的K K吸收限；吸收限； （2 2）试样对）试样对X X射线的吸收最小。射线的吸收最小。 3 3 激发电压的计算激发电压的计算 为激发被照物体的为激发被照物体的k k系荧光辐射，电子束的（或照射系荧光辐射，电子束的（或照射x x 射线光子的）能量至少等于射线光子的）能量至少等于 为被照物体的为被照物体的k k系吸收限

32、波长。系吸收限波长。 则靶的激发电压为则靶的激发电压为 波长单位为nm，电压单位为V。 若电压为千伏，则激发电压公式为 kkk hceVW/ kkk ehcV/1240/ k kkk ehcV/24. 1/ 4 4 利用吸收限作原子内层能级图利用吸收限作原子内层能级图 刚好击出原子刚好击出原子k k层电子的层电子的x x射线光子能量等于射线光子能量等于K K层层 电子束缚能电子束缚能 内层电子能级图据此得到。内层电子能级图据此得到。 kkk hchW/ X X射线的折射射线的折射 X X射线从一种介质进入另一种介质产生折射，射线从一种介质进入另一种介质产生折射， 折射率折射率M M非常接近非常接近1,1,M M约为约为 0.999990.999999 0.999990.999999 。 2 22 2 22 2 1 2 1 mc ne mc ne M X X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 小结小结 tt T m eIeII 00 l 热能 透射X射线衰减后的强度I 散射X射线 电子 荧光X射线 相干的，用于x射线 衍射分析 非相干的 反冲电子 俄歇电子 光电子 康普顿效应 俄歇效应 光电效应 I0 X