X射线与物质相互作用

1、燃料耗尽而塌坍的脉燃料耗尽而塌坍的脉冲星冲星“PSR B1509-58” 其释放的美丽其释放的美丽X射线射线星云的直径长达星云的直径长达150光年。光年。“宇宙之手宇宙之手”伸向光芒伸向光芒 天体天体GRO J1655-40可能是一个可能是一个正在快速旋正在快速旋转的黑洞转的黑洞 美国宇航局快速号人美国宇航局快速号人造卫星观测到的发生造卫星观测到的发生在在130亿年前的爆炸。亿年前的爆炸。宇宙创始之后将近九宇宙创始之后将近九亿年，迄今为止人们亿年，迄今为止人们所观测到的最遥远的所观测到的最遥远的星体爆炸。星体爆炸。钱德拉太空望远镜钱德拉太空望远镜1.1 X射线的物理基础射线的物理基础一、一、X

2、射线学发展简史射线学发展简史伦琴W.K.RntgenW.K.Rntgen（1845-19231845-1923）1895年发现年发现X射线射线 1910年第一张诺贝尔物理学奖年第一张诺贝尔物理学奖1912年劳厄：劳埃方程年劳厄：劳埃方程1914年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖1913年布拉格父子：布拉格方程年布拉格父子：布拉格方程1915年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖时时 间间 人人 物物内内 容容1913年年Coolige（库利）（库利）发明热阴极发明热阴极X射线管射线管1914年年Moseley（莫塞莱）（莫塞莱）1/2K（Z -）1916年年Debye（德拜）（德拜）Scherrer（谢乐）（谢乐）发

3、明粉末法发明粉末法1918年年Scherrer（谢乐）（谢乐）提出测定微粒大小的方法提出测定微粒大小的方法1925年年Barrett（巴悦特）（巴悦特）提出了测定宏观应力的方法提出了测定宏观应力的方法1926年年Wever（韦佛）（韦佛）进行了晶粒取向的研究进行了晶粒取向的研究1928年年Geiger（盖革）（盖革）Mller（弥勒）（弥勒）发明了发明了GeigerMller计数器计数器1938年年Hanawalt（哈那瓦特）（哈那瓦特）建立了系统的物相定性分析方法建立了系统的物相定性分析方法 1943年年Fridman（富里德曼）（富里德曼）发明了发明了X射线衍射仪射线衍射仪第一节第一节 X

4、射线的物理基础射线的物理基础v1.1.1 X射线的发现与应用射线的发现与应用v1.1.2 X射线的本质射线的本质v1.1.3 X射线的产生及射线的产生及X射线管射线管v1.1.4 X射线谱（射线谱（Xray line）v1.1.5 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用所在电磁波段所在电磁波段1.1.2 X射线的本质射线的本质 X射线以射线以光速直线传播光速直线传播，c2.998108m/s。 X射线的波长范围是：射线的波长范围是：100.001nm。 在材料研究中，用于晶体结构分析时，在材料研究中，用于晶体结构分析时，X X射射线的波长范围一般在线的波长范围一般在0.250.250.05

5、 nm0.05 nm之间，若用之间，若用于探伤，其波长一般取于探伤，其波长一般取0.10.10.005 nm0.005 nm。 X射线之间可以相互作用，产生干涉、衍射等射线之间可以相互作用，产生干涉、衍射等现象。现象。 一、波动性一、波动性 X射线是由大量以光速运动的粒子组成的射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续粒子流不连续粒子流，这些粒子称为光量子。每个光量子的能量：这些粒子称为光量子。每个光量子的能量： hh h h普朗克常数，普朗克常数，6.636.6310103434JsJs； XX射线频率，射线频率，c/c/，XX射线波长射线波长 由于由于X X射线的波长很短，所以射线的波长很短

6、，所以X X射线的能量很大。射线的能量很大。 X射线可以与原子、电子相互作用，产生光电效应、荧光射线可以与原子、电子相互作用，产生光电效应、荧光辐射等现象。辐射等现象。 二、粒子性二、粒子性三、穿透能力强三、穿透能力强 X射线射线穿透能力强穿透能力强。它能够穿透木块、玻璃，。它能够穿透木块、玻璃，甚至金属（甚至金属（“铅铅”除外）。除外）。 伽玛射线、微中子（中微子）穿透力更强。伽玛射线、微中子（中微子）穿透力更强。这个50,000吨的巨型圆柱中微子探测器，座落在日本kamioka mozumi矿山的地下1,000米深处，用来做探测中微子、质子衰变、宇宙射线等等研究。它的“超净化注水墙壁”上安

7、装了大约12,000个超敏感的光电倍增管，这使它看上去带有科幻电影般的恐怖美丽。第一节第一节 X射线的物理基础射线的物理基础1.1.1 X射线的发现与应用射线的发现与应用1.1.2 X射线的本质射线的本质1.1.3 X射线的产生及射线的产生及X射线管射线管1.1.4 X射线谱（射线谱（Xray line）1.1.5 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用一、一、X射线的产生射线的产生1.1.3 X射线的产生及射线的产生及X射线管射线管质子相互碰撞碰撞大型强子对撞机位于瑞士、法大型强子对撞机位于瑞士、法国边境地下国边境地下100米深的环形隧米深的环形隧道中，隧道全长达道中，隧道全长达27公里

8、公里 由高速运动的粒子与某种物质相由高速运动的粒子与某种物质相撞击撞击后后猝然减速，释放大量的动能，从而激发猝然减速，释放大量的动能，从而激发物质中的内层电子发生跳越物质中的内层电子发生跳越，而产生的，而产生的一种电磁波。一种电磁波。 连续谱连续谱v不同电子，损耗不不同电子，损耗不同，转变的同，转变的Xray光子能量不同，其光子能量不同，其波长就不同。由于波长就不同。由于存在大量电子，故存在大量电子，故可以得到各种波长可以得到各种波长的的Xray，从而形，从而形成连续成连续Xray谱。谱。 标识谱标识谱 能级跃迁能级跃迁特征特征X射线的产射线的产生过程：生过程：原子激发原子激发电子跃迁电子跃迁

9、释放能量释放能量产生特征产生特征X射线射线二、产生装置二、产生装置热阴极热阴极X射线管（射线管（也称也称电子式电子式X射线管射线管）阴极射线管显示器发出电磁场和辐射：阴极射线管显示器发出电磁场和辐射：X射线、紫外线、可见光、红外线、微射线、紫外线、可见光、红外线、微波、射频、波、射频、VLF场（甚低频场）和场（甚低频场）和ELF场（极低频场）。场（极低频场）。 X射线管射线管 上上海海大大光光源源同步辐射同步辐射XRDXRD装置装置电子电子储存储存环旁环旁实验实验站站 三、三、X射线的产生条件射线的产生条件能产生自由电子的电子源（阴极）；能产生自由电子的电子源（阴极）；能阻碍自由电子运动的障碍

10、（阳极靶）；能阻碍自由电子运动的障碍（阳极靶）；能够使自由电子高速定向运动（加高压）；能够使自由电子高速定向运动（加高压）；能够保持电子流稳定（加高真空）。能够保持电子流稳定（加高真空）。 冷阴极冷阴极X射线管（射线管（离子式离子式X射线管）：射线管）： 先通过电离，产生正离子；先通过电离，产生正离子； 然后用正离子撞击阴极，放出电子；然后用正离子撞击阴极，放出电子； 再让电子高速运动，撞击阳极，产生再让电子高速运动，撞击阳极，产生X射线。射线。 第一节第一节 X射线的物理基础射线的物理基础v1.1.1 X射线的发现与应用射线的发现与应用v1.1.2 X射线的本质射线的本质v1.1.3 X射线

11、的产生及射线的产生及X射线管射线管v1.1.4 X射线谱（射线谱（Xray line）v1.1.5 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用X射线谱是指射线谱是指Xray强度强度I随波长随波长而变化的关系曲线。而变化的关系曲线。1.1.4 X射线谱（射线谱（Xray line）两种类型：两种类型：连续连续Xray谱谱 是从某一短波限是从某一短波限0 0开始，直到波长等于无穷大开始，直到波长等于无穷大的一系的一系列波长构成，也称为白色列波长构成，也称为白色XrayXray。特征特征Xray谱：谱： 是具有一定波长的若干特强的是具有一定波长的若干特强的XrayXray，叠加在强度连续平，叠加在强

12、度连续平滑变化的连续谱之上，也叫标识滑变化的连续谱之上，也叫标识XrayXray。 一、连续一、连续Xray谱谱 1、实验规律、实验规律 连续连续Xray谱具有下述规律：谱具有下述规律： 随管电压随管电压V增大增大 各种波长射线的相对强度各种波长射线的相对强度I（）一致增高。）一致增高。 最高强度最高强度Xray的波长的波长m变短。变短。 短波限短波限0 变小，即变小，即0向左方移动，同时，波向左方移动，同时，波谱变宽。谱变宽。 可见：管电压既影响可见：管电压既影响Xray的强度，也影响的强度，也影响Xray的波长范围。的波长范围。若管电压若管电压V保持恒定保持恒定 增大管电流增大管电流I I

13、，则强度一致增高；但波长，则强度一致增高；但波长mm、0 0数值大小不数值大小不变，即管电流不影响波长。变，即管电流不影响波长。若改变阳极靶元素若改变阳极靶元素 则则XrayXray谱形式不变，上述规律也不变，但谱线位置变化。谱形式不变，上述规律也不变，但谱线位置变化。 通常，随着原子序数增大，各种波长的相对强度增大。通常，随着原子序数增大，各种波长的相对强度增大。 连续谱线的产生原因：连续谱线的产生原因： 因为不同的电子，因为不同的电子，损耗不同损耗不同，则转变，则转变的的Xray光子能量不同，其波长就不同。光子能量不同，其波长就不同。由于存在由于存在大量电子大量电子，故可以得到各种波长，故

14、可以得到各种波长的的Xray，从而形成连续，从而形成连续Xray谱。谱。 2、短波限、短波限0 短波限的存在原因：短波限的存在原因： 由灯丝发射出的电子经高压电场加速，电场的位能将转化由灯丝发射出的电子经高压电场加速，电场的位能将转化为电子的动能：为电子的动能： （1/21/2）mm2 2=e V =e V V- V-管电压，管电压，e -e -电子的负荷电子的负荷 当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一个当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一个XrayXray光子光子时时，光子将达到最高的能量：，光子将达到最高的能量：maxmax=h=hmaxmax， 此时，此时，X射线就具有了最大的频率射

15、线就具有了最大的频率maxmax和最短的波长和最短的波长0 0。短波限短波限0的推导与计算的推导与计算 ： maxmax= (1/2)m= (1/2)m2 2=eV=eV h hmaxmax=h(c/=h(c/0 0) =) =maxmax 0 0=hc/ eV =hc/ eV h=6.63 h=6.631010-34-34JsJs， c=2.998c=2.99810108 8m/sm/s， e e4.804.8010101010静电单位，静电单位， V-V-管电压，单位管电压，单位 kVkV，转化为静电单位，转化为静电单位V V10103 3/300/300 0 0=1.24/V (nm)=

16、1.24/V (nm)注意：注意：公式的单位：公式的单位：0 0：nmnm； V V：kV kV 3、Xray的强度（的强度（Intensity） Xray的强度是指单位时间内，通过与的强度是指单位时间内，通过与Xray传播方向垂传播方向垂直的单位面积上的光量子数。直的单位面积上的光量子数。 库伦坎普弗（库伦坎普弗（Kulenkampff）经验公式：）经验公式： I Id=d=I(1/I(1/2 2)(1/)(1/0 01/) d1/) d I Idd表示波长在表示波长在 与与+d+d之间之间XrayXray的强度，的强度， I I称为波长称为波长处的处的XrayXray强度密度，强度密度，

17、为常数，为常数， 1.1 1.11.51.51010-9-9， I I为管电流。为管电流。 Z Z 阳极靶的原子序数阳极靶的原子序数 V V 管电压管电压 I I 管电流管电流 XrayXray的强度与的强度与I I、Z Z、V V2 2成正比成正比. . 20IZVdII连4、Xray管的效率管的效率(efficiency) Xray管的效率是指：管的效率是指： （Xray的强度）的强度） / （Xray管功率）比值管功率）比值. = I = I连连/P = /P = IZVIZV 2 2/IV = ZV/IV = ZV 主要与主要与Z Z、V V呈正比呈正比. . 二、特征二、特征Xray

18、谱谱 1、实验规律、实验规律 产生特征产生特征X射线所需要的最低管电压，称为激发电压，射线所需要的最低管电压，称为激发电压，以以V激激表示。表示。 激发电压的大小与阳极靶材料有关：激发电压的大小与阳极靶材料有关： ZV激激。 阳极靶材料不同，产生的特征阳极靶材料不同，产生的特征X射线谱波长不同。射线谱波长不同。元素元素 Ag Mo Cu Ni Co Fe Cr 原子序数原子序数 47422928272624V激激，kV 25.52 20.00 8.98 8.33 7.71 7.11 5.99 波长波长102nm K1 5.59417.093015.405616.579117.889719.36

19、0422.8971K2 5.63807.135915.443916.617517.928519.399822.9361K 5.60847.107315.418415.691917.902619.373522.9100K1 4.97096.322913.922215.001416.207917.566120.8487 当管电压超过激发电压而进一步升高时，当管电压超过激发电压而进一步升高时，特征特征X射线的波长不变，仅强度升高，且射线的波长不变，仅强度升高，且按按n次方规律增大。次方规律增大。 I I特特c Ic I（V VV V激激）n n c c 比例常数，比例常数， n n1.51.52 2

20、，也是常数。，也是常数。 (特征特征X射线射线) / (连续连续X射线射线) 强度的比值，强度的比值，称为特征谱线的峰背比。称为特征谱线的峰背比。 在在X射线管的工作电压为激发电压的射线管的工作电压为激发电压的35倍时最大，即：倍时最大，即： V（35）V激激时，时，I特特/ I连连最大。最大。 工作电压的选择原则。工作电压的选择原则。2、特征谱线产生机理（原子模型）、特征谱线产生机理（原子模型） 特征特征X射线的产生过程：射线的产生过程： 原子激发原子激发电子跃迁电子跃迁 释放能量释放能量产生特征产生特征X射线射线 比如，图中是比如，图中是L层的电子跃迁到层的电子跃迁到K层上，这个过程降层上

21、，这个过程降低的能量为：低的能量为：L LK K。 对于给定的物质，各原子能级的能量是固有的，所对于给定的物质，各原子能级的能量是固有的，所以能量差以能量差L LK K也是固定的。也是固定的。 当这个能量以一个当这个能量以一个X射线光子的形式辐射出射线光子的形式辐射出去时，就具有特定的波长：去时，就具有特定的波长： L LK K=h=hhc/hc/ hc/hc/（L LK K） 特征特征X X射线射线 根据原子模型定义各种谱线：根据原子模型定义各种谱线： 如果是如果是K层电子被外来的高能粒子轰击出去，则称为层电子被外来的高能粒子轰击出去，则称为K系系激发，随之进行的电子跃迁引起的辐射就称为激发

22、，随之进行的电子跃迁引起的辐射就称为K系辐射，系辐射，所产生的特征所产生的特征X射线就称为射线就称为K系谱线；系谱线； 同理，把同理，把L层电子被击出的过程称为层电子被击出的过程称为L系激发，随之的电子系激发，随之的电子跃迁引起的辐射称为跃迁引起的辐射称为L系辐射，所产生的特征系辐射，所产生的特征X射线就称射线就称为为L系谱线。系谱线。 等等。等等。 在一种谱系中，按照在一种谱系中，按照电子跃迁时所跨越的能电子跃迁时所跨越的能级数目的不同级数目的不同，又可以将同一辐射线系分，又可以将同一辐射线系分成若干小类。成若干小类。 分类的原则是：分类的原则是： 对跨越对跨越1、2、3、个能级所引起的辐射

23、分个能级所引起的辐射分别标以别标以、等符号。等符号。 这样就出现了这样就出现了K、K、L、L等谱线。等谱线。KLhcEWW光子KLhcWW3、莫塞莱定律（、莫塞莱定律（Moseley） 1/21/2K K（Z Z） or or （1/1/）1/21/2K K（Z Z） 式中：式中：、分别为特征分别为特征X X射线的频率和波长；射线的频率和波长； ZZ阳极靶元素的原子序数；阳极靶元素的原子序数； K K、K K、均为常数。均为常数。 应用：应用： 是波谱分析的基本依据；是波谱分析的基本依据； 利用它可以发明新的元素。利用它可以发明新的元素。 第一节第一节 X射线的物理基础射线的物理基础v1.1.

24、1 X射线的发现与应用射线的发现与应用v1.1.2 X射线的本质射线的本质v1.1.3 X射线的产生及射线的产生及X射线管射线管v1.1.4 X射线谱（射线谱（Xray line）v1.1.5 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 X射线的应用射线的应用（1 1）窥探物质结构：）窥探物质结构： 从从1914到到1924年中，就有五位物理学家（劳年中，就有五位物理学家（劳厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究 X 射射线及其应用方面获得了诺贝尔物理学奖。线及其应用方面获得了诺贝尔物理学奖。 1912年，德国物理学家劳厄通过实验，既证年，德国物理学家劳厄

25、通过实验，既证明了明了X射线具有波动性，也证明了晶体中的原子射线具有波动性，也证明了晶体中的原子是有规则排列的。是有规则排列的。 晶体可看作三维立晶体可看作三维立体光栅体光栅, 根据劳厄斑点根据劳厄斑点的分布的分布, 可算出晶面间可算出晶面间距掌握晶体点阵结构距掌握晶体点阵结构.晶体底片铅屏X 射线管劳厄斑点晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构原子结构原子结构成分分析成分分析 围绕围绕X射线的性质和应用的研究，除伦琴外，射线的性质和应用的研究，除伦琴外，还有还有15项获诺贝尔奖的课题与项获诺贝尔奖的课题与X射线有关。射线有关。获奖获奖年代年代人人 物物成成 就就1914劳厄劳厄提出了用天然晶体的晶

26、格作为衍提出了用天然晶体的晶格作为衍射光栅，观察到了射光栅，观察到了X射线的衍射射线的衍射现象，证明现象，证明X射线是电磁波射线是电磁波1915布拉格父布拉格父子子利用利用X射线衍射进行晶体结构分射线衍射进行晶体结构分析析1927康普顿康普顿康普顿散射，揭示了康普顿散射，揭示了X射线光子射线光子的粒子性的粒子性a. 医学诊断：医学诊断：（2 2）在医学中的应用：）在医学中的应用： 上世纪六十年代，南非出生的美国物理学家科上世纪六十年代，南非出生的美国物理学家科马克（马克（Cormark）和英国电气工程师洪斯菲尔德）和英国电气工程师洪斯菲尔德（Hounsfield）提出用计算机控制）提出用计算机

27、控制 X 射线断层扫描射线断层扫描原理，并发明原理，并发明X射线断层扫描仪（射线断层扫描仪（XCT），使医生），使医生能看到人体内脏器官横断面图象，从而准确诊断病能看到人体内脏器官横断面图象，从而准确诊断病症，他们两人共享了症，他们两人共享了1979年诺贝尔生物学及医学奖。年诺贝尔生物学及医学奖。b. X射线治疗：射线治疗：c. X射线防护：射线防护：胎儿胎儿X射线照片射线照片医学检查医学检查工业探伤工业探伤（3 3）揭示生命奥秘揭示生命奥秘： 1953-1959年，小布拉格的两位助手佩鲁茨和年，小布拉格的两位助手佩鲁茨和肯德罗，用改进了的肯德罗，用改进了的X射线分析法测定了肌红蛋白射线分析法

28、测定了肌红蛋白及血红蛋白的分子结构，为此获得及血红蛋白的分子结构，为此获得 1962 年的诺贝年的诺贝尔化学奖。尔化学奖。 1962年诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国生物年诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国生物物理学家克里克、威尔金森、美国生物学家沃森，物理学家克里克、威尔金森、美国生物学家沃森，表彰他们发现表彰他们发现DNA的双螺旋结构，这是的双螺旋结构，这是20世纪生世纪生物学的最伟大成就，他们依靠的也是物学的最伟大成就，他们依靠的也是X射线分析法。射线分析法。DNA分子双螺旋结构分子双螺旋结构 （4）其它应用：其它应用： X光机对机场、车站对旅客行李的安全检查；光机对机场、车站对旅客行李的安全

29、检查； 检验集成电路板质量；检验集成电路板质量； 墙壁厚度测量；墙壁厚度测量； 测量尺寸的复杂变化；测量尺寸的复杂变化； 透视复杂物体的内部结构；透视复杂物体的内部结构； 辅助设计和生产；辅助设计和生产； 产生组件缺陷位置的影像；产生组件缺陷位置的影像； 用特征用特征X射线可对材料的元素成分做出分析，射线可对材料的元素成分做出分析，在考古、材料研究等方面有重要应用。在考古、材料研究等方面有重要应用。X光下的世光下的世界界X射线衍射成分分析无损检测1.1.5 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用X 射 线 原子或离子中的电子原子或离子中的电子受迫振动。受迫振动。振动着的电子振动着的电子成为

30、次生成为次生X射射线的波源，线的波源，向向外辐射与入射外辐射与入射 X X 射线同频率射线同频率的电磁波，称的电磁波，称为为散射波散射波。一）、相干散射一）、相干散射：由于入射线与散射线的波长与由于入射线与散射线的波长与频率一致，位相固定，各散射波之间以及与入射频率一致，位相固定，各散射波之间以及与入射波可以发生干涉，故称相干散射（弹性散射）。波可以发生干涉，故称相干散射（弹性散射）。干涉的结果干涉的结果：散射波在某些方向上相互加强，在散射波在某些方向上相互加强，在另一些方向上相互减弱或抵消。另一些方向上相互减弱或抵消。 晶体中发生衍射的基础晶体中发生衍射的基础相干散射并不损失相干散射并不损失

31、x-rayx-ray能量，而只是改变了它的传能量，而只是改变了它的传播方向，但对入射线方向来说，却起了强度衰减的播方向，但对入射线方向来说，却起了强度衰减的作用。作用。 一、一、X射线的散射射线的散射二）、非相干散射二）、非相干散射 1、概念、概念 电子被撞出原来的轨道，成为反冲电子，而入射电子被撞出原来的轨道，成为反冲电子，而入射X射线被撞偏方向，在射线被撞偏方向，在角度上形成散射角度上形成散射X射线。射线。 由于反冲电子消耗一定的能量（变为动能），由于反冲电子消耗一定的能量（变为动能），故散射故散射X射线的能量要比入射射线的能量要比入射X射线低，其波长变射线低，其波长变大，频率变小，从而使

32、散射波与入射波之间不存大，频率变小，从而使散射波与入射波之间不存在固定的位相关系，因此不能产生任何干涉效应。在固定的位相关系，因此不能产生任何干涉效应。 所以，这种散射被称为非相干散射。也称为所以，这种散射被称为非相干散射。也称为康普顿康普顿吴有训散射，或康普顿吴有训散射，或康普顿吴有训效应吴有训效应 ，或量子散射。或量子散射。 2、非相干散射的特征、非相干散射的特征波长变化波长变化 设散射波的波长为设散射波的波长为，入射波的波长为，入射波的波长为，则，则，其增量为：其增量为： 0.002430.00243（1 1cos2cos2） nmnm 式中，式中，22是散射波与入射波之间的夹角，称为散

33、是散射波与入射波之间的夹角，称为散射角。射角。 可见：可见：随散射角随散射角2而变化。而变化。 非相干散射波分布在各个方向上，强度很非相干散射波分布在各个方向上，强度很低，且随低，且随sin2/的增加而增大。的增加而增大。 非相干散射不能参与衍射，也无法避免，非相干散射不能参与衍射，也无法避免，通常，它在衍射图形上形成连续的背底，通常，它在衍射图形上形成连续的背底，会给分析带来困难。会给分析带来困难。二、二、X射线的吸收射线的吸收物质对物质对x-ray的吸收，的吸收，指的是指的是x-ray能量在通过物质时转能量在通过物质时转变为其它形式的能量，变为其它形式的能量，对对x-ray而言，也就是发生

34、了能量而言，也就是发生了能量损耗。损耗。物质对物质对x-ray的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。的。发生发生x-ray的的光电效应光电效应和和俄歇效应俄歇效应，使，使x-ray的部分能量的部分能量转变成为光电子、荧光转变成为光电子、荧光x-ray及俄歇电子的能量，故及俄歇电子的能量，故x-ray的强度被衰减。的强度被衰减。当入射当入射X射线光子的能量射线光子的能量足够大时，足够大时，(h明显超过明显超过原子的芯电子束缚能原子的芯电子束缚能Eb)，将使原子中的内层电子被将使原子中的内层电子被击出，使原子处于激发态。击出，使原子处于激发态。随后，原子中

35、的外层电子随后，原子中的外层电子将跃迁到内层电子空位上，将跃迁到内层电子空位上，同时辐射出特征同时辐射出特征X射线射线(辐辐射跃迁射跃迁)。 光电子光电子h特征特征X X射线射线二次特征二次特征X X射线，射线，荧光荧光X X射线射线1 1）光电效应与荧光）光电效应与荧光( (二次特征二次特征) )辐射辐射v光电效应光电效应吸收限的产生机制吸收限的产生机制x-ray与物质相互作用可以看作是与物质相互作用可以看作是x-ray光子和物质中的原子相互碰撞，光子与光子和物质中的原子相互碰撞，光子与原子的碰撞很像前面讲过的电子与阳极靶的原子碰撞产生标识原子的碰撞很像前面讲过的电子与阳极靶的原子碰撞产生标

36、识x-ray谱的情况。谱的情况。当当x-ray波长足够短时，其光子的能量就很大，以至能把原子中处于某一能级波长足够短时，其光子的能量就很大，以至能把原子中处于某一能级上的电子打出来使原子处于高能激发态，内层出现空位，外层电子往此空位上的电子打出来使原子处于高能激发态，内层出现空位，外层电子往此空位跃迁，产生标识跃迁，产生标识x-ray。光电效应光电效应这种以光子激发原子所发生的激发和辐射过程称为光电效应，被击出的电子这种以光子激发原子所发生的激发和辐射过程称为光电效应，被击出的电子称为称为光电子光电子，所辐射出的次级标识，所辐射出的次级标识x-ray（由（由x-ray激发出的激发出的x-ray

37、）称为）称为荧光荧光x-ray（二次标识（二次标识x-ray）。）。一次的特征一次的特征x-ray的一部分能量转变为所照射物质的二次特征辐射，表现为物的一部分能量转变为所照射物质的二次特征辐射，表现为物质对入射质对入射x-ray的吸收，这一吸收非常强烈。的吸收，这一吸收非常强烈。v2 2）俄歇效应）俄歇效应 v定义定义：光子与物质中原子相撞，使原子处于激发状态，当外光子与物质中原子相撞，使原子处于激发状态，当外层电子跃入内层空位时，其多余的能量不以层电子跃入内层空位时，其多余的能量不以x-ray形式放出形式放出（荧光（荧光x-ray），而是传递给其它外层的电子，使之脱离原），而是传递给其它外层

38、的电子，使之脱离原子。子。 俄歇效应俄歇效应。 例：俄歇电子例：俄歇电子KL2L2 vK层电子被击出，层电子被击出，L2层电子跳入层电子跳入K层空位，多余能量传递层空位，多余能量传递L2、L3、M层电子，使其脱离原子（形成二次电子）。层电子，使其脱离原子（形成二次电子）。这种二次电子称俄歇电子，上述这种二次电子称俄歇电子，上述K层一个空位被层一个空位被L层二个空层二个空位所代替，这个过程称俄歇效应（无辐射跃迁过程）。位所代替，这个过程称俄歇效应（无辐射跃迁过程）。 俄歇效应俄歇效应光电子光电子 俄歇电子俄歇电子 俄歇电子俄歇电子 KL1L1 LM1M1L1KL2v命名命名:俄歇电子通常用俄歇电

39、子通常用参与俄歇过程的三个能级来命名参与俄歇过程的三个能级来命名。即：。即：初态空位所在能级、向空位作无辐射跃迁电子原在能级、发初态空位所在能级、向空位作无辐射跃迁电子原在能级、发射电子原在能级。上例中俄歇电子为射电子原在能级。上例中俄歇电子为KL2L2。说明说明：伴随光电吸收发生的有荧光伴随光电吸收发生的有荧光x-ray和俄歇电子。（辐和俄歇电子。（辐射跃迁和无辐射跃迁）射跃迁和无辐射跃迁）通常荧光通常荧光x-ray和俄歇电子是同时存在的。和俄歇电子是同时存在的。v用途用途：俄歇电子的能量只取决于物质原子的能级结构（与参俄歇电子的能量只取决于物质原子的能级结构（与参与该过程的三个能级能量有关

40、），每种元素都有自己的特征与该过程的三个能级能量有关），每种元素都有自己的特征俄歇电子能谱，它是元素的固有特征。所以，可以用俄歇电俄歇电子能谱，它是元素的固有特征。所以，可以用俄歇电子能谱做元素的成分分析及试样表面状态分析等。子能谱做元素的成分分析及试样表面状态分析等。三、三、X射线的衰减射线的衰减 1、衰减规律、衰减规律 I0：入射：入射X射线强度射线强度 I：透过物质后的强度：透过物质后的强度 I：x处处X射线强度射线强度dI：X射线通过无限小薄层射线通过无限小薄层dx时的衰减量时的衰减量 dIdIIdxIdx 即：即： dIdIIdxIdx 式中：式中：比例常数，称为线吸收系数，或线衰比

41、例常数，称为线吸收系数，或线衰减系数，单位为减系数，单位为cmcm1 1。其物理意义是在。其物理意义是在X X射线传射线传播方向上，单位长度上播方向上，单位长度上X X射线的衰减程度，它主射线的衰减程度，它主要与入射要与入射X X射线的波长及物质种类有关。对于给射线的波长及物质种类有关。对于给定物质，和特定波长定物质，和特定波长X X射线，射线，为常数。为常数。 积分上述方程：积分上述方程： I II I0 0 xx 或：或： I II I0 0eexx可见：可见：X射线通过物质时，按指数规律迅速衰减的。射线通过物质时，按指数规律迅速衰减的。 xIIdxIdI002、质量吸收系数、质量吸收系数

42、 线吸收系数线吸收系数与物质的密度与物质的密度有关，通常：有关，通常： 为了消除密度（即物质的状态）的影响，引入一为了消除密度（即物质的状态）的影响，引入一个新的系数个新的系数m： mm/ 称为质量吸收系数，称为质量吸收系数，单位为单位为cmcm2 2gg1 1。 它反映每克物质引起的相对衰减量，主要取决于它反映每克物质引起的相对衰减量，主要取决于物质的化学成分和入射物质的化学成分和入射X射线的波长。射线的波长。 几点规律：几点规律：对单一元素组成的物质，对单一元素组成的物质，m与其原子序数与其原子序数Z，及入，及入射射X射线的波长射线的波长之间存在明显的函数关系：之间存在明显的函数关系： m

43、m3 3Z Z3 3 mm 但在但在k处发生突变，突然增大。处发生突变，突然增大。 原因：此时原因：此时X射线的能量达到了激发射线的能量达到了激发K层电层电子，引起二次特征辐射的程度，其能量被大子，引起二次特征辐射的程度，其能量被大量吸收，故量吸收，故m突然增大。突然增大。 发生突变吸收的波长发生突变吸收的波长k称为吸收限。称为吸收限。 k1.24/Vk nm Vk激发电压，激发电压，kV； k吸收限，又称为激发限，吸收限，又称为激发限，nm。 连续谱的质量吸收系数连续谱的质量吸收系数 当连续当连续X射线穿过物质时，通常取各波长吸收系射线穿过物质时，通常取各波长吸收系数的平均值。数的平均值。

44、这个平均值相当于这个平均值相当于1.31.40波长时对应的吸收波长时对应的吸收系数（系数（0为短波限），这个波长称为有效波长：为短波限），这个波长称为有效波长： 有效有效1.31.31.41.40 01.351.350 0 1.35 (1.24/V)1.35 (1.24/V)1.67/V (nm) 1.67/V (nm) 复杂物质的质量吸收系数复杂物质的质量吸收系数 当当X射线通过多种元素组成的复杂物质，如化合物、射线通过多种元素组成的复杂物质，如化合物、固溶体、机械混合物时，其衰减将受到各种元素固溶体、机械混合物时，其衰减将受到各种元素的影响，但却与这些原子之间的结合方式无关。的影响，但却与

45、这些原子之间的结合方式无关。 mmmimi W Wi i（/）i i W Wi i 式中：式中：mimi或（或（/）i i为为i i种元素的质量吸收系数；种元素的质量吸收系数；WWi i为为i i元素的质量分数。元素的质量分数。四、吸收限（四、吸收限（k）的应用）的应用1、滤波片（、滤波片（Filter）的选择）的选择材料材料材料选取：材料选取： kkk k：滤波片的吸收限；：滤波片的吸收限； k：K谱线的波长；谱线的波长； k：K谱线的波长。谱线的波长。获取单波长获取单波长X射线射线滤波片滤波片滤波选择吸收限介于选择吸收限介于X X射线中的射线中的KK和和KK的波长之间的物质。的波长之间的物

46、质。应用：应用：滤波片实际上是利用吸收限两滤波片实际上是利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的特点制成边吸收系数相差悬殊的特点制成的。的。 如果选择一种材料其如果选择一种材料其K吸收限吸收限波长波长K恰好位于所用特征恰好位于所用特征x-ray的的K与与K线波长之间（尽量靠近线波长之间（尽量靠近K），此时，对），此时，对K线及连续谱线线及连续谱线吸收很大，而对吸收很大，而对K线的吸收却很线的吸收却很小，可得到基本上是单色的小，可得到基本上是单色的K谱谱线。线。 几种元素几种元素K系射线波长和常用的滤波片及其吸收限系射线波长和常用的滤波片及其吸收限 规律：规律： 设阳极靶元素的原子序数为设阳极靶元素的原

47、子序数为Z靶靶， 滤波片物质的原子序数为滤波片物质的原子序数为Z片片， 则：则： 当当 Z Z靶靶4040时，时，Z Z片片Z Z靶靶1 1 Z Z靶靶4040时，时，Z Z片片Z Z靶靶2 2厚度厚度 滤波片必须具有合适的厚度。若太薄，会对滤波片必须具有合适的厚度。若太薄，会对K谱线谱线滤得不彻底；而太厚时，又会吸收掉部分滤得不彻底；而太厚时，又会吸收掉部分K谱线。谱线。 实验表明，当实验表明，当K谱线的强度被吸收到原来的一半时，谱线的强度被吸收到原来的一半时，K/K的强度比值可由滤波前的的强度比值可由滤波前的1/5提高到提高到1/500左右，左右，这样便可以满足一般的衍射分析工作的要求。这样便可以满足一般的衍射分析工作的要求。滤滤波片的厚度设计原则波片的厚度设计原则 2、阳极靶（、阳极靶（Positive target）的选择）的选择 材料选取：阳极靶的材料选取：阳极靶的K谱线波长应比试样的谱线波长应比试样的 吸收限吸收限k稍长一些稍长一些 。避免荧光辐射避免荧光辐射试样试样几种元素几种元素K系射线波长及其吸收限系射线波长及其吸收限 v根据根据m=K Z33知知m