第6章_X射线物理学基础

1、1第六章第六章 X射线物理学基础射线物理学基础2n第一节第一节 X射线的性质射线的性质n第二节第二节 X射线的产生与射线的产生与X射线谱射线谱n第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第六章第六章 X射线物理学基础射线物理学基础3第一节第一节 X射线的性质射线的性质n1. X射线的发现射线的发现:nX射线射线是是1895年年11月月8日日由德国物理学家德国物理学家伦琴伦琴（W.C.Rontgen）在研究真空管高压放电现象时偶然发现的。n当时，他用黑纸把真空放电管严实包裹，以防透光。实验时，发现凳子上涂有氰亚铂酸钡氰亚铂酸钡硬纸板发出浅绿色浅绿色荧光，试着木块、硬橡胶等挡也挡不住

2、，甚至可透过人的骨骸!n当时对此射线本质尚无了解，故取名X射线射线（伦琴射线）伦琴射线）。n这一伟大发现，伦琴伦琴于1901年第一位诺贝尔奖获得者。年第一位诺贝尔奖获得者。42. 威廉威廉康拉德康拉德伦琴伦琴（WilhelmKonradRntgen ）摄于1896年n1845年年3月月27日日生于德国莱茵州雷内普（Lennep）镇。n1869年获苏黎世大学理学博士学位n1870年回德国维尔茨堡大学工作。1894年任维尔茨堡大学校长。n1895年年11月月8日日发现了X射线射线。n1900年任慕尼黑大学物理研究所教授，主任。n1901年，获首届诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。n1923年2月10

3、日，在慕尼黑去世。18451923）53. 伦琴夫人的手伦琴夫人的手 摄于1895年12月22日n六个星期后，伦琴确认是一种新射线，才告诉自己夫人。n1895年年12月月22日日，他邀请夫人来到实验室，用光电管照射了15分钟，拍下了第一张人手第一张人手X射线照片。射线照片。64. X射线在医学界应用射线在医学界应用X射线透视学射线透视学n伦琴发现X射线后，一个月内发表了一种新射线一种新射线的文章，引起社会各界强烈的反应。n消息传遍全球，各国竞相开展试验研究。虽未了解此现象本质，因其有强大穿透力，能透过人体显示骨骼，迅速被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有力工具，产生了X射线透视学射线透

4、视学。n后来又用于金属探伤金属探伤，对工业技术也有很大促进作用。75. X射线最初医疗诊断射线最初医疗诊断1896.2.3美国Dr. Edwin Frost (1866-1935)86. X射线本质的认识射线本质的认识n18951897年间，通过一系列实验，搞清了X射线产生、传播、穿透力等特性：1.X射线射线虽人眼看不见，但能使某些物质发出荧光发出荧光。使照相底片感光，使气体、原子电离。2. 2. X射线射线沿直线传播，经电场或磁场不发生偏转。3.X射线射线有很强穿透力，通过物质时可被吸收而强度衰减。4.X射线射线还能杀伤生物细胞等特性。n但对X射线本质的认识，是对晶体结构的研究，即与X射线射

5、线在晶体中发生衍射衍射现象是分不开的。97. X射线射线衍射衍射现象的发现（一）现象的发现（一）n1912年，德国物理学家年，德国物理学家劳埃劳埃（M. Von Laue）利用晶体作为天然光栅成功观察到了X射线衍射现象。n他用CuSO45H2O进行了实验，获得了第一张第一张X射线衍射照片射线衍射照片。n1914年年获诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖lMax von Laue l马克斯马克斯 冯冯 劳埃劳埃(1879-1960)108. X射线射线衍射衍射现象的发现（二）现象的发现（二）nX射线衍射射线衍射现象发现：1.肯定了肯定了X射线的本质。射线的本质。即是一种电磁波，有波动性。2.证实了晶体结

6、构的周期性证实了晶体结构的周期性。为晶体微观结构研究提供了崭新的方法。晶体结构认识：从微米微米纳米纳米级，有更接近本质的认识。n用X射线研究晶体结构的工作称X射线晶体学射线晶体学或X射线衍射学。射线衍射学。 CuSO45H2O衍射照片 世界上第一张 X射线衍射照片119.布拉格定律布拉格定律的建立和的建立和莫塞莱定律莫塞莱定律的发现的发现n英国布拉格布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.bragg）对此进行开创性工作。n1912年，年，W.L.布拉格布拉格进行了劳埃劳埃实验后认为：衍射斑点的产生是射线受到类似镜面镜面“反射反射”的结果。并从劳埃方程式劳埃方程式导出布拉格方程布拉格方程，推算出

7、KCl及NaCl原子排列方式，并真正测量了X射线波长。射线波长。n后一工作导致1913-1914年莫塞莱莫塞莱（H.G.J.Moseley)定律定律的发现。), 3 , 2 , 1(sin2nnd1210、莫塞菜定律莫塞菜定律n1913年，英国物理学家英国物理学家莫塞莱莫塞莱 （18871915 ）在研究X射线光谱时发现：特征X射线频率频率或波长波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构（原子序数），（原子序数），此规律称莫塞莱定律。莫塞莱定律。)(ZK式中： K与靶材物质主量子数有关的常数； 屏蔽常数，与电子所在的壳层位置有关。n成为X射线荧光分析射线荧光分析和电子探针微区成分分析电子探针微区成分

8、分析的理论基础。1()K Z或13第一节、第一节、X射线的性质射线的性质一、一、 X射线的波动性射线的波动性n1. X射线射线与可见光、红外线、紫外线等相同，均属电磁波电磁波，它它是由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作用而产生的，是由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作用而产生的，它同时具有波动性波动性和粒子性粒子性。n2. X射线波长射线波长比可见光短得多，约与晶体晶格常数同一数量级，在0.1nm左右。因此，其能量大、穿透能力强。n3. X射线射线与可见光一样，以光速呈直线传播，在真空中传播速度2.998108m/s。14一、一、 X射线的波动性射线的波动性n4.X射线波长射线波长法定单位

9、为：nm，以前也常用埃（）。（1nm=10-9m10 ）nX射线波长：100.001nm，两边与紫外线紫外线及射线射线重叠。n晶体结构分析：晶体结构分析：波长在0.25 0.05nm，n金属探伤：金属探伤：波长约为0.10.005nm或更短，n波长较短的波长较短的X射线，习惯上称为“硬硬X射线射线”。n波长较长波长较长的X射线称为“软软X射线射线。15常见的各种电磁波的波长与频率常见的各种电磁波的波长与频率可见光紫外线红外线微波X射线射线波长 射线 频率标准无线电波长波TV/FM 短波短波长波长波16X射线波动性的表现（射线波动性的表现（1）n1.X射线波动性：射线波动性：以一定频率和波长在空

10、间传播，具有干涉与衍射现象；描述参量：描述参量：频率频率和波长波长。n2.电磁波（横波）电磁波（横波），具有电场矢量电场矢量E和磁场矢量磁场矢量H，以相同周相，在两相互垂直平面内作周期振动，且与传播传播方向垂直，传播速度光速。传播速度光速。n3、X射线分析：射线分析：主要考虑电场矢量电场矢量E引起的物理效应。17X射线波动性的表现（射线波动性的表现（2）n4.电场矢量电场矢量E 随传播时间传播时间或或传播距离传播距离变化呈周期性波动，波振幅为A（或（或E0）。n一束沿y轴方向传播的波长为的X射线波方程射线波方程为：图1-2 E 的变化(a) x一定时E 随t 的变化；(b) t一定时E 随x

11、的变化 )(20tyCOSAA18X射线波方程射线波方程n一束沿y轴方向传播波长为的X射线波方程射线波方程为：n若以表示相位相位，即令则n当t=0，A=A0ei，ei称为“相位因子相位因子”。)(20tyCOSAAy22)(0tCOSAA)(0tieAA19二、二、 X射线的粒子性射线的粒子性n1. 实验证实X射线射线是波长极短的电磁波，有干涉与衍射干涉与衍射现象。但波动性波动性无法解释X射线的光电效应、荧光辐射光电效应、荧光辐射等现象。n2.按波动理论：按波动理论：物质中电子吸收X射线能量是连续的，当能量积累到一定程度就能放出电子。即：不论即：不论X射线频率如何低，射线频率如何低，只要入射强

12、度大，时间长，总会发生光电效应的。只要入射强度大，时间长，总会发生光电效应的。但实验结果，产生光电效应条件：产生光电效应条件：不在于不在于X射线强度与照射时射线强度与照射时间，而在于其频率间，而在于其频率（或（或）。）。这与波动理论相矛盾性。表明：X射线还有粒子性粒子性。20二、二、 X射线的粒子性射线的粒子性n3.粒子性表现：粒子性表现：以光速运动的大量微观粒子组成不连续粒子流。称为“光子光子”或“光量子光量子”。描述参量为能量能量E、动量动量P。n4.波动性波动性与粒子性粒子性描述参量间的关系：hchEhP X射线频率； h普朗克常数（6.62610-34 Js ） c X射线传播速度（2

13、.998108m/s）21二、二、 X射线的粒子性射线的粒子性n5.粒子性突出表现：粒子性突出表现： X射线射线在与物质（原子或电子）相互作用时，有交换能量，光子能量能被原子或电子吸收吸收或被散射。散射。 光电效应、荧光辐射光电效应、荧光辐射等正是等正是X射线粒子性射线粒子性的明显表现。22三、三、 X射线的强度射线的强度n1.X射线强度射线强度用波动性观点描述：波动性观点描述： 单位时间内通过垂直于传播方向的单位截面上的能量大小，单位时间内通过垂直于传播方向的单位截面上的能量大小，强度与波振幅A2 成正比。2AI n2.X射线强度射线强度用粒子性观点描述：粒子性观点描述： 单位时间内通过与传

14、播方向相垂直的单位截面的光量子数目。单位时间内通过与传播方向相垂直的单位截面的光量子数目。n3.绝对强度绝对强度单位是J(m2s)，但难以测定，常用相对强度相对强度，如：底片相对黑度、探测器（计数管）计数值底片相对黑度、探测器（计数管）计数值等。23X射线波粒二相性射线波粒二相性n1.X射线波动性射线波动性：反映物质运动的连续性；连续性； X射线粒子性：射线粒子性：反映物质运动分立性。分立性。n2.对同一辐射所具有的波动性波动性与粒子性粒子性的描述： 可用时间和空间展开的数学形式来描述；时间和空间展开的数学形式来描述； 可用统计学法确定某时间、位置粒子出现概率来描述。统计学法确定某时间、位置粒

15、子出现概率来描述。因此，须同时接受波动波动和粒子粒子两种模型。n3.X射线射线上述特性，成为研究晶体结构、进行元素分析、医研究晶体结构、进行元素分析、医疗透视疗透视和工业探伤工业探伤等方面的有力工具。24第二节第二节 X射线的产生与射线的产生与X射线谱射线谱n一、一、X射线产生：射线产生：n1.X射线：射线：高速运动带电粒子（电子）与某物质相撞击后突然减速或被阻止，与该物质中内层电子相互作用而产生的。与该物质中内层电子相互作用而产生的。n2.X射线产生条件射线产生条件： 1）产生并发射自由电子）产生并发射自由电子（加热W灯丝发射热电子）； 2）在真空中迫使电子作定向的高速运动）在真空中迫使电子

16、作定向的高速运动（加速电子）； 3）在电子运动路经上设障碍，使其突然减速或停止）在电子运动路经上设障碍，使其突然减速或停止（靶）（靶）据此，就可理解X射线发生器的构造原理了。25二、二、X射线管的结构（射线管的结构（1）n1.阴极阴极：发射电子发射电子。由钨丝制成，通以一定电流加热后便能释放出大量的热激发电子热激发电子。n2.阳极阳极：“靶靶”(target)。使电子突然减速并发射X射线的地方。由不同的金属组成，常用靶材有Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W等，根据不同需要选用。阴极阳极26二、二、X射线管的结构（射线管的结构（2）n3.窗口：窗口：X射线射出通道，射线射出通道，常有两

17、个或四个。两个或四个。n窗口材料窗口材料：既有足够强度以维持管内高真空，又对X射线吸收较小。常用对X射线穿透性好的轻金属铍（轻金属铍（Be）。n4.聚焦罩：聚焦罩：加在阴极灯丝外，使灯丝灯丝与聚焦罩聚焦罩保持约约400V电电位差位差，可聚焦电子束。窗口27二、二、X射线管的结构（射线管的结构（3）n5. 冷却系统：冷却系统：X射线发射向四周发散，大部分被管壳吸收，少量通过窗口得以利用。只有只有1能量转化为能量转化为X射线射线，99转变转变为热能，为热能，故靶须水冷，以防止阳极过热的熔化。冷却水28荷兰荷兰Philips公司第二代陶瓷公司第二代陶瓷X射线管射线管n焦点三维精确定位(预校准模块化的

18、基础）n陶瓷灯体n绝缘度高n重量轻n超长寿命n无需校准29美国热电瑞士美国热电瑞士ARL公司公司n新型陶瓷新型陶瓷X光管光管 X-ray TubesCeramic Tube（陶瓷光管）（陶瓷光管） Glass Tube（玻璃光管）（玻璃光管）Possible targets are Cu, Cr, Fe, Co or Mo可有的靶材为：可有的靶材为： Cu，Cr，Fe，Co 或或Mo30三、三、 X射线光管的分类射线光管的分类na.按制造材料按制造材料可分：玻璃光管玻璃光管和金属陶瓷光管金属陶瓷光管。nb.按阳极靶可动与否：按阳极靶可动与否：固定靶固定靶 X 光管光管；自转靶自转靶 X 光管。

19、光管。日本理学公司自转铜靶阳极31四、四、X射线焦点射线焦点 （1）n1.焦点焦点：阳极靶面被电子束轰击并发出X射线的区域。n尺寸和形状：尺寸和形状：取决于灯丝，取决于灯丝，螺线形灯丝产生长方形焦点。长方形焦点。靶的焦点形状及接收方向 n2.衍射工作，希望X光光有： 较小焦点较小焦点（分辨本领高）（分辨本领高） 较高强度较高强度（曝光时间短）（曝光时间短）nX射线出射角：射线出射角：n常与靶面成3o8o（常为（常为6o）32四、四、X射线管的焦点射线管的焦点 （2）n3.焦点形状：焦点形状：1l0mm长方形。长方形。表观焦点：表观焦点：在出射方向上X射线束的截面积，缩小缩小。靶的焦点形状及接收

20、方向 n4.窗口窗口在与焦点长边焦点长边和短边短边相对位置。n短边：短边：表观焦点表观焦点正方正方，强度高。n长边：长边：表观焦点表观焦点线状线状，强度弱。33五、五、X 射线谱射线谱n1.对X光管施不同电压，不同电压，再测X射线强度射线强度和波长，波长，得强度与波强度与波长关系曲线，长关系曲线，称为X射线谱。射线谱。Mo阳极靶不同管压下连续X光谱 n2.如：Mo靶V20kV时，曲线连续变化，称连续连续X射线谱射线谱（或白色（或白色X射线）射线）。34（二）（二）连续连续X射线谱实验射线谱实验规律规律n1.不同管压下，各连续谱均有强度最大值；强度最大值；随管压管压V 强度强度；最高强度波长m

21、（移向短波端）。（移向短波端）。n2.在短波端均有最短极限波长最短极限波长称短波限短波限SWL ，随管压管压 短短波限波限SWL（移向短波端）。（移向短波端）。a）管压影响）管压影响 b）管流影响）管流影响 c）靶材影响）靶材影响35n3.X光最高强度光最高强度约在1.5SWL处。n4.管压不变，管流管流强度强度，但SWL、m不变。不变。n5.管压和管流相同，靶材Z强度，但SWL、m不变。不变。a）管压影响）管压影响 b）管流影响）管流影响 c）靶材影响）靶材影响36（三）（三）量子理论量子理论解释连续谱形成机理（解释连续谱形成机理（1）n1.量子理论观点：量子理论观点：n能量能量 e V电子

22、与靶原子碰撞，电子失去部分能量，并辐射出光子。每次碰撞产生一个能量为能量为 h的光子，光子，称此辐射为“韧致辐射韧致辐射”。n如：当管流I=10mA时，电子数目电子数目 n6.241016个/秒。n如此多电子到达靶上时间和条件都不相同，且大多数电子须电子须经多次碰撞，逐步把能量释放直到零，经多次碰撞，逐步把能量释放直到零，这样产生一系列能量为hi的光子序列，即形成连续谱连续谱。 37何以存在何以存在短波限短波限SWL？n极限情况：极限情况：极少数电子一次碰撞将全部能量一次性转化为一极少数电子一次碰撞将全部能量一次性转化为一个光子，个光子，此光子具最高能量和最短波长此光子具最高能量和最短波长（短

23、波限短波限SWL）。）。n一般情况：一般情况：光子能量电子能量。n极限情况：极限情况：光子能量电子能量光子能量电子能量，即SWLhceVhv（电子能量）（光子能量）max 将V和以kV和nm为单位，其它常数代入上式，则有：1.24()SWLhcnmeVV38（四）连续四）连续X射线辐射强度和发射效率（射线辐射强度和发射效率（1）n1.连续连续X射线总强度射线总强度（靶发出X光总能量）与连续谱强度分布连续谱强度分布曲线下所包络的面积曲线下所包络的面积成正比。成正比。21iZVKI 连式中：Z阳极靶的原子序数；i管电流（mA）； V管压（KV）；K1常数约为1.11.610-9。SWLdII）（连

24、39n2.X射线管效率：射线管效率：若X射线管仅产生连续谱时，若输入功率为输入功率为iV，则产生连续连续X射线效率射线效率或X射线管效率射线管效率：n可见，管压管压，靶材，靶材Z，管效率，管效率；n因常数K1(1.11.4）10-9，很小，即使用W靶（Z=74），管压为100kV时，1（Cu：0.1），效率是很低的。），效率是很低的。n为提高光管发射连续为提高光管发射连续X射线的效率：射线的效率：n 选用重金属靶，选用重金属靶， 施以高电压，施以高电压，就是这个道理。ZVKiViZVKXX121射线管的功率射线总强度连续40（五）特征（标识）（五）特征（标识）X射线谱射线谱n一、一、特征特征X

25、射线谱射线谱的形成的形成1.当管电压V增高到大于阳极靶材相应的某个临界值临界值VK时，即临VV 则在连续谱的某特定波长处出现一些强度高峰，峰窄而尖锐的线形光谱。 如：Mo靶35kV (0.063nm和0.071nm )的谱线示于图。41 一、一、特征特征X射线谱射线谱的形成的形成n2.改变管流、管压，改变管流、管压，这些谱线只改变强度，而峰位所对应的波长不变。n即特征波长特征波长只与靶原子序数只与靶原子序数Z有关，而与电压等无关，有关，而与电压等无关，故称特征特征X射线。射线。n3. 产生特征X射线的最低电压叫激发电压。激发电压。特征X射线42 二、二、实验规律实验规律n1.激发电压：激发电压

26、：取决于阳极靶的原子序数Z。对不同阳极靶临界激发电压是不同的。n2.阳极靶（Z）不同，所产生的特征X射线的波长波长也不同。n3.当管压超过激发电压激发电压时，特征X射线波长波长不变，而强度强度按n次方的规律增大。式中：i管流，V管压，n常数（1.52)，C比例常数，与特征X射线波长有关。nVVCiI）激特征(n4.X光管压V（35）V激激时，特征特征X射线射线与连续连续X射线射线的比比率率为最大。（有利于衍射）（有利于衍射）43三、三、产生机理的分析（产生机理的分析（1）n特征特征X射线产生机理射线产生机理与连续X射线不同，它与阳极靶物质的原子结构紧密相关的。 内层电子跃迁辐射X射线示意图1.

27、 若高速电子的动能足够大，将K壳层壳层中某个电子击出。临界激发电压：产生K激发的能量为Wk=E-EK，阴极电子的能量必须满足eVWk，才能产生K激发，称为临界激发电压。2.则在被击出电子的位置出现空位，原子系统能量升高，处于“激发态激发态” 。若L壳层壳层电子K壳层壳层后，能量降低。KLEEE44三、三、产生机理的分析（产生机理的分析（2）n3.这多余能量以一个X射线光量子射线光量子的形式辐射出来，则光子能量光子能量：4. 对原子序数 Z 的物质，各原子能级的能量是固有的，所以，EKL便为固有值，也是固有的。这也就解释了特征特征X射线波长为射线波长为一定值（特征值）一定值（特征值）的原因。内层

28、电子跃迁辐射X射线示意图/hchEKL45Balmer线系，K激发态L激发态M激发态N激发态KKKLLMKELEMEL K K谱线谱线 (跨越 1个能级 )M K K谱线谱线 (跨越 2个能级 )N K K谱线谱线 (跨越 3个能级 )ML L谱线谱线 (跨越 1个能级 )NL L谱线谱线 (跨越 2个能级 ) 依次类推还有M线系线系 。原子能级示意图 即n = 2 时称为巴耳末线46 三、三、产生机理的分析（产生机理的分析（3）n5. K线线比比K线线 波长长而强度高波长长而强度高在原子系统中，各能级能量不同，且各能级间能量差也不均布，愈靠近原子核愈靠近原子核的相邻能级间的能量差愈大。的相邻

29、能级间的能量差愈大。 另外，因由LK层电子跃迁几率比由MK层约大5倍左右，故K线强度要比线强度要比K线高线高5倍左右倍左右。KLKMEEKKhcE KKII547 三、三、产生机理的分析（产生机理的分析（4）n6.同一壳层还有若干个亚能级亚能级，电子所处能量不同，其能量差也固定。如：nL 层：层：8个电子分属于L，L，L三个亚能级；n不同亚能级上电子跃迁会引起特征波长的微小差别。实验证明： K由Kl 和 K2 双线组成的。 Kl：L K 壳层； K2： L K 壳层；K双重线48 三、三、产生机理的分析（产生机理的分析（5）n7.又因LK (Kl)的跃迁几率较LK(K2)的大一倍，故组成K两条

30、线的强度比为： 如：W靶：靶：Kl0.0709nm，K20.0714nm，一般情况下是分不开的，K线波长线波长取其双线波取其双线波长的加权平均值：长的加权平均值：212KKII231321KKK49n几种常见阳极靶材和特征谱参数几种常见阳极靶材和特征谱参数50用X射线产生机理解释：n1）不同阳极靶有其固定的临界激发电压。n2）K空后，空位由L层电子占据的几率比M层大45倍。K强度是K的45倍。K的强度更小。n3）K波长比K更短。n4）V升高时，特征X射线波长不变。51（六）特征X射线的应用莫塞来定律莫塞来定律n特征X射线谱是由布拉格发现，并经莫塞来加以系统化的。同系特征X射线的波长，随阳极靶的

31、原子序数的增加而变短，在射线频率v的平方根和原子序数Z之间存在线性关系，即：这个关系式称为莫塞来定律。（K和都是常数）n是X射线荧光分析射线荧光分析和电子探针微区成分分析电子探针微区成分分析的理论基础。1()K Z52第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用nX射线与物质相互作用射线与物质相互作用是个复杂过程。n一束X射线通过物体后，其强度将被衰减，这是被散射和吸收的结果，且吸收是造成强度衰减的主要原因。53一、一、X射线的散射射线的散射一、X射线的散射射线的散射 X射线照射物质上时，偏离了原来方向的现象。射线照射物质上时，偏离了原来方向的现象。主要是核外核外电子电子与X射线射

32、线的相互作用，相互作用，会产生两种散射效应。n1. 相干散射相干散射（coherentscattering）n入射入射X射线射线与物质原子中内层电子内层电子作用，当X光子能量不足以使电子激发时，把能量转给电子能量转给电子，电子则绕其平衡位置发生受迫振动受迫振动，成为发射源向四周辐射与入射X光波长（振动频率）相同电磁波（散射波）散射波）。n各电子电子散射波散射波振动频率相同振动频率相同、位相差恒定位相差恒定，符合干涉条件干涉条件，发生相互干涉，称为相干散射相干散射。542非相干散射非相干散射（康普顿康普顿吴有训效应吴有训效应）n2. 非相干散射非相干散射：（incoherentscatterin

33、g）nX光子光子与外层价电子外层价电子相碰撞时的散射。可用一个光子光子与一个电电子子的弹性碰撞弹性碰撞来描述。 电子：电子：将被撞离原方向被撞离原方向并带带走光子部分动能走光子部分动能成为反冲电反冲电子；子； X光量子：光量子：因碰撞而损失部分能量，其波长增加，波长增加，并与原方向偏离偏离2角。角。X射线非相干散射 55n 能量守恒定律：散射光子和反冲电子能量之和散射光子和反冲电子能量之和等于入射光入射光子能量。子能量。可导出散射波长的增大值散射波长的增大值为:2：为入射光与散射光的传播方向间夹角。)2cos1 (0024. 0X射线非相干散射 可见，散射光波长变化散射光波长变化与入射光波长入

34、射光波长 无关，只与散射散射角角 2 有关。 56n 经典电磁理论：经典电磁理论：不能解释存在及随2而改变现象，此散射现象和定量关系遵守量子理论规律，遵守量子理论规律，也叫量子散射量子散射。X射线非相干散射 此空间各方向散射波散射波与入射波入射波波长不同波长不同，位相关系也不确定，位相关系也不确定，不产生干涉效应，称非相干散非相干散射。射。 非相干散射：非相干散射：不参与对晶体的不参与对晶体的衍射，衍射，只会增加衍射背底，增加衍射背底，对衍射不利。 入射波长越短、被照射物质元入射波长越短、被照射物质元素越轻，此现象越显著。素越轻，此现象越显著。57n 非相干散射效应：非相干散射效应：由美国物理

35、学家美国物理学家康普顿康普顿（A.H.Compton）在在1923年发现的，年发现的，也称康普顿散射。康普顿散射。n我国物理学家吴有训吴有训参加了实验工作，故称康吴效应。康吴效应。n因此，康普顿康普顿于1927年获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。1927年的A.H.康普顿中国物理学家吴有训58（一）（一）X射线的真吸收射线的真吸收n1、光电效应与荧光光电效应与荧光X射线：射线：n1 1）光电效应：光电效应：当入射X光子能量足够大，将内层电子击出，成为自由电子（称光电子光电子），原子则为激发态，外层电子向内层空位跃迁，并辐射出一定波长的特征辐射出一定波长的特征X射线。射线。被打出的电子称为光

36、电被打出的电子称为光电子，所辐射出的次级特征子，所辐射出的次级特征X射线射线称称二次特征二次特征X射线射线或荧光或荧光X射线。射线。 为区别入射入射X射线射线，称其为二次二次特征特征X射线射线或荧光荧光X射线。射线。 以入射X射线激发原子激发原子所发生的激发激发和和辐射辐射的现象称为“光光电效应电效应”。入射入射X射线射线二、二、X射线的吸收射线的吸收59n2）光电效应光电效应使入射X射线消耗大量的能量，表现为物质对入射物质对入射X射线的强烈吸收。射线的强烈吸收。图1-10 X光量子能量及质量吸收系数随波长的关系 在质量吸收系数曲线（m- ）上，表现为吸收系数的突变，吸收系数的突变，此对应波长

37、称吸收限吸收限。（如图）60n3）产生产生K系荧光辐射条件系荧光辐射条件（激发限激发限）n入射光子能量入射光子能量h须大于或等于须大于或等于K层电子的逸出功层电子的逸出功WK，即： VK把原子中K层电子击出层电子击出所需的最小激发电压。最小激发电压。 K把K层电子击出层电子击出所需的入射光最长波长。入射光最长波长。表明：表明：只当入射只当入射X光波长光波长K1.24VK 时，才能产生时，才能产生K系系荧光辐射。荧光辐射。KKV24.1)(24. 1nmVeVhcKKKKKeVWhc61n4.）讨论光电效应产生的条件光电效应产生的条件时，K称K系激发限系激发限；n讨论X射线被物质吸收射线被物质吸

38、收时，K称为吸收限。吸收限。a.当入射线波长波长光子能量，易穿过吸收体，则质量吸收系数质量吸收系数m ；b. 当当K时，时，入射光子能量刚好击出吸收体的电子，形成大量光电子及二次荧光，光电效应最强光电效应最强烈，烈，使m突然上升突然上升；c. 当进一步进一步 ，K，光电效应光电效应饱和饱和，多余能量穿透过吸收体；穿透，。 62n5）注意：n吸收限：吸收限：K1.24VK (nm)；n连续X射线谱中短波限：短波限：0=1.24V (nm)两者形式完全相同形式完全相同，但意义决然不意义决然不同：同：n1.连续谱的短波限0随V的升高而变小；n2.后者，说明每种物质的K激发限波长都有它特定的值。63n

39、应用与避免：应用与避免：nX射线衍射分析，荧光X射线造成衍射花样的的背底比非相干散射要严重的多，因此应设法避免它，如选靶时，应使靶的特征X射线波长不短于试样物质的激发限等等。n避免避免nX射线荧光光谱分析，要利用荧光X射线进行成分分析。应用应用642、俄歇俄歇（Auger）效应效应n1）当K层电子被击出后，原子处K激发态，能量为EK。若L层电子跃入K层填补空位。能量由EKEL，同时将有多余能量释放出来。光电子、俄歇电子和荧光x射线三种过程示意图 能量释放会产生两种效应：能量释放会产生两种效应：A.产生产生KX射线辐射；射线辐射；B.产生俄歇电子：俄歇电子：即能量被邻近电子或较外层电子（另一LI

40、I电子）所吸收，该电子受激发逸出变为二次电子。二次电子。65n2）该俄歇俄歇电子电子能量有固定值能量有固定值，按上例近似为光电子、俄歇电子和荧光X射线三种过程示意图 此具有特征能量的电子具有特征能量的电子是俄歇俄歇（M. P .Auger）于1925年年发现的，称为俄歇电子俄歇电子。LLKEEEE 从L层逃出的叫 KLL 俄歇电子；俄歇电子；也可存在 KMM 俄歇电子。俄歇电子。 66俄歇效应的特点和应用：俄歇效应的特点和应用：n1）俄歇电子能量：俄歇电子能量：只取决于该物质的原子能级结构，只取决于该物质的原子能级结构，是一种元素的固有特征。元素的固有特征。n2）俄歇电子能量很低：俄歇电子能量

41、很低：只有几百几百eV，深处信号测量不到。 俄歇电子能谱仪俄歇电子能谱仪最合适对固体表面对固体表面23层原子层的成分层原子层的成分分析分析，并还可进行逐层分析。逐层分析。n3）实验表明：轻元素俄歇电子的发射几率比荧光轻元素俄歇电子的发射几率比荧光X射线发射射线发射几率大。几率大。所以，俄歇谱仪适合于对轻元素的成分分析。俄歇谱仪适合于对轻元素的成分分析。67n1.X光通过物质而强度衰减通过物质而强度衰减X射线与物质作用主要是射线与物质作用主要是X射射线被线被散射散射和和吸收吸收使得使得X射线被减弱。射线被减弱。 n当强度为强度为 I0 的X射线照射到厚度厚度 t的均匀物质上，在通过深度为x 处处

42、的dx厚度厚度的物质时，强度衰减强度衰减与dx成正比。dxIdIlxx对0t积分lteII0l为常数，称为线吸收系数线吸收系数。lteII0称为透射系数透射系数。（二）（二）t68n2. 线吸收系数线吸收系数l：表征X射线通过单位厚度单位厚度物质的相对衰减量，与物质种类物质种类、密度密度、X光波长光波长有关。n为了消除吸收系数对物理状态的依赖性，特别是单位体积内所含的物质数量及物质的组成，使用质量吸收系数m cm2g替代L：lm吸收体密度，物质固有值；物质固有值，可查表。mtmeII069n3.m 物理意义：物理意义：X射线通过单位面积上单位质量物质后强度相对衰减量。nm与物质密度密度和状态（状态（温度、压力等）温度、压力等）无关；而与物质原原子序数子序数 Z和X射线波长射线波长有关。其经验公式为：33ZKmn对一定的吸收体，