X射线物理学基础

X射线物理学基础材料学院汪静材料分析测试技术之一本章主要内容第一节X射线的本质第二节X射线谱第三节X射线与物质相互作用第一节X射线的本质X射线的历史X射线的性质X射线的特征X射线范围X射线的产生X射线管X射线仪X射线的影响1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线1912年，德国物理学家劳厄发现了X射线在晶体中的衍射现象，确证了X射线是一种电磁波1912年，英国物理学家Brag父子利用X射线衍射测定了NaCl晶体的结构，开创了X射线晶体结构分析的历史1、X射线的历史与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单

2、X射线的性质

X射线是一种电磁波，具有波粒二象性波动性波长：10－2～102Å规律：

=c/粒子性

X射线由具有能量E、动量P、质量m的X光子组成E=hv

P=h/h为普朗克常数，6.62617610-27尔格硬X射线：波长较短、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、能量较低、穿透性弱。用于分析非金属的分析。度量单位：Å、kX、nm1nm=10Å=10-9m1kX=1.0020772±0.000053Å3、X射线的特征X射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑纸及许多对于可见光不透明的物质X射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片感光X射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织在受到X射线的辐射时，生理上会产生一定的反应4、X射线的范围5、X射线的产生

高速运动的电子流

射线X射线中子流

高能辐射流突然减速,产生X射线

5.1X射线产生条件产生自由电子的电子源电子作定向的高速运动在电子运动的路径上设置一个障碍物如阳极靶使电子突然减速或停止阴阳极封闭在10-3Pa的高真空中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X射线X射线5.2过程演示6、X射线管

X射线管

电子枪：产生电子并将电子束聚焦。钨丝螺旋式，通电流放出自由电子。

金属靶：发射X射线。通常由传热性好熔点较高的金属材料制成。如铜、钻、镍、铁、铝等。

X射线管剖面图

结构阴极：发射电子阳极：亦称靶，使电子突然减速和发射X射线窗口：X射线从阳极靶向外射出的地方焦点：阳极靶面被电子束轰击的地方X射线管实物图7、X射线仪

8、X射线的影响

使一些物质发出可见的荧光使离子固体发出黄褐色或紫色的光促进物质的合成引起生物效应，导致新陈代谢发生变化；x射线与物质之间的物理作用，可分为X射线散射和吸收。X射线的强度连续X射线特征X射线第二节X射线谱1、连续谱：强度随波长连续变化2、特征谱：波长一定、强度很大又称为标识谱X射线谱

1、X射线的强度

定义

垂直X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。单位是J/cm2·s决定因素

光子能量hv、光子数目nI=nhv

最大值出现在1.5λ0处2、连续X射线谱

连续谱示意图2.1连续谱产生机理电子与阳极靶碰撞，电子失去能量，其中部分以光子的形式辐射，这样的光子流即为X射线单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，出现连续X射线谱。K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（击走N电子）击走价电子中性原子WkWlWmWn0原子的能量电子冲击阳级靶X射线射出过程演示2.2连续X射线谱的规律

X射线强度与管压的关系X射线强度与管流的关系X射线强度元素的原子序数的关系2.3短波限

定义连续X射线谱在短波方向有一个波长极限。只与管电压有关，不受其它因素的影响。数量关系

e电子电荷，4.803×10-10V电子通过两极时的电压降

h普朗克常数，6.625×10-34j·s2.4连续谱的X射线强度经验公式C为常数，Z为阳极材料的原子序数经验公式

K为常数,1.1-1.5×10-9Z为阳极靶元素的原子序数

I为X射线管的电流强度，V为管电压X射线管的效率3、特征X射线

特征谱示意图3.1特征X射线产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密相关电子按泡利不相容原理和能量最低原理排布。在轰击阳极的过程中，具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出，在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。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特征X射线M态（击走M电子）N态（击走N电子）K态（击走K电子）L态（击走L电子）击走价电子中性原子WkWlWmWn0原子的能量K激发L激发Ka辐射Kβ辐射L辐射过程演示3.3K系激发示意图管电压超过激发电压时才能产生特征谱线靶元素的原子序数越大，激发电压越高Kα的强度约为Kβ的5倍激发限K系激发的特点3.4

莫塞莱定律

表征特征X射线谱的波长λ与原子序数Z关系C，σ都是常数3.5特征X射线的强度c为比例常数，V激为阳极靶元素特征X射线的激发电压，I为管电流，V为管电压当I特/I连最大，工作电压为激发电压的3-5倍时，连续谱造成的衍射背影最小。X射线的散射

X射线的衰减吸收限X射线的折射总结X射线的安全防护第三节

X射线与物质相互作用1.1相干散射电子在X射线作用下，产生强迫振动。每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象1、X射线的散射相干散射,非相干散射一、汤姆逊公式Ie：散射X射线的强度;I0：入射X射线强度e：电子电荷;m：电子质量;c:光速2θ：电场中任一点到原点连线与入射X射线方向的夹角R：电场中任一点到发生散射的电子的距离fe=e2/mc2:电子的散射因子(1+cos22θ)/2:为极化因子或偏振因子在各个方向上散射强度不同，2θ＝0°处强度最强，2θ＝90°强度最弱散射波强度与入射波频率无关散射强度与入射强度相比，强度很弱二、X射线散射的特点1.2非相干散射

X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时，电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。康普顿效应：用量子理论描述，亦称量子散射。增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。1.3二次特征辐射二次特征辐射：荧光辐射，激发限光电效应俄歇效应2、X射线的衰减X射线衰减图示

设入射X射线强度为I0，透过厚度为P的物质后强度为I，I＜I0；在被照射的物质中取一深度为X处的小厚度元dX，照到此小厚度元上的X射线强度为Ix，透过此厚度元的X射线强度为Ix+dx，则强度的改变为：dIx

＝Ix+dx－Ix

＝＝－μL·dx

当x＝0时，Ix＝I0，I/I0=

2.1衰减公式推导2.2相关概念及物理意义线衰减系数，L线吸收系数，τ

散射系数，σ质量吸收系数m2.3质量吸收系数质量吸收系数的加和性μmi为第i种元素的质量吸收系数Wi为各元素的质量分数3、吸收限吸收限主要是由光电效应引起的：当X射线的波长等于或小于λk时，光子的能量达到击出一个K层电子的功W，X射线被电子吸收，激发光电效应，使μm突变性增大。吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有二个副层，有二个吸收限。滤波片的选择

吸收限位于Kα和Kβ之间，尽量靠近Kα，强烈吸收Kβ，Kα吸收很小；Z靶<40时Z滤片=Z靶-1；Z靶>40时Z滤片=Z靶-2；滤波片的厚度以将Kα强度降低一半最佳阳极靶的选择阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限；试样对X射线的吸收最小。Z靶≤Z试样+1吸收限的应用4、X射线的折射折射率约为0.99999-0.9999995、X射线与物质相互作用的总结热能透射X射线衰减后的强度I0散射X射线电子荧光X射线相干的非相干的反冲电子