射线物理学基础

射线物理学基础第一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三2第一章

X射线物理学基础

第二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三3第一节X射线的性质第二节X射线的产生与X射线谱第三节X射线与物质的相互作用第一章X射线物理学基础第三页，共六十九页，编辑于2023年，星期三41、X射线的发现1895年11月8日，德国物理学家伦琴（W.Röntgen

）在研究真空管高压放电现象时偶然发现涂有氰亚铂酸钡硬纸板发出浅绿色荧光，试着木块、硬橡胶等挡也挡不住，甚至可透过人的骨骸!当时对此射线本质尚无了解，故取名X射线（伦琴射线）。这一伟大发现，伦琴于1901年第一位诺贝尔奖获得者。威廉·康拉德·伦琴（1845-1923）摄于1896年第四页，共六十九页，编辑于2023年，星期三52、伦琴夫人的手－摄于1895年12月22日六个星期后，伦琴确认是一种新射线，才告诉自己夫人。1895年12月22日，他邀请夫人来到实验室，用光电管照射15分钟，拍下第一张人手X射线照片。伦琴发现X射线后，一个月内发表了《一种新射线》的文章，引起社会各界强烈的反应，各国竞相开展试验研究。第五页，共六十九页，编辑于2023年，星期三63、X射线在医学界应用－X射线透视学虽未了解此现象本质，但其有强大穿透力，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。后来又用于金属探伤，对工业技术也有很大促进作用。

X射线最初医疗诊断－1896.2.3美国Dr.EdwinFrost(1866-1935)第六页，共六十九页，编辑于2023年，星期三74、X射线本质的认识1895～1897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射线虽人眼看不见，但能使某些物质发出荧光。使照相底片感光，使气体、原子电离。2、X射线沿直线传播，经电场或磁场不发生偏转。3、X射线有很强穿透力，通过物质时可被吸收而强度衰减。4、X射线还能杀伤生物细胞……等特性。但对X射线本质的认识，是对晶体结构的研究，即与X射线在晶体中发生衍射现象是分不开的。第七页，共六十九页，编辑于2023年，星期三85、X射线衍射现象发现1912年，德国物理学家劳埃（M.VonLaue）利用晶体作为天然光栅成功观察到了X射线衍射现象。他用CuSO4·5H2O进行实验，获得了第一张X射线衍射照片。1914年，获诺贝尔物理学奖。MaxvonLaue马克斯•冯•劳埃(1879-1960)

CuSO4·5H2O衍射照片世界上第一张X射线衍射照片第八页，共六十九页，编辑于2023年，星期三并由光的干涉条件出发导出描述衍射线空间方位与晶体结构关系的公式（称劳埃方程）。劳埃方程式第九页，共六十九页，编辑于2023年，星期三105、X射线衍射现象的发现X射线衍射现象发现：1、肯定了X射线的本质。即是一种电磁波，有波动性。2、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→纳米级，有更接近本质的认识。用X射线研究晶体结构工作－X射线晶体学或X射线衍射学。第十页，共六十九页，编辑于2023年，星期三116、布拉格定律的建立英国布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.bragg）对此进行开创性工作。1912年，小布拉格进行了劳埃实验后认为：衍射斑点的产生是射线受到类似镜面“反射”的结果。并导出布拉格方程，推算出KCl及NaCl原子排列方式，真正测量了X射线波长。后一工作导致1913-1914年莫塞莱（H.G.J.Moseley)定律的发现。n＝1、2、3…第十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三127、莫塞莱定律的发现1913年，英国物理学家莫塞莱（1887～1915）在研究X射线光谱时发现：特征X射线频率ν或波长λ只取决于阳极靶物质的原子能级结构（原子序数），此规律称莫塞莱定律。式中：K——与靶材物质主量子数有关的常数；

σ——屏蔽常数，与电子所在的壳层位置有关。成为X射线荧光分析和电子探针微区成分分析的理论基础。

或第十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三第一节X射线的性质第十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期三14一、X射线的波动性X射线属电磁波，同时具有波动性和粒子性。1、波动性表现为以一定频率和波长在空间传播，具有干涉与衍射现象；描述参量：频率ν和波长λ。2、同时有电场矢量E和磁场矢量H，以相同周相，在两相互垂直平面内作周期振动，且与传播方向垂直，以光速呈直线传播。X射线衍射分析主要由电场矢量E引起的物理效应。第十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期三15一、X射线的波动性3、X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。波长法定单位为：nm，以前也常用埃（Å）。（1nm=10-9m＝10Å）X射线波长：0.01～10nm，两边与紫外线及γ射线重叠。晶体结构分析：波长在0.05～0.25

nm，波长较短的X射线，习惯上称为“硬X射线”。波长较长的X射线称为“软X射线。第十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期三16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射线波长γ射线

频率标准无线电波长波TV/FM

短波长波第十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期三17一、X射线的波动性4、电场矢量E

随传播时间或距离呈周期性波动，波振幅为A（或E0）。一束沿x轴方向传播的波长为λ的X射线波方程为：(a)x一定时波振幅随t的变化；(b)t一定时波振幅

随x的变化ν－频率c/λ第十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期三18X射线波方程一束沿x轴方向传播波长为λ的X射线波方程为：若以Ф表示相位，即令则当t=0，A=A0eiф，eiф称为“相位因子”。第十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期三19二、X射线的粒子性1、X射线波动性无法解释X射线的光电效应、荧光辐射等现象，X射线还有－粒子性2、粒子性表现为以光速运动的大量微观粒子组成不连续粒子流，称为“光子”或“光量子”。在与物质（原子或电子）相互作用时，有交换能量，能被原子或电子吸收或被散射。其描述参量为能量E、动量P。3、波动性与粒子性描述参量间的关系：ν－X射线频率；h－普朗克常数（6.626×10-34J·s）

c－X射线传播速度（2.998×108m/s）第十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期三20三、X射线的强度1、X射线强度－－用波动性观点描述：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，强度与波振幅A2

成正比。2、X射线强度－－用粒子性观点描述：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。3、绝对强度单位是J／(m2·s)，但难以测定，常用相对强度，如：底片相对黑度、探测器（计数管）计数值等。第二十页，共六十九页，编辑于2023年，星期三21X射线波粒二相性1.X射线波动性：反映物质运动的连续性；X射线粒子性：反映物质运动分立性。2.对同一辐射所具有的波动性与粒子性的描述：

①可用时间和空间展开的数学形式来描述；②

可用统计学法确定某时间、位置粒子出现概率来描述。因此，须同时接受波动和粒子两种模型。3.X射线上述特性，成为研究晶体结构、进行元素分析、医疗透视和工业探伤等方面的有力工具。第二十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三第二节X射线的产生与X射线谱第二十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三23第二节X射线的产生与X射线谱一、X射线产生：1.X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。2.

X射线产生条件：1）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（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（靶）据此，就可理解X射线发生器的构造原理了。第二十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期三24二、X射线管的结构（1）1.阴极：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。2.阳极：“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。阴极阳极第二十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期三25二、X射线管的结构（2）3.窗口：X射线射出通道，常有两个或四个。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（Be）。4.聚焦罩：加在阴极灯丝外，使灯丝与聚焦罩保持约400V电位差，可聚焦电子束。窗口第二十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期三26二、X射线管的结构（3）5.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1％能量转化为X射线，99％转变为热能，故靶须水冷，以防止阳极过热的熔化。冷却水第二十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期三27荷兰Philips公司第二代陶瓷X射线管焦点三维精确定位(预校准模块化的基础）陶瓷灯体绝缘度高重量轻超长寿命无需校准第二十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期三28美国热电瑞士ARL公司新型陶瓷X光管X-rayTubesCeramicTube（陶瓷光管）

GlassTube（玻璃光管）PossibletargetsareCu,Cr,Fe,CoorMo可有的靶材为：Cu，Cr，Fe，Co或Mo第二十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期三29三、X射线光管分类a.按制造材料可分：玻璃光管和金属陶瓷光管。b.按阳极靶可动与否：固定靶X光管；自转靶X光管。日本理学公司自转铜靶阳极第二十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期三30四、X射线焦点1、焦点：阳极靶面被电子束轰击并发出X射线的区域。螺线形灯丝产生1×l0mm长方形焦点。靶的焦点形状及接收方向

2、衍射工作，希望X光有：较小焦点（分辨本领高），较高强度（曝光时间短）X射线出射角：常与靶面成3o～8o（常为6o）3、表观焦点：短边：表观焦点为正方，强度高。长边：表观焦点为线状，强度弱。第三十页，共六十九页，编辑于2023年，星期三31五、X射线谱（一）连续X射线谱对X光管施加电压V，并维持一定管电流i，得到X射线强度和波长的关系曲线，称为连续X射线谱。Mo阳极靶不同管压下连续X光谱

如：Mo靶V≤20kV时，各电压下曲线连续变化的连续X射线谱。特点：X射线波长从一最小值λSWL向长波方向延伸，强度在λm

处最大值。λSWL称为该管压下的短波限

。第三十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三32（二）连续X射线谱实验规律X射线连续谱受管压V、管电流

i和阳极靶材的原子序数

Z的作用，其规律：a）管压影响2、X光最高强度约在1.5λSWL处。1、随管压V↑→各波长X射线强度↑；短波限λSWL和最高强度波长λm均减小↓（移向短波端）。第三十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三333、当管压不变，管流↑→各波长X射线强度↑，但λSWL、λm不变。4、在相同管压和管流下，阳极靶材Z↑→连续谱的强度↑，但λSWL、λm不变。b）管流影响c）靶材影响第三十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期三34（三）量子理论解释连续谱形成机理（1）1.量子理论观点：能量eV电子与靶原子碰撞，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ε＝hν的光子，称此辐射为“韧致辐射”。如：当管流I=10mA时，电子数目n＝6.24×1016个/秒。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hνi的光子序列，即形成连续谱。第三十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期三35何以存在短波限λSWL？一般情况：光子能量≤电子能量。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个光子，此光子具最高能量和最短波长（短波限λSWL）。极限情况：电子能量＝光子能量，即

将V和λ以kV和nm为单位，其它常数代入上式，则有：第三十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期三36何以存在强度极大值？连续谱强度极大值存在原因：X射线强度：指在垂直于X光传播方向的单位面积上，在单位时间内光量子数目的能量总和。即由光子能量hν和光子数量n两因素决定的。则：X光最高强度约在1.5λSWL处。第三十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期三37（四）连续X射线强度和发射效率（1）1、连续X射线总强度（靶发出X光总能量）与连续谱强度分布曲线下所包络的面积成正比。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1.1～1.6×10-9。第三十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期三382、X射线管效率：若X射线管仅产生连续谱时，若输入功率为iV，则产生连续X射线效率或X射线管效率η：可见，管压↑，靶材Z↑，管效率η↑；因常数K1＝(1.1～1.4）×10-9，很小，即使用W靶（Z=74），管压为100kV时，η≈1％（Cu：0.1％），故效率是很低的。为提高光管发射连续X射线的效率：①选用重金属靶，②施以高电压，就是这个道理。第三十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期三39（五）特征（标识）X射线谱一、特征X射线谱1.当光管电压V增高到大于阳极靶材相应的某个临界值VK时，即

则在连续谱的某特定波长处出现一些强度高，窄而尖锐的线形光谱峰。如图：Mo靶35kV(0.063nm和0.071nm)的谱线。第三十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期三40

一、特征X射线谱2.

改变管流、管压，这些谱线只改变强度，而峰位所对应的波长λ不变。即特征波长λ只与靶材的原子序数Z有关，而与电压等无关，故称特征X射线。3.产生特征X射线的最低电压叫激发电压。

特征X射线第四十页，共六十九页，编辑于2023年，星期三二、实验规律1、阳极靶材（Z）不同，产生的特征X射线的波长也不同。由莫塞莱定律：特征X射线波长λ和阳极靶材原子序数Z关系表明：阳极靶材原子序数Z越大，相应的同一线系的特征X射线波长越短。第四十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三42

二、实验规律

2、改变管流、管压，只改变特征X射线强度，而波长λ不变。式中：i－管流，V－管压，n－常数（1.5～2)，

C－比例常数，与特征X射线波长λ有关。3、当管压V超过激发电压时，特征X射线强度随管电压U和管电流i的提高而增大。即，特征X射线波长不受光管电压、电流的影响，只决定于阳极靶材元素的原子序数。第四十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三二、实验规律4、激发电压：取决于阳极靶的原子序数Z。不同阳极靶材：其临界激发电压是不同的。5、X光管电压V＝（3～5）V激时，产生的特征X射线与连续X射线的比率为最大第四十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期三44三、产生机理的分析（1）特征X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.

若高速电子的动能足够大，将K壳层中某个电子击出。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”，能量为EK。3.

若L层电子→K层跃迁后，此时能量EL

，能量降低，自发进行。第四十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期三45三、产生机理的分析（2）4.这多余能量以一个X射线光量子的形式辐射出来，则光子能量：内层电子跃迁辐射X射线示意图5.对原子序数Z的物质，各原子能级的能量是固有的，所以，ΔEKL便为固有值，λ也是固有的。即特征X射线波长为一定值（特征值）。第四十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期三46特征X射线命名Balmer线系，K激发态L激发态M激发态N激发态L→K

Kα谱线

(跨越1个能级)M→K

Kβ谱线

(跨越2个能级)N→K

Kγ谱线

(跨越3个能级)M→L

Lα谱线

(跨越1个能级)N→L

Lβ谱线

(跨越2个能级)依次类推还有M线系……。原子能级示意图即n=2时称为巴耳末线第四十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期三47

三、产生机理的分析（5）6.Kα线比Kβ线波长长而强度高。原子系统中各能级能量不同，且各能级间能量差也不均布，愈靠近原子核的相邻能级间的能量差愈大。另外，因由L→K层电子跃迁几率比由M→K层约大5倍，故Kα强度比Kβ高5倍左右。第四十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期三48

三、产生机理的分析（4）7.同一壳层还有若干个亚能级，电子所处能量不同，其能量差也固定。L层：8个电子分属LⅠ，LⅡ，LⅢ三个亚能级；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：

Kα由Kα1

和Kα2

双线组成的。

Kα1：LⅢ→

K

壳层；

Kα2：

LⅡ

→K

壳层；Kα双重线第四十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期三49

三、产生机理的分析（3）8.又因LⅢ→K

(Kαl)的跃迁几率较LⅡ→K

(Kα2)大一倍，故组成Kα

两条线的强度比为：一般情况下是分不开的，如：W靶：Kαl＝0.0709nm，Kα2＝0.0714nmKα线波长取其双线波长的加权平均值：第四十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期三50几种常见阳极靶材和特征谱参数第五十页，共六十九页，编辑于2023年，星期三51第三节X射线与物质的相互作用X射线与物质相互作用是个复杂过程。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。无损探伤检测X射线衍射结构分析娥歇电子能谱成分分析光电子能谱成分分析X荧光光谱成分分析第五十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三52一、X射线的散射一、X射线的散射

X射线照射物质上，偏离了原来方向的现象，即发生散射。散射：主要是物质原子的核外电子与X射线相互作用的结果，不同的核外电子会产生两种不同散射效应。1、相干散射（coherentscattering）入射X射线与物质原子中内层电子作用，当X光子能量不足以使电子激发时，将其能量转给电子，电子则绕其平衡位置发生受迫振动，成为发射源向四周辐射与入射X射线波长（振动频率）相同电磁波（即电子散射波）。各电子散射波振动频率相同、位相差恒定，符合干涉条件，发生相互干涉，称为相干散射。第五十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三531、相干散射（弹性散射或汤姆逊散射）2、英国物理学家J.J.汤姆逊（J.J.Thomson，1856-1940)用经典方法研究了此现象，并推导出相干散射强度的汤姆逊散射公式，也称汤姆逊散射。当入射X射线为非偏振时，在空间一点P的相干散射强度：I0－入射线强度；μ0＝4π×10－7m·kg·C-2

fe2＝7.94×10-30m2电子散射因素fe偏振因数第五十三页，共六十九页，编辑于2023年，星期三542．非相干散射（康普顿—吴有训效应）2、非相干散射：（incoherentscattering）

X光子与外层价电子相碰撞时的散射。可用一个光子与一个电子的弹性碰撞来描述。X射线非相干散射①电子：将被撞离原方向并带走光子部分动能成为反冲电子；②X光：因碰撞而损失部分能量，其波长增加，并与原方向偏离2θ角。第五十四页，共六十九页，编辑于2023年，星期三55③能量守恒定律：散射光子和反冲电子能量之和等于入射光子能量。可导出散射波长的增大值Δλ为:2θ：为入射光与散射光的传播方向间夹角。X射线非相干散射④可见，散射光波长变化Δλ与入射光波长λ无关，只与散射角2θ有关。第五十五页，共六十九页，编辑于2023年，星期三56⑤经典电磁理论：不能解释Δλ存在及随2θ而改变现象，此散射现象和定量关系遵守量子理论规律，也叫量子散射。X射线非相干散射

⑥此空间各方向散射波与入射波波长不同，位相关系也不确定，不产生干涉效应，称非相干散射。⑦非相干散射：不参与对晶体的衍射，只会增加衍射背底，对衍射不利。

入射波长越短、被照射物质元素越轻，此现象越显著。第五十六页，共六十九页，编辑于2023年，星期三57⑧非相干散射效应：由美国物理学家康普顿（A.H.Compton）在1923年发现的，也称康普顿散射。我国物理学家吴有训参加了实验工作，故称康－吴效应。因此，康普顿于1927年获诺贝尔物理学奖。1927年的A.H.康普顿中国物理学家－吴有训第五十七页，共六十九页，编辑于2023年，星期三58二、X射线的吸收（一）透射系数与吸收系数1.X光通过物质而强度衰减，或被物质吸收。当强度为I0

的X射线照射到厚度t的均匀物质上，在通过深度为x处的dx厚度的物质时，强度衰减与dx成正比。对0～t积分μl－为常数，称为线吸收系数。称为透射系数。第五十八页，共六十九页，编辑于2023年，星期三592.线吸收系数μl：表征X射线通过单位厚度物质的相对衰减量，与物质种类、密度、X光波长有关。用质量吸收系数μm

[cm2／g]：－吸收体密度，物质固有值；－物质固有值，可查表。第五十九页，共六十九页，编辑于2023年，星期三60质量吸收系数μm物理意义3.

μm

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。μm与物质密度ρ和状态无关；而与物质原子序数Z和X射线波长λ有关。其经验公式为：对一定吸收体，波长λ越短，穿透能力越强，吸收系数下降，但随波长降低并非连续变化，而在某波长突然升高，出现吸收限。第六十页，共六十九页，编辑于2023年，星期三614.多元素化合物、固溶体或混合物质量吸收系数计算：

混合物、化合物的质量吸收系数：为各组分的质量吸收系数（μmi

）与其质量分数（Wi

）乘积和。5.设含组分1、2的物质，质量分数：W1、W2；则混合物质量吸收系数：（W1＋W2）＝1第六十一页，共六十九页，编辑于2023年，星期三62（二）X射线的真吸收－光电效应1、光电效应：当入射X光子能量等于或略大于吸收体物质原子某壳层电子的结合能时，将内层电子击出，成为自由电子，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X射线。入射X射线被击出的电子称光电子，所辐射出的次级特征X射线，称为荧光X射线或二次特征X射线。这种以入射X射线激发原子所发生的电子激发和荧光X射线辐射的过程称为“光电效应”。第六十二页，共六十九页，编辑于2023年，星期三632、产生K系荧光辐射条件：入射光子能量hν须大于或等于K层电子的逸出功WK，即：

VK－把原子中K层电子击出所需的最小激发电压。

λK－把K层电子击出所需的入射光最长波长。

表明：只当入射X光波长λ≤λK＝1.24／VK

时，才能产生K系荧光辐射。第六十三页，共六十九页，