2.-X射线物理学基础

第1章X射线物理学基础1.X射线的发现X射线2.X射线的本质3.X射线的产生4.X射线谱5.X射线命名规则6.X射线与物质的相互作用7.X射线的安全防护X射线的发现

X射线又名伦琴射线，是德国物理学家:RÖntgenWilhelmConrad(1845.03.27-1923.2.10)于1895年发现的。伦琴于1895年12月28日向德国维尔茨堡物理学医学学会递交了一篇轰动世界的论文：《一种新的射线--初步报告》1901年RÖntgen获首届诺贝尔物理学奖。X射线的发现

X射线的产生老式X射线管X射线管伦琴拍下的他夫人的手的X射线图与X射线及晶体衍射有关诺贝尔奖获得者X射线应用X射线检验X射线拍花卉X射线安检仪对照图X射线透视力2.X射线的本质

X射线的本质是电磁波，与可见光完全相同，仅是波长短而已。X射线也是电磁波的一种，波长在10－8cm左右X射线波动性的证明1912年,德国物理学家冯.劳厄：VonLaue,MaxTheodoreFelix（1879.10.9-1960.4.24）认为：晶体是X射线衍射实验的理想光栅（1）证明了X射线是电磁波；（2）也第一次从实验上证实了晶体内部质点的规则而对称的排列。

X射线的特点

波动性：以一定的频率ν和波长λ在空间传播；具有干涉、衍射、偏振等现象。微粒性：

具有一定的质量m、能量E和动量p，在与电子、质子、中子间相互作用时，表现出粒子的特征。X射线的波粒两重性

ν、λ与E、p之间也有如下的关系:E=hν=hc/λP=h/λ式中，h---Planck常数，等于6.63×10-34J·s；

c---X射线的速度，等于2.998×1010cm/s。

X射线波长范围为:0.001～10nm做晶体结构分析用的X射线的波长为:0.05～0.25nm

X射线的波粒两重性波动方程：A＝A0cos(

-

t)波粒二相性：E＝h

=hc/

P=h/

=h

/cX射线的性质

（1）穿透性（2）感光作用（3）电离作用（4）荧光作用（5）生物效应3.X射线的产生—原理

X射线的产生，是因为在阴极射线管中的电子流高速射入正极靶内的物质时，因为电子减速或造成靶中原子内部的扰动，而放射出高频率的电磁波。3.X射线的产生--装置常用X射线管的结构

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X射线的产生过程演示3.X射线的产生--装置（1）常用的靶材：Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag

（2）冷却系统：当电子束轰击阳极靶时，其中只有1%能量转换为X射线，其余的99%均转变为热能。因此，阳极的底座一般用铜制作。使用时通循环水进行冷却。以防止阳极过热的熔化。

3.X射线的产生--装置（3）焦点:指阳极靶面被电子束轰击的面积。其形状取决于阴极灯丝的形状。焦点一般为1mm*10mm的长方形。产生的X射线束以6°度角度向外发射。于是在不同的方向产生不同形状的X射线束。与焦点长边方向相对应的位置上产生约0.1*10mm的线状X射线束。在相应于短边的方向上产生1*1mm的点状X射线束。不同的分析方法需要不同形状的X射线束，使用时可根据需要进行选择。

3.X射线的产生--装置（4）窗口：X射线射出的通道。窗口一般用对X射线穿透性好的轻金属铍密封，以保持X射线的真空。一般X射线管有四个窗口，分别从它们中射出一对线状和一对点状X射线束。

3.X射线的产生--装置（5）X射线管的基本电气电路与X射线的产生:X射线管的基本电气电路见图。在阴极通电流，在灯丝上产生大量的电子。在阴极和阳极之间加高电压。使阴极产生的电子向阳极运动，并轰击阳极产生X射线。3.X射线的产生--装置（6）旋转阳极（转靶）X射线管：为了缩短实验工时间，也就是为了使电子束轰击阳极时所产生的热能能够及时的散发出去，我们采用使阳极靶旋转的办法解决，这样的话，这种X射线管有转动机构，是可拆式的。

3.X射线的产生—条件（1）产生自由电子；（2）使电子作定向的高速运动；（3）在其运动的路径上设置一个障碍物（靶）使电子突然减速或停止。4.X射线谱—连续谱

钨靶连续x射线谱自由电子被原子核吸引，产生加速度，损失能量.以连续X射线的方式发射.

连续谱的产生机理

按量子理论，当能量为eV的高速的电子撞击靶中的原子时，电子失去自己的能量。其中大部分转化为热能。一部分以光子（X射线）的形式幅射出。每撞击一次就产生一个能量为hv的光子。由于单位时间内到达靶表面的电子数量很多。若管流为10mA，每秒到达阳极靶的电子可达6.25×1016个。大多数电子还经过多次碰撞。因此，各个电子的能量各不相同，产生的X射线的波长也就不同。于是产生了一个连续的X射线谱。

连续谱的产生机理

其中少数电子在一次碰撞中就将能量全部转化为光子，因此它产生的光子能量最大，波长最小。其短波限λ0取决于能量最大电子，这与管压有关。大多数的电子经过多次碰撞，能量逐步地释放，产生的光子能量也相应减小，波长大于λ0

。由于X射线的强度取决于光子的数目。所以连续X射线谱的最大值不在λ0的位置。

连续谱的特点

1）强度随波长而连续变化，每条曲线都对应有一个最短的波长（短波限λ0

）和一个强度的最大值。最大值一般在1.5λ0地方。连续谱的特点

2）λ0与管流和靶的材料无关，只与管压有关，二者之间的关系：最短波长λ0

hν0=hc/λ0=eV

λ0=hc/eV=1.24/V(nm)随着管压的增大，λ0向短波方向移动。

连续谱的特点

3）连续X射线的总强度与管电流i、管电压V、阳极靶的原子序数Z存在如下关系：

式中，K为常数，此实验测得K=（1.1-1.5）*10-9

强度随管流、管压和靶材的原子序数的增大而增大。当需要连续X射线时，采用重元素的靶能得到较强的连续X射线。

4.X射线谱--特征谱铂靶K系标识X射线谱当冲击物质的带电质点或光子的能量足够大时,物质原子内层的某些电子被击出，或跃迁到外部壳层，或使该原子电离，而在内层留下空位。然后，处在较外层的电子便跃入内层以填补这个空位。这种跃迁主要是电偶极跃迁，跃迁中发射出具有确定波长的线状标识X射线谱。

特征谱

特征谱是英国物理学家巴克拉：

BarklaCharlesGlover（1877.6.27-1944.10.23）于1911年发现的。Barkla还设计了原子结构的壳层模型，利用这种原子结构的壳层模型，可以解释特征X射线的产生机理。

特征谱

当电压加到25KV时，Mo靶的连续X射线谱上出现了二个尖锐的峰Kα(0.071nm)和Kβ(0.063nm)。

特征谱Kα波长比Kβ长，Kα与Kβ强度比约为5：1。

放大看，Kα还分为Kα1和Kα2两条线。Kα1和Kα2强度比约为2：1。

特征谱

随着电压的增大，其强度进一步增强，但波长不变，也就是说，这些谱线的波长与管压和管流无关。

它与靶材有关。对给定的靶材，它们的这些谱线是特定的。因此，称之为特征X射线谱或标识X射线谱。产生特征X射线的最低电压称激发电压。

特征谱的产生机理

原子内部电子的分布：

原子内部的电子分布在不同的壳层上K、L…

每个壳层上的电子具有不同的能量εk、εL…

光谱学定义，电子跃迁到K层产生的幅射称为K系幅射，依次还有L系、M系幅射等。

并按电子跃迁时所跨跃的能级数目不同，进行进一步的标识。跨跃1个能级的标记为α，2个能级的标记为β等。

L—K为Kα

M—K为Kβ特征谱

说明：

1)激发电压对不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶的原子序数Z所决定。

2)阳极靶不同产生的特征X射线的波长不同。

3)Moseley定律：莫塞来1914年总结了特征X射线与靶材原子结构之间的关系：1/λ=K(Z-σ)2

K为常数，与原子的主量子数有关

σ为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。

Moseley定律是元素分析--X射线波谱分析(电子探针定性)及X射线荧光分析的主要依据。

5.X射线命名规则X射线命名规则：主字母代表终态，下标代表层序差

＝1，

＝2。。。。。例如K

：L

K，K

：M

K6.X射线与物质的相互作用X射线与物质相互作用时(过程复杂)。但就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：散射、吸收、透过(透过物质后的射线束强度被衰减)。X射线与物质的相互作用X射线与物质的相互作用6.1散射相干散射――X射线衍射的理论基础。不相干散射(Compton－Wu效应)我国著名的物理学家吴有训与美国物理学家康普顿一起在1924年发现的此效应。故亦称康普顿－吴有训效应。相干散射物质对X射线散射的实质是物质中的电子与X光子的相互作用。当入射光子碰撞电子后，若电子能牢固地保持在原来位置上（原子对电子的束缚力很强），则光子将产生刚性碰撞，其作用效果是辐射出电磁波-----散射波。这种散射波的波长和频率与入射波完全相同，新的散射波之间将可以发生相互干涉--相干散射。X射线的衍射现象正是基于相干散射之上的。相干散射特点A、与物质原子中束缚较紧的电子作用。

B、散射波随入射X射线的方向改变了，但频率（波长）相同。

C、各散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的干涉条件，可产生干涉作用。

相干散射是X射线在晶体产生衍射的基础。不相干散射(Compton－Wu效应)

当物质中的电子与原子之间的束缚力较小（如原子的外层电子）时，电子可能被X光子撞离原子成为反冲电子。因反冲电子将带走一部分能量，使得光子能量减少，从而使随后的散射波波长发生改变。这样一来，入射波与散射波将不再具有相干能力，成为非相干散射。1922到1924年间，康普顿Compton，ArthurHolly（美，1892.9.10-1962.3.15）观察到并用理论解释这一物理现象：

X射线被物质散射后，除波长不变的部分外，还有波长变长的部分出现。又称康普顿效应。

不相干散射特点A、X射线作用于束缚较小的外层电子或自由电子。

B、散射X射线的波长变长了。散射X射线波长的改变与传播方向存在如下的关系：

△λ=0.0024(1-cos2θ)

C、由于散射X射线的波长随散射方向而变，不能产生干涉效应。故这种X射线散射称为非相干散射。非相干散射不能参与晶体对X射线的衍射，只会在衍射图上形成不利的背景。6.2吸收物质对X射线的吸收指X射线能量在经过物质时转变为其它形式能量的效应。它主要包括：光电效应（二次特征幅射）和俄歇效应等。6.2吸收1）光电效应

当入射X光子的能量足够大时，还可将原子内层电子击出使其成为光电子。被打掉了内层电子的受激原子将产生外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出一定波长的特征X射线。（以X射线产生X射线的过程）为区别于电子击靶时产生的特征辐射，由X射线发出的特征辐射称为二次特征辐射，也称为荧光辐射。这种以光子激发电子所发生的激发和幅射过程称为光电效应。被击出的电子称光电子。

光电效应---光电子和荧光X射线示意图6.2吸收2）俄歇效应

当高能级的电子向低能级跃迁时，能量不是产生二次X射线，而是被周围某个壳层上的电子所吸收，并促使该电子受激发逸出原子成为二次电子。这种效应是俄歇1925年发现的。故称俄歇效应，产生的二次电子称俄歇电子。

二次电子具有特定的能量值。可以用来表征这些原子。利用该原理制造的俄歇能谱仪主要用于分析材料表面的成分。

俄歇效应示意图6.3X射线的衰减规律与吸收系数

X射线通过物质时，X射线强度衰减了。其中，因散射引起的衰减远远小于因吸收导致的衰减量。因此，可以近似地认为，X射线通过物质后其强度的衰减是由于物质对它的吸收所造成的。

6.3X射线的衰减规律与吸收系数

衰减的程度可以用吸收系数来表征：

Ix=I0e-uxI0和Ix分别是入射和透过物质后X射线的强度；x为厚度；u为物质的线吸收系数，其意义是当X射线通过物质时，在X射线传播方向上，单位长度上X射线强度的衰减程度（cm-1）。它与物质的种类、密度和X射线波长有关。

6.3X射线的衰减规律与吸收系数

由于线吸收系数与物质的密度有关，计算起来不方便。因此，实际中最常用的是物质的质量吸收系数um：

um=u/ρ

Ix=I0e-umρxρ为物质的密度。质量吸收系数的意义是单位质量物质对X射线的衰减程度。

如果吸收体中是由两种以上的元素组成的化合物或混合物、或溶液，其总体的质量吸收系数为：

um=w1×um1+w2×um2+w3×um3+……+wp×ump

w1,w2,w3和wp为该吸收体中各组分的质量分数

um1,um2,um3和ump为该吸收体中各组分的质量吸收系数.6.3X射线的衰减规律与吸收系数

质量吸收系数与物质的密度和状态无关，而与物质的原子序数（即原子的种类）和入射X射线的波长有关。它们的关系为：

um≈Kλ3Z3

K为常数。吸收系数反映了不同物质对X射线的吸收程度。6.3X射线的衰减规律与吸收系数1）吸收系数随波长的增大而增大,且在一定区间内是连续变化的。这是因为X射线的波长越长越容易被物质所吸收。

2）在某些波长的位置上产生跳跃式的突变。即吸收限（吸收边）或激发限的存在。

6.4吸收限的应用1）滤波片的选用

在X射线分析中，在大多数情况下都希望所使用的X射线波长单一，即“单色”X射线。而且实际上，K系特征谱线包括两条谱线。在X射线分析时，它们之间会相互干扰。我们可以应用某些材料对X射线吸收的特性，将其中的Kβ线过滤掉。

6.4吸收限的应用如上所述，任何材料对X射线的吸收都有一个Kα线和Kβ线。如Ni的吸收限为0.14869nm。

也就是说它对0.14869nm波长及稍短波长的X射线有强烈的吸收。而对比0.14869稍长的X射线吸收很小。6.4吸收限的应用X射线分析中，在X射线管与样品之间放一个滤波片，以滤掉Kβ线。滤波片的材料依靶的材料而定。