第一章 X射線的性質(zhì)

第一章X射線的物理學基礎(chǔ)

1目錄什么是X射線（X射線的本質(zhì)）？X射線的產(chǎn)生及X射線管X射線譜X射線與物質(zhì)的相互作用21.1什么是X射線？--X射線的本質(zhì)和性質(zhì)

一、X射線的本質(zhì)X射線和可見光一樣，都顯示波粒二象性，兩者的本質(zhì)是相同的，都會產(chǎn)生干涉、衍射、吸收和光電效應(yīng)等現(xiàn)象，兩者的主要差別于波長不同。X射線：10-8cm可見光：10-4cm3X射線的波長X射線是一種波長較短的電磁輻射：

波長：0.01~10nm其短波段與γ射線長波段相重疊，其長波段則與真空紫外的短波段相重疊。

g-raysX-raysUVVisual0.0010.010.11.010.0100200nm4X射線的能量

量子理論將X射線看成由一種量子或光子組成的粒子流，每個光子具有的能量為：

(依據(jù)X射線的波長即可計算出其能量)公式MgK

CaK

FeK

PbL

(nm)=1.24/EE(keV)1.2533.697.05710.55(nm)0.98950.33600.17570.11755

波動性的觀點：

X射線的強度是單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位截面上的能量的大小。強度與衍射波振幅A的平方成正比。粒子性的觀點：單位時間內(nèi)通過單位截面的光量子數(shù)目。X射線的強度6二、X射線的性質(zhì)1.不可見2.直線轉(zhuǎn)播3.穿透力強4.能激發(fā)熒光5.穿透物質(zhì)時可被物質(zhì)吸收6.殺傷生物細胞7.具有波粒二象性71.X射線產(chǎn)生的原理

高速運動的電子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。1.2X射線產(chǎn)生的條件及機理

82.X射線產(chǎn)生的條件

產(chǎn)生自由電子；使電子作定向的高速運動;在其運動的路徑上設(shè)置一個障礙物使電子突然減速或停止。9接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖過程演示103.X射線管的結(jié)構(gòu)：11X射線管的結(jié)構(gòu)封閉式X射線管實質(zhì)上就是一個大的真空（）二極管?；窘M成包括：

(1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。

(2)陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。12(3)窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。(4)焦點：焦點是指陽極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射線。

134.X射線產(chǎn)生的機理連續(xù)輻射根據(jù)經(jīng)典物理學的理論，一個帶負電荷的電子作加速運動時，電子周圍的電磁場將發(fā)生急劇變化，此時必然要產(chǎn)生一個電磁波，或至少一個電磁脈沖。我們假設(shè)管電流強度為10mA，即0.01C/s，電子電荷為1.6X10-19C，則一秒鐘時間內(nèi)到達陽極靶上的電子數(shù)目為：n=0.01/1.6X10-19=6.25X1016

這么大數(shù)目的電子到達靶上的時間和條件不會相同，并且大多數(shù)電子要經(jīng)過多次碰撞，能量逐步損失掉，因此其波長必然覆蓋一個很大的范圍，這種輻射稱為連續(xù)輻射。144.X射線產(chǎn)生的機理特征輻射

當管電壓達到或超過某一臨界值時，則陰極發(fā)出的電子在電場加速下，可以將靶物質(zhì)原子深層的電子擊到能量較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。

陰極電子將自已的能量給予受激發(fā)的原子，而使它的能量增高，原子處于激發(fā)狀態(tài)。

處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，此時外層電子將填充內(nèi)層空位，相應(yīng)伴隨著原子能量的降低。原子從高能態(tài)變成低能態(tài)時，多出的能量以X射線形式輻射出來。因物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定，兩特定能級間的能量差一定，故輻射出的特征X射波長一定。15根據(jù)量子力學理論，原子系統(tǒng)中的電子按泡利不相容原理不連續(xù)地分布在K、L、M、N……等不同能級的軌道（殼層）上，而且按能量最低原理首先填充最靠近原子核的第K層，再依次填L、M、N等。能量大?。篕>L>M>N…eg：當K電子被打出K層時，如L層電子來填充K空位時，則產(chǎn)生Kα輻射。此X射線的能量為電子躍遷前后兩能級的能量差，即16各種元素的同名譜系（如同為K系）激發(fā)電位和同名特征光譜的波長，隨原子序數(shù)的大小而發(fā)生變化，與管電壓和管電流的大小無關(guān)。對于不同元素的同名譜線，隨著原子序數(shù)的增加，波長變短。特征光譜的這些物理現(xiàn)象和特點，由各種元素的原子結(jié)構(gòu)決定的。171.3X射線譜---

連續(xù)X射線譜X射線強度與波長的關(guān)系曲線，稱之X射線譜。一、連續(xù)X射線譜在管壓很低時，小于20kv的曲線是連續(xù)變化的，故稱之連續(xù)X射線譜，即連續(xù)譜。181、連續(xù)X射線譜的產(chǎn)生機理極大數(shù)量的電子與靶材隨機碰撞產(chǎn)生波長不同且連續(xù)的X射線2、短波限λ0極限情況下，能量為ev的電子在碰撞中一下子把能量全部轉(zhuǎn)給光子，那么該光子獲得最高能量和具有最短波長，即短波限λ0。強度的最大值在λ0的1.5倍處。

eV=hvmax=hc/λ0λ0=1.24/V（nm）19X射線管的效率η，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X射線的百分數(shù)，即隨著原子序數(shù)Z的增加，X射線管的效率提高，但即使用原子序數(shù)大的鎢靶，在管壓高達100kv的情況下，X射線管的效率也僅有1﹪左右，99％的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

3、連續(xù)譜的強度4、X射線管的效率

205、連續(xù)譜的實驗規(guī)律

連續(xù)譜的強度I從λ0開始連續(xù)分布每一條連續(xù)譜都存在強度最大的波長λm，一般λm

=1.5λ0當管電壓一定時，管電流增大，則：I增大，但λ0λm不變管電壓增大，則I增大，但λ0λm減小，譜線變寬管電壓和管電流一定時，原子序數(shù)Z增大，則I增大，λ0λm不變21二、特征X射線譜1、產(chǎn)生機理2、限制條件（激發(fā)電壓）

當原子受到高速電子的撞擊時，如果這些電子束的能量足夠大，它們就會將原子內(nèi)層的電子打出去，這一過程稱激發(fā)。K層電子的打出稱K系激發(fā)，依次有L系、M系激發(fā)等。電子束要能激發(fā)內(nèi)層電子，如K層電子，其能量eV必須大于K電子與原子核的結(jié)合能Ek或K電子的逸出功Wk。即

eV≥-Ek

或

eV≥Wk

最低的臨界狀態(tài)下

eVk=WkV管≥VK注意：V管=（3~5）V激221.3X射線譜---

特征X射線譜二、特征X射線譜3、實驗規(guī)律（1）原子內(nèi)部的電子分布在不同的殼層上k、l…每個殼層上的電子具有不同的能量Ek、El…光譜學定義，電子躍遷到k層產(chǎn)生的幅射稱為k系幅射，依次還有l(wèi)系、m系幅射等。

并按電子躍遷時所跨躍的能級數(shù)目不同，進行進一步的標識?？畿S1個能級的標記為α，2個能級的標記為β等。

l—k為kα

m—k為kβ

23△Ekm>△Ekl，所以kβ的波長小于kα。

l—k躍遷的幾率比m—k大5倍左右，所以，kα強度比kβ大5倍。

同一殼層中電子能量實際上有微小的差別。于liii--k的躍遷幾率比lii—k躍遷高1倍。

Ikα1:Ikα2≈2:1

24(2)莫塞萊定律特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素無關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。1913～1914年莫塞萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數(shù)間存在以下關(guān)系：

根據(jù)莫色萊定律，將實驗結(jié)果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比較，可以確定它是何元素。它是X射線光譜分析的基本依據(jù)

25說明：

1)激發(fā)電壓對不同的陽極靶是不同的，它由陽極靶的原子序數(shù)z所決定。

2)陽極靶不同產(chǎn)生的特征x射線的波長不同。

3）工作電壓一般是激發(fā)電壓的3-5倍。因為當工作電壓激發(fā)電壓的3-5倍時，i特/i連最大。

4）實驗中最常用的特征x射線是kα。最常用的靶材是cu和fe。

5）λkα=2/3λkα1+1/3λkα2,有時需要注意區(qū)分kα1和kα2。26比較內(nèi)容連續(xù)譜(軟X射線)特征譜(硬X射線)產(chǎn)生機理高速運動的粒子能量轉(zhuǎn)換成電磁波高能級電子回跳到低能級多余能量轉(zhuǎn)換成電磁波譜圖特征強度隨波長連續(xù)變化僅在特定波長處有特別強的強度峰ZZ則：I管電壓管電流應(yīng)用是衍射分析的背底;是醫(yī)學采用的衍射分析采用271.4X射線與物質(zhì)的相互作用X射線與物質(zhì)的相互作用，是一個比較復(fù)雜的物理過程。從能量的轉(zhuǎn)換角度來看：一束X射線通過物質(zhì)時，其能量分為三個部分：被散射，改變前進方向被吸收，產(chǎn)生光電效應(yīng)熱效應(yīng)透過物質(zhì)，強度發(fā)生衰減。281.4X射線與物質(zhì)的相互作用一束X射線通過物體后，其強度將被衰減，它是被散射和吸收的結(jié)果，并且吸收是造成強度衰減的主要原因。291、X射線的散射

X射線通過物質(zhì)時，部分X射線將改變它們前進的方向，即發(fā)生散射現(xiàn)象。X射線的散射包括兩種：相干散射和非相干散射。1）相干散射（湯姆遜散射、彈性散射、經(jīng)典散射）束縛緊的電子入射X射線作用受迫振動輻射出新的電磁波同頻率、同波長、相同的位相差30a、產(chǎn)生原因：與物質(zhì)原子中束縛較緊的電子作用。

b、特點：只改變方向，不改變能量。

散射波隨入射x射線的方向改變了，但頻率（波長）相同。

c、新的散射波之間符合振動方向相同、頻率相同、位相差恒定的干涉條件，可產(chǎn)生干涉作用。

相干散射是x射線在晶體產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)。

31322）非相干散射（非彈性散射、量子散射、康普頓散射）亦稱康普頓－吳有訓(xùn)效應(yīng)(1924)332）非相干散射（非彈性散射、量子散射、康普頓散射）

△λ=0.0024(1-cos2θ)入射X射線作用束縛小的電子反沖電子X射線波長變長a、x射線作用于束縛較小的外層電子或自由電子。

b、散射x射線的波長變長了，能量減小。

c、由于散射x射線的波長隨散射方向而變，不能產(chǎn)生干涉效應(yīng)。故這種x射線散射稱為非相干散射。

非相干散射不能參與晶體對x射線的衍射，只會在衍射圖上形成不利的背景。亦稱康普頓－吳有訓(xùn)效應(yīng)(1924)34小結(jié)相干散射因為是相干波所以可以干涉加強.只有相干散射才能產(chǎn)生衍射,所以相干散射是X射線衍射基礎(chǔ)不相干散射因為不相干散射不能干涉加強產(chǎn)生衍射,所以不相干散射只是衍射的背底352、X射線的吸收

物質(zhì)對X射線的吸收，是指X射線通過物質(zhì)時光子的能量變成了其他形式時能量。有時將X射線通過物質(zhì)時造成的能量損失稱為真吸收。X射線通過物質(zhì)時產(chǎn)生的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，使入射X射線的能量變成光電子、俄歇電子和熒光X射線的能量，使X射線強度被衰減，是物質(zhì)對X射線的真吸收過程。主要是原子內(nèi)部的電子躍遷引起的。36371）熒光效應(yīng)與上述的特征X射線的產(chǎn)生相似，當用X射線轟擊物質(zhì)時（不同的是用X光管產(chǎn)生X射線時用的是高速電子束），若X射線的能量大于物質(zhì)原子對其內(nèi)層電子的束縛力時，入射X射線光子的能量就會被吸收，從而也導(dǎo)致其內(nèi)層電子（如K層電子）被激發(fā)，并使高能級上的電子產(chǎn)生躍遷，發(fā)射新的特征X射線。為與入射的X射線相區(qū)別，我們稱X射線激發(fā)的特征X射線為二次特征X射線或熒光X射線。與上述相同，產(chǎn)生的二次特征X射線的波長與激發(fā)它們所需的能量取決于物質(zhì)的原子種類和結(jié)構(gòu)。38要使k層電子產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射x射線的能量必須大于等于原子中k層電子的逸出功wk，

hv≥wkwk=evk

將入射x射線的波長與激發(fā)電壓聯(lián)系起來就有:

hc/λ≥ev

或hc/evk≥λ

39能引起光電效應(yīng)的入射x射線的最大波長（單位：nm):

λk

從激發(fā)光電效應(yīng)的角度說，稱為激發(fā)限波長，意義是只有入射的x射線波長達到或小于它時，才能激發(fā)物質(zhì)的二次特征x射線。

從x射線被吸收的角度看，稱為吸收限波長。意義是當入射的x射線的波長達到它時，入射x射