第1章x射線的產(chǎn)生

第一章

X射線的性質(zhì)【教學(xué)內(nèi)容】

1．X射線的發(fā)現(xiàn)。

2．X射線的本質(zhì)。

3．X射線的產(chǎn)生與X射線管。

4．X射線譜。

5．X射線與物質(zhì)的相互作用。X射線的發(fā)現(xiàn)W.K.Rontgen1845－19231895年11月8日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究真空管的高壓放電時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)鍍有氰亞鉑酸鋇的硬紙板會(huì)發(fā)出熒光。這一現(xiàn)象立即引起的細(xì)心的倫琴的注意。經(jīng)仔細(xì)分析，認(rèn)為這是真空管中發(fā)出的一種射線引起的。于是一個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)誕生了。由于當(dāng)時(shí)對(duì)這種射線不了解，故稱之為x射線。后來也稱倫琴射線。

倫琴發(fā)現(xiàn)，不同物質(zhì)對(duì)x射線的穿透能力是不同的。他用x射線拍了一張其夫人手的照片。很快，x射線發(fā)現(xiàn)僅半年時(shí)間，在當(dāng)時(shí)對(duì)x射線的本質(zhì)還不清楚的情況下，x射線在醫(yī)學(xué)上得到了應(yīng)用。發(fā)展了x射線照像術(shù)。

1896年1月23日倫琴在他的研究所作了第一個(gè)關(guān)于x射線的學(xué)術(shù)報(bào)告。

1896年，倫琴將他的發(fā)現(xiàn)和初步的研究結(jié)果寫了一篇論文“論一種新射線”，發(fā)表在英國(guó)的《nature》雜志上。他的發(fā)現(xiàn)在社會(huì)上引起了轟動(dòng)，也為他贏得了很大的榮譽(yù)。

1910年，諾貝爾獎(jiǎng)第一次頒發(fā)，倫琴因x射線的發(fā)現(xiàn)而獲得第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1895年倫琴初次發(fā)現(xiàn)x射線時(shí)，拍攝的他夫人手指的x射線照1910年第一張諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予w.k.倫琴

倫琴

-----全名威廉·康拉德·倫琴（1845~1923），德國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。●1845年3月27日生于德國(guó)萊茵州雷內(nèi)普鎮(zhèn)。●1869年獲蘇黎世大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位。●1870年回德國(guó)維爾茨堡大學(xué)工作?！?894年任維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)?！?895年11月8日發(fā)現(xiàn)X射線。●1900年任慕尼黑大學(xué)物理研究所教授，主任。●1901年獲首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?！?923年2月10日在慕尼黑去世。個(gè)人貢獻(xiàn)

倫琴一生在物理學(xué)許多領(lǐng)域中進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究工作，如對(duì)電介質(zhì)在充電的電容器中運(yùn)動(dòng)時(shí)的磁效應(yīng)、氣體的比熱容、晶體的導(dǎo)熱性、熱釋電和壓電現(xiàn)象、光的偏振面在氣體中的旋轉(zhuǎn)、光與電的關(guān)系、物質(zhì)的彈性、毛細(xì)現(xiàn)象等方面的研究都作出了一定的貢獻(xiàn),由于他對(duì)X射線的發(fā)現(xiàn)贏得了巨大的榮譽(yù)，以致這些貢獻(xiàn)大多不為人所注意。

X射線的發(fā)現(xiàn)是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線1896年、放射線1896年、電子1897年）特點(diǎn)波長(zhǎng)很短的電磁波具有波粒二相性直線傳播，穿透性強(qiáng)，能使密封的底片感光X射線的本質(zhì)對(duì)x射線本質(zhì)的爭(zhēng)論，焦點(diǎn)集中在它是：粒子流？電磁波？

認(rèn)為x射線是物質(zhì)粒子流的科學(xué)家中有w.h.布拉格。

他的兒子w.l.布拉格則對(duì)x射線的波動(dòng)性進(jìn)行了深入的研究，并給出了著名的布拉格方程。

對(duì)X射線波動(dòng)性最完美的研究是德國(guó)物理學(xué)家勞厄（Laue）

愛因期坦稱，勞厄的實(shí)驗(yàn)“物理學(xué)最美的實(shí)驗(yàn)”。它一箭雙雕地解決了x射線的波動(dòng)性和晶體的結(jié)構(gòu)的周期性。

后來的科學(xué)證明，與可見光一樣，X射線具有波粒二象性。X射線的本質(zhì)是一種電磁波。它既具波動(dòng)性，又具有粒子性。在X射線衍射分析中應(yīng)用的主要是它的波動(dòng)性，反映在在傳播過程中發(fā)生干涉、衍射作用。而在與物質(zhì)相互作用，進(jìn)行能量交換時(shí)，則表現(xiàn)出它的粒子性，這種微粒子通常稱為光子。X射線波粒二象性。X射線的波動(dòng)性X射線的波動(dòng)性表現(xiàn)在它以一定的波長(zhǎng)和頻率在空間傳播。X射線的波長(zhǎng)在電磁波譜上位于紫外線之后（圖1-1）。X射線波長(zhǎng)的度量單位常用埃（?）通用的國(guó)際計(jì)量單位中用納米（nm）表示它們之間的換算關(guān)系為：

1nm=10?=10-9mX射線的波長(zhǎng)范圍：0.01~100?X-radiationMicrowavesg-radiationUVIRRadiowaves10-610-311031061091012Wavelength(nm)可見光無線電波

X射線的粒子性h—普朗克常數(shù)C——X射線的速度E---能量Ν----頻率λ---波長(zhǎng)X射線的粒子性表現(xiàn)在它是由大量的不連續(xù)的粒子流構(gòu)成的。它具有一定和能量和動(dòng)量。式中h——普朗克常數(shù)h=6.625×10-34J.s;c——X射線的速度(光速)c=2.998×108m/s.X射線的波長(zhǎng)較可見光短得多，所以能量和動(dòng)量很大，具有很強(qiáng)的穿透力。高速運(yùn)動(dòng)的電子（高能粒子）與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線。高能粒子：電子、中子、光子（X射線本身）等X射線的產(chǎn)生X射線的產(chǎn)生X射線產(chǎn)生的基本條件：（1）產(chǎn)生自由電子；（2）使電子做定向高速運(yùn)動(dòng)；（3）在電子運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置使其突然減速的障礙物。通常使用熱陰極X射線管被加熱的燈絲發(fā)射出電子流，在高壓電場(chǎng)作用下，加速飛向陽極。高速電子流在撞擊陽極（靶）時(shí)，所攜帶的動(dòng)能部分轉(zhuǎn)變?yōu)楣饬孔?，以X射線形式發(fā)射出來。X射線的產(chǎn)生X射線管由陽極靶和陰極燈絲組成產(chǎn)生---X射線管冷卻水靶（陽極）銅X射線X射線真空鎢絲玻璃管座（接變壓器）鈹窗聚焦罩常用X射線管的結(jié)構(gòu)包括：（1）陰極：如同一般的燈絲，一般用鎢絲做成。用于產(chǎn)生大量的電子，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。

不同金屬制成的靶產(chǎn)生的X射線是不同的。常用的靶材：Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag。產(chǎn)生---X射線管（3）窗口(Be)：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。（4）冷卻系統(tǒng)：當(dāng)電子束轟擊陽極靶時(shí)，其中只有1%能量轉(zhuǎn)換為X射線，其余的99%均轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。因此，陽極的底座一般高導(dǎo)熱性的金屬（銅）制作。使用時(shí)通冷卻水防止熔化。（5）焦點(diǎn)：焦點(diǎn)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。

產(chǎn)生---X射線管轉(zhuǎn)靶X射線管常規(guī)X射線管功率只有1-2KW，大功率轉(zhuǎn)靶X射線管功率可達(dá)10-30KW可顯示更多衍射信息和細(xì)節(jié)產(chǎn)生---轉(zhuǎn)靶X射線管電子束X射線高功率旋轉(zhuǎn)陽極X射線譜X射線譜是指X射線強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系曲線X射線譜①連續(xù)X射線譜②特征X射線譜波長(zhǎng)連續(xù)變化的X射線組成一定波長(zhǎng)的若干X射線疊加在連續(xù)X射線譜上構(gòu)成連續(xù)譜+標(biāo)識(shí)（特征）譜

連續(xù)譜

正如太陽光包含有紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫等許多不同波長(zhǎng)的光一樣，從X射線管中發(fā)出的X射線也不是單一波長(zhǎng)（單色）的，而是包含有許多不同波長(zhǎng)的X射線。這些波長(zhǎng)構(gòu)成連續(xù)的光譜。別名：多色X射線白色X射線X射線譜

強(qiáng)度波長(zhǎng)（?）連續(xù)譜特征譜連續(xù)X射線譜如圖所示的曲線是管電流恒定，管電壓從5kV逐漸增加到25kV鉬鈀X射線管中發(fā)出的X射線譜。連續(xù)X射線譜特點(diǎn)：①曲線均有一個(gè)最短波長(zhǎng)限λ0和最大強(qiáng)度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λm。最大值一般在1.5λ0地方。②恒定管電流，逐漸升高電壓，λ0和λm均向短波方向移動(dòng)。λ0=1.24/v(nm)

③當(dāng)電壓增加時(shí)，各個(gè)波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度增加，曲線下所圍的面積增加。

i連=連續(xù)X射線譜產(chǎn)生機(jī)理

能量為eV的電子與陽極靶碰撞時(shí)，電子失去能量，其中部分能量以光子的形式輻射（大部分轉(zhuǎn)化為熱能），碰撞一次產(chǎn)生一個(gè)能量為hν的光子，這樣的光子流即為X射線。到達(dá)陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的（每秒6.25×1016

個(gè)），達(dá)到靶上的時(shí)間和條件不會(huì)相同，并且絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，每次碰撞都轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)不相同的輻射(光子能量不同），于是產(chǎn)生了一個(gè)連續(xù)的X射線譜。短波限連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)波長(zhǎng)限，稱為短波限λ0它是由電子一次碰撞就將全部能量轉(zhuǎn)換成所產(chǎn)生的X射線（數(shù)目龐大的電子群中總會(huì)有這樣的電子）λ0只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。（與管電流和靶的材料無關(guān)）。式中e——電子電荷，c——光速，ν——頻率

V——電子通過兩極時(shí)的電壓降（kv）

h——普朗克常數(shù)，h=式中e——電子電荷，c——光速，ν——頻率

V——電子通過兩極時(shí)的電壓降（kv）

h——普朗克常數(shù)，h=λSWL=nm短波限注意單位試計(jì)算用50千伏操作時(shí)，X射線管中的電子在撞擊靶時(shí)的速度和動(dòng)能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？連續(xù)譜強(qiáng)度X射線的強(qiáng)度是指垂直于X射線傳播方向的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。I=nhν正因?yàn)槿绱?，連續(xù)X射線譜中強(qiáng)度最大值并不在光子能量最大的λ0處，而是在大約1.5λ0的地方。實(shí)驗(yàn)證明I連

iZU2

陽極原子數(shù)Z成正比與靶電流i成正比與電壓U二次方成正比可見，連續(xù)X射線的總能量（強(qiáng)度）隨管電流、陽極靶原子序數(shù)和管電壓的增加而增大。連續(xù)譜強(qiáng)度

管電壓靶原子序數(shù)管電流強(qiáng)度λSWLλM↑↓↓↑－－↑－－X射線管的效率一般η≤1%（當(dāng)用鎢靶z=74，管壓為100kv，η≈1%），電子能量的99%左右在轉(zhuǎn)變過程中損失掉了。為了提高效率，選用重金屬靶并施以高電壓。η=連續(xù)x射線的總強(qiáng)度/x射線管的功率

η==αzv特征X射線譜(標(biāo)識(shí)譜)

characteristicX-ray當(dāng)電壓加到25kv時(shí)，mo靶的連續(xù)x射線譜上出現(xiàn)了二個(gè)尖銳的峰kα(0.071nm)和kβ(0.063nm)。特征X射線譜

鉬靶X射線管在某電壓下產(chǎn)生的特征譜線隨著電壓的增大，其強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)，但波長(zhǎng)不變，也就是說，這些譜線的波長(zhǎng)與管壓和管流無關(guān)。它與靶材有關(guān)。對(duì)給定的靶材，它們的這些譜線是特定的。因此，稱之為特征x射線譜或標(biāo)識(shí)x射線譜。產(chǎn)生特征x射線的最低電壓稱激發(fā)電壓。特征X射線譜產(chǎn)生機(jī)理特征X射線譜產(chǎn)生的機(jī)理與連續(xù)譜不同，它的產(chǎn)生是與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。原子內(nèi)部的電子分布在不同的殼層上k、l…每個(gè)殼層上的電子具有不同的能量εk、εl…，且εk＜εl…

泡利不相容原理特征（標(biāo)識(shí)）譜產(chǎn)生在電子轟擊陽極的過程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子（如K層的一個(gè)電子）擊出時(shí)，于是在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。高能級(jí)上的電子向低能級(jí)躍遷（如L層電子躍遷到K層）釋放能量，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)X射線譜。

出現(xiàn)內(nèi)層空位高能電子擊出靶的內(nèi)層電子

外層電子躍入填充發(fā)射X光子NMKLKγKαKβLαLβK系激發(fā)L系激發(fā)入射電子釋放的能量（ΔE=EL-EK=hν）以電磁波的形式放射出去，其波長(zhǎng)λ＝h/ΔE必然是個(gè)僅取決于原子序數(shù)的常數(shù)。即特征x射線波長(zhǎng)為一定值。不同原子序數(shù)Z，有不同特征X射線，Kα、Kβ也不同。譜系命名:

K層電離,電子由其它殼層向K層躍遷產(chǎn)生的X射線叫K系譜線；跨躍1個(gè)能級(jí)的標(biāo)記為α，2個(gè)能級(jí)的標(biāo)記為β等。L→K躍遷:KαM→K躍遷:KβN→K躍遷:Kγ同理,M→L躍遷:LαN→L躍遷:LβN→M躍遷:Mα產(chǎn)生某系激發(fā)要陰極電子的能量eU

至少等于擊出一個(gè)某層電子所作的功（將某層電子變成自由電子所需要的能量）。臨界激發(fā)電壓：電子具足夠能量把靶原子某一能級(jí)上的電子打掉，從而產(chǎn)生特征x-ray所必須達(dá)到的最低電壓。對(duì)于同種原子：越接近內(nèi)層臨界激發(fā)電壓越高

Vk>VL>VM>VN對(duì)于不同種原子：原子序數(shù)大的臨界激發(fā)電壓大。特征X射線譜產(chǎn)生條件注意：特征X射線產(chǎn)生存在一個(gè)臨界激發(fā)電壓WK：K層電子的逸出功VK：陰極電子擊出靶材原子K電子所需的臨界激發(fā)電壓在臨界條件下：特征X射線波長(zhǎng)---莫塞萊定律Mosley’sLaw標(biāo)識(shí)X射線譜（的頻率和波長(zhǎng)）只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。且存在如下關(guān)系：標(biāo)識(shí)X射線譜的波長(zhǎng)λ與原子序數(shù)Z關(guān)系為：

：波長(zhǎng);K：與主量子數(shù)、電子質(zhì)量和電子電荷有關(guān)的常數(shù);Z：靶材原子序數(shù);

：屏蔽常數(shù)每種元素都有特征X射線譜?？梢杂锰卣髯V來識(shí)別元素，進(jìn)行化學(xué)成分分析。莫塞萊定律為X射線化學(xué)成分分析奠定了理論基礎(chǔ)，分析思路是使未知物質(zhì)發(fā)出特征X射線，并經(jīng)過已知晶體進(jìn)行衍射，然后算出波長(zhǎng)

，從而確定Z。特征X射線波長(zhǎng)與靶材料原子序數(shù)有關(guān)幾種靶材料的特征X射線波長(zhǎng)

(?)元素序數(shù)K

K

Cr242.29072.0849Fe261.93731.7566Ni281.65921.5001

Cu291.54181.3922Mo420.71070.6323特征X射線的強(qiáng)度各能級(jí)的能量差不是均勻分布的，越靠近原子核的相鄰能級(jí)間的能量差越大，見圖1-8。由于△εKm>△εKl

，所以Kα的波長(zhǎng)大于Kβ。由于L—K躍遷的幾率比M—K躍遷大5倍左右，所以，Kα強(qiáng)度比Kβ大5倍。K

比K

譜線波長(zhǎng)長(zhǎng)：注意：∨﹥M-K層上的能級(jí)差：KML-K層上的能級(jí)差：KL注意：K

比K

譜線的強(qiáng)度高5倍左右電子由L-K層躍遷的幾率比由M-K層躍遷的幾率大5倍左右I=nhν標(biāo)識(shí)x射線的精細(xì)結(jié)構(gòu):Kα由Kα1

和Kα2組成，兩者的強(qiáng)度比為2：1。KLⅠⅡⅢKα1Kα2Kα是最強(qiáng)的譜線，比相鄰譜線強(qiáng)5～90倍?？勺鳛檠苌涞膯紊庠?。是Kβ強(qiáng)度的5倍。Cu:

Kα1=1.54056?

Kα2=1.54439?

Kα=2

Kα1/3+

Kα2/3=1.54184?●輻射源選擇：在X射線的多晶體衍射中，主要利用Kα線做輻射源，L系或M系由于波長(zhǎng)太長(zhǎng)，容易被物質(zhì)吸收，所以不利用。k系特征幅射最強(qiáng)，尤其是kα，是x射線分析中最常用的x射線。

1)電壓對(duì)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(zhǎng)不同。

3）實(shí)驗(yàn)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(shí)需要注意區(qū)分kα1和kα2。

一．連續(xù)X射線譜特點(diǎn)產(chǎn)生原因(減速輻射)

二．特征X射線譜特點(diǎn)產(chǎn)生原因產(chǎn)生過程產(chǎn)生條件特征X射線命名

特征X射線的波長(zhǎng)X射線譜的小結(jié)：三.在X射線的多晶體衍射中，主要利用Kα線做輻射源X射線管最佳工作電壓：

V=（3～5）VK

X射線與物質(zhì)的相互作用

X射線與物質(zhì)的作用分為透射衰減吸收熱真吸收光電效應(yīng)熒光效應(yīng)散射相干散射非相干散射散射即x射線與物質(zhì)作用改變方向

X射線被物質(zhì)散射時(shí)可以產(chǎn)生兩種散射現(xiàn)象，即相干散射和非相干散射。X射線散射X射線散射①相干散射②非相干散射相干散射

入射光子與電子（束縛較緊的內(nèi)層電子）彈性碰撞，散射出電磁波的波長(zhǎng)與入射波完全相同，即散射過程中波長(zhǎng)不變。散射波之間將可以發(fā)生干涉-----相干散射。相干散射不損失X射線的能量，但改變了傳播方向。相干散射是衍射的基礎(chǔ)。即散射過程中射線的波長(zhǎng)有所改變。

X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時(shí)電子獲得一部分動(dòng)能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，X射線波長(zhǎng)發(fā)生改變(增加),成為非相干散射。非相干散射是康普頓（A.H.Compton）和我國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應(yīng)。無明確的相位關(guān)系，它會(huì)增加連續(xù)背底，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對(duì)輕元素。非相干散射

非相干散射