第1章x射線的產生

第一章

X射線的性質【教學內容】

1．X射線的發(fā)現(xiàn)。

2．X射線的本質。

3．X射線的產生與X射線管。

4．X射線譜。

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

倫琴發(fā)現(xiàn)，不同物質對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)僅半年時間，在當時對x射線的本質還不清楚的情況下，x射線在醫(yī)學上得到了應用。發(fā)展了x射線照像術。

1896年1月23日倫琴在他的研究所作了第一個關于x射線的學術報告。

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

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

倫琴

-----全名威廉·康拉德·倫琴（1845~1923），德國實驗物理學家。●1845年3月27日生于德國萊茵州雷內普鎮(zhèn)?！?869年獲蘇黎世大學理學博士學位?！?870年回德國維爾茨堡大學工作?！?894年任維爾茨堡大學校長。●1895年11月8日發(fā)現(xiàn)X射線。●1900年任慕尼黑大學物理研究所教授，主任。●1901年獲首屆諾貝爾物理學獎。●1923年2月10日在慕尼黑去世。個人貢獻

倫琴一生在物理學許多領域中進行過實驗研究工作，如對電介質在充電的電容器中運動時的磁效應、氣體的比熱容、晶體的導熱性、熱釋電和壓電現(xiàn)象、光的偏振面在氣體中的旋轉、光與電的關系、物質的彈性、毛細現(xiàn)象等方面的研究都作出了一定的貢獻,由于他對X射線的發(fā)現(xiàn)贏得了巨大的榮譽，以致這些貢獻大多不為人所注意。

X射線的發(fā)現(xiàn)是19世紀末20世紀初物理學的三大發(fā)現(xiàn)（X射線1896年、放射線1896年、電子1897年）特點波長很短的電磁波具有波粒二相性直線傳播，穿透性強，能使密封的底片感光X射線的本質對x射線本質的爭論，焦點集中在它是：粒子流？電磁波？

認為x射線是物質粒子流的科學家中有w.h.布拉格。

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

對X射線波動性最完美的研究是德國物理學家勞厄（Laue）

愛因期坦稱，勞厄的實驗“物理學最美的實驗”。它一箭雙雕地解決了x射線的波動性和晶體的結構的周期性。

后來的科學證明，與可見光一樣，X射線具有波粒二象性。X射線的本質是一種電磁波。它既具波動性，又具有粒子性。在X射線衍射分析中應用的主要是它的波動性，反映在在傳播過程中發(fā)生干涉、衍射作用。而在與物質相互作用，進行能量交換時，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射線的波動性X射線的波動性表現(xiàn)在它以一定的波長和頻率在空間傳播。X射線的波長在電磁波譜上位于紫外線之后（圖1-1）。X射線波長的度量單位常用埃（?）通用的國際計量單位中用納米（nm）表示它們之間的換算關系為：

1nm=10?=10-9mX射線的波長范圍：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)的粒子流構成的。它具有一定和能量和動量。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射線的波長較可見光短得多，所以能量和動量很大，具有很強的穿透力。高速運動的電子（高能粒子）與物體碰撞時，發(fā)生能量轉換，能量轉變?yōu)閄射線。高能粒子：電子、中子、光子（X射線本身）等X射線的產生X射線的產生X射線產生的基本條件：（1）產生自由電子；（2）使電子做定向高速運動；（3）在電子運動的路徑上設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，在高壓電場作用下，加速飛向陽極。高速電子流在撞擊陽極（靶）時，所攜帶的動能部分轉變?yōu)楣饬孔?，以X射線形式發(fā)射出來。X射線的產生X射線管由陽極靶和陰極燈絲組成產生---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射線管的結構包括：（1）陰極：如同一般的燈絲，一般用鎢絲做成。用于產生大量的電子，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生的X射線是不同的。常用的靶材：Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag。產生---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)：當電子束轟擊陽極靶時，其中只有1%能量轉換為X射線，其余的99%均轉變?yōu)闊崮?。因此，陽極的底座一般高導熱性的金屬（銅）制作。使用時通冷卻水防止熔化。（5）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。

產生---X射線管轉靶X射線管常規(guī)X射線管功率只有1-2KW，大功率轉靶X射線管功率可達10-30KW可顯示更多衍射信息和細節(jié)產生---轉靶X射線管電子束X射線高功率旋轉陽極X射線譜X射線譜是指X射線強度隨波長變化的關系曲線X射線譜①連續(xù)X射線譜②特征X射線譜波長連續(xù)變化的X射線組成一定波長的若干X射線疊加在連續(xù)X射線譜上構成連續(xù)譜+標識（特征）譜

連續(xù)譜

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

強度波長（?）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：①曲線均有一個最短波長限λ0和最大強度點所對應的波長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。λ0=1.24/v(nm)

③當電壓增加時，各個波長所對應的強度增加，曲線下所圍的面積增加。

i連=連續(xù)X射線譜產生機理

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

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

V——電子通過兩極時的電壓降（kv）

h——普朗克常數(shù)，h=式中e——電子電荷，c——光速，ν——頻率

V——電子通過兩極時的電壓降（kv）

h——普朗克常數(shù)，h=λSWL=nm短波限注意單位試計算用50千伏操作時，X射線管中的電子在撞擊靶時的速度和動能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？連續(xù)譜強度X射線的強度是指垂直于X射線傳播方向的單位面積上在單位時間內所通過的光子數(shù)目的能量總和。I=nhν正因為如此，連續(xù)X射線譜中強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。實驗證明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)譜強度

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

η==αzv特征X射線譜(標識譜)

characteristicX-ray當電壓加到25kv時，mo靶的連續(xù)x射線譜上出現(xiàn)了二個尖銳的峰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生的特征譜線隨著電壓的增大，其強度進一步增強，但波長不變，也就是說，這些譜線的波長與管壓和管流無關。它與靶材有關。對給定的靶材，它們的這些譜線是特定的。因此，稱之為特征x射線譜或標識x射線譜。產生特征x射線的最低電壓稱激發(fā)電壓。特征X射線譜產生機理特征X射線譜產生的機理與連續(xù)譜不同，它的產生是與陽極靶物質的原子結構緊密相關。原子內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εk、εl…，且εk＜εl…

泡利不相容原理特征（標識）譜產生在電子轟擊陽極的過程中，當某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內層電子（如K層的一個電子）擊出時，于是在低能級上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。高能級上的電子向低能級躍遷（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識X射線譜。

出現(xiàn)內層空位高能電子擊出靶的內層電子

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λ＝h/ΔE必然是個僅取決于原子序數(shù)的常數(shù)。即特征x射線波長為一定值。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層躍遷產生的X射線叫K系譜線；跨躍1個能級的標記為α，2個能級的標記為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產生某系激發(fā)要陰極電子的能量eU

至少等于擊出一個某層電子所作的功（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上的電子打掉，從而產生特征x-ray所必須達到的最低電壓。對于同種原子：越接近內層臨界激發(fā)電壓越高

Vk>VL>VM>VN對于不同種原子：原子序數(shù)大的臨界激發(fā)電壓大。特征X射線譜產生條件注意：特征X射線產生存在一個臨界激發(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---莫塞萊定律Mosley’sLaw標識X射線譜（的頻率和波長）只取決于陽極靶物質的原子能級結構，是物質的固有特性。且存在如下關系：標識X射線譜的波長λ與原子序數(shù)Z關系為：

：波長;K：與主量子數(shù)、電子質量和電子電荷有關的常數(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來識別元素，進行化學成分分析。莫塞萊定律為X射線化學成分分析奠定了理論基礎，分析思路是使未知物質發(fā)出特征X射線，并經(jīng)過已知晶體進行衍射，然后算出波長

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

(?)元素序數(shù)K

K

Cr242.29072.0849Fe261.93731.7566Ni281.65921.5001

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

，所以Kα的波長大于Kβ。由于L—K躍遷的幾率比M—K躍遷大5倍左右，所以，Kα強度比Kβ大5倍。K

比K

譜線波長長：注意：∨﹥M-K層上的能級差：KML-K層上的能級差：KL注意：K

比K

譜線的強度高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標識x射線的精細結構:Kα由Kα1

和Kα2組成，兩者的強度比為2：1。KLⅠⅡⅢKα1Kα2Kα是最強的譜線，比相鄰譜線強5～90倍?？勺鳛檠苌涞膯紊庠础Ｊ荎β強度的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系由于波長太長，容易被物質吸收，所以不利用。k系特征幅射最強，尤其是kα，是x射線分析中最常用的x射線。

1)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)陽極靶不同產生的特征x射線的波長不同。

3）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。

一．連續(xù)X射線譜特點產生原因(減速輻射)

二．特征X射線譜特點產生原因產生過程產生條件特征X射線命名

特征X射線的波長X射線譜的小結：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射線與物質的相互作用

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

X射線被物質散射時可以產生兩種散射現(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（束縛較緊的內層電子）彈性碰撞，散射出電磁波的波長與入射波完全相同，即散射過程中波長不變。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。即散射過程中射線的波長有所改變。

X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時電子獲得一部分動能成為反沖電子，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）和我國物理學家吳有訓等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應。無明確的相位關系，它會增加連續(xù)背底，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。非相干散射

非相干散射