第一章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)引言

1895年，德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線1912年，法國物理學(xué)家勞厄提出2個(gè)假設(shè)：

X射線是電磁波，波長為原子線度的1/10；

X射線能產(chǎn)生衍射第一章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)勞厄方程第一章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)英國布拉格父子從反射角度提出設(shè)想，并推導(dǎo)出了著名的布拉格方程：2dsinθ=nλ第一章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)1913年，布拉格用X分光計(jì)首次測出了NaCl晶體結(jié)構(gòu)第一章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)小布拉格在用特征X射線分析了一些堿金屬鹵化物的晶體結(jié)構(gòu)之后，與其父親合作，成功地測定出了金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，并用勞厄法進(jìn)行了驗(yàn)證。（1）X射線衍射學(xué)——根據(jù)衍射花樣，在入射X射線波長已知的情況下測定晶體結(jié)構(gòu)，研究與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的各種問題。通過這些研究，X射線學(xué)出現(xiàn)了2個(gè)分支：第一章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)（2）X射線光譜學(xué)——根據(jù)衍射花樣，在分光晶體結(jié)構(gòu)已知的情況下測定各種物質(zhì)發(fā)出的X射線的波長和強(qiáng)度，研究物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)和成分。XRDXRF1.1X射線的性質(zhì)1.2X射線的產(chǎn)生1.3X射線譜1.4X射線與物質(zhì)的相互作用1.5X射線的衰減規(guī)律1.6

吸收限的應(yīng)用第一章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)1.1X射線的性質(zhì)1.1X射線的性質(zhì)本質(zhì)——電磁波，波長（0.01~10nm）介于紫外線和γ射線之間，呈現(xiàn)波粒二象性。１０－１５１０－１０１０－５１００１０５１?１nm１μm１mm１cm１m１km波長（ｍ）Ｘ射線可見光微波無線電波UVIRγ射線1.1X射線的性質(zhì)波動(dòng)性——X射線以一定頻率和波長在空間傳播，反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)連續(xù)性，可以解釋在傳播過程中發(fā)生的干涉、衍射等現(xiàn)象。 硬X射線——波長較短的X射線。能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。軟X射線——波長較長的X射線。能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。X射線衍射分析常用波長0.05～0.25nm，其中金屬材料：0.005～0.1nm。1.1X射線的性質(zhì)粒子性——X射線以光子形式輻射和吸收，具有一定質(zhì)量、能量和動(dòng)量，反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的分立性。表現(xiàn)在與物質(zhì)相互作用和交換能量的時(shí)候，如光電效應(yīng)、二次電子等。X射線光子的頻率υ

、波長λ、光子能量ε和動(dòng)量p

之間關(guān)系如下：

ε=hυ=hc/λ p=h/λ返回1.2X射線的產(chǎn)生⑴以某種方式產(chǎn)生一定量自由電子⑵在高真空中，在高壓電場作用下迫使這些電子做定向運(yùn)動(dòng)⑶在電子運(yùn)動(dòng)方向上設(shè)置障礙物以急劇改變電子運(yùn)動(dòng)速度

X射線管條件1.2X射線的產(chǎn)生1.2 X射線的產(chǎn)生陰極陽極⑴結(jié)構(gòu)

陰極——發(fā)射電子，燈絲外設(shè)金屬聚焦罩，用于聚焦電子束。常用W絲。

陽極——產(chǎn)生X射線，由熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱好的銅制成，并鍍一層Cr、Fe、Co、Ni、Mo等金屬以產(chǎn)生不同波長X射線。1.2 X射線的產(chǎn)生⑵工作原理陰極陽極⑶X射線接收——與靶面呈6°方向接收這種X射線管的功率比較低，一般為500w~3000w1.2X射線的產(chǎn)生1.2X射線的產(chǎn)生主要由于高速運(yùn)動(dòng)電子的動(dòng)能僅1%轉(zhuǎn)變成X射線，其余99%都轉(zhuǎn)變成熱能，功率過高靶面容易燒熔。如何提高功率？旋轉(zhuǎn)陽極靶：陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，不會出現(xiàn)燒熔，功率可提高至100kw。旋轉(zhuǎn)陽極靶X射線管X射線的產(chǎn)生同步輻射加速器同步輻射是由以接近光速運(yùn)動(dòng)的電子在磁場中作曲線運(yùn)動(dòng)改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)所產(chǎn)生的電磁輻射，其本質(zhì)與我們?nèi)粘＝佑|的可見光和X光一樣，都是電磁輻射。由于這種輻射是1947年在同步加速器上被發(fā)現(xiàn)的，因而被命名為同步輻射（Synchrotronradiation）。特點(diǎn)：寬波段、高準(zhǔn)直、高偏振、高純凈、高亮度、窄脈沖、可精確預(yù)知，此外，同步輻射光還具有高度穩(wěn)定性、高通量、微束徑、準(zhǔn)相干等獨(dú)特而優(yōu)異的性能。返回1.3 X射線譜X射線譜——X射線強(qiáng)度隨波長變化的曲線連續(xù)X射線譜特征X射線譜1.3 X射線譜1.31連續(xù)X射線譜1、含義——由波長連續(xù)變化的X射線構(gòu)成，也稱白色X射線或多色X射線。由圖示曲線可知，每條曲線 都有一強(qiáng)度極大值（對應(yīng)波 長λm）和一個(gè)波長極限值

（短波限λ0）。強(qiáng)度極限短波限1.3 X射線譜如何解釋連續(xù)譜的形成？量子理論當(dāng)能量為1eV的電子與陽極靶原子碰撞時(shí)，電子損失自己的能量，其動(dòng)能的一部分以X光子的形式輻射出來，其余部分轉(zhuǎn)化為熱能。在與陽極靶相碰的眾多電子中，有的發(fā)生一次碰撞，即輻射一個(gè)光子，有的則多次碰撞輻射多個(gè)能量各異的光子，它們的總和構(gòu)成連續(xù)譜。1.3 X射線譜極限情況：一個(gè)電子經(jīng)一次碰撞即把所有能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾幽芰?，光子能量達(dá)到最大。1.3X射線譜最大能量光子即具有最短波長——短波限λ0。結(jié)論——短波限λ0與加速電壓（管電壓）有關(guān)，而與陽極靶材（Z）無關(guān)。1.3X射線譜影響連續(xù)譜因素：管電壓U、管電流I

和靶材ZI、Z不變，增大UU、Z不變，增大IU、I不變，增大Z強(qiáng)度提高，λm、λ0移向短波強(qiáng)度一致提高，λm、λ0不變1.3X射線譜管電壓U管電流I靶材原子序數(shù)Z1.3 X射線譜2、X射線強(qiáng)度——垂直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。X射線強(qiáng)度

I取決于光子的能量hυ和光子數(shù)n，因此連續(xù)譜中強(qiáng)度極值不在短波限，而在約1.5λ0處。Ic=KiZVmK：1.1×10-9~1.4×10-9；m=2；Z：靶材原子序數(shù)；V：管電壓；i：管電流X射線管效率η——電子流能量中用于產(chǎn)生X射線的百分?jǐn)?shù)，即1.3 X射線譜1.3.2特征X射線譜1、含義——由一定波長的若 干X射線疊加在連續(xù)譜上構(gòu)成， 也稱單色X射線和標(biāo)識X射 線。當(dāng)管電壓超過某臨界值時(shí)才 能激發(fā)出特征譜。

如圖所示，U管=35KV時(shí)，

波長0.63埃和0.71埃處出

現(xiàn)特征峰。強(qiáng)度極限短波限2、產(chǎn)生機(jī)理 當(dāng)管電壓達(dá)到或超過某一臨界值時(shí)，陰極發(fā)出的電子在電場加速下將靶材物質(zhì)原子的內(nèi)層電子擊出原子外，原子處于高能激發(fā) 態(tài)，有自發(fā)回到低能態(tài) 的傾向，外層電子向內(nèi) 層空位躍遷，多余能量 以X射線的形式釋放出 來—特征X射線。1.3 X射線譜1.3 X射線譜3、能量——特征X射線的能量與躍遷前后的能級有關(guān)。

特征X射線以被電子轟擊所形成的空位所在電子層命名，如L→K：Kα輻射；M→K：Kβ輻射。Kβ光子的能量大于Kα光

子，但Kβ線的強(qiáng)度比 Kα線要低。1.3 X射線譜伴生譜線L層電子填充K層空位后，原子將由K激發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)長激發(fā)態(tài)，更外層電子（如M、N層等）將向L空位躍遷，產(chǎn)生L系輻射。因此，K激發(fā)除了產(chǎn)生K系輻射外還伴生L系、M系等輻射，這些伴生輻射均因波長長而被窗口吸收。4、Kα雙線結(jié)構(gòu)Kα=Kα1+Kα2構(gòu)成雙線結(jié)構(gòu)，這與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。L層分3個(gè)亞層，除L1層電子不符合選擇定律（Δl=0），不能躍遷外，L2、L3層電子均可向K層躍遷，故形成了雙線結(jié)構(gòu)。1.3 X射線譜1.3 X射線譜5、莫塞萊定律特征X射線波長或頻率僅與靶原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，即結(jié)論：特征X射線波長僅決定于原子 序數(shù)，與管電壓、管電流無關(guān)。該 公式是X射線光譜學(xué)的基本依據(jù)。特定物質(zhì)的兩個(gè)特定能級之間的能量差一定，輻射出的特征X射線的波長是特定。1.3 X射線譜K系特征X射線的強(qiáng)度與管電壓、管電流的關(guān)系為：當(dāng)I標(biāo)/I連最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的3~5倍時(shí)，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。返回1.4 X射線與物質(zhì)相互作用X射線與物質(zhì)相互作用是一個(gè)復(fù)雜物理過程：一束X射線通過物體后，其強(qiáng)度將發(fā)生衰減，這是被吸收和散射的結(jié)果，且吸收是主要原因。1.4 X射線與物質(zhì)相互作用1.4.1X射線的散射X射線的散射分相干散射和非相干散射兩類。1、相干散射當(dāng)X射線通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)原子的內(nèi)層電子在電磁場作用下將產(chǎn)生受迫振動(dòng)，并向四周輻射同頻率的電磁波。由于散射線與入射線的波長和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，故稱相干散射→X射線衍射學(xué)基礎(chǔ)2、非相干散射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，波長增加，也稱為康普頓散射。散射線波長比入射線波長要長。1.4 X射線與物質(zhì)相互作用1.4 X射線與物質(zhì)相互作用1.4.2X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(shí)X光子能量變成了其他形式的能量，是真吸收過程。1、光電效應(yīng)X射線與物質(zhì)的相互作用可以看成是X光子與物質(zhì)中原子的相互碰撞。當(dāng)X光子具有足夠能量時(shí)，可以將原子內(nèi)層電子擊出，該電子稱為光電子。原子處于激發(fā)態(tài)，外層電子向內(nèi)層空位躍遷，多余能量以輻射方式釋放，即二次特征X