第6章_X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1、1第六章第六章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)射線物理學(xué)基礎(chǔ)2n第一節(jié)第一節(jié) X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)n第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生與射線的產(chǎn)生與X射線譜射線譜n第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用第六章第六章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)射線物理學(xué)基礎(chǔ)3第一節(jié)第一節(jié) X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)n1. X射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn):nX射線射線是是1895年年11月月8日日由德國物理學(xué)家德國物理學(xué)家倫琴倫琴（W.C.Rontgen）在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時偶然發(fā)現(xiàn)的。n當(dāng)時，他用黑紙把真空放電管嚴(yán)實包裹，以防透光。實驗時，發(fā)現(xiàn)凳子上涂有氰亞鉑酸鋇氰亞鉑酸鋇硬紙板發(fā)出淺綠色淺綠色熒光，試著木塊、硬橡膠等擋也擋不住

2、，甚至可透過人的骨骸!n當(dāng)時對此射線本質(zhì)尚無了解，故取名X射線射線（倫琴射線）倫琴射線）。n這一偉大發(fā)現(xiàn)，倫琴倫琴于1901年第一位諾貝爾獎獲得者。年第一位諾貝爾獎獲得者。42. 威廉威廉康拉德康拉德倫琴倫琴（WilhelmKonradRntgen ）攝于1896年n1845年年3月月27日日生于德國萊茵州雷內(nèi)普（Lennep）鎮(zhèn)。n1869年獲蘇黎世大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位n1870年回德國維爾茨堡大學(xué)工作。1894年任維爾茨堡大學(xué)校長。n1895年年11月月8日日發(fā)現(xiàn)了X射線射線。n1900年任慕尼黑大學(xué)物理研究所教授，主任。n1901年，獲首屆諾貝爾物理學(xué)獎。諾貝爾物理學(xué)獎。n1923年2月10

3、日，在慕尼黑去世。18451923）53. 倫琴夫人的手倫琴夫人的手 攝于1895年12月22日n六個星期后，倫琴確認(rèn)是一種新射線，才告訴自己夫人。n1895年年12月月22日日，他邀請夫人來到實驗室，用光電管照射了15分鐘，拍下了第一張人手第一張人手X射線照片。射線照片。64. X射線在醫(yī)學(xué)界應(yīng)用射線在醫(yī)學(xué)界應(yīng)用X射線透視學(xué)射線透視學(xué)n倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，一個月內(nèi)發(fā)表了一種新射線一種新射線的文章，引起社會各界強(qiáng)烈的反應(yīng)。n消息傳遍全球，各國競相開展試驗研究。雖未了解此現(xiàn)象本質(zhì)，因其有強(qiáng)大穿透力，能透過人體顯示骨骼，迅速被醫(yī)學(xué)界廣泛利用，成為透視人體、檢查傷病的有力工具，產(chǎn)生了X射線透視學(xué)射線透

4、視學(xué)。n后來又用于金屬探傷金屬探傷，對工業(yè)技術(shù)也有很大促進(jìn)作用。75. X射線最初醫(yī)療診斷射線最初醫(yī)療診斷1896.2.3美國Dr. Edwin Frost (1866-1935)86. X射線本質(zhì)的認(rèn)識射線本質(zhì)的認(rèn)識n18951897年間，通過一系列實驗，搞清了X射線產(chǎn)生、傳播、穿透力等特性：1.X射線射線雖人眼看不見，但能使某些物質(zhì)發(fā)出熒光發(fā)出熒光。使照相底片感光，使氣體、原子電離。2. 2. X射線射線沿直線傳播，經(jīng)電場或磁場不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。3.X射線射線有很強(qiáng)穿透力，通過物質(zhì)時可被吸收而強(qiáng)度衰減。4.X射線射線還能殺傷生物細(xì)胞等特性。n但對X射線本質(zhì)的認(rèn)識，是對晶體結(jié)構(gòu)的研究，即與X射線射

5、線在晶體中發(fā)生衍射衍射現(xiàn)象是分不開的。97. X射線射線衍射衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（一）現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（一）n1912年，德國物理學(xué)家年，德國物理學(xué)家勞埃勞埃（M. Von Laue）利用晶體作為天然光柵成功觀察到了X射線衍射現(xiàn)象。n他用CuSO45H2O進(jìn)行了實驗，獲得了第一張第一張X射線衍射照片射線衍射照片。n1914年年獲諾貝爾物理學(xué)獎諾貝爾物理學(xué)獎lMax von Laue l馬克斯馬克斯 馮馮 勞埃勞埃(1879-1960)108. X射線射線衍射衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（二）現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)（二）nX射線衍射射線衍射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)：1.肯定了肯定了X射線的本質(zhì)。射線的本質(zhì)。即是一種電磁波，有波動性。2.證實了晶體結(jié)

6、構(gòu)的周期性證實了晶體結(jié)構(gòu)的周期性。為晶體微觀結(jié)構(gòu)研究提供了嶄新的方法。晶體結(jié)構(gòu)認(rèn)識：從微米微米納米納米級，有更接近本質(zhì)的認(rèn)識。n用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)的工作稱X射線晶體學(xué)射線晶體學(xué)或X射線衍射學(xué)。射線衍射學(xué)。 CuSO45H2O衍射照片 世界上第一張 X射線衍射照片119.布拉格定律布拉格定律的建立和的建立和莫塞萊定律莫塞萊定律的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn)n英國布拉格布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.bragg）對此進(jìn)行開創(chuàng)性工作。n1912年，年，W.L.布拉格布拉格進(jìn)行了勞埃勞埃實驗后認(rèn)為：衍射斑點的產(chǎn)生是射線受到類似鏡面鏡面“反射反射”的結(jié)果。并從勞埃方程式勞埃方程式導(dǎo)出布拉格方程布拉格方程，推算出

7、KCl及NaCl原子排列方式，并真正測量了X射線波長。射線波長。n后一工作導(dǎo)致1913-1914年莫塞萊莫塞萊（H.G.J.Moseley)定律定律的發(fā)現(xiàn)。), 3 , 2 , 1(sin2nnd1210、莫塞菜定律莫塞菜定律n1913年，英國物理學(xué)家英國物理學(xué)家莫塞萊莫塞萊 （18871915 ）在研究X射線光譜時發(fā)現(xiàn)：特征X射線頻率頻率或波長波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)（原子序數(shù)），（原子序數(shù)），此規(guī)律稱莫塞萊定律。莫塞萊定律。)(ZK式中： K與靶材物質(zhì)主量子數(shù)有關(guān)的常數(shù)； 屏蔽常數(shù)，與電子所在的殼層位置有關(guān)。n成為X射線熒光分析射線熒光分析和電子探針微區(qū)成分分析電子探針微區(qū)成分

8、分析的理論基礎(chǔ)。1()K Z或13第一節(jié)、第一節(jié)、X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)一、一、 X射線的波動性射線的波動性n1. X射線射線與可見光、紅外線、紫外線等相同，均屬電磁波電磁波，它它是由高速帶電粒子與物質(zhì)原子中的內(nèi)層電子作用而產(chǎn)生的，是由高速帶電粒子與物質(zhì)原子中的內(nèi)層電子作用而產(chǎn)生的，它同時具有波動性波動性和粒子性粒子性。n2. X射線波長射線波長比可見光短得多，約與晶體晶格常數(shù)同一數(shù)量級，在0.1nm左右。因此，其能量大、穿透能力強(qiáng)。n3. X射線射線與可見光一樣，以光速呈直線傳播，在真空中傳播速度2.998108m/s。14一、一、 X射線的波動性射線的波動性n4.X射線波長射線波長法定單位

9、為：nm，以前也常用埃（）。（1nm=10-9m10 ）nX射線波長：100.001nm，兩邊與紫外線紫外線及射線射線重疊。n晶體結(jié)構(gòu)分析：晶體結(jié)構(gòu)分析：波長在0.25 0.05nm，n金屬探傷：金屬探傷：波長約為0.10.005nm或更短，n波長較短的波長較短的X射線，習(xí)慣上稱為“硬硬X射線射線”。n波長較長波長較長的X射線稱為“軟軟X射線射線。15常見的各種電磁波的波長與頻率常見的各種電磁波的波長與頻率可見光紫外線紅外線微波X射線射線波長 射線 頻率標(biāo)準(zhǔn)無線電波長波TV/FM 短波短波長波長波16X射線波動性的表現(xiàn)（射線波動性的表現(xiàn)（1）n1.X射線波動性：射線波動性：以一定頻率和波長在空

10、間傳播，具有干涉與衍射現(xiàn)象；描述參量：描述參量：頻率頻率和波長波長。n2.電磁波（橫波）電磁波（橫波），具有電場矢量電場矢量E和磁場矢量磁場矢量H，以相同周相，在兩相互垂直平面內(nèi)作周期振動，且與傳播傳播方向垂直，傳播速度光速。傳播速度光速。n3、X射線分析：射線分析：主要考慮電場矢量電場矢量E引起的物理效應(yīng)。17X射線波動性的表現(xiàn)（射線波動性的表現(xiàn)（2）n4.電場矢量電場矢量E 隨傳播時間傳播時間或或傳播距離傳播距離變化呈周期性波動，波振幅為A（或（或E0）。n一束沿y軸方向傳播的波長為的X射線波方程射線波方程為：圖1-2 E 的變化(a) x一定時E 隨t 的變化；(b) t一定時E 隨x

11、的變化 )(20tyCOSAA18X射線波方程射線波方程n一束沿y軸方向傳播波長為的X射線波方程射線波方程為：n若以表示相位相位，即令則n當(dāng)t=0，A=A0ei，ei稱為“相位因子相位因子”。)(20tyCOSAAy22)(0tCOSAA)(0tieAA19二、二、 X射線的粒子性射線的粒子性n1. 實驗證實X射線射線是波長極短的電磁波，有干涉與衍射干涉與衍射現(xiàn)象。但波動性波動性無法解釋X射線的光電效應(yīng)、熒光輻射光電效應(yīng)、熒光輻射等現(xiàn)象。n2.按波動理論：按波動理論：物質(zhì)中電子吸收X射線能量是連續(xù)的，當(dāng)能量積累到一定程度就能放出電子。即：不論即：不論X射線頻率如何低，射線頻率如何低，只要入射強(qiáng)

12、度大，時間長，總會發(fā)生光電效應(yīng)的。只要入射強(qiáng)度大，時間長，總會發(fā)生光電效應(yīng)的。但實驗結(jié)果，產(chǎn)生光電效應(yīng)條件：產(chǎn)生光電效應(yīng)條件：不在于不在于X射線強(qiáng)度與照射時射線強(qiáng)度與照射時間，而在于其頻率間，而在于其頻率（或（或）。）。這與波動理論相矛盾性。表明：X射線還有粒子性粒子性。20二、二、 X射線的粒子性射線的粒子性n3.粒子性表現(xiàn)：粒子性表現(xiàn)：以光速運(yùn)動的大量微觀粒子組成不連續(xù)粒子流。稱為“光子光子”或“光量子光量子”。描述參量為能量能量E、動量動量P。n4.波動性波動性與粒子性粒子性描述參量間的關(guān)系：hchEhP X射線頻率； h普朗克常數(shù)（6.62610-34 Js ） c X射線傳播速度（2

13、.998108m/s）21二、二、 X射線的粒子性射線的粒子性n5.粒子性突出表現(xiàn)：粒子性突出表現(xiàn)： X射線射線在與物質(zhì)（原子或電子）相互作用時，有交換能量，光子能量能被原子或電子吸收吸收或被散射。散射。 光電效應(yīng)、熒光輻射光電效應(yīng)、熒光輻射等正是等正是X射線粒子性射線粒子性的明顯表現(xiàn)。22三、三、 X射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度n1.X射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度用波動性觀點描述：波動性觀點描述： 單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位截面上的能量大小，單位時間內(nèi)通過垂直于傳播方向的單位截面上的能量大小，強(qiáng)度與波振幅A2 成正比。2AI n2.X射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度用粒子性觀點描述：粒子性觀點描述： 單位時間內(nèi)通過與傳

14、播方向相垂直的單位截面的光量子數(shù)目。單位時間內(nèi)通過與傳播方向相垂直的單位截面的光量子數(shù)目。n3.絕對強(qiáng)度絕對強(qiáng)度單位是J(m2s)，但難以測定，常用相對強(qiáng)度相對強(qiáng)度，如：底片相對黑度、探測器（計數(shù)管）計數(shù)值底片相對黑度、探測器（計數(shù)管）計數(shù)值等。23X射線波粒二相性射線波粒二相性n1.X射線波動性射線波動性：反映物質(zhì)運(yùn)動的連續(xù)性；連續(xù)性； X射線粒子性：射線粒子性：反映物質(zhì)運(yùn)動分立性。分立性。n2.對同一輻射所具有的波動性波動性與粒子性粒子性的描述： 可用時間和空間展開的數(shù)學(xué)形式來描述；時間和空間展開的數(shù)學(xué)形式來描述； 可用統(tǒng)計學(xué)法確定某時間、位置粒子出現(xiàn)概率來描述。統(tǒng)計學(xué)法確定某時間、位置粒

15、子出現(xiàn)概率來描述。因此，須同時接受波動波動和粒子粒子兩種模型。n3.X射線射線上述特性，成為研究晶體結(jié)構(gòu)、進(jìn)行元素分析、醫(yī)研究晶體結(jié)構(gòu)、進(jìn)行元素分析、醫(yī)療透視療透視和工業(yè)探傷工業(yè)探傷等方面的有力工具。24第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生與射線的產(chǎn)生與X射線譜射線譜n一、一、X射線產(chǎn)生：射線產(chǎn)生：n1.X射線：射線：高速運(yùn)動帶電粒子（電子）與某物質(zhì)相撞擊后突然減速或被阻止，與該物質(zhì)中內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。與該物質(zhì)中內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。n2.X射線產(chǎn)生條件射線產(chǎn)生條件： 1）產(chǎn)生并發(fā)射自由電子）產(chǎn)生并發(fā)射自由電子（加熱W燈絲發(fā)射熱電子）； 2）在真空中迫使電子作定向的高速運(yùn)動）在真空中迫使電子

16、作定向的高速運(yùn)動（加速電子）； 3）在電子運(yùn)動路經(jīng)上設(shè)障礙，使其突然減速或停止）在電子運(yùn)動路經(jīng)上設(shè)障礙，使其突然減速或停止（靶）（靶）據(jù)此，就可理解X射線發(fā)生器的構(gòu)造原理了。25二、二、X射線管的結(jié)構(gòu)（射線管的結(jié)構(gòu)（1）n1.陰極陰極：發(fā)射電子發(fā)射電子。由鎢絲制成，通以一定電流加熱后便能釋放出大量的熱激發(fā)電子熱激發(fā)電子。n2.陽極陽極：“靶靶”(target)。使電子突然減速并發(fā)射X射線的地方。由不同的金屬組成，常用靶材有Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W等，根據(jù)不同需要選用。陰極陽極26二、二、X射線管的結(jié)構(gòu)（射線管的結(jié)構(gòu)（2）n3.窗口：窗口：X射線射出通道，射線射出通道，常有兩

17、個或四個。兩個或四個。n窗口材料窗口材料：既有足夠強(qiáng)度以維持管內(nèi)高真空，又對X射線吸收較小。常用對X射線穿透性好的輕金屬鈹（輕金屬鈹（Be）。n4.聚焦罩：聚焦罩：加在陰極燈絲外，使燈絲燈絲與聚焦罩聚焦罩保持約約400V電電位差位差，可聚焦電子束。窗口27二、二、X射線管的結(jié)構(gòu)（射線管的結(jié)構(gòu)（3）n5. 冷卻系統(tǒng)：冷卻系統(tǒng)：X射線發(fā)射向四周發(fā)散，大部分被管殼吸收，少量通過窗口得以利用。只有只有1能量轉(zhuǎn)化為能量轉(zhuǎn)化為X射線射線，99轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，為熱能，故靶須水冷，以防止陽極過熱的熔化。冷卻水28荷蘭荷蘭Philips公司第二代陶瓷公司第二代陶瓷X射線管射線管n焦點三維精確定位(預(yù)校準(zhǔn)模塊化的

18、基礎(chǔ)）n陶瓷燈體n絕緣度高n重量輕n超長壽命n無需校準(zhǔn)29美國熱電瑞士美國熱電瑞士ARL公司公司n新型陶瓷新型陶瓷X光管光管 X-ray TubesCeramic Tube（陶瓷光管）（陶瓷光管） Glass Tube（玻璃光管）（玻璃光管）Possible targets are Cu, Cr, Fe, Co or Mo可有的靶材為：可有的靶材為： Cu，Cr，F(xiàn)e，Co 或或Mo30三、三、 X射線光管的分類射線光管的分類na.按制造材料按制造材料可分：玻璃光管玻璃光管和金屬陶瓷光管金屬陶瓷光管。nb.按陽極靶可動與否：按陽極靶可動與否：固定靶固定靶 X 光管光管；自轉(zhuǎn)靶自轉(zhuǎn)靶 X 光管。

19、光管。日本理學(xué)公司自轉(zhuǎn)銅靶陽極31四、四、X射線焦點射線焦點 （1）n1.焦點焦點：陽極靶面被電子束轟擊并發(fā)出X射線的區(qū)域。n尺寸和形狀：尺寸和形狀：取決于燈絲，取決于燈絲，螺線形燈絲產(chǎn)生長方形焦點。長方形焦點。靶的焦點形狀及接收方向 n2.衍射工作，希望X光光有： 較小焦點較小焦點（分辨本領(lǐng)高）（分辨本領(lǐng)高） 較高強(qiáng)度較高強(qiáng)度（曝光時間短）（曝光時間短）nX射線出射角：射線出射角：n常與靶面成3o8o（常為（常為6o）32四、四、X射線管的焦點射線管的焦點 （2）n3.焦點形狀：焦點形狀：1l0mm長方形。長方形。表觀焦點：表觀焦點：在出射方向上X射線束的截面積，縮小縮小。靶的焦點形狀及接收

20、方向 n4.窗口窗口在與焦點長邊焦點長邊和短邊短邊相對位置。n短邊：短邊：表觀焦點表觀焦點正方正方，強(qiáng)度高。n長邊：長邊：表觀焦點表觀焦點線狀線狀，強(qiáng)度弱。33五、五、X 射線譜射線譜n1.對X光管施不同電壓，不同電壓，再測X射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度和波長，波長，得強(qiáng)度與波強(qiáng)度與波長關(guān)系曲線，長關(guān)系曲線，稱為X射線譜。射線譜。Mo陽極靶不同管壓下連續(xù)X光譜 n2.如：Mo靶V20kV時，曲線連續(xù)變化，稱連續(xù)連續(xù)X射線譜射線譜（或白色（或白色X射線）射線）。34（二）（二）連續(xù)連續(xù)X射線譜實驗射線譜實驗規(guī)律規(guī)律n1.不同管壓下，各連續(xù)譜均有強(qiáng)度最大值；強(qiáng)度最大值；隨管壓管壓V 強(qiáng)度強(qiáng)度；最高強(qiáng)度波長m

21、（移向短波端）。（移向短波端）。n2.在短波端均有最短極限波長最短極限波長稱短波限短波限SWL ，隨管壓管壓 短短波限波限SWL（移向短波端）。（移向短波端）。a）管壓影響）管壓影響 b）管流影響）管流影響 c）靶材影響）靶材影響35n3.X光最高強(qiáng)度光最高強(qiáng)度約在1.5SWL處。n4.管壓不變，管流管流強(qiáng)度強(qiáng)度，但SWL、m不變。不變。n5.管壓和管流相同，靶材Z強(qiáng)度，但SWL、m不變。不變。a）管壓影響）管壓影響 b）管流影響）管流影響 c）靶材影響）靶材影響36（三）（三）量子理論量子理論解釋連續(xù)譜形成機(jī)理（解釋連續(xù)譜形成機(jī)理（1）n1.量子理論觀點：量子理論觀點：n能量能量 e V電子

22、與靶原子碰撞，電子失去部分能量，并輻射出光子。每次碰撞產(chǎn)生一個能量為能量為 h的光子，光子，稱此輻射為“韌致輻射韌致輻射”。n如：當(dāng)管流I=10mA時，電子數(shù)目電子數(shù)目 n6.241016個/秒。n如此多電子到達(dá)靶上時間和條件都不相同，且大多數(shù)電子須電子須經(jīng)多次碰撞，逐步把能量釋放直到零，經(jīng)多次碰撞，逐步把能量釋放直到零，這樣產(chǎn)生一系列能量為hi的光子序列，即形成連續(xù)譜連續(xù)譜。 37何以存在何以存在短波限短波限SWL？n極限情況：極限情況：極少數(shù)電子一次碰撞將全部能量一次性轉(zhuǎn)化為一極少數(shù)電子一次碰撞將全部能量一次性轉(zhuǎn)化為一個光子，個光子，此光子具最高能量和最短波長此光子具最高能量和最短波長（短

23、波限短波限SWL）。）。n一般情況：一般情況：光子能量電子能量。n極限情況：極限情況：光子能量電子能量光子能量電子能量，即SWLhceVhv（電子能量）（光子能量）max 將V和以kV和nm為單位，其它常數(shù)代入上式，則有：1.24()SWLhcnmeVV38（四）連續(xù)四）連續(xù)X射線輻射強(qiáng)度和發(fā)射效率（射線輻射強(qiáng)度和發(fā)射效率（1）n1.連續(xù)連續(xù)X射線總強(qiáng)度射線總強(qiáng)度（靶發(fā)出X光總能量）與連續(xù)譜強(qiáng)度分布連續(xù)譜強(qiáng)度分布曲線下所包絡(luò)的面積曲線下所包絡(luò)的面積成正比。成正比。21iZVKI 連式中：Z陽極靶的原子序數(shù)；i管電流（mA）； V管壓（KV）；K1常數(shù)約為1.11.610-9。SWLdII）（連

24、39n2.X射線管效率：射線管效率：若X射線管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時，若輸入功率為輸入功率為iV，則產(chǎn)生連續(xù)連續(xù)X射線效率射線效率或X射線管效率射線管效率：n可見，管壓管壓，靶材，靶材Z，管效率，管效率；n因常數(shù)K1(1.11.4）10-9，很小，即使用W靶（Z=74），管壓為100kV時，1（Cu：0.1），效率是很低的。），效率是很低的。n為提高光管發(fā)射連續(xù)為提高光管發(fā)射連續(xù)X射線的效率：射線的效率：n 選用重金屬靶，選用重金屬靶， 施以高電壓，施以高電壓，就是這個道理。ZVKiViZVKXX121射線管的功率射線總強(qiáng)度連續(xù)40（五）特征（標(biāo)識）（五）特征（標(biāo)識）X射線譜射線譜n一、一、特征特征X

25、射線譜射線譜的形成的形成1.當(dāng)管電壓V增高到大于陽極靶材相應(yīng)的某個臨界值臨界值VK時，即臨VV 則在連續(xù)譜的某特定波長處出現(xiàn)一些強(qiáng)度高峰，峰窄而尖銳的線形光譜。 如：Mo靶35kV (0.063nm和0.071nm )的譜線示于圖。41 一、一、特征特征X射線譜射線譜的形成的形成n2.改變管流、管壓，改變管流、管壓，這些譜線只改變強(qiáng)度，而峰位所對應(yīng)的波長不變。n即特征波長特征波長只與靶原子序數(shù)只與靶原子序數(shù)Z有關(guān)，而與電壓等無關(guān)，有關(guān)，而與電壓等無關(guān)，故稱特征特征X射線。射線。n3. 產(chǎn)生特征X射線的最低電壓叫激發(fā)電壓。激發(fā)電壓。特征X射線42 二、二、實驗規(guī)律實驗規(guī)律n1.激發(fā)電壓：激發(fā)電壓

26、：取決于陽極靶的原子序數(shù)Z。對不同陽極靶臨界激發(fā)電壓是不同的。n2.陽極靶（Z）不同，所產(chǎn)生的特征X射線的波長波長也不同。n3.當(dāng)管壓超過激發(fā)電壓激發(fā)電壓時，特征X射線波長波長不變，而強(qiáng)度強(qiáng)度按n次方的規(guī)律增大。式中：i管流，V管壓，n常數(shù)（1.52)，C比例常數(shù)，與特征X射線波長有關(guān)。nVVCiI）激特征(n4.X光管壓V（35）V激激時，特征特征X射線射線與連續(xù)連續(xù)X射線射線的比比率率為最大。（有利于衍射）（有利于衍射）43三、三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（產(chǎn)生機(jī)理的分析（1）n特征特征X射線產(chǎn)生機(jī)理射線產(chǎn)生機(jī)理與連續(xù)X射線不同，它與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。 內(nèi)層電子躍遷輻射X射線示意圖1.

27、 若高速電子的動能足夠大，將K殼層殼層中某個電子擊出。臨界激發(fā)電壓：產(chǎn)生K激發(fā)的能量為Wk=E-EK，陰極電子的能量必須滿足eVWk，才能產(chǎn)生K激發(fā)，稱為臨界激發(fā)電壓。2.則在被擊出電子的位置出現(xiàn)空位，原子系統(tǒng)能量升高，處于“激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)” 。若L殼層殼層電子K殼層殼層后，能量降低。KLEEE44三、三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（產(chǎn)生機(jī)理的分析（2）n3.這多余能量以一個X射線光量子射線光量子的形式輻射出來，則光子能量光子能量：4. 對原子序數(shù) Z 的物質(zhì)，各原子能級的能量是固有的，所以，EKL便為固有值，也是固有的。這也就解釋了特征特征X射線波長為射線波長為一定值（特征值）一定值（特征值）的原因。內(nèi)層

28、電子躍遷輻射X射線示意圖/hchEKL45Balmer線系，K激發(fā)態(tài)L激發(fā)態(tài)M激發(fā)態(tài)N激發(fā)態(tài)KKKLLMKELEMEL K K譜線譜線 (跨越 1個能級 )M K K譜線譜線 (跨越 2個能級 )N K K譜線譜線 (跨越 3個能級 )ML L譜線譜線 (跨越 1個能級 )NL L譜線譜線 (跨越 2個能級 ) 依次類推還有M線系線系 。原子能級示意圖 即n = 2 時稱為巴耳末線46 三、三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（產(chǎn)生機(jī)理的分析（3）n5. K線線比比K線線 波長長而強(qiáng)度高波長長而強(qiáng)度高在原子系統(tǒng)中，各能級能量不同，且各能級間能量差也不均布，愈靠近原子核愈靠近原子核的相鄰能級間的能量差愈大。的相鄰

29、能級間的能量差愈大。 另外，因由LK層電子躍遷幾率比由MK層約大5倍左右，故K線強(qiáng)度要比線強(qiáng)度要比K線高線高5倍左右倍左右。KLKMEEKKhcE KKII547 三、三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（產(chǎn)生機(jī)理的分析（4）n6.同一殼層還有若干個亞能級亞能級，電子所處能量不同，其能量差也固定。如：nL 層：層：8個電子分屬于L，L，L三個亞能級；n不同亞能級上電子躍遷會引起特征波長的微小差別。實驗證明： K由Kl 和 K2 雙線組成的。 Kl：L K 殼層； K2： L K 殼層；K雙重線48 三、三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（產(chǎn)生機(jī)理的分析（5）n7.又因LK (Kl)的躍遷幾率較LK(K2)的大一倍，故組成K兩條

30、線的強(qiáng)度比為： 如：W靶：靶：Kl0.0709nm，K20.0714nm，一般情況下是分不開的，K線波長線波長取其雙線波取其雙線波長的加權(quán)平均值：長的加權(quán)平均值：212KKII231321KKK49n幾種常見陽極靶材和特征譜參數(shù)幾種常見陽極靶材和特征譜參數(shù)50用X射線產(chǎn)生機(jī)理解釋：n1）不同陽極靶有其固定的臨界激發(fā)電壓。n2）K空后，空位由L層電子占據(jù)的幾率比M層大45倍。K強(qiáng)度是K的45倍。K的強(qiáng)度更小。n3）K波長比K更短。n4）V升高時，特征X射線波長不變。51（六）特征X射線的應(yīng)用莫塞來定律莫塞來定律n特征X射線譜是由布拉格發(fā)現(xiàn)，并經(jīng)莫塞來加以系統(tǒng)化的。同系特征X射線的波長，隨陽極靶的

31、原子序數(shù)的增加而變短，在射線頻率v的平方根和原子序數(shù)Z之間存在線性關(guān)系，即：這個關(guān)系式稱為莫塞來定律。（K和都是常數(shù)）n是X射線熒光分析射線熒光分析和電子探針微區(qū)成分分析電子探針微區(qū)成分分析的理論基礎(chǔ)。1()K Z52第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用nX射線與物質(zhì)相互作用射線與物質(zhì)相互作用是個復(fù)雜過程。n一束X射線通過物體后，其強(qiáng)度將被衰減，這是被散射和吸收的結(jié)果，且吸收是造成強(qiáng)度衰減的主要原因。53一、一、X射線的散射射線的散射一、X射線的散射射線的散射 X射線照射物質(zhì)上時，偏離了原來方向的現(xiàn)象。射線照射物質(zhì)上時，偏離了原來方向的現(xiàn)象。主要是核外核外電子電子與X射線射

32、線的相互作用，相互作用，會產(chǎn)生兩種散射效應(yīng)。n1. 相干散射相干散射（coherentscattering）n入射入射X射線射線與物質(zhì)原子中內(nèi)層電子內(nèi)層電子作用，當(dāng)X光子能量不足以使電子激發(fā)時，把能量轉(zhuǎn)給電子能量轉(zhuǎn)給電子，電子則繞其平衡位置發(fā)生受迫振動受迫振動，成為發(fā)射源向四周輻射與入射X光波長（振動頻率）相同電磁波（散射波）散射波）。n各電子電子散射波散射波振動頻率相同振動頻率相同、位相差恒定位相差恒定，符合干涉條件干涉條件，發(fā)生相互干涉，稱為相干散射相干散射。542非相干散射非相干散射（康普頓康普頓吳有訓(xùn)效應(yīng)吳有訓(xùn)效應(yīng)）n2. 非相干散射非相干散射：（incoherentscatterin

33、g）nX光子光子與外層價電子外層價電子相碰撞時的散射?？捎靡粋€光子光子與一個電電子子的彈性碰撞彈性碰撞來描述。 電子：電子：將被撞離原方向被撞離原方向并帶帶走光子部分動能走光子部分動能成為反沖電反沖電子；子； X光量子：光量子：因碰撞而損失部分能量，其波長增加，波長增加，并與原方向偏離偏離2角。角。X射線非相干散射 55n 能量守恒定律：散射光子和反沖電子能量之和散射光子和反沖電子能量之和等于入射光入射光子能量。子能量?？蓪?dǎo)出散射波長的增大值散射波長的增大值為:2：為入射光與散射光的傳播方向間夾角。)2cos1 (0024. 0X射線非相干散射 可見，散射光波長變化散射光波長變化與入射光波長入

34、射光波長 無關(guān)，只與散射散射角角 2 有關(guān)。 56n 經(jīng)典電磁理論：經(jīng)典電磁理論：不能解釋存在及隨2而改變現(xiàn)象，此散射現(xiàn)象和定量關(guān)系遵守量子理論規(guī)律，遵守量子理論規(guī)律，也叫量子散射量子散射。X射線非相干散射 此空間各方向散射波散射波與入射波入射波波長不同波長不同，位相關(guān)系也不確定，位相關(guān)系也不確定，不產(chǎn)生干涉效應(yīng)，稱非相干散非相干散射。射。 非相干散射：非相干散射：不參與對晶體的不參與對晶體的衍射，衍射，只會增加衍射背底，增加衍射背底，對衍射不利。 入射波長越短、被照射物質(zhì)元入射波長越短、被照射物質(zhì)元素越輕，此現(xiàn)象越顯著。素越輕，此現(xiàn)象越顯著。57n 非相干散射效應(yīng)：非相干散射效應(yīng)：由美國物理

35、學(xué)家美國物理學(xué)家康普頓康普頓（A.H.Compton）在在1923年發(fā)現(xiàn)的，年發(fā)現(xiàn)的，也稱康普頓散射。康普頓散射。n我國物理學(xué)家吳有訓(xùn)吳有訓(xùn)參加了實驗工作，故稱康吳效應(yīng)?？祬切?yīng)。n因此，康普頓康普頓于1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎。年獲諾貝爾物理學(xué)獎。1927年的A.H.康普頓中國物理學(xué)家吳有訓(xùn)58（一）（一）X射線的真吸收射線的真吸收n1、光電效應(yīng)與熒光光電效應(yīng)與熒光X射線：射線：n1 1）光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：當(dāng)入射X光子能量足夠大，將內(nèi)層電子擊出，成為自由電子（稱光電子光電子），原子則為激發(fā)態(tài)，外層電子向內(nèi)層空位躍遷，并輻射出一定波長的特征輻射出一定波長的特征X射線。射線。被打出的電子稱為光

36、電被打出的電子稱為光電子，所輻射出的次級特征子，所輻射出的次級特征X射線射線稱稱二次特征二次特征X射線射線或熒光或熒光X射線。射線。 為區(qū)別入射入射X射線射線，稱其為二次二次特征特征X射線射線或熒光熒光X射線。射線。 以入射X射線激發(fā)原子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)激發(fā)和和輻射輻射的現(xiàn)象稱為“光光電效應(yīng)電效應(yīng)”。入射入射X射線射線二、二、X射線的吸收射線的吸收59n2）光電效應(yīng)光電效應(yīng)使入射X射線消耗大量的能量，表現(xiàn)為物質(zhì)對入射物質(zhì)對入射X射線的強(qiáng)烈吸收。射線的強(qiáng)烈吸收。圖1-10 X光量子能量及質(zhì)量吸收系數(shù)隨波長的關(guān)系 在質(zhì)量吸收系數(shù)曲線（m- ）上，表現(xiàn)為吸收系數(shù)的突變，吸收系數(shù)的突變，此對應(yīng)波長

37、稱吸收限吸收限。（如圖）60n3）產(chǎn)生產(chǎn)生K系熒光輻射條件系熒光輻射條件（激發(fā)限激發(fā)限）n入射光子能量入射光子能量h須大于或等于須大于或等于K層電子的逸出功層電子的逸出功WK，即： VK把原子中K層電子擊出層電子擊出所需的最小激發(fā)電壓。最小激發(fā)電壓。 K把K層電子擊出層電子擊出所需的入射光最長波長。入射光最長波長。表明：表明：只當(dāng)入射只當(dāng)入射X光波長光波長K1.24VK 時，才能產(chǎn)生時，才能產(chǎn)生K系系熒光輻射。熒光輻射。KKV24.1)(24. 1nmVeVhcKKKKKeVWhc61n4.）討論光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件時，K稱K系激發(fā)限系激發(fā)限；n討論X射線被物質(zhì)吸收射線被物質(zhì)吸

38、收時，K稱為吸收限。吸收限。a.當(dāng)入射線波長波長光子能量，易穿過吸收體，則質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)m ；b. 當(dāng)當(dāng)K時，時，入射光子能量剛好擊出吸收體的電子，形成大量光電子及二次熒光，光電效應(yīng)最強(qiáng)光電效應(yīng)最強(qiáng)烈，烈，使m突然上升突然上升；c. 當(dāng)進(jìn)一步進(jìn)一步 ，K，光電效應(yīng)光電效應(yīng)飽和飽和，多余能量穿透過吸收體；穿透，。 62n5）注意：n吸收限：吸收限：K1.24VK (nm)；n連續(xù)X射線譜中短波限：短波限：0=1.24V (nm)兩者形式完全相同形式完全相同，但意義決然不意義決然不同：同：n1.連續(xù)譜的短波限0隨V的升高而變小；n2.后者，說明每種物質(zhì)的K激發(fā)限波長都有它特定的值。63n

39、應(yīng)用與避免：應(yīng)用與避免：nX射線衍射分析，熒光X射線造成衍射花樣的的背底比非相干散射要嚴(yán)重的多，因此應(yīng)設(shè)法避免它，如選靶時，應(yīng)使靶的特征X射線波長不短于試樣物質(zhì)的激發(fā)限等等。n避免避免nX射線熒光光譜分析，要利用熒光X射線進(jìn)行成分分析。應(yīng)用應(yīng)用642、俄歇俄歇（Auger）效應(yīng)效應(yīng)n1）當(dāng)K層電子被擊出后，原子處K激發(fā)態(tài)，能量為EK。若L層電子躍入K層填補(bǔ)空位。能量由EKEL，同時將有多余能量釋放出來。光電子、俄歇電子和熒光x射線三種過程示意圖 能量釋放會產(chǎn)生兩種效應(yīng)：能量釋放會產(chǎn)生兩種效應(yīng)：A.產(chǎn)生產(chǎn)生KX射線輻射；射線輻射；B.產(chǎn)生俄歇電子：俄歇電子：即能量被鄰近電子或較外層電子（另一LI

40、I電子）所吸收，該電子受激發(fā)逸出變?yōu)槎坞娮?。二次電子?5n2）該俄歇俄歇電子電子能量有固定值能量有固定值，按上例近似為光電子、俄歇電子和熒光X射線三種過程示意圖 此具有特征能量的電子具有特征能量的電子是俄歇俄歇（M. P .Auger）于1925年年發(fā)現(xiàn)的，稱為俄歇電子俄歇電子。LLKEEEE 從L層逃出的叫 KLL 俄歇電子；俄歇電子；也可存在 KMM 俄歇電子。俄歇電子。 66俄歇效應(yīng)的特點和應(yīng)用：俄歇效應(yīng)的特點和應(yīng)用：n1）俄歇電子能量：俄歇電子能量：只取決于該物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，只取決于該物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，是一種元素的固有特征。元素的固有特征。n2）俄歇電子能量很低：俄歇電子能量

41、很低：只有幾百幾百eV，深處信號測量不到。 俄歇電子能譜儀俄歇電子能譜儀最合適對固體表面對固體表面23層原子層的成分層原子層的成分分析分析，并還可進(jìn)行逐層分析。逐層分析。n3）實驗表明：輕元素俄歇電子的發(fā)射幾率比熒光輕元素俄歇電子的發(fā)射幾率比熒光X射線發(fā)射射線發(fā)射幾率大。幾率大。所以，俄歇譜儀適合于對輕元素的成分分析。俄歇譜儀適合于對輕元素的成分分析。67n1.X光通過物質(zhì)而強(qiáng)度衰減通過物質(zhì)而強(qiáng)度衰減X射線與物質(zhì)作用主要是射線與物質(zhì)作用主要是X射射線被線被散射散射和和吸收吸收使得使得X射線被減弱。射線被減弱。 n當(dāng)強(qiáng)度為強(qiáng)度為 I0 的X射線照射到厚度厚度 t的均勻物質(zhì)上，在通過深度為x 處處

42、的dx厚度厚度的物質(zhì)時，強(qiáng)度衰減強(qiáng)度衰減與dx成正比。dxIdIlxx對0t積分lteII0l為常數(shù)，稱為線吸收系數(shù)線吸收系數(shù)。lteII0稱為透射系數(shù)透射系數(shù)。（二）（二）t68n2. 線吸收系數(shù)線吸收系數(shù)l：表征X射線通過單位厚度單位厚度物質(zhì)的相對衰減量，與物質(zhì)種類物質(zhì)種類、密度密度、X光波長光波長有關(guān)。n為了消除吸收系數(shù)對物理狀態(tài)的依賴性，特別是單位體積內(nèi)所含的物質(zhì)數(shù)量及物質(zhì)的組成，使用質(zhì)量吸收系數(shù)m cm2g替代L：lm吸收體密度，物質(zhì)固有值；物質(zhì)固有值，可查表。mtmeII069n3.m 物理意義：物理意義：X射線通過單位面積上單位質(zhì)量物質(zhì)后強(qiáng)度相對衰減量。nm與物質(zhì)密度密度和狀態(tài)（狀態(tài)（溫度、壓力等）溫度、壓力等）無關(guān)；而與物質(zhì)原原子序數(shù)子序數(shù) Z和X射線波長射線波長有關(guān)。其經(jīng)驗公式為：33ZKmn對一定的吸收體，