射線物理學(xué)基礎(chǔ)

射線物理學(xué)基礎(chǔ)第一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三2第一章

X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

第二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三3第一節(jié)X射線的性質(zhì)第二節(jié)X射線的產(chǎn)生與X射線譜第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第三頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三41、X射線的發(fā)現(xiàn)1895年11月8日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴（W.R?ntgen

）在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)涂有氰亞鉑酸鋇硬紙板發(fā)出淺綠色熒光，試著木塊、硬橡膠等擋也擋不住，甚至可透過(guò)人的骨骸!當(dāng)時(shí)對(duì)此射線本質(zhì)尚無(wú)了解，故取名X射線（倫琴射線）。這一偉大發(fā)現(xiàn)，倫琴于1901年第一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。威廉·康拉德·倫琴（1845-1923）攝于1896年第四頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三52、倫琴夫人的手－攝于1895年12月22日六個(gè)星期后，倫琴確認(rèn)是一種新射線，才告訴自己夫人。1895年12月22日，他邀請(qǐng)夫人來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，用光電管照射15分鐘，拍下第一張人手X射線照片。倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，一個(gè)月內(nèi)發(fā)表了《一種新射線》的文章，引起社會(huì)各界強(qiáng)烈的反應(yīng)，各國(guó)競(jìng)相開展試驗(yàn)研究。第五頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三63、X射線在醫(yī)學(xué)界應(yīng)用－X射線透視學(xué)雖未了解此現(xiàn)象本質(zhì)，但其有強(qiáng)大穿透力，能透過(guò)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)。后來(lái)又用于金屬探傷，對(duì)工業(yè)技術(shù)也有很大促進(jìn)作用。

X射線最初醫(yī)療診斷－1896.2.3美國(guó)Dr.EdwinFrost(1866-1935)第六頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三74、X射線本質(zhì)的認(rèn)識(shí)1895～1897年間，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)，搞清了X射線產(chǎn)生、傳播、穿透力等特性：1、X射線雖人眼看不見，但能使某些物質(zhì)發(fā)出熒光。使照相底片感光，使氣體、原子電離。2、X射線沿直線傳播，經(jīng)電場(chǎng)或磁場(chǎng)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。3、X射線有很強(qiáng)穿透力，通過(guò)物質(zhì)時(shí)可被吸收而強(qiáng)度衰減。4、X射線還能殺傷生物細(xì)胞……等特性。但對(duì)X射線本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，是對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的研究，即與X射線在晶體中發(fā)生衍射現(xiàn)象是分不開的。第七頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三85、X射線衍射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)1912年，德國(guó)物理學(xué)家勞埃（M.VonLaue）利用晶體作為天然光柵成功觀察到了X射線衍射現(xiàn)象。他用CuSO4·5H2O進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得了第一張X射線衍射照片。1914年，獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。MaxvonLaue馬克斯?馮?勞埃(1879-1960)

CuSO4·5H2O衍射照片世界上第一張X射線衍射照片第八頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三并由光的干涉條件出發(fā)導(dǎo)出描述衍射線空間方位與晶體結(jié)構(gòu)關(guān)系的公式（稱勞埃方程）。勞埃方程式第九頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三105、X射線衍射現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)X射線衍射現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)：1、肯定了X射線的本質(zhì)。即是一種電磁波，有波動(dòng)性。2、證實(shí)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(shí)：從微米→納米級(jí)，有更接近本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)工作－X射線晶體學(xué)或X射線衍射學(xué)。第十頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三116、布拉格定律的建立英國(guó)布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.bragg）對(duì)此進(jìn)行開創(chuàng)性工作。1912年，小布拉格進(jìn)行了勞埃實(shí)驗(yàn)后認(rèn)為：衍射斑點(diǎn)的產(chǎn)生是射線受到類似鏡面“反射”的結(jié)果。并導(dǎo)出布拉格方程，推算出KCl及NaCl原子排列方式，真正測(cè)量了X射線波長(zhǎng)。后一工作導(dǎo)致1913-1914年莫塞萊（H.G.J.Moseley)定律的發(fā)現(xiàn)。n＝1、2、3…第十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三127、莫塞萊定律的發(fā)現(xiàn)1913年，英國(guó)物理學(xué)家莫塞萊（1887～1915）在研究X射線光譜時(shí)發(fā)現(xiàn)：特征X射線頻率ν或波長(zhǎng)λ只取決于陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)（原子序數(shù)），此規(guī)律稱莫塞萊定律。式中：K——與靶材物質(zhì)主量子數(shù)有關(guān)的常數(shù)；

σ——屏蔽常數(shù)，與電子所在的殼層位置有關(guān)。成為X射線熒光分析和電子探針微區(qū)成分分析的理論基礎(chǔ)。

或第十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三第一節(jié)X射線的性質(zhì)第十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三14一、X射線的波動(dòng)性X射線屬電磁波，同時(shí)具有波動(dòng)性和粒子性。1、波動(dòng)性表現(xiàn)為以一定頻率和波長(zhǎng)在空間傳播，具有干涉與衍射現(xiàn)象；描述參量：頻率ν和波長(zhǎng)λ。2、同時(shí)有電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H，以相同周相，在兩相互垂直平面內(nèi)作周期振動(dòng)，且與傳播方向垂直，以光速呈直線傳播。X射線衍射分析主要由電場(chǎng)矢量E引起的物理效應(yīng)。第十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三15一、X射線的波動(dòng)性3、X射線波長(zhǎng)比可見光短得多，約與晶體晶格常數(shù)同一數(shù)量級(jí)，在0.1nm左右。因此，其能量大、穿透能力強(qiáng)。波長(zhǎng)法定單位為：nm，以前也常用埃（?）。（1nm=10-9m＝10?）X射線波長(zhǎng)：0.01～10nm，兩邊與紫外線及γ射線重疊。晶體結(jié)構(gòu)分析：波長(zhǎng)在0.05～0.25

nm，波長(zhǎng)較短的X射線，習(xí)慣上稱為“硬X射線”。波長(zhǎng)較長(zhǎng)的X射線稱為“軟X射線。第十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三16常見的各種電磁波的波長(zhǎng)與頻率可見光紫外線紅外線微波X射線波長(zhǎng)γ射線

頻率標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線電波長(zhǎng)波TV/FM

短波長(zhǎng)波第十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三17一、X射線的波動(dòng)性4、電場(chǎng)矢量E

隨傳播時(shí)間或距離呈周期性波動(dòng)，波振幅為A（或E0）。一束沿x軸方向傳播的波長(zhǎng)為λ的X射線波方程為：(a)x一定時(shí)波振幅隨t的變化；(b)t一定時(shí)波振幅

隨x的變化ν－頻率c/λ第十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三18X射線波方程一束沿x軸方向傳播波長(zhǎng)為λ的X射線波方程為：若以Ф表示相位，即令則當(dāng)t=0，A=A0eiф，eiф稱為“相位因子”。第十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三19二、X射線的粒子性1、X射線波動(dòng)性無(wú)法解釋X射線的光電效應(yīng)、熒光輻射等現(xiàn)象，X射線還有－粒子性2、粒子性表現(xiàn)為以光速運(yùn)動(dòng)的大量微觀粒子組成不連續(xù)粒子流，稱為“光子”或“光量子”。在與物質(zhì)（原子或電子）相互作用時(shí)，有交換能量，能被原子或電子吸收或被散射。其描述參量為能量E、動(dòng)量P。3、波動(dòng)性與粒子性描述參量間的關(guān)系：ν－X射線頻率；h－普朗克常數(shù)（6.626×10-34J·s）

c－X射線傳播速度（2.998×108m/s）第十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三20三、X射線的強(qiáng)度1、X射線強(qiáng)度－－用波動(dòng)性觀點(diǎn)描述：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)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。2、X射線強(qiáng)度－－用粒子性觀點(diǎn)描述：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)與傳播方向相垂直的單位截面的光量子數(shù)目。3、絕對(duì)強(qiáng)度單位是J／(m2·s)，但難以測(cè)定，常用相對(duì)強(qiáng)度，如：底片相對(duì)黑度、探測(cè)器（計(jì)數(shù)管）計(jì)數(shù)值等。第二十頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三21X射線波粒二相性1.X射線波動(dòng)性：反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性；X射線粒子性：反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)分立性。2.對(duì)同一輻射所具有的波動(dòng)性與粒子性的描述：

①可用時(shí)間和空間展開的數(shù)學(xué)形式來(lái)描述；②

可用統(tǒng)計(jì)學(xué)法確定某時(shí)間、位置粒子出現(xiàn)概率來(lái)描述。因此，須同時(shí)接受波動(dòng)和粒子兩種模型。3.X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)療透視和工業(yè)探傷等方面的有力工具。第二十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三第二節(jié)X射線的產(chǎn)生與X射線譜第二十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三23第二節(jié)X射線的產(chǎn)生與X射線譜一、X射線產(chǎn)生：1.X射線：高速運(yùn)動(dòng)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。2.

X射線產(chǎn)生條件：1）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(dòng)（加速電子）；3）在電子運(yùn)動(dòng)路經(jīng)上設(shè)障礙，使其突然減速或停止（靶）據(jù)此，就可理解X射線發(fā)生器的構(gòu)造原理了。第二十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三24二、X射線管的結(jié)構(gòu)（1）1.陰極：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。2.陽(yáng)極：“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(yáng)極第二十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三25二、X射線管的結(jié)構(gòu)（2）3.窗口：X射線射出通道，常有兩個(gè)或四個(gè)。窗口材料：既有足夠強(qiáng)度以維持管內(nèi)高真空，又對(duì)X射線吸收較小。常用對(duì)X射線穿透性好的輕金屬鈹（Be）。4.聚焦罩：加在陰極燈絲外，使燈絲與聚焦罩保持約400V電位差，可聚焦電子束。窗口第二十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三26二、X射線管的結(jié)構(gòu)（3）5.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(guò)窗口得以利用。只有1％能量轉(zhuǎn)化為X射線，99％轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽拾许毸?，以防止?yáng)極過(guò)熱的熔化。冷卻水第二十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三27荷蘭Philips公司第二代陶瓷X射線管焦點(diǎn)三維精確定位(預(yù)校準(zhǔn)模塊化的基礎(chǔ)）陶瓷燈體絕緣度高重量輕超長(zhǎng)壽命無(wú)需校準(zhǔn)第二十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三28美國(guó)熱電瑞士ARL公司新型陶瓷X光管X-rayTubesCeramicTube（陶瓷光管）

GlassTube（玻璃光管）PossibletargetsareCu,Cr,Fe,CoorMo可有的靶材為：Cu，Cr，F(xiàn)e，Co或Mo第二十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三29三、X射線光管分類a.按制造材料可分：玻璃光管和金屬陶瓷光管。b.按陽(yáng)極靶可動(dòng)與否：固定靶X光管；自轉(zhuǎn)靶X光管。日本理學(xué)公司自轉(zhuǎn)銅靶陽(yáng)極第二十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三30四、X射線焦點(diǎn)1、焦點(diǎn)：陽(yáng)極靶面被電子束轟擊并發(fā)出X射線的區(qū)域。螺線形燈絲產(chǎn)生1×l0mm長(zhǎng)方形焦點(diǎn)。靶的焦點(diǎn)形狀及接收方向

2、衍射工作，希望X光有：較小焦點(diǎn)（分辨本領(lǐng)高），較高強(qiáng)度（曝光時(shí)間短）X射線出射角：常與靶面成3o～8o（常為6o）3、表觀焦點(diǎn)：短邊：表觀焦點(diǎn)為正方，強(qiáng)度高。長(zhǎng)邊：表觀焦點(diǎn)為線狀，強(qiáng)度弱。第三十頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三31五、X射線譜（一）連續(xù)X射線譜對(duì)X光管施加電壓V，并維持一定管電流i，得到X射線強(qiáng)度和波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，稱為連續(xù)X射線譜。Mo陽(yáng)極靶不同管壓下連續(xù)X光譜

如：Mo靶V≤20kV時(shí)，各電壓下曲線連續(xù)變化的連續(xù)X射線譜。特點(diǎn)：X射線波長(zhǎng)從一最小值λSWL向長(zhǎng)波方向延伸，強(qiáng)度在λm

處最大值。λSWL稱為該管壓下的短波限

。第三十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三32（二）連續(xù)X射線譜實(shí)驗(yàn)規(guī)律X射線連續(xù)譜受管壓V、管電流

i和陽(yáng)極靶材的原子序數(shù)

Z的作用，其規(guī)律：a）管壓影響2、X光最高強(qiáng)度約在1.5λSWL處。1、隨管壓V↑→各波長(zhǎng)X射線強(qiáng)度↑；短波限λSWL和最高強(qiáng)度波長(zhǎng)λm均減小↓（移向短波端）。第三十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三333、當(dāng)管壓不變，管流↑→各波長(zhǎng)X射線強(qiáng)度↑，但λSWL、λm不變。4、在相同管壓和管流下，陽(yáng)極靶材Z↑→連續(xù)譜的強(qiáng)度↑，但λSWL、λm不變。b）管流影響c）靶材影響第三十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三34（三）量子理論解釋連續(xù)譜形成機(jī)理（1）1.量子理論觀點(diǎn)：能量eV電子與靶原子碰撞，電子失去部分能量，并輻射出光子。每次碰撞產(chǎn)生一個(gè)能量為ε＝hν的光子，稱此輻射為“韌致輻射”。如：當(dāng)管流I=10mA時(shí)，電子數(shù)目n＝6.24×1016個(gè)/秒。如此多電子到達(dá)靶上時(shí)間和條件都不相同，且大多數(shù)電子須經(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hνi的光子序列，即形成連續(xù)譜。第三十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三35何以存在短波限λSWL？一般情況：光子能量≤電子能量。極限情況：極少數(shù)電子一次碰撞將全部能量一次性轉(zhuǎn)化為一個(gè)光子，此光子具最高能量和最短波長(zhǎng)（短波限λSWL）。極限情況：電子能量＝光子能量，即

將V和λ以kV和nm為單位，其它常數(shù)代入上式，則有：第三十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三36何以存在強(qiáng)度極大值？連續(xù)譜強(qiáng)度極大值存在原因：X射線強(qiáng)度：指在垂直于X光傳播方向的單位面積上，在單位時(shí)間內(nèi)光量子數(shù)目的能量總和。即由光子能量hν和光子數(shù)量n兩因素決定的。則：X光最高強(qiáng)度約在1.5λSWL處。第三十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三37（四）連續(xù)X射線強(qiáng)度和發(fā)射效率（1）1、連續(xù)X射線總強(qiáng)度（靶發(fā)出X光總能量）與連續(xù)譜強(qiáng)度分布曲線下所包絡(luò)的面積成正比。式中：Z－陽(yáng)極靶的原子序數(shù)；i－管電流（mA）；V－管壓（KV）；K1－常數(shù)約為1.1～1.6×10-9。第三十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三382、X射線管效率：若X射線管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時(shí)，若輸入功率為iV，則產(chǎn)生連續(xù)X射線效率或X射線管效率η：可見，管壓↑，靶材Z↑，管效率η↑；因常數(shù)K1＝(1.1～1.4）×10-9，很小，即使用W靶（Z=74），管壓為100kV時(shí)，η≈1％（Cu：0.1％），故效率是很低的。為提高光管發(fā)射連續(xù)X射線的效率：①選用重金屬靶，②施以高電壓，就是這個(gè)道理。第三十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三39（五）特征（標(biāo)識(shí)）X射線譜一、特征X射線譜1.當(dāng)光管電壓V增高到大于陽(yáng)極靶材相應(yīng)的某個(gè)臨界值VK時(shí)，即

則在連續(xù)譜的某特定波長(zhǎng)處出現(xiàn)一些強(qiáng)度高，窄而尖銳的線形光譜峰。如圖：Mo靶35kV(0.063nm和0.071nm)的譜線。第三十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三40

一、特征X射線譜2.

改變管流、管壓，這些譜線只改變強(qiáng)度，而峰位所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λ不變。即特征波長(zhǎng)λ只與靶材的原子序數(shù)Z有關(guān)，而與電壓等無(wú)關(guān)，故稱特征X射線。3.產(chǎn)生特征X射線的最低電壓叫激發(fā)電壓。

特征X射線第四十頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、實(shí)驗(yàn)規(guī)律1、陽(yáng)極靶材（Z）不同，產(chǎn)生的特征X射線的波長(zhǎng)也不同。由莫塞萊定律：特征X射線波長(zhǎng)λ和陽(yáng)極靶材原子序數(shù)Z關(guān)系表明：陽(yáng)極靶材原子序數(shù)Z越大，相應(yīng)的同一線系的特征X射線波長(zhǎng)越短。第四十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三42

二、實(shí)驗(yàn)規(guī)律

2、改變管流、管壓，只改變特征X射線強(qiáng)度，而波長(zhǎng)λ不變。式中：i－管流，V－管壓，n－常數(shù)（1.5～2)，

C－比例常數(shù)，與特征X射線波長(zhǎng)λ有關(guān)。3、當(dāng)管壓V超過(guò)激發(fā)電壓時(shí)，特征X射線強(qiáng)度隨管電壓U和管電流i的提高而增大。即，特征X射線波長(zhǎng)不受光管電壓、電流的影響，只決定于陽(yáng)極靶材元素的原子序數(shù)。第四十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、實(shí)驗(yàn)規(guī)律4、激發(fā)電壓：取決于陽(yáng)極靶的原子序數(shù)Z。不同陽(yáng)極靶材：其臨界激發(fā)電壓是不同的。5、X光管電壓V＝（3～5）V激時(shí)，產(chǎn)生的特征X射線與連續(xù)X射線的比率為最大第四十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三44三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（1）特征X射線產(chǎn)生機(jī)理與連續(xù)X射線不同，它與陽(yáng)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.

若高速電子的動(dòng)能足夠大，將K殼層中某個(gè)電子擊出。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)”，能量為EK。3.

若L層電子→K層躍遷后，此時(shí)能量EL

，能量降低，自發(fā)進(jìn)行。第四十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三45三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（2）4.這多余能量以一個(gè)X射線光量子的形式輻射出來(lái)，則光子能量：內(nèi)層電子躍遷輻射X射線示意圖5.對(duì)原子序數(shù)Z的物質(zhì)，各原子能級(jí)的能量是固有的，所以，ΔEKL便為固有值，λ也是固有的。即特征X射線波長(zhǎng)為一定值（特征值）。第四十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三46特征X射線命名Balmer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)L→K

Kα譜線

(跨越1個(gè)能級(jí))M→K

Kβ譜線

(跨越2個(gè)能級(jí))N→K

Kγ譜線

(跨越3個(gè)能級(jí))M→L

Lα譜線

(跨越1個(gè)能級(jí))N→L

Lβ譜線

(跨越2個(gè)能級(jí))依次類推還有M線系……。原子能級(jí)示意圖即n=2時(shí)稱為巴耳末線第四十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三47

三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（5）6.Kα線比Kβ線波長(zhǎng)長(zhǎng)而強(qiáng)度高。原子系統(tǒng)中各能級(jí)能量不同，且各能級(jí)間能量差也不均布，愈靠近原子核的相鄰能級(jí)間的能量差愈大。另外，因由L→K層電子躍遷幾率比由M→K層約大5倍，故Kα強(qiáng)度比Kβ高5倍左右。第四十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三48

三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（4）7.同一殼層還有若干個(gè)亞能級(jí)，電子所處能量不同，其能量差也固定。L層：8個(gè)電子分屬LⅠ，LⅡ，LⅢ三個(gè)亞能級(jí)；不同亞能級(jí)上電子躍遷會(huì)引起特征波長(zhǎng)的微小差別。實(shí)驗(yàn)證明：

Kα由Kα1

和Kα2

雙線組成的。

Kα1：LⅢ→

K

殼層；

Kα2：

LⅡ

→K

殼層；Kα雙重線第四十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三49

三、產(chǎn)生機(jī)理的分析（3）8.又因LⅢ→K

(Kαl)的躍遷幾率較LⅡ→K

(Kα2)大一倍，故組成Kα

兩條線的強(qiáng)度比為：一般情況下是分不開的，如：W靶：Kαl＝0.0709nm，Kα2＝0.0714nmKα線波長(zhǎng)取其雙線波長(zhǎng)的加權(quán)平均值：第四十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三50幾種常見陽(yáng)極靶材和特征譜參數(shù)第五十頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三51第三節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用X射線與物質(zhì)相互作用是個(gè)復(fù)雜過(guò)程。一束X射線通過(guò)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。無(wú)損探傷檢測(cè)X射線衍射結(jié)構(gòu)分析娥歇電子能譜成分分析光電子能譜成分分析X熒光光譜成分分析第五十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三52一、X射線的散射一、X射線的散射

X射線照射物質(zhì)上，偏離了原來(lái)方向的現(xiàn)象，即發(fā)生散射。散射：主要是物質(zhì)原子的核外電子與X射線相互作用的結(jié)果，不同的核外電子會(huì)產(chǎn)生兩種不同散射效應(yīng)。1、相干散射（coherentscattering）入射X射線與物質(zhì)原子中內(nèi)層電子作用，當(dāng)X光子能量不足以使電子激發(fā)時(shí)，將其能量轉(zhuǎn)給電子，電子則繞其平衡位置發(fā)生受迫振動(dòng)，成為發(fā)射源向四周輻射與入射X射線波長(zhǎng)（振動(dòng)頻率）相同電磁波（即電子散射波）。各電子散射波振動(dòng)頻率相同、位相差恒定，符合干涉條件，發(fā)生相互干涉，稱為相干散射。第五十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三531、相干散射（彈性散射或湯姆遜散射）2、英國(guó)物理學(xué)家J.J.湯姆遜（J.J.Thomson，1856-1940)用經(jīng)典方法研究了此現(xiàn)象，并推導(dǎo)出相干散射強(qiáng)度的湯姆遜散射公式，也稱湯姆遜散射。當(dāng)入射X射線為非偏振時(shí)，在空間一點(diǎn)P的相干散射強(qiáng)度：I0－入射線強(qiáng)度；μ0＝4π×10－7m·kg·C-2

fe2＝7.94×10-30m2電子散射因素fe偏振因數(shù)第五十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三542．非相干散射（康普頓—吳有訓(xùn)效應(yīng)）2、非相干散射：（incoherentscattering）

X光子與外層價(jià)電子相碰撞時(shí)的散射。可用一個(gè)光子與一個(gè)電子的彈性碰撞來(lái)描述。X射線非相干散射①電子：將被撞離原方向并帶走光子部分動(dòng)能成為反沖電子；②X光：因碰撞而損失部分能量，其波長(zhǎng)增加，并與原方向偏離2θ角。第五十四頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三55③能量守恒定律：散射光子和反沖電子能量之和等于入射光子能量?？蓪?dǎo)出散射波長(zhǎng)的增大值Δλ為:2θ：為入射光與散射光的傳播方向間夾角。X射線非相干散射④可見，散射光波長(zhǎng)變化Δλ與入射光波長(zhǎng)λ無(wú)關(guān)，只與散射角2θ有關(guān)。第五十五頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三56⑤經(jīng)典電磁理論：不能解釋?duì)う舜嬖诩半S2θ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，也叫量子散射。X射線非相干散射

⑥此空間各方向散射波與入射波波長(zhǎng)不同，位相關(guān)系也不確定，不產(chǎn)生干涉效應(yīng)，稱非相干散射。⑦非相干散射：不參與對(duì)晶體的衍射，只會(huì)增加衍射背底，對(duì)衍射不利。

入射波長(zhǎng)越短、被照射物質(zhì)元素越輕，此現(xiàn)象越顯著。第五十六頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三57⑧非相干散射效應(yīng)：由美國(guó)物理學(xué)家康普頓（A.H.Compton）在1923年發(fā)現(xiàn)的，也稱康普頓散射。我國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn)參加了實(shí)驗(yàn)工作，故稱康－吳效應(yīng)。因此，康普頓于1927年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1927年的A.H.康普頓中國(guó)物理學(xué)家－吳有訓(xùn)第五十七頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三58二、X射線的吸收（一）透射系數(shù)與吸收系數(shù)1.X光通過(guò)物質(zhì)而強(qiáng)度衰減，或被物質(zhì)吸收。當(dāng)強(qiáng)度為I0

的X射線照射到厚度t的均勻物質(zhì)上，在通過(guò)深度為x處的dx厚度的物質(zhì)時(shí)，強(qiáng)度衰減與dx成正比。對(duì)0～t積分μl－為常數(shù)，稱為線吸收系數(shù)。稱為透射系數(shù)。第五十八頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三592.線吸收系數(shù)μl：表征X射線通過(guò)單位厚度物質(zhì)的相對(duì)衰減量，與物質(zhì)種類、密度、X光波長(zhǎng)有關(guān)。用質(zhì)量吸收系數(shù)μm

[cm2／g]：－吸收體密度，物質(zhì)固有值；－物質(zhì)固有值，可查表。第五十九頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三60質(zhì)量吸收系數(shù)μm物理意義3.

μm

物理意義：X射線通過(guò)單位面積上單位質(zhì)量物質(zhì)后強(qiáng)度相對(duì)衰減量。μm與物質(zhì)密度ρ和狀態(tài)無(wú)關(guān)；而與物質(zhì)原子序數(shù)Z和X射線波長(zhǎng)λ有關(guān)。其經(jīng)驗(yàn)公式為：對(duì)一定吸收體，波長(zhǎng)λ越短，穿透能力越強(qiáng)，吸收系數(shù)下降，但隨波長(zhǎng)降低并非連續(xù)變化，而在某波長(zhǎng)突然升高，出現(xiàn)吸收限。第六十頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三614.多元素化合物、固溶體或混合物質(zhì)量吸收系數(shù)計(jì)算：

混合物、化合物的質(zhì)量吸收系數(shù)：為各組分的質(zhì)量吸收系數(shù)（μmi

）與其質(zhì)量分?jǐn)?shù)（Wi

）乘積和。5.設(shè)含組分1、2的物質(zhì)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)：W1、W2；則混合物質(zhì)量吸收系數(shù)：（W1＋W2）＝1第六十一頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三62（二）X射線的真吸收－光電效應(yīng)1、光電效應(yīng)：當(dāng)入射X光子能量等于或略大于吸收體物質(zhì)原子某殼層電子的結(jié)合能時(shí)，將內(nèi)層電子擊出，成為自由電子，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(zhǎng)的特征X射線。入射X射線被擊出的電子稱光電子，所輻射出的次級(jí)特征X射線，稱為熒光X射線或二次特征X射線。這種以入射X射線激發(fā)原子所發(fā)生的電子激發(fā)和熒光X射線輻射的過(guò)程稱為“光電效應(yīng)”。第六十二頁(yè)，共六十九頁(yè)，編輯于2023年，星期三632、產(chǎn)生K系熒光輻射條件：入射光子能量hν須大于或等于K層電子的逸出功WK，即：

VK－把原子中K層電子擊出所需的最小激發(fā)電壓。

λK－把K層電子擊出所需的入射光最長(zhǎng)波長(zhǎng)。

表明：只當(dāng)入射X光波長(zhǎng)λ≤λK＝1.24／VK

時(shí)，才能產(chǎn)生K系熒光輻射。第六十三頁(yè)，共六十九頁(yè)，