第二章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

前一章內(nèi)容回顧空間點陣晶（向）面指數(shù)倒易點陣定義和倒易矢量的基本性質(zhì)晶帶定律

2-1x射線的發(fā)現(xiàn)及x射線學(xué)發(fā)展過程

2-2x射線與電磁波譜

2-3x射線的產(chǎn)生及x射線譜（連續(xù)譜和標(biāo)識譜）

2-4x射線與物質(zhì)的相互作用

2-5x射線的探測、防護及應(yīng)用畫線部分為重點。

第二章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)2-1x射線的發(fā)現(xiàn)及x射線學(xué)發(fā)展過程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1895年、放射線1896年、電子1897年）之一，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的產(chǎn)生。對x射線的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用有巨大貢獻的科學(xué)家德國物理學(xué)家倫琴（1895年）（發(fā)現(xiàn)了未知射線）德國物理學(xué)家勞厄（1912年）（證明x射線的波動性）英國布拉格父子（1912年）（簡潔形式描述晶體對x射線的衍射現(xiàn)象，推動了x射線的應(yīng)用）

1894年11月8日，德國物理學(xué)家倫琴將陰極射線管放在一個黑紙袋中，關(guān)閉了實驗室燈源，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)開啟放電線圈電源時，一塊涂有氰亞鉑酸鋇的熒光屏發(fā)出熒光。用一本厚書，2－3厘米厚的木板或幾厘米厚的硬橡膠插在放電管和熒光屏之間，仍能看到熒光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液體進行實驗，實驗結(jié)果表明它們也是“透明的”，銅、銀、金、鉑、鋁等金屬也能讓這種射線透過，只要它們不太厚。倫琴意識到這可能是某種特殊的從來沒有觀察到的射線，它具有特別強的穿透力。他一連許多天將自己關(guān)在實驗室里，集中全部精力進行徹底研究。6個星期后，倫琴確認這的確是一種新的射線。

1895年12月22日，倫琴和他夫人拍下了第一張X射線照片。1895年12月28日，倫琴向德國維爾茲堡物理和醫(yī)學(xué)學(xué)會遞交了第一篇研究通訊《一種新射線———初步研究》。倫琴在他的通訊中把這一新射線稱為X射線，因為他當(dāng)時無法確定這一新射線的本質(zhì)。倫琴發(fā)現(xiàn)X射線從而獲得諾貝爾獎。

1912年德國物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線通過晶體時產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線的波動性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性，發(fā)表了《X射線的干涉現(xiàn)象》一文。勞厄的文章發(fā)表不久，就引起英國布拉格父子的關(guān)注，年輕的小布拉格經(jīng)過反復(fù)研究，成功地解釋了勞厄的實驗事實。他以更簡潔的方式，清楚地解釋了X射線晶體衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：2dsinθ＝nλ

。這一結(jié)果不僅證明了小布拉格解釋的正確性，更重要的是證明了能夠用X射線來獲取關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的信息。1912年11月，年僅22歲的小布位格以《晶體對短波長電磁波衍射》為題向劍橋哲學(xué)學(xué)會報告了上述研究結(jié)果。老布拉格則于1913年元月設(shè)計出第一臺X射線分光計，并利用這臺儀器，發(fā)現(xiàn)了特征X射線。

X射線已被廣泛應(yīng)用于晶體結(jié)構(gòu)的分析以及醫(yī)學(xué)和工業(yè)等領(lǐng)域。對于促進20世紀(jì)的物理學(xué)以至整個科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大而深遠的影響。

X射線衍射分析的特點：反映出的信息是大量原子散射行為的統(tǒng)計結(jié)果，結(jié)果與材料的宏觀性能有良好的對應(yīng)關(guān)系。不足之處：不可能給出材料實際存在的微觀成分和結(jié)構(gòu)的不均勻性的資料。2-2x射線與電磁波譜X射線的本質(zhì)是電磁輻射，與可見光完全相同，僅是波長短而已，因此具有波粒二象性。(1)波動性;(2)粒子性。X射線的頻率ν、波長λ以及其光子的能量ε、動量p之間存在如下關(guān)系：

式中h——普朗克常數(shù)，等于6.625×J.s;c——X射線的速度，等于2.998×m/s.

X射線波長范圍0.01～10nm，在電磁波譜上位于紫外線和γ射線之間。無線電波紅外線可見光紫外線可見光X射線γ射線分為軟x射線（波長大于0.5nm）和硬x射線（波長小于0.5nm）。用于衍射分析的波長0.05～0.25nm。硬X射線：波長較短的硬X射線能量較高，穿透性較強，適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。軟X射線：波長較長的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于非金屬的分析。X射線波長的度量單位常用埃（?）表示；通用的國際計量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換算關(guān)系為：1nm=10?2-3x射線的產(chǎn)生及x射線譜一、X射線的產(chǎn)生(1)產(chǎn)生原理；(2)產(chǎn)生條件；

(3)X射線管；二、X射線譜(1)連續(xù)X射線；(2)標(biāo)識X射線。一、x射線的產(chǎn)生高速運動的電子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。（水冷）（1）產(chǎn)生原理a.產(chǎn)生自由電子；b.使電子作定向的高速運動;c.在其運動的路徑上設(shè)置一個障礙物使電子突然減速或停止。（2）產(chǎn)生條件接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖封閉式X射線管實質(zhì)上就是一個大的真空（）二極管。基本組成包括：(1)陰極：陰極是發(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。（3）X射線管

二、X射線譜由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型：(1)連續(xù)X射線；(2)標(biāo)識X射線。（1）連續(xù)X射線具有連續(xù)波長的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜，它和可見光相似，亦稱多色X射線。特性；短波限；產(chǎn)生機理；X射線的強度。

鎢靶的連續(xù)X射線譜相對強度（1）每一種管電壓下，存在一個短波極限；射線中含有大于短波極限的各個波長成分。（2）隨著管電壓增大，短波極限和強度最大的波長朝短波方向移動。連續(xù)譜特性相對強度短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個波長極限，稱為短波限λ0.它是由電子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。相互關(guān)系為：式中e——電子電荷，等于庫侖；V——電子通過兩極時的電壓降；h——普朗克常數(shù)，等于

相對強度

鎢靶的連續(xù)X射線譜短波限λ0隨管壓V的增大而減小。產(chǎn)生機理

高能電子與陽極靶的原子碰撞時，受靶中原子核的庫侖場作用而速度驟減，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。高速電子進入靶內(nèi)不同深度，損失的動能有各種數(shù)值，使射線(光子)波長連續(xù)變化,形成連續(xù)譜。X射線的強度

X射線的強度是指垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。常用的單位是J/(cm2·s)

.X射線的強度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個因素決定的,即I=nhv.連續(xù)X射線強度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強度。也是陽極靶發(fā)射出的X射線的總能量。實驗證明，I與管電流i、管電壓V、陽極靶的原子序數(shù)Z存在如下關(guān)系：且X射線管的效率為:由于K1是個很小的數(shù)，約為，如采用W陽極（z=74）,V=100kV時，效率僅為1%左右。碰撞陽極靶的電子束的大部分能量都耗費在使陽極靶發(fā)熱上。水冷卻(2)標(biāo)識X射線（特征x射線）是在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線。1.標(biāo)識X射線的特征;2.產(chǎn)生機理;3.K系激發(fā)機理;4.莫塞萊定律；5.標(biāo)識X射線的強度特征。

X射線譜標(biāo)識X射線的特征當(dāng)電壓達到臨界電壓時，發(fā)出標(biāo)識譜線；

隨電壓增加，標(biāo)識譜線的波長不變化，

強度增強。如鉬靶K系標(biāo)識X射線有兩個強度高峰為Kα和Kβ，波長分別為0.71?和0.63?.激發(fā)電壓：發(fā)出標(biāo)識x射線的最低電壓或臨界電壓。產(chǎn)生機理

標(biāo)識X射線譜的產(chǎn)生機理與陽極靶物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個能級。在電子轟擊陽極的過程中，當(dāng)某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時，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)。較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識X射線譜。K系激發(fā)機理及命名

K層電子被擊出時，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K層空位填充時產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時，產(chǎn)生Kα輻射；M層電子填充空位時產(chǎn)生Kβ輻射。由能級可知，Kβ輻射的光子能量大于Kα的能量，但K層與L層為相鄰能級，故L層電子填充幾率大，所以Kα的強度約為Kβ的5倍。產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量eVk至少等于擊出一個K層電子所作的功Wk。Vk就是激發(fā)電壓。L層內(nèi)不同亞能級電子向K層躍遷所發(fā)射的K

1和K

2的關(guān)系X射線譜標(biāo)識X射線的強度特征K系標(biāo)識X射線的強度與管電壓、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，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。莫塞萊定律標(biāo)識X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。且存在如下關(guān)系：莫塞萊定律：標(biāo)識X射線譜的波長λ與原子序數(shù)Z關(guān)系為：標(biāo)識X射線譜應(yīng)用：化學(xué)元素的分析上式是元素分析的理論依據(jù)?？偨Y(jié)1x射線譜分為連續(xù)譜和標(biāo)識譜（或特征譜）2短波限λ0是連續(xù)譜上的最小波長。由電子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線，它與管壓的關(guān)系：3標(biāo)識譜的產(chǎn)生機理

4K系激發(fā)電壓，K系標(biāo)識譜線的命名。5莫塞萊定律在電子轟擊陽極的過程中，當(dāng)某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時，于是在低能級上出現(xiàn)空位，較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識X射線譜。K層電子被擊出時所需最低電壓。K層電子被擊出時，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K層空位填充時產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時，產(chǎn)生Kα輻射；