第1章 緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)課件

晶體X射線衍射學(xué)基礎(chǔ)

X-rayDiffractionofCrystals

(FoundationsandApplications)

材料近代分析測(cè)試方法-I燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王利民◆◆◆聯(lián)系方式：材料館C樓411，LIMIN_WAN.CN第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1，本課程的重要性2，本科課程包含的內(nèi)容3，X射線的歷史與發(fā)展4，X射線衍射的應(yīng)用5，本課程的整體安排、教學(xué)以及其他第0章、緒論第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線――體檢透視、旅行安檢（火車、飛機(jī)）、海關(guān)驗(yàn)貨、工業(yè)探傷等等。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

材料結(jié)構(gòu)分析

材料性能化學(xué)成分物相組成相結(jié)構(gòu)相形貌相分布相大小缺陷材料結(jié)構(gòu)分析方法：建立在材料的各種物理化學(xué)效應(yīng)基礎(chǔ)上

物理方法：光束、X射線束，電子束、中子束、其它粒子等化學(xué)方法：利用X射線束和電子束與材料相互作用產(chǎn)生效應(yīng)來對(duì)材料進(jìn)行分析測(cè)試的方法是材料近代分析中最重要的方法----（1）材料的X射線分析方法+（2）材料電子顯微分析方法材料科學(xué)研究第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)課程的中心是圍繞：

X射線衍射譜1，X射線是怎么回事？--X射線的基本物理2，衍射譜的構(gòu)成3，衍射譜的形成原理4，如何從衍射譜中獲取結(jié)構(gòu)信息…………2，本課程包含的內(nèi)容第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)材料“大夫”－專業(yè)、職業(yè)的！第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)的性質(zhì)、材料的性能決定于它們的組成和微觀結(jié)構(gòu)。如果你有一雙X射線的“眼睛”，就能把物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)看個(gè)清清楚楚明明白白！X射線衍射將會(huì)有助于你探究為何成份相同的材料，其性能有時(shí)會(huì)差異極大。X射線衍射將會(huì)有助于你找到獲得預(yù)想性能的途徑。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線衍射（XRD）邊緣X-射線吸收微細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）X射線形貌（XRT）X射線成像（XRI）X射線小角散（XRS）X射線光刻（XRL）X射線熒光（XRF）

第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3，X射線以及X射線衍射學(xué)發(fā)展歷程1.1895年，德國(guó)，倫琴，發(fā)現(xiàn)，醫(yī)療，第一個(gè)諾貝爾物理獎(jiǎng)；2.1912年，德國(guó)，勞埃，第一張X射線衍射花樣，晶體結(jié)構(gòu)，電磁波，原子間距，勞埃方程，不方便；1913-1914年，英國(guó)，布拉格父子，布拉格方程，晶體結(jié)構(gòu)分析；3.1916年，德拜、謝樂，粉末法，多晶體結(jié)構(gòu)分析；4.1928年，蓋格，彌勒，計(jì)數(shù)管，X射線衍射線強(qiáng)度，衍射儀。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

TheNobelPrizeinPhysics1901WilhelmConradRoentgen

GermanyMunichUniversity

Munich,Germany1845-1923倫琴第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1901年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)

W.C.(WilhelmConradRoentgen1845——1923)

1845年3月27日生于德國(guó)萊茵省勒奈普市。1869年在蘇黎世大學(xué)獲哲學(xué)博士學(xué)位，并留校任教。1872年——1879年先后在斯特拉斯堡大學(xué)，霍恩海姆農(nóng)學(xué)院、吉森大學(xué)等校任教，1888年起任維爾茨堡大學(xué)教授及物理所所長(zhǎng)，后任校長(zhǎng)。1896年成為柏林和慕尼黑科學(xué)院通訊院士，1900——1920年任慕尼黑物理所所長(zhǎng)，1923年2月10日逝世。主要成就：從1876年開始研究各種氣體比熱，證實(shí)氣體中電磁旋光效應(yīng)存在。1888年實(shí)驗(yàn)證實(shí)電介質(zhì)能產(chǎn)生磁效應(yīng)，最重要在1895年11月8日在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)克魯克斯管接高壓電源，會(huì)放射出一種穿透力極強(qiáng)的射線，他命名為X射線。X射線在晶體結(jié)構(gòu)分析，金相材料檢驗(yàn)，人體疾病透視檢查即治療方面有廣泛應(yīng)用，因此而獲得1901年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

倫琴第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)倫琴第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)李鴻章在X光被發(fā)現(xiàn)后僅7個(gè)月就體驗(yàn)了此種新技術(shù)，成為拍X光片檢查槍傷的第一個(gè)中國(guó)人。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)衍射分析技術(shù)的發(fā)展與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者名單

第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)4，X射線衍射技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域

1，晶體結(jié)構(gòu)分析：人類研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的第一種方法。2，物相定性分析3，物相定量分析4，晶粒大小分析5，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)分析，結(jié)晶度分析6，宏觀應(yīng)力與微觀應(yīng)力分析7，擇優(yōu)取向分析第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線（緒論、第一章）衍射方向（衍射峰的位置）（第三章）衍射強(qiáng)度（衍射峰的高度）（第四章）衍射形狀（衍射峰的形狀）（第四、九章）物質(zhì)（晶體、納米晶、非晶與液體等）（第二章）吸收、散射等等晶粒尺度結(jié)構(gòu)確定，物相標(biāo)定，點(diǎn)陣參數(shù)確定，應(yīng)力分布（第六、七、八章）衍射衍射技術(shù)與設(shè)備（第五章）干涉函數(shù)非晶態(tài)一、課程總體結(jié)構(gòu)第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二、課程特點(diǎn)

1.課時(shí)安排：講26學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)6學(xué)時(shí)；

2.內(nèi)容抽象，涉及知識(shí)面較廣，物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、材料學(xué)等，但邏輯性很強(qiáng)，在原理方面說不清楚的地方不多。三、教材與參考書范雄《金屬X射線學(xué)》，經(jīng)典、錯(cuò)少李樹棠《晶體X射線衍射學(xué)基礎(chǔ)》，冶金工業(yè)出版社四、上課要求

1.認(rèn)真聽講；

2.上課期間不許說話，請(qǐng)大家理解；五、考試期末閉卷考試+平時(shí)表現(xiàn)第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

第一章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)

第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1-1X射線的產(chǎn)生

1-2X射線的本質(zhì)

1-3X射線譜

1-4X射線與物質(zhì)相互作用

1-5X射線的探測(cè)與防護(hù)

第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1-1X射線的產(chǎn)生X-射線管–重點(diǎn)同步輻射光源–了解X-射線激光激光等離子體光源產(chǎn)生X-射線的方式：第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(1)產(chǎn)生原理—重點(diǎn)(2)產(chǎn)生條件—重點(diǎn)(3)X射線管(4)過程演示（一）X射線管—重點(diǎn)第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)產(chǎn)生原理高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)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。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子---電子源，如加熱鎢絲產(chǎn)生熱電子

2.使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng)---施加在陽極和陰極（鎢絲）間的電壓1236541-高壓變壓器;2-鎢絲變壓器；3-X射線管；4-陽極；5-陰極；6-電子；7-X射線7常規(guī)的X射線產(chǎn)生裝置第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3.在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物使電子突然減速或停止。4.真空---把陰極和陽極密封在真空度高于10-3Pa的真空中，保持兩極潔凈并使加速電子無阻地撞擊到陽極靶上。1236541-高壓變壓器;2-鎢絲變壓器；3-X射線管；4-陽極；5-陰極；6-電子；7-X射線7產(chǎn)生條件常規(guī)的X射線產(chǎn)生裝置第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線管

1.X射線管的結(jié)構(gòu)2.特殊構(gòu)造的X射線管3.市場(chǎng)上供應(yīng)的種類

第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線管的結(jié)構(gòu)

封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)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：靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(3)窗口：窗口是X射線從陽極靶向外射出的地方。(4)焦點(diǎn)：焦點(diǎn)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。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)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射線管剖面示意圖過程演示第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)特殊構(gòu)造的X射線管(1)細(xì)聚焦X射線管(2)旋轉(zhuǎn)陽極X射線管第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)市場(chǎng)上供應(yīng)的種類

(1)密封式燈絲X射線管(2)可拆式燈絲X射線管第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)（1）產(chǎn)生原理利用電子在作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)能輻射電磁波的原理，輻射電磁波的光子能量在2479.7—0.0496keV范圍的稱為同步輻射X射線。（二）同步輻射第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)（2）同步輻射光源：20世紀(jì)60年代末出現(xiàn)。是速度接近光速的帶電粒子在作曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿切線方向發(fā)出電磁輻射—同步光（同步輻射）。電子同步加速器（1947美國(guó)通用電器）。同步輻射最初是作為電子同步加速器的有害物而加以研究的，后來成為一種從紅外到硬X-射線范圍內(nèi)有著廣泛應(yīng)用的高性能光源。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)（3）同步輻射光的特點(diǎn)（1）波段寬：具有頻譜寬且連續(xù)可調(diào);（2）高亮度；（3）高準(zhǔn)直度；（4）高偏振性；（5）高純凈性；（6）窄脈沖；（7）精確度高；（8）高穩(wěn)定性；（9）高通量；（10）微束徑；（11）準(zhǔn)相干等獨(dú)特的性能。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)（4）同步輻射裝置世界上有近40臺(tái)同步輻射光源正在運(yùn)行，還有幾十臺(tái)在設(shè)計(jì)建造中。北京同步輻射裝置（BSRF）合肥中國(guó)科技大學(xué)同步輻射裝置（NSRL）上海光源（SSRF）屬第三代光源。臺(tái)灣新竹的同步輻射裝置（SRRC）第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)BSRF4w1漫散射XAFSX-射線成像4B9衍射和小角散射光電子能譜3B1光刻VUV3W1軟X射線光學(xué)4W1B4W1A4B9B4B9A3B1B3B1A3W1A3W1B1W1

熒光分析4W2生物大分子高壓3B3中能束線LIGA13條光束線13個(gè)實(shí)驗(yàn)站第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)北京同步輻射裝置第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)（5）同步輻射的特殊應(yīng)用：

----利用高的空間分辨率：1，同步輻射X-衍射技術(shù)在三維結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的應(yīng)用2，細(xì)胞膜通道的研究3，光合作用機(jī)制的研究4，能量轉(zhuǎn)換的研究5，信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究6，基因轉(zhuǎn)錄的研究7，病毒生物大分子結(jié)構(gòu)的研究第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1-2X射線的本質(zhì)X射線的本質(zhì)是電磁波，與可見光完全相同，僅是波長(zhǎng)短而已，因此具有波粒二像性。(1)波動(dòng)性(2)粒子性第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)波動(dòng)性X射線的波長(zhǎng)范圍：

0.01~100?或者10-8-10-12m1?=10-10m表現(xiàn)形式：在晶體作衍射光柵觀察到的X射線的衍射現(xiàn)象，即證明了X射線的波動(dòng)性。

X射線是波長(zhǎng)在10-8到10-12米范圍內(nèi)，具有極強(qiáng)穿透能力的電磁波。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)硬X射線：波長(zhǎng)較短的硬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(zhǎng)較長(zhǎng)的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于分析非金屬的分析。X射線波長(zhǎng)的度量單位常用埃（?）,或者通用的國(guó)際計(jì)量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換算關(guān)系為：1?=10-10

m

1nm=10-9m第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)粒子性特征表現(xiàn)為以光子（光量子）形式輻射和吸收時(shí)具有的一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量。表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時(shí)交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。X射線的頻率ν、波長(zhǎng)λ以及其光子的能量ε、動(dòng)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.

第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)習(xí)題：

1.試計(jì)算波長(zhǎng)0.71?（Mo-Kα）和1.54?（Cu-Kα）的X射線束，其頻率和每個(gè)量子的能量。

Mo靶X射線:Cu靶X射線:第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1-3X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)（白色）X射線(2)特征（標(biāo)識(shí)）X射線連續(xù)輻射，特征輻射X射線譜指的是X射線的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系曲線。X射線強(qiáng)度大小由單位面積上的光量子數(shù)決定。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)連續(xù)X射線具有連續(xù)波長(zhǎng)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。產(chǎn)生機(jī)理演示過程短波限X射線的強(qiáng)度第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)產(chǎn)生機(jī)理

能量為eV的電子與陽極靶的原子碰撞時(shí)，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(gè)能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽極靶面的電子數(shù)目是很多的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，逐漸地?fù)p耗自身的能力，即產(chǎn)生多次輻射，由于多次輻射中光子的能量不同，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M(jìn)電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價(jià)電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量連續(xù)X射線產(chǎn)生過程電子沖擊陽極靶X射線射出演示過程第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)波長(zhǎng)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(kù)侖）V—管電壓h—普朗克常數(shù)，等于或者第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)習(xí)題試計(jì)算用50千伏操作時(shí)，X射線管中的電子在撞擊靶時(shí)的速度和動(dòng)能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線的強(qiáng)度

X射線的強(qiáng)度是指在單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于X射線傳播方向的單位面積上光子數(shù)目（能量）的總和。常用單位是J/cm2.s.X射線的強(qiáng)度I是由光子能量hν和它的數(shù)目n兩個(gè)因素決定的,即I=nhν，連續(xù)X射線強(qiáng)度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)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(qiáng)度，也是陽極靶發(fā)射出的X射線的總能量。實(shí)驗(yàn)證明，I與管電流、管電壓、陽極靶的原子序數(shù)存在如下關(guān)系：且X射線管的效率為:第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1，各種波長(zhǎng)的X射線的相對(duì)強(qiáng)度一致增高，2，最高強(qiáng)度的射線的波長(zhǎng)逐漸變短（曲線的峰相左移動(dòng)），3，短波極限逐漸變小，即

0向左移動(dòng)，4，波譜變寬。因此，管電壓既影響連續(xù)X射線譜的強(qiáng)度，也影響其波長(zhǎng)范圍。當(dāng)增加X射線管的電壓，連續(xù)X射線譜有下列特征第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)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(zhǎng)的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線。

對(duì)于一定元素的靶，當(dāng)管電壓小于某一限度時(shí)，只激發(fā)連續(xù)譜。隨著管電壓升高，射線譜向短波及強(qiáng)度升高方向移動(dòng)，本質(zhì)上無變化。但當(dāng)管電壓升高到超過某一臨界值（如對(duì)鉬靶為20kV）后，曲線產(chǎn)生明顯的變化，即在連續(xù)譜的幾個(gè)特定波長(zhǎng)的地方，強(qiáng)度突然顯著增大，如圖所示。由于它們的波長(zhǎng)反映了靶材的特征，因此稱之為特征X射線譜。

鉬陽極管發(fā)射的X射線譜波長(zhǎng)，×0.1nm相對(duì)強(qiáng)度35kV2520第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1.特征X射線的特性

管電壓特征

強(qiáng)度特征

特征波長(zhǎng)取決于原子序數(shù)--

莫塞萊定律2.產(chǎn)生機(jī)理3.K系激發(fā)機(jī)理第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1、特征X射線的特性（1）激發(fā)管電壓特征：每一條譜線對(duì)應(yīng)一定的激發(fā)電壓，只有當(dāng)管電壓超過激發(fā)電壓時(shí)才能產(chǎn)生相應(yīng)的特征譜線，且靶材原子序數(shù)越大其激發(fā)電壓越高。當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，特征譜線的波長(zhǎng)不再變，強(qiáng)度隨電壓增加。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)K系特征X射線的強(qiáng)度與管電壓、管電流的關(guān)系為：強(qiáng)度特征：每個(gè)特征射線都對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的波長(zhǎng)，不同靶材的特征譜波長(zhǎng)不同。如管電流和管電壓V的增加只能增強(qiáng)特征X射線的強(qiáng)度，而不改變波長(zhǎng)。2、特征X射線的特性（2）第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)同系（例如K1、L1等）特征X射線譜的頻率和波長(zhǎng)只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級(jí)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：同系特征X射線譜的波長(zhǎng)λ或頻率

與原子序數(shù)Z關(guān)系為：3、特征X射線的特性（3）

--莫塞萊定律C，C1

與為常數(shù)或者第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)莫塞萊定律K

1:C=3*103

=2.9K

1:C1=5.2*107

=2.9第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)產(chǎn)生機(jī)理

特征X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理與陽極物質(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(gè)能級(jí)。在電子轟擊陽極的過程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于是在低能級(jí)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(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)X射線譜。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)K態(tài)L態(tài)M態(tài)N態(tài)

k

l

m

n0原子的能級(jí)h

l→k=l-kK

K

K

L

L

h

n→k=n-kh

n→l=n-l特征X射線產(chǎn)生過程

特征X射線是波長(zhǎng)一定的特征輻射。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)特征X射線產(chǎn)生過程K態(tài)L態(tài)M態(tài)N態(tài)

k

l

m

n0原子的能級(jí)h

l→k=l-kK

K

K

L

L

h

n→k=n-kh

n→l=n-l

特征X射線是波長(zhǎng)一定的特征輻射。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)當(dāng)K系電子被激發(fā)時(shí)，原子的系統(tǒng)能量便由基態(tài)升高到K激發(fā)態(tài)，即K系激發(fā)。同樣，L系，電子被激發(fā)，稱為L(zhǎng)系激發(fā)，依此類推。當(dāng)K層電子出現(xiàn)空位，其被高能級(jí)電子填充時(shí)產(chǎn)生K系輻射。具體地，當(dāng)K層空位被L層電子填充時(shí)，產(chǎn)生K

輻射，而被M層電子填充時(shí)，產(chǎn)生K

輻射。同樣，電子從高能態(tài)填充到L時(shí)產(chǎn)生的輻射為L(zhǎng)系輻射，依此類推。激發(fā)與輻射第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)K系激發(fā)機(jī)理

K層電子被擊出時(shí)，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級(jí)電子向K層空位填充時(shí)產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時(shí)，產(chǎn)生Kα輻射；M層電子填充空位時(shí)產(chǎn)生Kβ輻射。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)由能級(jí)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(jí)，故L層電子填充幾率大，所以Kα的強(qiáng)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(gè)K層電子所作的功Wk。Vk就是激發(fā)電壓。返回莫賽萊定律第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1-4X射線與物質(zhì)相互作用

X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，產(chǎn)生各種不同的和復(fù)雜的過程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過物質(zhì)時(shí)，可分為三部分：

一部分被散射，一部分被吸收，一部分透過物質(zhì)繼續(xù)沿原來的方向傳播。X射線的散射

；X射線的吸收

；X射線的衰減規(guī)律；

吸收限的應(yīng)用；

X射線的折射；總結(jié)

。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線與物質(zhì)相互作用穿透入射X射線束散射吸收相干的（經(jīng)典散射）非相干的光電子+二次特征輻射熱能第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1.4.1X射線的散射

X射線被物質(zhì)散射時(shí)，產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：

相干散射（也稱為經(jīng)典散射）非相干散射第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

相干散射定義

物質(zhì)中的電子在X射線電場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。這樣每個(gè)電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。由于散射線與入射線的頻率和波長(zhǎng)一致，位相固定，在相同的方向上各個(gè)散射波符合干涉條件，因此稱為相干散射。電子將入射X射線向其四周散射；或者說入射波將自身的能量傳給電子，而電子又將該能量轉(zhuǎn)化為與入射波長(zhǎng)相同的散射X射線。干涉條件：1，頻率相同2，相位差固定3，振動(dòng)方向一致第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線

原子或離子中的電子——受迫振動(dòng)。振動(dòng)著的電子成為次生X射線的波源，向外輻射與入射X射線同頻率的電磁波，稱為散射波。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)相干散射并未損失X射線的能量（頻率或者波長(zhǎng)沒變），而只是改變了它的傳播方向。因此相干散射又稱為彈性散射。**相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)。

第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)晶體底片鉛屏X射線管因此，晶體可看作三維立體光柵。（1）勞厄方法（2）衍射儀法X射線衍射第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線衍射的成功證明了兩個(gè)問題1.人們對(duì)可見光的衍射現(xiàn)象有了確切的了解：光柵常數(shù)(a+b)只要與點(diǎn)光源的光波波長(zhǎng)為同一數(shù)量級(jí)，就可產(chǎn)生衍射，衍射花樣取決于光柵形狀。2.晶體學(xué)家和礦物學(xué)家對(duì)晶體的認(rèn)識(shí)：晶體是由原子或分子為單位的共振體（偶極子）呈周期排列的空間點(diǎn)陣，各共振體的間距大約是10-8-10-7cm，M.A.Bravais已計(jì)算出14種點(diǎn)陣類型。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)相干散射強(qiáng)度一個(gè)電子的散射強(qiáng)度討論：1，由一個(gè)電子散射到相距R的P點(diǎn)的散射波強(qiáng)度只是入射波的強(qiáng)度的極小一部分。2，散射強(qiáng)度與距離的平方成反比。3，各個(gè)方向上散射強(qiáng)度不同。PR入射X射線散射X射線電子2

第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)非相干散射

（量子散射，或非彈性散射）

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，能量損失，波長(zhǎng)增加。入射X射線量子散射電子2

這種散射波的位相與入射線的位相之間不存在固定關(guān)系，不能產(chǎn)生干涉效應(yīng)，因此稱為非相干散射第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)非相干散射是康普頓（pton）和我國(guó)物理學(xué)家吳有訓(xùn)等人發(fā)現(xiàn)的，亦稱康普頓效應(yīng)或康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)。非相干散射突出地表現(xiàn)出X射線的微粒特性，只能用量子理論來描述，亦稱量子散射。它會(huì)增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對(duì)輕元素。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1.4.2X射線的吸收

物質(zhì)對(duì)X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗。物質(zhì)對(duì)X射線的非熱能的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。這個(gè)過程中發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)。光電效應(yīng)；

俄歇效應(yīng)。熱能

第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)（熒光輻射）（1）定義：當(dāng)一個(gè)具有足夠能量的X射線光子碰撞到物質(zhì)的原子時(shí)，也可以擊出原子內(nèi)層(如K層)的電子而產(chǎn)生電子空位，且高能級(jí)的電子填充該空位發(fā)生電子躍遷時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生輻射，即產(chǎn)生特征X射線。這種以X射線光子激發(fā)物質(zhì)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射的過程稱為光電效應(yīng)。被擊出的電子被稱為X射線光電子，所輻射的特征X射線稱為次級(jí)（或二次）X射線，或稱為熒光X射線。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)（2）產(chǎn)生條件：產(chǎn)生光電效應(yīng)，X射線光子波長(zhǎng)必須小于吸收限λk。當(dāng)X光子激發(fā)K系（電子）產(chǎn)生光電效應(yīng)時(shí)，光子的能量必須大于擊出一個(gè)K層電子所做的功（臨界值）：此式把吸收限與激發(fā)電壓聯(lián)系起來。從激發(fā)光電效應(yīng)角度講，我們可以稱

K為激發(fā)限波長(zhǎng)，即只有波長(zhǎng)小于

K的X光子才能激發(fā)K系產(chǎn)生X光電效應(yīng)而使X射線的能量被吸收。

吸收限與光電效應(yīng)相關(guān)聯(lián)。K系光電效應(yīng)（熒光輻射）L系光電效應(yīng)（熒光輻射）……第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)俄歇效應(yīng)原子在入射X射線光子或電子的作用下失掉K層電子，處于K激發(fā)態(tài)；當(dāng)L層電子填充空位時(shí)，放出EL-EK能量，產(chǎn)生兩種效應(yīng)：(1)熒光X射線；(2)產(chǎn)生二次電離，使另一個(gè)核外電子成為二次電子——俄歇電子。第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)KLILIILIIIMKLILIIKLL俄歇躍遷俄歇電子的能量與激發(fā)源（光子或電子）的能量無關(guān)，只取決于物質(zhì)原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)，每種元素都有自己的特征俄歇電子能譜。故可利用俄歇電子能譜做元素的成分分析。真空能級(jí)第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線與物質(zhì)相互作用的總結(jié)熱能透射X射線衰減后的強(qiáng)度I0散射X射線電子熒光X射線相干的非相干的反沖電子俄歇電子光電子康普頓效應(yīng)俄歇效應(yīng)

光電效應(yīng)第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1.4.3X射線的衰減規(guī)律

（由于散射+吸收而引起的衰減）當(dāng)一束X射線通過物質(zhì)時(shí)，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的強(qiáng)度衰減。衰減的程度與所經(jīng)過物質(zhì)中的距離成正比。dxx第1章_緒論及X射線物理學(xué)基礎(chǔ)I0入射X射線強(qiáng)度，Ix為穿透厚度為x的物質(zhì)后的X射線強(qiáng)度，

l為線衰減系數(shù)，衰減與散射的關(guān)系很小，因此，

l也稱線吸收系數(shù)（附表上單位為厘米