X射线物理学基础Word文件下载.docx
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他用X射线拍了一张其夫人手的照片（照片）。
1896年1月23日。
伦琴在自己的研究所第一次作关于X射线发现的报告时，现场再次拍了维尔兹堡著名的解剖学教授克利克尔的一只手的照片，克利克尔教授带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线称为伦琴射线。
很快，在X射线发现仅半年时间，在当时对X射线的本质还不清楚的情况下，X射线在医学上得到了应用。
发展了X射线照像术。
1896年，伦琴将他的发现和初步的研究结果写了一篇论文，了发表在英国的《nature》杂志上。
他的发现在社会上引起了轰动，也为他赢得了很大的荣誉。
1910年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖（照片）
二、X射线的本质
X射线发现后，引起了一场X射线的研究热潮。
对它本质存在争议。
争论的焦点集中在X射线是电磁波还是粒子流。
认为X射线是物质粒子流的科学家中有W.H.布拉格。
而他的儿子W.L.布拉格则对X射线的波动性进行了深入的研究，并给出了著名的布拉格方程。
对X射线波动性最完美的研究是德国物理学家劳厄（Laue）（照片）。
1912年，劳厄是德国慕尼黑大学非正式聘请的教授。
在此之前，人们对光的波动性已经进行了很多的研究，有关的理论已相当成熟。
比如，光的衍射作用。
人们知道，当光通过与其波长相当的光栅时会发生衍射作用。
另一方面，人们对晶体的研究也达到相当的水平，认为晶体内部的质点是规则排列的。
当然这种理论当时还未被证实。
当时劳厄想，如果X射线是一种波长比可见光短的电磁波，波长与晶体内部质点的间距相当。
那么，用X射线照射线晶体时，就会产生衍射作用。
他想用实验证明这一点。
在伦琴的两名研究生弗里德里希（W.Friedrich）和克尼（Knipping）的帮助下，进行了实验，并取得了成功（照片—实验所用的仪器）。
第一个实验所用的晶体是硫酸铜。
爱因期坦称劳厄的实验是“物理学最美的实验”。
它一箭双雕地解决了X射线的波动性和晶体的结构的周期性。
此后，他又导出了劳厄方程，成为X射线衍射学的基础。
后来的科学证明，与可见光一样，X射线具有波粒二象性。
因此，X射线的本质是一种电磁波。
它既具波动性，又具有粒子性。
在X射线衍射分析中应用的主要是它的波动性，反映在在传播过程中发生干涉、衍射作用。
而在与物质相互作用，进行能量交换时，则表现出它的粒子性。
X射线的波动性：
X射线的波动性表现在它以一定的波长和频率在空间传播。
X射线的波长在电磁波谱上位于紫外线之后（图1-1）
X射线的波长范围：
100-0.01A
硬X射线：
0.05-2.5A
0.5-2.5A
主要用于晶体结构分析
0.05-1A
主要用于金属探伤等
软X射线：
10-100A
主要用于医学
关于波长的单位：
Å
时期常用的单位
nm（纳米）
法定单位
KX
晶体学单位（不常用）
换算关系：
1nm=10-9m=10Å
X射线的粒子性：
X射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流构成的。
它具有一定和能量和动量。
能量ε和动量p与X射线光子的频率h和波长λ之间的关系如下：
能量：
动量：
h为普朗克常数，为6.625*10-34J.s
c为光速，为2.998*108m/s
三、X射线的产生与X射线管
X射线的产生有多种方式。
目前最常用的方式是通过高速运动的电子流轰击金属靶来获得的。
有些特殊的研究工作也用同步幅射X射线源。
常用X射线管的结构如图（图1-3，实物）。
它的主要组成部分包括：
1、阴极：
如同一般的灯丝，一般用钨丝做成。
用于产生大量的电子。
2、阳极：
又称靶。
由不同的金属组成。
从阴极发出的电子高速向靶撞击，产生X射线。
不同金属制成的靶产生的X射线是不同的。
可根据需要选用用不同靶材制作的X射线管。
1）常用的靶材：
Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag
2）冷却系统：
当电子束轰击阳极靶时，其中只有1%能量转换为X射线，其余的99%均转变为热能。
因此，阳极的底座一般用铜制作。
使用时通循环水进行冷却。
以防止阳极过热的熔化。
3）焦点指阳极靶面被电子束轰击的面积。
其形状取决于阴极灯丝的形状。
焦点一般为1mm*10mm的长方形。
产生的X射线束以6°
度角度向外发射。
于是在不同的方向产生不同形状的X射线束（南大，1980图1-9）。
与焦点长边方向相对应的位置上产生约0.1*10mm的线状X射线束。
在相应于短边的方向上产生1*1mm的点状X射线束。
不同的分析方法需要不同形状的X射线束，使用时可根据需要进行选择。
4）窗口：
X射线射出的通道。
窗口一般用对X射线穿透性好的轻金属铍密封，以保持X射线的真空。
一般X射线管有四个窗口，分别从它们中射出一对线状和一对点状X射线束。
5、X射线管的基本电气电路与X射线的产生
X射线管的基本电气电路见图（漆璿1992，图1-2）。
在阴极通电流，在灯丝上产生大量的电子。
在阴极和阳极之间加高电压。
使阴极产生的电子向阳极运动，并轰击阳极产生X射线。
6、旋转阳极（转靶）X射线管
为了缩短实验工时间，必须提高X射线源的强度，这就要求加大X射线管的功度密度和总功度。
一般的X射线管在35~50kV，10~40mA的范围内使用，允许负荷约为100W/mm2左右。
要进一步加大功率密度，主要障碍是电子束轰击阳极所产生的热能不能及时散发出去。
为了克服这一障碍，现在所用的办法是使阳极以3000r/min左右的高速度作旋转运动。
这样，受电子束轰击的点不断地改变，热量就有充分的时间散发出去。
这种旋转阳极的X射线管最大功率密度可达到5000W/mm2左右。
最大管流可达到500mA左右，其发出的X射线束强度可比通常的X射线管大很多倍，这种X射线管由于有转动机构，需维修保养，所以都不是永久密封式的，而可拆式的，以便根据情况拆卸调换阳极，并进行维修保养。
下图是旋转阳极结构示意图。
理学转靶构造示意图
7．同步辐射X射线源
在某些研究工作中，要用强度特别高的X射线源，这时常应用同步X射线源。
根据电动力学理论可知，带电粒子作加速运动时，会辐射光波。
在电子同步加速器或电子储存环中，高能电子在强大的磁偏转力的作用下作轨道运动时，会发射出一种极强的光辐射，称为同步辐射，它的频谱范围包括从红外区域直到硬X射线的各个频段，其中包括波长范围在0.01~40nm左右的连续的各个波长的X射线。
同步辐射X射线源的特点是强度高，比通常的X射线管所发出的X射线约大105倍左右。
因此有些工作用通常的X射线管进行要几个小时甚至几个星期，但利用同步辐射源则只需几分钟就能解决。
此外，同步辐射还具有发散度小，稳定性好、而且是纯粹的线偏振光等特点。
四、X射线谱
现在来看看X射线管产生的X射线的特点。
当高速电子束轰击金属靶时会产生两种不同的X射线。
一种连续X射线，另一种是特征X射线。
它们的性质不同、产生的机理不同，用途也不同。
（一）连续X射线（白色X射线）
正如太阳光包含有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等许多不同波长的光一样，从X射线管中发出的X射线也不是单一波长（单色）的，而是包含有许多不同波长的X射线。
这些波长构成连续的光谱，且是从某一最小值开始的一系列连续波长的幅射。
它与可见光中的白光相似，故称白色X射线。
它们的强度随波长的变化情况见图（图1-5和漆璿1992，图1-3）。
1、特点
1）强度随波长而连续变化，每条曲线都对应有一个最短的波长（短波限λ0）和一个强度的最大值。
最大值一般在1.5λ0地方。
2）λ0只与管压有关，与管流和靶的材料无关（见图）。
按量子理论，可得二者之间的关系：
λ0=1.24/V（nm）
可见，随着管压的增大，λ0向短波方向移动。
3）连续经射线的强度不仅与管压有关，还与管流和靶材有关（图）。
根据经验公式：
I连=αiZVmi
式中i电流强度，Z为靶材的原子序数。
α与mi为常数分别为2和（1.1-1.4）*10-9
可见强度随管流和管压的增大而增大。
固定i和V，强度随Z的增大而增大。
所以当需要连续X射线时，一般采用重元素的靶能得到较强的连续X射线。
从上式还可计算出X射线管的效率：
η=连续X射线的总强度/X射线管的功率
=αiZV2/iV=αZV
当用钨靶（Z=74），管压为100KV。
可计算出η≈1%。
可见X射线管的效率很低。
要提高效率，应采用高电压和重金属。
2、连续X射线产生机理
按量子理论，当高速的电子撞击靶中的原子时，电子失去自己的能量。
其中大部分转化为热能。
一部分以光子（X射线）的形式幅射出。
光子的能量为hv。
由于单位时间内到达靶表面的电子数量很多。
各个电子的能量各不相同，产生的X射线的波长也就不同。
于是产生了一个连续的X射线谱。
（二）特征X射线谱（标识X射线）
1、特征X射线及其激发电压
从图1-5可见，当电压加到25KV时，Mo靶的连续X射线谱上出现了二个尖锐的峰Kα和Kβ。
放大看，Kα还包括二个峰（图1-6）。
随着电压的增大，其强度进一步增强，但波长不变（漆璿1992，图1-4）。
也就是说，这些谱线的波长与管压和管流无关。
它与靶材有关。
对给定的靶材，它们的这些谱线是特定的。
因此，称之为特征X射线谱线或标识X射线。
产生特征X射线的最低电压称激发电压。
莫塞来1914年总结了特征X射线与靶材原子结构之间的关系：
或
式中K为与靶中主元素有关的常数，σ为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。
反过来，如果能测到材料中元素发射的特征X射线的波长，就能知道产生这些特征X射线元素是什么。
这就是X射线荧光光谱和电子探针分析的理论基础。
2、特征X射线产生的机理
特征X射线的产生主要与原子内部电子的激发与跃迁有关。
我们知道，原子中电子是按一定的规则分布在核外不连续的轨道（壳层）上。
这些轨道标识为K、L、M、N等，它们具有特定的能级（图）。
当原子受到高速电子的撞击时，如果这些电子束的能量足够大，它们就会将原子内层的电子打出去，这一过程称激发。
K层电子的打出称K系激发，依次有L系、M系激发等。
电子束要能激发内层电子，如K层电子，其能量eV必须大于K电子与原子核的结合能Ek或K电子的逸出功Wk。
即
eV≥-Ek
eV≥Wk
最低的临界状态下
eVk=Wk
这就是为什么特征X射线的产生具有一个临界的激发电压。
当内层电子被激发后，便在原有的位置上留下一个空穴。
外层高能级上的电子必然会下来填补这个空穴。
这一过程称跃迁。
跃迁的过程伴随着能量的释放，方式有多种。
其中一种重要的形式是以光子的形式幅射，这就是X射线的发射。
幅射光子的能量等于二个能级之间的能量差。
比如L—K层电子的跃迁：
△εKL=εL-εk=hv=hc/λ
原子内部电子轨道间的电子跃迁产生的射线波长在X射线的范围之内。
各个原子中各电子层间的能量差是一定的，所以由此产生的X射线波长是一定的。
这就是特征X射线产生的机理。
按光谱学上的定义。
电子跃迁到K层产生的幅射称为K系幅射，依次还有L系、M系幅射。
同时，按电子跃迁时所跨跃的能级数目不同，进一步对幅射系进行标识。
跨跃1个能级的标记为α，2个能级的标记为β等。
因此K系就有
L—K发射为Kα
M—K
为Kβ
各能级的能量差见图1-8。
由于△εKM>
△εKL，所以Kβ的波长大于Kα。
由于L—K跃迁的几率比M—K跃迁大5倍左右，所以，Kα强度比Kβ大5倍。
此外，由于同一壳层中的电子实际上也并不完全处在同一能级上，它们之间有微小的差别。
例如L层的8个电子分属于LI、LII和LIII三个能级上。
它们中的电子向K层的跃迁就产生波长有所差别的二条Kα1和Kα2。
实验证明它们分别是LIII上的个电子和LII上的3个电子向K层跃迁的结果。
又由于LIII--K的跃迁几率比LII—K跃迁的几率高1倍。
所以IKα1：
IKα2≈2：
1由于Kα1和Kα波长相差很小。
一般将它们视为同一条线Kα。
其波长用二者的加权平均：
λKα=2/3λKα1+1/3λKα2
其它系列如L、M、N系列的幅射强度很弱，波长长，容易被吸收。
所以我们通常只能观察到K系特征幅射。
它是X射线分析中最常用的X射线。
下表给出了常见靶材K系特征X射线的波长、激发电压、工作电压等。
需要说明的是：
1）工作电压一般是激发电压的3-5倍。
因为实验证明，当工作电压激发电压的3-5倍时，I特/I连最大。
2）实验中最常用的特征X射线是Kα。
最常用的靶材是Cu和Fe。
常用阳极靶材的特征谱参数
元素
原子
序数
K系特征谱波长（nm）
激发电压（kV）
工作电压（kV）
Kα1
Kα2
Kα
Kβ
Cr
Fe
Co
Ni
Cu
Mo
Ag
24
26
27
28
29
42
47
0.22896
0.19360
0.77889
0.16578
0.15405
0.07093
0.05594
0.22935
0.19399
0.17928
0.16617
0.15443
0.07135
0.05638
0.22909
0.19373
0.17902
0.16591
0.15418
0.07017
0.05609
0.20848
0.17565
0.16207
0.15001
0.13922
0.06323
0.04970
5.89
7.10
7.71
8.29
8.86
20.0
25.5
20-25
25-30
30
30-35
35-40
50-55
55-60
五、X射线与物质的相互作用
当射线照射在物质上时，会产生各种作用。
对特定的分析方法来说，有些作用是有用的，有些作用则是有害的。
因此，我们必须了解它们。
从能量的转换角度来看，一束X射线通过物质时，其能量分为三个部分：
一部分被散射，一部分被吸收，剩余的部分将透过物质。
1、X射线的散射
X射线通过物质时，部分X射线将改变它们前进的方向，即发生散射现象。
X射线的散射包括两种：
相干散射和非相干散射。
1）相干散射（汤姆逊散射）
当对X射线与物质原子中束缚较紧的电子作用时，由于这些电子受原子的强力束缚，X射线光子无法使它们脱离所在的能级。
按经典的电磁理论，这些电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。
每个受迫振动的电子便成为一个新的电磁波源，向四周辐射电磁波。
这些散射波与入射X射线的振动方向、频率（波长）相同，可以产生干涉作用。
故称为相干散射。
相干散射实际上并不损失X射线的能量，只是改变它的传播方向。
相干散射是X射线在晶体产生衍射的基础，以后将详细讨论。
2）非相干散射（康普顿散射）
当X射线与束缚较小的外层电子或自由电子作用时，X射线光子将一部分能量传给电子，使之脱离原有的原子而成为反冲电子，同时光子本身也改变了传播方向，发生散射。
且能量减小，也就是说，散射X射线的波长变长了。
散射X射线波长的改变与传播方向存在如下的关系：
△λ=0.0024（1-cos2θ）
对于这种X射线散射，由于散射X射线与入射X射线的波长不同，不能产生干涉效应。
故称为非相干散射。
我国著名的物理学家吴有训与美国物理学家康普顿一起在1924年发现的此效应。
2、X射线的吸收
物质对X射线的吸收指X射线能量在经过物质时转变为其它形式能量的效应。
主要表现在对物质原子中的内层电子的激发和随后产生的各种过程。
它主要包括光电效应（二次特征幅射）和俄歇效应等。
1）光电效应
与上述的特征X射线的产生相似，当用X射线轰击物质时（不同的是用X光管产生X射线时用的是高速电子束），若X射线的能量大于物质原子对其内层电子的束缚力时，入射X射线光子的能量就会被吸收，从而也导致其内层电子（如K层电子）被激发，并使高能级上的电子产生跃迁，发射新的特征X射线。
为与入射的X射线相区别，我们称X射线激发的特征X射线为二次特征X射线或荧光X射线。
这种以光子激发原子所发生的激发和幅射过程称为光电效应。
被击出的电子称光电子。
与上述相同，产生的二次特征X射线的波长与激发它们所需的能量取决于物质的原子种类和结构。
显然，要使K层电子产生光电效应，入射X射线的能量必须大于等于某物质原子中K层电子的逸出功Wk，即hv≥Wk;
可以从上述的激发压计算逸出功：
Wk=eVk
将入射X射线的波长与激发电压联系起来就有
因此，能引起光电效应的入射X射线的最大波长
（nm）
λk从激发光电效应的角度说，称为激发限波长，意义是只有入射的X射线波长达到或小于它时，才能激发物质的二次特征X射线。
从X射线吸收的角度看，称为吸收限波长。
意义是当入射的X射线的波长达到它时，入射X射线将被强烈吸收，并产生光电效应。
常见物质的吸收限见表1-1。
业已知道，Kα线和Kβ线发射分别对应于L到K和M到K能级之间的电子跃迁，而K吸收限的能量相当于K层电子的结合能或逸出功，即K能级与原子第一个自由能级之间的能量差。
因此，对于一个给定的元素，就有
λk吸收〈λkβ发射〈λkα发射
2）俄歇效应
在上述的激发与跃迁的过程中，当高能级的电子向低能级跃迁时，以幅射X射线的形式释放能量。
还可以另一种形式释放能量，即这些能量被周围某个壳层上的电子所吸收，并促使该电子受激发逸出原子成为二次电子。
由于这种二次电子原来是在原子的某个壳层上的，因此它具有特定的能量值。
可以用来表征这些原子。
这种效应是俄歇1925年发现的。
故称俄歇效应，产生的二次电子称俄歇电子。
利用该原理制造的俄歇能谱仪主要用于分析材料表面的成分。
3、X射线的衰减规律与吸收系数
以上论述了X射线通过物质时所发生的主要作用。
这里总结于下图（漆璿1992，,P11,图1-15）。
因此，透过物质的X射线强衰减了。
一般地说，在导致X射线强度衰减的因素—散射与吸收中，因散射引起的衰减远远小于因吸收导致的衰减量。
因此，实际工作中，可以近似地认为，X射线通过物质后其强度的衰减完全是由于物质对它的吸收所造成的。
这种衰减的程度可以用吸收系数来表征。
关系如下：
Ix=I0e-ux
式中I0和Ix分别是入射X射线和透过厚度为xcm物质后X射线的强度。
u为物质的线吸收系数，其意义是当X射线通过物质时，在X射线传播方向上，单位长度上X射线强度的衰减程度（cm-1）。
它与物质的种类、密度和X射线波长有关。
由于线吸收系数与物质的质量有关，计算起来不方便。
因此，实际中最常用的是物质的质量吸收系数um。
um=u/ρ。
于是有
Ix=I0e-μmρx
的意义是单位重量物质对X射线的衰减程度。
课本的附录2中列举了常见物质的质量吸收系数。
如果吸收体中是由由两种以上的元素组成的化合物或混合物、或溶液，其总体的质量吸收系数为
um=w1um1+w2um2+w3um3+……+wpump
式中
w1,w2,w3和wpumpw为该吸收体中各组分的质量分数
um1,um2,um3和ump为该吸收体中各组分的质量吸收系数
质量吸收系数是X射线的定量分析中要考虑的一个重要因素。
质量吸收系数与物质的密度和状态无关，而与物质的原子序数（即原子的种类）和入射X射线的波长有关。
它们的关系为
um≈Kλ3Z3
可见吸收系数反映了不同物质对X射线的吸收程度。
因此，我们可以通过它来研究一下X射线通过某一物质时衰减的规律。
以下两张图是固定原子序数Z或固定入射X射线波长λ时吸收系数的变化规律。
（南大1980，p8,图1-5和1-6）
先看固定Z时的吸收系数随波长的变化规律。
可见，
1）吸收系数随波长的增大而增大,且在一定区间内是连续变化的。
为是因为X射线的波长越长越容易被物质所吸收。
2）在某些波长的位置上产生跳跃式的突变。
（为什么？
）
这就是上述的光电效应（光电吸收）引起的。
突变的峰所在的波长就是该物质的吸收限（吸收边）或激发限。
当入射线X射线的波长达到该物质某一壳层电子的激发限，也就是说，它的能量恰好达到该电子的逸出功时，就大量吸收X射线，并产生强烈的光电效应。
进一步减小入射X射线的波长。
这时，X射线的能量已超出电子逸出功的范围，使光电效应达到饱和，多余的能量穿透过吸收体。
随着波长的进一步减小，吸收系数进一步下降，直至达到下一个吸收限。
吸收限对X射线分析是十分重要的。
尤其是其中的K系吸收限。
常见物质的吸收限见表1-1。
吸收系数随原子序数的变化也有相似的规律。
4、吸收限的应用
1）滤波片的选用
在X射线分析中，在大多数情况下都希望所使用的X射线波长单一，即“单色”X射线。
但实际上，如上所述，K系特征谱线包括发两条谱线。
在X射线分析时，它们之间会相互干扰。
我们可以应用某些材料对X射线吸收的特性，将其中的Kβ线过滤掉。
举例说明如下。
图1-10为Ni的部分吸收曲线。
它的吸收限为0.14869nm。
也就是说它对波长比0.14869稍短的X射线有强烈的吸收。
而对比0.14869稍长的X射线吸收很小。
再看一下铜靶X光射线管发射的X射线（Kα=0.15418,Kβ=0.13922nm）,Ni的吸
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