X射线物理学基础Word文件下载.docx

1、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

2、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

3、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

4、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： 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 =10 X射线的粒子性：X射线的粒子性表现在它是由大量

5、的不连续的粒子流构成的。它具有一定和能量和动量。能量和动量p与X射线光子的频率h和波长之间的关系如下：能量：动量：h为普朗克常数，为6.625*10-34J.sc 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

6、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, Ag2）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

7、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3550kV，1040mA的范围内使用，允许负荷约为1

8、00W/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

9、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0.0140nm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

10、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0）和一个强度的最大值。最大值

11、一般在1.50地方。2）0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： 0=1.24/V （nm）可见，随着管压的增大，0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=i ZVmi式中i 电流强度，Z为靶材的原子序数。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： =连续X射线的总强度/X射线管的功率 =i ZV2/iV=ZV当用钨靶（

12、Z=74），管压为100KV。可计算出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K和K。放大看，K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

13、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，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

14、（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 eVWk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

15、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LK层电子的跃迁：KL=L-k=hv=hc/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，2个能级的标记为等。因此K系就有LK 发射为KMK 为K各能级的能量差见图1-8。由于KMKL ，所以K的波长大于K。由于LK跃迁的几率比MK跃迁

16、大5倍左右，所以，K强度比K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K1和K2。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LIIK跃迁的几率高1 倍。所以I K1：I K22：1由于K1和 K波长相差很小。一般将它们视为同一条线K。其波长用二者的加权平均： K= 2/3K1+1/3K2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。

17、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K。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）K1K2KKCrFeCoNiCuMoAg242627282942470.228960.193600.778890.165780.154050.070930.055940.229350.193990.179280.166170.154430.

18、071350.056380.229090.193730.179020.165910.154180.070170.056090.208480.175650.162070.150010.139220.063230.049705.897.107.718.298.8620.025.520-2525-303030-3535-4050-5555-60五、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

19、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

20、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：=0.0024（1-cos2）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

21、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

22、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hvWk; 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）k 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，K线和K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

23、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 k吸收 k发射k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。

24、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x cm 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

25、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/。于是有Ix=I0e-mx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=w1 um1+ w2 um2+ w3 um3+ wp ump式中 w1 , w2 , w3 和wp ump w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

26、子的种类）和入射X射线的波长有关。它们的关系为umK3Z3 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

27、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K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（K=0.15418, K=0.13922nm）,Ni的吸