第二章--X射线物理学基础课件

前一章内容回顾前一章内容回顾空间点阵空间点阵晶（向）面指数晶（向）面指数倒易点阵定义和倒易矢量的基本性质倒易点阵定义和倒易矢量的基本性质晶带定律晶带定律前一章内容回顾空间点阵 2-1 x2-1 x射线的发现及射线的发现及x x射线学发展过程射线学发展过程 2-2 x2-2 x射线与电磁波谱射线与电磁波谱 2-3 x2-3 x射线的产生及射线的产生及x x x x射线谱（连续谱和射线谱（连续谱和射线谱（连续谱和射线谱（连续谱和标识谱标识谱标识谱标识谱）2-4 x2-4 x射线与物质的射线与物质的相互作用相互作用相互作用相互作用 2-5 x2-5 x射线的探测、防护及射线的探测、防护及应用应用 画线部分为重点。画线部分为重点。第二章第二章 X X射线的物理学基础射线的物理学基础第二章X射线的物理学基础2-1 x2-1 x射线的发现及射线的发现及x x射线学发展过程射线学发展过程X X射线的发现是射线的发现是1919世纪末世纪末2020世纪初物理世纪初物理学的三大发现（学的三大发现（X X射线射线18951895年、放射线年、放射线18961896年、电子年、电子18971897年）之一，这一发年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。现标志着现代物理学的产生。2-1x射线的发现及x射线学发展过程X射线的发现是19世纪对对x x射线的发现和应用有巨大贡献的科学家射线的发现和应用有巨大贡献的科学家德国物理学家伦琴（德国物理学家伦琴（18951895年年）（发现了未知射线）（发现了未知射线）德国物理学家劳厄（德国物理学家劳厄（19121912年年）（证明）（证明x x射线的波动性）射线的波动性）英国布拉格父子（英国布拉格父子（19121912年年）（简洁形式描述晶体对）（简洁形式描述晶体对x x射射线的衍射现象，推动了线的衍射现象，推动了x x射线的应用）射线的应用）对x射线的发现和应用有巨大贡献的科学家德国物理学家伦琴（1818941894年年1111月月8 8日，德国物理学家伦琴日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一将阴极射线管放在一个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线圈电源时，一块涂有圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用一本厚书，23厘米厚的木板木板或几厘米厚的硬橡胶硬橡胶插在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是实验结果表明它们也是“透明的透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射线透过，只要它们不太厚。线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到的射线，殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力它具有特别强的穿透力。他一连许多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行他一连许多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行彻底研究。彻底研究。6 6个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。18951895年年1212月月2222日，伦琴和他夫人拍下了第一张日，伦琴和他夫人拍下了第一张X X射线照片。射线照片。1895年12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯一种新射线初步研究。伦琴在他的通讯中把这一新射线称为伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X X射线，因为他当时无射线，因为他当时无法确定这一新射线的本质。法确定这一新射线的本质。伦琴发现伦琴发现X射线从而获得诺贝射线从而获得诺贝尔奖。尔奖。19121912年德国物理学家劳厄发现了年德国物理学家劳厄发现了X X射线通过晶体时产生射线通过晶体时产生衍射现象，证明了衍射现象，证明了X X射线的波动性和晶体内部结构的周期性射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了X射线的干涉现象一文。1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子英国布拉格父子的关注，年轻的小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实年轻的小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实验事实。他验事实。他以更简洁的方式，清楚地解释了以更简洁的方式，清楚地解释了以更简洁的方式，清楚地解释了以更简洁的方式，清楚地解释了X X X X射线晶体射线晶体射线晶体射线晶体衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：2dsin2dsin2dsin2dsinn n n n 。这这这这一结果不仅证明了小布拉格解释的正确性，更一结果不仅证明了小布拉格解释的正确性，更一结果不仅证明了小布拉格解释的正确性，更一结果不仅证明了小布拉格解释的正确性，更重要的是证明了能够用重要的是证明了能够用重要的是证明了能够用重要的是证明了能够用X X X X射线来获取关于晶体结构的信射线来获取关于晶体结构的信射线来获取关于晶体结构的信射线来获取关于晶体结构的信息。息。息。息。1912年11月，年仅22岁的小布位格以晶体对短波长电磁波衍射为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格则于老布拉格则于19131913年元月设计出第一台年元月设计出第一台X X射线分光射线分光计，计，并利用这台仪器，发现了特征特征特征特征X X X X射线。射线。射线。射线。劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注，年轻的小布拉X X射线已被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工射线已被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工业等领域。对于促进业等领域。对于促进2020世纪的物理学以至整个科学技世纪的物理学以至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。术的发展产生了巨大而深远的影响。X射线已被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工业等领域。X X射线衍射分析的特点：射线衍射分析的特点：反映出的反映出的信息是信息是大量原子散射行为的统计结果大量原子散射行为的统计结果大量原子散射行为的统计结果大量原子散射行为的统计结果，结结结结果果果果与材料的与材料的宏观性能宏观性能宏观性能宏观性能有良好的对应关系。有良好的对应关系。不足之处：不可能给出材料实际存在的微观成分和不足之处：不可能给出材料实际存在的微观成分和结构的不均匀性的资料。结构的不均匀性的资料。X射线衍射分析的特点：2-2 x2-2 x射线与电磁波谱射线与电磁波谱X X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此具有波粒二象性。是波长短而已，因此具有波粒二象性。(1)(1)波动性波动性;(2)(2)粒子性。粒子性。X X射射线线的的频频率率、波波长长以以及及其其光光子子的的能能量量、动动量量p p之间存在如下关系：之间存在如下关系：式式 中中 hh普普 朗朗 克克 常常 数数，等等 于于 6.625 6.625 J.s;J.s;cXcX射线的速度，等于射线的速度，等于2.998 2.998 m/s.m/s.X X X X射线射线射线射线 波长范围波长范围波长范围波长范围0.010.010.010.0110101010nmnmnmnm，在电磁波谱上位于紫在电磁波谱上位于紫外线和外线和 射线之间。射线之间。2-2x射线与电磁波谱X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全无线电波无线电波红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线可见光可见光X X射线射线射线射线无线电波红外线可见光紫外线可见光X射线射线分为软分为软x x射线（波长大于射线（波长大于0.50.5nmnm）和硬和硬x x射线（波长小于射线（波长小于0.50.5nmnm）。）。用于衍射分析的波长用于衍射分析的波长0.050.050.250.25nmnm。硬硬X X射线：波长较短的硬射线：波长较短的硬X X射线能量较高，穿透性较强，射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。软软X X射线：波长较长的软射线：波长较长的软X X射线能量较低，穿透性弱，射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属的分析。可用于非金属的分析。X X射线波长的度量单位常用埃（射线波长的度量单位常用埃（）表示；通用的国际表示；通用的国际计量单位中用纳米（计量单位中用纳米（nmnm）表示，它们之间的换算关系表示，它们之间的换算关系为：为：1 1nm=10 nm=10 分为软x射线（波长大于0.5nm）和硬x射线（波长小于0.52-3 x2-3 x射线的产生及射线的产生及x x射线谱射线谱一、一、X X射线的产生射线的产生(1)(1)产生原理；产生原理；(2)(2)产生条件；产生条件；(3)3)X X射线管；射线管；二、二、X X射线谱射线谱(1)连续连续X X射线射线；(2)标识标识X X射线射线。2-3x射线的产生及x射线谱一、X射线的产生一、一、x射线的产生射线的产生 高高速速运运动动的的电电子子与与物物体体碰碰撞撞时时，发发生生能能量量转转换换，电电子子的的运运动动受受阻阻失失去去动动能能，其其中中一一小小部部分分（1 1左左右右）能能量量转转变变为为X X射射线线，而而绝绝大大部部分分（9999左左右）能量转变成热能使物体温度升高右）能量转变成热能使物体温度升高。（水冷）（水冷）（1 1）产生原理）产生原理一、x射线的产生高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转a.a.产生自由电子；产生自由电子；b.b.使电子作定向的高速运动使电子作定向的高速运动;c.c.在在其其运运动动的的路路径径上上设设置置一一个个障障碍碍物物使使电电子子突突然减速或停止。然减速或停止。（2 2）产生条件）产生条件a.产生自由电子；（2）产生条件接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X射线管剖面示意图接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射封闭式封闭式X X射线管实质上就是一个大的射线管实质上就是一个大的真空（真空（）二极管。基本组）二极管。基本组成包括：成包括：(1)(1)阴极：阴极是发射电子的地方。阴极：阴极是发射电子的地方。(2)(2)阳极：亦称靶，是使电子突然减阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射速和发射X X射线的地方。射线的地方。（3 3）X X射线管射线管 封闭式X射线管实质上就是一个大的真空（）第二章-X射线物理学基础课件二、二、X X射线谱射线谱 由由X X射线管发射出来的射线管发射出来的X X射线可以分为两种类型：射线可以分为两种类型：(1)(1)连续连续X X射线射线；(2)(2)标识标识标识标识X X X X射线射线射线射线。二、X射线谱由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：（1 1）连续）连续X X射线射线具具有有连连续续波波长长的的X X射射线线，构构成成连连续续X X射射线线谱谱，它它和和可可见见光光相相似，亦称多色似，亦称多色X X射线。射线。特性特性特性特性；短波限；短波限；短波限；短波限；产生机理；产生机理；产生机理；产生机理；X X X X射线的强度射线的强度射线的强度射线的强度。钨靶的连续钨靶的连续X X射线谱射线谱相相对对强强度度（1）连续X射线具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和（1）每一种管电压下，存在一个每一种管电压下，存在一个短波极限短波极限；射线；射线中含有大于短波极限的各个波长成分。中含有大于短波极限的各个波长成分。（2）随着管电压增大，随着管电压增大，短波极限和强度最大的波短波极限和强度最大的波长朝短波方向移动。长朝短波方向移动。连续谱特性连续谱特性连续谱特性连续谱特性相相对对强强度度（1）每一种管电压下，存在一个短波极限；射线中含有大于短波极短波限短波限短波限短波限 连连续续X X射射线线谱谱在在短短波波方方向向有有一一个个波波长长极极限限，称称为为短短波波限限0 0.它它是是由由电电子子一一次次碰碰撞撞就就耗耗尽尽能能量量所所产产生生的的X X射射线线。它它只与管电压有关，不受其它因素的影响。只与管电压有关，不受其它因素的影响。相互关系为：相互关系为：式中式中 e e电子电荷，等于电子电荷，等于 库仑；库仑；V V电子通过两极时的电压降；电子通过两极时的电压降；h h普朗克常数，等于普朗克常数，等于 相相对对强强度度 钨靶的连续钨靶的连续X X射线谱射线谱短波限连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0短波限0随管压V的增大而减小。短波限0随管压V的增大而减小。产生机理产生机理产生机理产生机理 高能电子与阳极靶的原子碰撞时，高能电子与阳极靶的原子碰撞时，受靶中原子核的库受靶中原子核的库仑场作用而仑场作用而速度骤减，速度骤减，电子失去自己的能量，其中部电子失去自己的能量，其中部电子失去自己的能量，其中部电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，分以光子的形式辐射，分以光子的形式辐射，分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为碰撞一次产生一个能量为hvhv的的光子，这样的光子流即为光子，这样的光子流即为X X射线。射线。高速电子进入靶内不高速电子进入靶内不同深度，同深度，损失的动能有各种数值损失的动能有各种数值损失的动能有各种数值损失的动能有各种数值，使射线，使射线(光子光子)波长波长连续变化连续变化,形成连续谱。形成连续谱。产生机理高能电子与阳极靶的原子碰撞时，受靶中原子核的库仑场X X X X射线的强度射线的强度射线的强度射线的强度 X X射射线线的的强强度度是是指指垂垂直直X X射射线线传传播播方方向向的的单单位位面面积积上上在在单单位位时时间间内内所所通通过过的的光光子子数数目目的的能能量量总总和和。常常用用的的单位是单位是J/(cmJ/(cm2 2s)s).X X射射线线的的强强度度I I是是由由光光子子能能量量hvhv和和它它的的数数目目n n两两个个因因素素决决定定的的,即即I=nhv.I=nhv.连连续续X X射射线线强强度度最最大大值值在在1.51.50 0 ,而而不在不在0 0处。处。X射线的强度X射线的强度是指垂直X射线传播方向的单位面积上连连续续X X射射线线谱谱中中每每条条曲曲线线下下的的面面积积表表示示连连续续X X射射线线的的总强度。也是阳极靶发射出的总强度。也是阳极靶发射出的X X射线的总能量。射线的总能量。实实验验证证明明，I I与与管管电电流流i i、管管电电压压V V、阳阳极极靶靶的的原原子子序序数数Z Z存存在在如如下下关关系系：且且X X射射线线管管的效率为的效率为:由于由于K K1 1是个很小的数，约为是个很小的数，约为 ，如，如采用采用W W阳极（阳极（z=74z=74）,V=100kV,V=100kV时，效率仅为时，效率仅为1%1%左右。左右。碰撞阳极靶的电子束的大部分能量都耗费在使阳极碰撞阳极靶的电子束的大部分能量都耗费在使阳极靶发热上靶发热上 。水冷却水冷却连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳(2)(2)标识标识X X射线（特征射线（特征x x射线）射线）是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色它和可见光中的单色相似，亦称单色X X射线。射线。1.1.标识标识标识标识X X X X射线的特征射线的特征射线的特征射线的特征 ;2.2.2.2.产生机理产生机理产生机理产生机理 ;3.3.3.3.K K K K系激发机理系激发机理系激发机理系激发机理 ;4.4.4.4.莫塞莱定律莫塞莱定律莫塞莱定律莫塞莱定律；5.5.5.5.标识标识标识标识X X X X射线的强度特征射线的强度特征射线的强度特征射线的强度特征。X射线谱(2)标识X射线（特征x射线）是在连续谱的基础上叠加若干条标识标识标识标识X X X X射线的特征射线的特征射线的特征射线的特征 当电压达到当电压达到临界电压临界电压临界电压临界电压时，发出标识谱线；时，发出标识谱线；随电压增加，标识谱线的波长不变化，随电压增加，标识谱线的波长不变化，强度增强强度增强。如如钼钼靶靶K K系系标标识识X X射射线线有有两两个个强强度度高高峰峰为为K K和和K K ，波长分别为波长分别为0.71 0.71 和和0.63 0.63.激发电压激发电压激发电压激发电压：发出标识：发出标识：发出标识：发出标识x x x x射线的最低电压或临界电压。射线的最低电压或临界电压。射线的最低电压或临界电压。射线的最低电压或临界电压。标识X射线的特征当电压达到临界电压时，发出标识谱线；产生机理产生机理产生机理产生机理 标识标识X X射线谱的产生机理与阳极靶物质的原子内部射线谱的产生机理与阳极靶物质的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击在电子轰击在电子轰击在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，位，位，位，系统能量升高，处于不稳定激发态。系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级较高能级较高能级较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识辐射出标识辐射出标识辐射出标识X X X X射线谱。射线谱。射线谱。射线谱。产生机理标识X射线谱的产生机理与阳极靶物质的原子内部结构紧K K K K系激发机理及命名系激发机理及命名系激发机理及命名系激发机理及命名 K K层层电电子子被被击击出出时时，原原子子系系统统能能量量由由基基态态升升到到K K激激发态发态，高能级电子向，高能级电子向K K层空位填充时产生层空位填充时产生K K系辐射。系辐射。L L L L层电子填充空位时层电子填充空位时层电子填充空位时层电子填充空位时，产生产生产生产生K K K K辐射；辐射；辐射；辐射；M M M M层电子层电子层电子层电子填充空位时产生填充空位时产生填充空位时产生填充空位时产生K K K K辐辐辐辐射。射。射。射。K系激发机理及命名K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到由由能能级级可可知知，K K辐辐射射的的光光子子能能量量大大于于K K的的能能量量，但但K K层层与与L L层层为为相相邻邻能能级级，故故L L层层电电子子填填充充几几率率大大，所所以以K K的的强强度约为度约为K K的的5 5倍。倍。产生产生K K系激发要阴极电子的系激发要阴极电子的能量能量e eV Vk k至少等于击出一个至少等于击出一个K K层电子所作的功层电子所作的功W Wk k。V V V Vk k k k就是激发电压就是激发电压就是激发电压就是激发电压。L L层内不同亚能级电子向层内不同亚能级电子向K K层跃迁所层跃迁所发射的发射的K K 1 1和和K K 2 2的关系的关系由能级可知，K辐射的光子能量大于K的能量，但K层与L层为X X射线谱射线谱X射线谱标识标识标识标识X X X X射线的强度特征射线的强度特征射线的强度特征射线的强度特征 K K系标识系标识X X射线的强度与管电压、管电流的关系为：射线的强度与管电压、管电流的关系为：当当当当I I I I标标标标/I I I I连连连连最大，工作电压为最大，工作电压为最大，工作电压为最大，工作电压为K K K K系激发电压的系激发电压的系激发电压的系激发电压的3 3 3 35 5 5 5倍时，倍时，倍时，倍时，连续谱造成的衍射背影最小。连续谱造成的衍射背影最小。连续谱造成的衍射背影最小。连续谱造成的衍射背影最小。标识X射线的强度特征K系标识X射线的强度与管电压、管电流的莫塞莱定律莫塞莱定律莫塞莱定律莫塞莱定律 标标识识X X射射线线谱谱的的频频率率和和波波长长只只取取决决于于阳阳极极靶靶物物质质的的原原子子能级结构，是物质的固有特性能级结构，是物质的固有特性。且存在如下关系：。且存在如下关系：莫塞莱定律莫塞莱定律：标识：标识X X射线谱的波长射线谱的波长与原子序数与原子序数Z Z关系为：关系为：标识标识标识标识X X X X射线谱应用：化学元素的分析射线谱应用：化学元素的分析射线谱应用：化学元素的分析射线谱应用：化学元素的分析 上式是元素分析的理论依据。上式是元素分析的理论依据。上式是元素分析的理论依据。上式是元素分析的理论依据。莫塞莱定律标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子总结总结1 x1 x射线谱分为连续谱和标识谱（或特征谱）射线谱分为连续谱和标识谱（或特征谱）2 2 短波限短波限0 0是连续谱上的最小波长。由电子一次是连续谱上的最小波长。由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的碰撞就耗尽能量所产生的X X射线，它与管压的关系：射线，它与管压的关系：3 3 标识谱的产生机理标识谱的产生机理 4 K4 K系系激发电压激发电压，K K系系标识谱线的命名标识谱线的命名。5 5 莫塞莱定律莫塞莱定律在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，较高能级上的电子向低能级上的空电子击出时，于是在低能级上出现空位，较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X X射线谱。射线谱。K K层电子被击出时所需最低电压。层电子被击出时所需最低电压。K K层电子被击出时，原子系统能量由层电子被击出时，原子系统能量由基态升到基态升到K K激发态激发态，高能级电子向，高能级电子向K K层空位填充时产生层空位填充时产生K K系辐射。系辐射。L L层电子层电子填充空位时，产生填充空位时，产生KK辐射；辐射；M M层电子填充空位时产生层电子填充空位时产生KK辐射。辐射。总结1x射线谱分为连续谱和标识谱（或特征谱）在电子轰击阳极2-4 X2-4 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 X X射射线线与与物物质质相相互互作作用用时时，产产生生各各种种不不同同的的和和复复杂杂的的过过程程。就就其其能能量量转转换换而而言言，一一束束X X射射线线通通过过物物质质时时，可可分为三部分：分为三部分：一部分被散射，一部分被散射，一部分被吸收，一部分被吸收，一一部部分分透透过过物物质质继继续续沿沿原原来来的方向传播的方向传播(透射或折射透射或折射)。X X射线的散射射线的散射 ；X X X X射线的吸收射线的吸收射线的吸收射线的吸收 ；X X X X射线的衰减规律射线的衰减规律射线的衰减规律射线的衰减规律；吸收限的应用吸收限的应用吸收限的应用吸收限的应用；X X射线的折射射线的折射；总结总结 。2-4X射线与物质相互作用X射线与物质相互作用时，产生各X X射线的散射射线的散射 X X射线被物质散射时，产生两种现象：射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射相干散射；非相干散射非相干散射。X射线的散射X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射相干散射物质中的物质中的电子电子在在X X射线电场的作用下，射线电场的作用下，产生强迫产生强迫振动。振动。这样每个电子在各方向这样每个电子在各方向产生产生与入射与入射X X射线射线同频率的电磁波同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射现象称为相干散射。用于用于用于用于x x x x射线衍射分析。射线衍射分析。射线衍射分析。射线衍射分析。相干散射物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样非相干散射非相干散射 X X射线光子与束缚力不大的外层电子射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，时电子获得一部分动能成为反冲电子，X X射线光子离射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。开原来方向，能量减小，波长增加。非非相相干干散散射射是是康康普普顿顿（A.H.ComptonA.H.Compton）和和我我国国物物理理学学家家吴吴有有训训等等人人发发现现的的，亦亦称称康康普普顿顿效效应应。非非相相干干散散射射突突出出地地表表现现出出X X射射线线的的微微粒粒特特性性，只只能能用用量量子子理理论论来来描述，亦称量子散射。描述，亦称量子散射。它它它它会会会会增增增增加加加加连连连连续续续续背背背背影影影影，给给给给衍衍衍衍射射射射图图图图象象象象带带带带来来来来不不不不利利利利的的的的影影影影响响响响，特特特特别对轻元素。别对轻元素。别对轻元素。别对轻元素。非相干散射X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞X X X X射线的吸收射线的吸收射线的吸收射线的吸收 物物质质对对X X射射线线的的吸吸收收指指的的是是X X射射线线能能量量在在通通过过物物质质时时转转变变为为其其它它形形式式的的能能量量，X X射射线线发发生生了了能能量量损损耗耗。物物物物质质质质对对对对X X X X射射射射线线线线的的的的吸吸吸吸收收收收主主主主要要要要是是是是由由由由原原原原子子子子内内内内部部部部的的的的电电电电子子子子跃跃跃跃迁迁迁迁而而而而引引引引起起起起的的的的。这这这这个个个个过过过过程程程程中中中中发发发发生生生生X X X X射射射射线线线线的光电效应和俄歇效应。的光电效应和俄歇效应。的光电效应和俄歇效应。的光电效应和俄歇效应。X X X X射线的衰减规律射线的衰减规律射线的衰减规律射线的衰减规律 光电效应光电效应光电效应光电效应 俄歇效应俄歇效应俄歇效应俄歇效应X射线的吸收物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时X X X X射线的衰减规律射线的衰减规律射线的衰减规律射线的衰减规律 当当一一束束X X射射线线通通过过物物质质时时，由由于于散散射射和和吸吸收收的的作作用用使使其其透透射射方方向向上上的的强强度度衰衰减减。衰衰减减的的程程度度与与所所经经过过物物质质中中的距离成正比。式的距离成正比。式m m 为质量吸收系数，为质量吸收系数，t t为为x x射线穿透物质的厚度。射线穿透物质的厚度。X射线的衰减规律当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作第二章-X射线物理学基础课件质量吸收系数质量吸收系数质量吸收系数质量吸收系数mmmm和吸收限和吸收限和吸收限和吸收限 质量吸收系数质量吸收系数表示单位重量物质对表示单位重量物质对X X射线强度的衰减程度。射线强度的衰减程度。复杂物质的质量吸收系数复杂物质的质量吸收系数 质量衰减系数与波长和原子序数质量衰减系数与波长和原子序数Z Z存在如下近似关系：存在如下近似关系：K K为常数为常数.mm随随的变化是不连续的，其间被尖锐的突变分开。的变化是不连续的，其间被尖锐的突变分开。mm突变对应的波长为突变对应的波长为吸收限吸收限。吸收限吸收限与原子能级的精细与原子能级的精细结构对应。如结构对应。如L L系有三个亚层，有三个吸收限。系有三个亚层，有三个吸收限。质量吸收系数m和吸收限质量吸收系数表示单位重量物质对X射第二章-X射线物理学基础课件质量吸收系数突变的现象或吸质量吸收系数突变的现象或吸收限收限主要是由光电效主要是由光电效应引起的：应引起的：当入射当入射X X射线的波长等于或小于射线的波长等于或小于kk时，时，光子的能量达到击出一个光子的能量达到击出一个K K层电子的功层电子的功W W，X X射线光子射线光子被吸收，激发光电效应获得能量的电子从内层逸出，被吸收，激发光电效应获得能量的电子从内层逸出，成为光电子，使质量吸收系数成为光电子，使质量吸收系数mm突变性增大。突变性增大。mmmm突变对应的波长为吸收限突变对应的波长为吸收限突变对应的波长为吸收限突变对应的波长为吸收限,对应吸收限的光子能量等对应吸收限的光子能量等对应吸收限的光子能量等对应吸收限的光子能量等于击出一个内层电子所需的功。于击出一个内层电子所需的功。于击出一个内层电子所需的功。于击出一个内层电子所需的功。质量吸收系数突变的现象或吸收限主要是由光电效应引起的：当入射光电效应光电效应以以X X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击被击出的电子称为光电子，辐射出的次级标识出的电子称为光电子，辐射出的次级标识X X射线称射线称为荧光为荧光X X射线。射线。产生光电效应，产生光电效应，产生光电效应，产生光电效应，X X X X射线波长必须小于吸收限射线波长必须小于吸收限射线波长必须小于吸收限射线波长必须小于吸收限k k k k 。光电效应以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子俄歇效应俄歇效应原子在入射原子在入射X X射线光子或电子的作用下失掉射线光子或电子的作用下失掉K K层电子，层电子，处于处于K K激发态；当激发态；当L L层电子填充空位时，放出层电子填充空位时，放出E EL L-E Ek k的的能量能量，产生两种效应：产生两种效应：(1)(1)荧光荧光X X射线；射线；(2)(2)产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子子俄歇电子。俄歇电子。光电子、俄歇电子和荧光光电子、俄歇电子和荧光x x射线都是被照物质化学射线都是被照物质化学成分的讯号。成分的讯号。相应元素分析手段：相应元素分析手段：x x射线光电子能谱（射线光电子能谱（XPSXPS）和荧）和荧光光谱（光光谱（XFSXFS）（能量色散谱（）（能量色散谱（EDSEDS）分析）分析俄歇效应原子在入射X射线光子或电子的作用下失掉K层电子，处于1 1 滤波片的选择滤波片的选择:(1)(1)它的吸收限位于辐射源的它的吸收限位于辐射源的KK和和KK之间，且尽量靠之间，且尽量靠近近KK。强烈吸收强烈吸收KK，K K吸收很小；吸收很小；(2)(2)滤波片将滤波片将KK强度降低一半最佳。强度降低一半最佳。Z Z Z Z靶靶靶靶40404040404040时时时时 Z Z Z Z滤片滤片滤片滤片=Z Z Z Z靶靶靶靶-2-2-2-2。吸收限的应用吸收限的应用吸收限的应用吸收限的应用1滤波片的选择:吸收限的应用2 2 阳极靶的选择阳极靶的选择:（1 1）阳极靶）阳极靶K K波长稍大于试样的波长稍大于试样的K K吸收限；吸收限；（2 2）试样对）试样对X X射线的吸收最小。射线的吸收最小。Z Z Z Z靶靶靶靶Z Z Z Z试样试样试样试样+1+1+1+1。3 3 激发电压的计算激发电压的计算激发电压激发电压激发电压激发电压是发出标识是发出标识是发出标识是发出标识x x x x射线的最低电压或临界电射线的最低电压或临界电射线的最低电压或临界电射线的最低电压或临界电压，对应电子能量等于击出一个内层电子所需的压，对应电子能量等于击出一个内层电子所需的压，对应电子能量等于击出一个内层电子所需的压，对应电子能量等于击出一个内层电子所需的功。对应吸收限的光子能量等于击出一个内层电功。对应吸收限的光子能量等于击出一个内层电功。对应吸收限的光子能量等于击出一个内层电功。对应吸收限的光子能量等于击出一个内层电子所需的功。子所需的功。子所需的功。子所需的功。2阳极靶的选择:激发电压是发出标识x射线的最低电压或临界电为为激激发发被被照照物物体体的的k k系系荧荧光光辐辐射射，电电子子束束的的（或或照照射射x x射线光子的）能量至少等于射线光子的）能量至少等于 为被照物体的为被照物体的k k系吸收限波长。系吸收限波长。则靶的激发电压为则靶的激发电压为波长单位为nm，电压单位为V。若电压为千伏，则激发电压公式为为激发被照物体的k系荧光辐射，电子束的（或照射x射线光子的）4 4 利用吸收限作原子内层能级图利用吸收限作原子内层能级图刚好击出原子刚好击出原子k k层电子的层电子的x x射线光子能量等于射线光子能量等于K K层层电子束缚能电子束缚能内层电子能级图据此得到。内层电子能级图据此得到。4利用吸收限作原子内层能级图 X X射线的折射射线的折射 X X射线从一种介质进入另一种介质产生折射，射线从一种介质进入另一种介质产生折射，折射率折射率M M非常接近非常接近1,1,M M约为约为0.999990.999999 0.999990.999999。X射线的折射X射线从一种介质进X X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 小结小结热能透射X射线衰减后的强度I散射X射线电子荧光X射线相干的，用于x射线 衍射分析非相干的反冲电子俄歇电子光电子康普顿效应俄歇效应 光电效应I0 X射线的吸收m突变对应的波长为突变对应的波长为吸收限吸收限。X射线与物质相互作用小结热能透射X射线衰减后的强度I散射2-5 X2-5 X射线的探测与防护射线的探测与防护（1 1）X X射线的探测射线的探测；（2 2）X X射线的安全防护射线的安全防护。2-5X射线的探测与防护（1）X射线的探测；X X射线的探测射线的探测荧光屏法；荧光屏法；照相法；照相法；辐射探测器法：辐射探测器法：X X射线光子对气体和某些固态物质的电射线光子对气体和某些固态物质的电离作用可以用来检查离作用可以用来检查X X射线的存在与否和测量它和强度。射线的存在与否和测量它和强度。按照这种原理制成的探测按照这种原理制成的探测X X射线的仪器电离室和各种计射线的仪器电离室和各种计数器。数器。X射线的探测荧光屏法；X X射线的安全防护射线的安全防护X X射射线线设设备备的的操操作作人人员员可可能能遭遭受受电电震震和和辐辐射射损损伤伤两两种种危危险。险。电电震震的的危危险险在在高高压压仪仪器器的的周周围围是是经经常常存存在在的的，X X射射线线的的阴阴极极端端为为危危险险的的源源泉泉。在在安安装装时时可可以以把把阴阴极极端端装装在在仪仪器台面之下或箱子里、屏后等方法加以保证。器台面之下或箱子里、屏后等方法加以保证。辐辐射射损损伤伤是是过过量量的的X X射射线线对对人人体体产产生生有有害害影影响响。可可使使局局部部组组织织灼灼伤伤，可可使使人人的的精精神神衰衰颓颓、头头晕晕、毛毛发发脱脱落落、血血液液的的组组成成和和性性能能改改变变以以及及影影响响生生育育等等。安安全全措措施施有有：严严格格遵遵守守安安全全条条例例、配配带带笔笔状状剂剂量量仪仪、避避免免身身体体直直接接暴露在暴露在X X射线下、定期进行身体检查和验血。射线下、定期进行身体检查和验血。X射线的安全防护X射线设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤两作业作业41 x1 x射线穿过物质时可发生哪三种基本过程？射线穿过物质时可发生哪三种基本过程？2 2 散射分为哪两种？用于散射分为哪两种？用于x x射线衍射分析的是哪种散射？射线衍射分析的是哪种散射？3 x3 x射线吸收常伴随效应有哪些？在这些效应中产生的反应被照物射线吸收常伴随效应有哪些？在这些效应中产生的反应被照物质化学成分的讯号有哪些？质化学成分的讯号有哪些？4 4 质量吸收系数的定义，与哪些因素有关？质量吸收系数的定义，与哪些因素有关？5 5 吸收限的定义及应用吸收限的定义及应用6 6 试试计计算算用用4040千千伏伏操操作作时时，所所发发射射的的X X射射线线短短波波限限为为多多少少？（电电子子质量为质量为 ）作业41x射线穿过物质时可发生哪三种基本过程？