第2章X射线物理学基础

第二章第二章 X射线的物理学基础射线的物理学基础 2-1 X射线的本质射线的本质；2-2 X射线的产生射线的产生；2-3 X射线谱射线谱；2-4 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用；2-5 X射线的探测与防护射线的探测与防护；返回2-1 X射线的本质射线的本质X射线的本质是射线的本质是电磁辐射，与电磁辐射，与可见光完全相可见光完全相同，仅是波长同，仅是波长短而已，因此短而已，因此具有波粒二象具有波粒二象性。性。(1)波动性;(2)粒子性。使照相底片感光；使照相底片感光；使气体电离；使气体电离；沿直线传播，经过电场或磁场时不发生偏转；沿直线传播，经过电场或磁场时不发生偏转；有很强的穿透能力；有很强的穿透能力；通过物质时可以被吸收使其强度衰减；通过物质时可以被吸收使其强度衰减；可杀伤生物细胞；可杀伤生物细胞；在介质中的折射率略小于在介质中的折射率略小于1，与，与1相差约为相差约为10-5-10-6波长与晶体中原子间距相近，能发生衍射现象。波长与晶体中原子间距相近，能发生衍射现象。X射线的性质射线的性质波动性X射线的波长范围：0.01100 表现形式：在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。硬X射线：波长较短的硬X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。软X射线：波长较长的软X射线,能量较低，穿透性弱，可用于非金属的分析及成像和显微技术。X射线波长的度量单位常用埃（）表示；通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为：1nm=10 =m。粒子性特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量。表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；二次电子等。X射线的频率、波长以及其光子的能量、动量p之间存在如下关系：式 中 h普 朗 克 常 数，等 于 6.625 J.s;cX射线的速度，等于2.998 cm/s.相关习题：1.试试计计算算波波长长0.71（Mo-K）和和1.54（Cu-K）的的X射射线线束束，其其频频率率和和每每个个量子的能量？量子的能量？2-2 X射线的产生射线的产生(1)产生原理；产生原理；(2)产生条件；产生条件；(3)过程演示；过程演示；(4)X射线管；射线管；(5)其它其它X射线装置。射线装置。产生原理产生原理 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左左右右）能能量量转转变变为为X射射线线，而而绝绝大大部部分分（99左左右右）能能量量转转变变成热能使物体温度升高。成热能使物体温度升高。产生条件产生条件1.产生自由电子；产生自由电子；2.使电子作定向的高速运动使电子作定向的高速运动;3.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电子突然减速或停止。使电子突然减速或停止。接变压器接变压器玻璃玻璃钨灯丝钨灯丝金属聚灯罩金属聚灯罩铍窗口铍窗口金金属属靶靶冷却水冷却水电子电子X射线射线X射线射线X射线管剖面示意图射线管剖面示意图（回车键演示）（回车键演示）过程演示过程演示 X射线管 1.X射线管的结构射线管的结构；2.常用的常用的X射线源射线源；X射线管的结构 封闭式封闭式X射线管实质上就是一个大的真空（射线管实质上就是一个大的真空（）二极管。基本组成包括：）二极管。基本组成包括：(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)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射射线的地方。线的地方。(3)窗口：窗口是窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出射线从阳极靶向外射出的地方。的地方。(4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出的地方，正是从这块面积上发射出X射线。射线。常用的X射线源包括：1 密封式X射线管 精密陶瓷X射线管 一般玻璃管（目前已经基本被淘汰）细聚焦X射线管 准单色X射线管2 旋转阳极（转靶）X射线管：提高X射线管的发射强度3 同步辐射光源2-3 X射线谱射线谱 由由X射线管发射出来的射线管发射出来的X射线可射线可以分为两种类型：以分为两种类型：(1)连续连续X射线射线；(2)标识标识X射线射线。连续连续X射线射线具具有有连连续续波波长长的的X射射线线，构构成成连连续续X射射线线谱谱，它它和和可可见见光光相相似似，亦亦称称多色多色X射线。射线。产生机理；演示过程；短波限；X射线的强度。产生机理产生机理 能量为能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为的光子，这样的光子流即为X射线。单射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连产生能量各不相同的辐射，因此出现连续续X射线谱。射线谱。短波限短波限 连连续续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.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射射线线。它它只只与与管管电电压压有有关关，不不受受其其它因素的影响。它因素的影响。相互关系为：相互关系为：式式中中e电电子子电电荷荷，等等于于 静静电电单单位位；V电电子子通通过过两两极极时时的的电电压压降降（静静电电单单位位）；h普朗克常数，等于普朗克常数，等于相关习题相关习题试试计计算算用用50千千伏伏操操作作时时，X射射线线管管中中的的电电子子在在撞撞击击靶靶时时的的速速度度和和动动能能，所所发发射的射的X射线短波限为多少？射线短波限为多少？X射线的强度射线的强度 X射射线线的的强强度度是是指指垂垂直直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能量的总和。能量的总和。常用的单位是常用的单位是J/cm2.s.X射射线线的的强强度度I是是由由光光子子能能量量hv和和它它的的数数目目n两两个个因因素素决决定定的的,即即I=nhv.连连续续X射射线线强度最大值在强度最大值在1.50,而不在而不在0处。处。连连续续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射射线线的的总总强强度度。也也是是阳阳极极靶靶发发射射出出的的X射射线线的的总能量。总能量。实实验验证证明明，I与与管管电电流流、管管电电压压、阳阳极极靶靶的的原原子子序序数数存存在在如如下下关关系系：且且X射射线线管管的效率为的效率为:标识X射线 是在连续谱的是在连续谱的基础上叠加若基础上叠加若干条具有一定干条具有一定波长的谱线，波长的谱线，它和可见光中它和可见光中的单色光相似，的单色光相似，亦称单色亦称单色X射线。射线。1.标识标识X射线的特征射线的特征;2.产生机理产生机理;3.过程演示过程演示;4.K系激发机理系激发机理;5.莫塞莱定律莫塞莱定律；6.标识标识X射线的强度射线的强度特征特征。标识标识X射线的特征射线的特征 当当电电压压达达到到临临界界电电压压时时，标标识识谱谱线线的的波波长长不不再再变变，强强度度随随电电压压增增加加。如如钼钼靶靶K系系标标识识X射射线线有有两两个个强强度度高高峰峰为为K和和K，波波长长 分分 别别 为为 0.71和和0.63.产生机理产生机理 标识标识X射线谱的产生机理与阳极物质的原子射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密相关。原子系统内的电子按泡内部结构紧密相关。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利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有级。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，系统能量出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电升高，处于不稳定激发态。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X射线谱。射线谱。K态（击走态（击走K电子）电子）L态（击走态（击走L电子）电子）M态（击走态（击走M电子）电子）N态（击走态（击走N电子）电子）击走价电子击走价电子中性原子中性原子WKWLWMWN0原原子子的的能能量量标识标识X射线产生过程射线产生过程K激激发发L激激发发Ka辐辐射射K辐辐射射L辐辐射射过程演示过程演示（任意键演示）（任意键演示）K系激发机理系激发机理 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激激发发态态，高高能能级级电电子子向向K层层空空位位填填充充时时产产生生K系系辐辐射射。L层层电电子子填填充充空空位位时时，产产生生K辐辐射射；M层层电电子子填填充充空空位位时时产生产生K辐射。辐射。由由能能级级可可知知K辐辐射射的的光光子子能能量量大大于于K的的能能量量，但但L层层电电子子填填充充几几率率大大，所所以以K的强度约为的强度约为K的的5倍。倍。产产生生K系系激激发发要要阴阴极极电电子子的的能能量量eVk至至少少等等于于击击出出一一个个K层层电电子子所所作作的的功功Wk。Vk就是激发电压。就是激发电压。莫塞莱定律莫塞莱定律 标标识识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能级级结结构构，是是物物质质的的固固有有特性。且存在如下关系：特性。且存在如下关系：莫莫塞塞莱莱定定律律：标标识识X射射线线谱谱的的波波长长与与原原子序数子序数Z关系为：关系为：标识标识X射线的强度特征射线的强度特征 K系标识系标识X射线的强度与管电压、管电流的射线的强度与管电压、管电流的关系为：关系为：当工作电压为当工作电压为K系激发电压系激发电压Vk的的35倍时，倍时，I标标/I连连最大最大,连续谱造成的衍射背景最小。连续谱造成的衍射背景最小。n1.5-1.72-4 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 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射射线线通通过过物物质质时时，可可分分为为三三部部分分：一一部部分分被被散散射射，一一部部分分被被吸吸收收，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的方方向向传播。传播。X射线的散射射线的散射；X射线的吸收射线的吸收；X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；X射线的折射射线的折射；总结总结。X射线的散射射线的散射 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。相干散射相干散射物质中的电子在物质中的电子在X射线电场的作用下，射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射向产生与入射X射线同频率的电磁波。射线同频率的电磁波。新的散射波之间可以发生干涉现象。新的散射波之间可以发生干涉现象。非相干散射非相干散射 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 或自或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，冲电子，X射线光子离开原来方向，能量射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。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.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描述述，亦亦称称量量子子散散射射。它它会会增增加加连连续续背背影影，给给衍衍射射图图象象带带来来不不利利的的影影响响，特特别别是是对对轻轻元元素素,这种影响更显著。这种影响更显著。X射线的吸收射线的吸收 物物质质对对X射射线线的的吸吸收收指指的的是是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射射线线发发生生了了能能量量损损耗耗。物物质质对对X射射线线的的吸吸收收主主要要是是由由原原子子内内部部的的电电子子跃跃迁迁而而引引起起的的。这这个个过过程程中中发发生生X射射线线的的光光电电效效应和俄歇效应。应和俄歇效应。光电效应光电效应；俄歇效应俄歇效应。光电效应光电效应以以X光子激发原子所发生的激发和辐射过光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子称为光电子，辐射出的程。被击出的电子称为光电子，辐射出的次级标识次级标识X射线称为荧光射线称为荧光X射线。射线。产生光电效应，产生光电效应，X射线光子波长必须小于射线光子波长必须小于吸收限吸收限k。激发激发k系光电效应的光子临界能量为系光电效应的光子临界能量为:称为吸收限（激发限）波长称为吸收限（激发限）波长俄歇效应俄歇效应原子在入射原子在入射X射线光子或电子的作用下失射线光子或电子的作用下失掉掉K层电子，处于层电子，处于K激发态；当激发态；当L2层电子层电子填充空位时，放出填充空位时，放出EK-EL2能量，产生两能量，产生两种效应：种效应：(1)荧光荧光X射线；射线；(2)产生二次电离，使另一个核外电子产生二次电离，使另一个核外电子(比如比如L2,L3,M,N层电子层电子)成为二次电子成为二次电子俄歇电子。俄歇电子。俄歇电子（二次电子）的能量是元素的固有俄歇电子（二次电子）的能量是元素的固有特性，而且能量很低，平均自由程很小，故特性，而且能量很低，平均自由程很小，故常利用俄歇效应来进行表层成分分析。常利用俄歇效应来进行表层成分分析。X射线的衰减规律射线的衰减规律 当当一一束束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的距距离离成成正正比。比。式中：式中：为入射为入射X射线强度。射线强度。为线衰减系数，表示单位体积物为线衰减系数，表示单位体积物质对质对X射线强度的衰减程度。射线强度的衰减程度。H为为X射线穿过的距离。射线穿过的距离。质量衰减系数质量衰减系数表示单位重量物质对表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度射线强度的衰减程度,在物质状态发生变化时，在物质状态发生变化时，保持不变。保持不变。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存在如下近存在如下近似关系：似关系：K为常数为常数m随随的变化是不连续的的变化是不连续的,其间被尖锐的突变其间被尖锐的突变分开。突变对应的波长为分开。突变对应的波长为K吸收限。吸收限。吸收限的应用吸收限的应用 吸收限主要是由光电效应引起的：当吸收限主要是由光电效应引起的：当X射射线的波长等于或小于线的波长等于或小于时时,光子的能量光子的能量E大大于击出一个于击出一个K层电子的功层电子的功W，X射线被吸射线被吸收，激发光电效应收，激发光电效应,从而使从而使m突变性增大。突变性增大。吸收限与原子能级的精细结构对应。如吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有三个副层，有三个吸收限。系有三个副层，有三个吸收限。滤波片的选择滤波片的选择:(1)它的吸收限位于辐射它的吸收限位于辐射源的源的K和和K 之间，且尽量靠近之间，且尽量靠近K。强强烈吸收烈吸收K，K吸收很小；吸收很小；(2)滤波片的厚滤波片的厚度以将度以将K强度降低一半最佳强度降低一半最佳;(3)选取原选取原则则:Z靶靶40时时,Z滤片滤片=Z靶靶-2；阳极靶的选择阳极靶的选择:（1）阳极靶）阳极靶K波长稍大波长稍大于试样的于试样的K吸收限；（吸收限；（2）试样对）试样对X射线射线的吸收最小。的吸收最小。Z靶靶Z试样试样+1。X射线的折射射线的折射 X射线从一种介质进入另一种介质射线从一种介质进入另一种介质产生折射，折射率产生折射，折射率n非常接近非常接近1,n约约为为0.999990.999999。X射线与物质相互作用的总结射线与物质相互作用的总结热能热能透射透射X射线衰减后的强度射线衰减后的强度散射散射X射线射线电子电子荧光荧光X射线射线相干的相干的非相干的非相干的反冲电子反冲电子俄歇电子俄歇电子光电子光电子康普顿效应康普顿效应俄歇效应俄歇效应 光电效应光电效应2-5 X射线的探测与防护射线的探测与防护（1)X射线的探测射线的探测；（2）X射线的安全防护射线的安全防护。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射线光子对气体和某些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固态物质的电离作用可以用来检查X射线射线的存在与否和测量它的强度。按照这种的存在与否和测量它的强度。按照这种原理制成的探测原理制成的探测X射线的仪器包括电离室射线的仪器包括电离室和各种计数器。和各种计数器。成像板成像板:Image PlateX射线的安全防护射线的安全防护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种危险。两种危险。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器台台面面之之下下或或箱箱子子里里、屏屏后后等等方方法法加加以保证。以保证。辐辐射射损损伤伤是是过过量量的的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暴露露在在X射射线线下下、定定期期进进行身体检查和验血。行身体检查和验血。Exercise2-1 Show that there exists relation KKK for the same material.2-2 Can the characteristic emission excite the same set of fluorescent radiation for the same element?For example,characteristic emission Cu-K to excite fluorescent radiation Cu-K,or characteristic emission Cu-K to excite fluorescent radiation Cu-K?Why?And how about for characteristic emission Cu-K to excite fluorescent radiation Cu-L?2-3 Leed screens for the protection of personnel in X-ray diffraction laboratories are usually at least 1 mm thick.Calculate the“transmission factor”(Itrans./Iincident)of such a screen for Cu-K、Mo-K and the shortest wavelength radiation from a tube operated at 30000 volts.2-4 The wavelengths of characteristic emission K2 are 0.190 and 0.196 for element A and B,respectively,then,the atomic number of which element is larger?