X射线物理学基础PPT课件.ppt

1、第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础7/12/2025X射线的发展史射线的发展史l 1895年，德国物理学家伦琴（Rntgen,W.C.）发现 X射线，也称为伦琴射线。伦琴(1845-1923)是德国维尔茨堡大学校长，第一届诺贝尔奖获得者。1895年他发现一种穿透力很强的一种射线。后来很快在医学上得到应用，也引起各方面重视。7/12/20257/12/2025伦琴夫人的手伦琴夫人的手X射线的发展史射线的发展史蛋白质螺旋结构蛋白质螺旋结构人体的人体的X照片照片7/12/20257/12/2025X射线的发展史射线的发展史l1912年，德国物理学家劳埃（Von.Laue,M）等人发现X射线

2、在晶体中的衍射现象，确证X射线是一种电磁波。l1912年，英国物理学家布喇格父子(Bragg,W.H;Bragg,V.L.)用X射线测定NaCl晶体，开创X射线晶体结构分析的历史。NaCl晶体结构晶体结构7/12/20257/12/2025X射线的发展史射线的发展史7/12/20257/12/20251.11.1 X X射线的本质射线的本质1.X射线的本质射线的本质l是一种电磁波，与无线电波、可见光、紫外线、完全相同，仅是波长不同而已。l具有波粒具有波粒二象性二象性 波动性：以一定频率、波长在空间传播；波动性：以一定频率、波长在空间传播；7/12/20257/12/20251.X射线的本质射线

3、的本质 粒子性：以光子形式辐射和吸收时具有一定的能量和粒子性：以光子形式辐射和吸收时具有一定的能量和 动量，它们之间的关系为：动量，它们之间的关系为：7/12/20257/12/20251.X射线的本质射线的本质lX射线的波长范围射线的波长范围：0.00110nm 波长短的波长短的x射线为硬射线为硬X射线，反之为软射线，反之为软X射线射线 X射线金属学常用波长在射线金属学常用波长在0.050.25nm之间，材料探伤波之间，材料探伤波长在长在0.0050.1nm7/12/20257/12/20251.X射线的本质射线的本质lx-ray的性质：的性质：不可见，极强的穿透能力不可见，极强的穿透能力沿

4、直线传播沿直线传播使底片感光、荧光板发光、气体电离使底片感光、荧光板发光、气体电离杀死（伤）生物细胞杀死（伤）生物细胞7/12/20257/12/20252.X射线的产生射线的产生（1）产生原理）产生原理 高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99左右）能量转变成热能使物体温度升高。（2）产生条件）产生条件 产生自由电子；使电子作定向的高速运动;在其运动的路径上设置一 个障碍物使电子突然减速或停止。7/12/20257/12/20252.X射线的产生射线的产生（3）过程演示过程演示X射线工作情况射线工作情况7/12

5、/20257/12/20252.X射线的产生射线的产生封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管。基本组成包括：基本组成包括：(1)阴极：阴极：是发射电子的地方。由钨丝制成，通电 后，钨丝发热释放自由电子。lX射线管射线管7/12/20257/12/20252.X射线的产生射线的产生(2)阳极：阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射 线的地方。良好的循环水冷却，防止靶熔化。(3)窗口：窗口：是X射线从阳极靶向外射出的地方。2个或4个专门材料（Be）制成的。(4)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X射线。7/12/20257/12/20251.2 1.2 X X

6、射线谱射线谱nX X射线谱可分为两部分：射线谱可分为两部分：1）连续X射线谱；2）标识（特征）X射线谱。nX射线谱射线谱指的是指的是X射线的强度射线的强度I随波长随波长变化的关变化的关系曲线。系曲线。nX射线强度大小由单位时间内通过与射线强度大小由单位时间内通过与X射线传播射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数决定。方向垂直的单位面积上的光量子数决定。特征X射线min相对强度I连续X射线7/12/20257/12/20251.连续连续X射线谱射线谱l定义：定义：具有连续波长的X射线，构成连续X射线 谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。l产生机理产生机理 能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电

7、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hv的光子，这样的光子流即为X射线。单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，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。7/12/20257/12/20251.连续连续X射线谱射线谱l短波限短波限 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0。它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。管电压越高，min越小。7/12/20257/12/20251.连续连续X射线谱射线谱l连续连续X射线谱的总强度：射线谱的总强度：l 连续X射线谱中每条曲线下的面积表示

8、连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。当增加X射线管压时，各种波长射线的相对强度一致增高，最大强度X射线的波长max和短波限0变小；7/12/20257/12/20251.连续连续X射线谱射线谱Ii1i2i3管流管流i3 i2 i1IMoAgW不同阳极不同阳极当管压保持恒定、增加管流时，各种波长X射线的相对强度一致增高，但max和0数值大小不变当只改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随靶元素的原子序数增加而增加7/12/20257/12/20252.特征特征X射线谱射线谱l定义：定义：具有特定波长的X射线，由于波长反映了靶材特征，所以称为特征X射线，也称单色X射线。l特征特征X

9、射线产生过程射线产生过程 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，系统能量升高，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，并以光子的形式辐射出特征X射线谱。7/12/20257/12/20252.特征特征X射线谱射线谱特征特征X射线产生过程射线产生过程KK KK系系激发激发NMKLLLL系系激发激发K态（击走态（击走K电子）电子）L态（击走态（击走L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WkWlWmWn0K激发L激发Ka辐射K辐射L辐射l K系激发机理系激发机理 K层电子被击出

10、时，原子系统能量由基态升到K激 发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。7/12/20257/12/20252.特征特征X射线谱射线谱 L层电子填充空位时，产生K辐射；M层电子填 充空位时产生K辐射。由能级可知K辐射的光子能量大于K的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率大，所以K的强度约为K的5倍。产生K系激发必须要阴极电子的能量eVk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk就是激发电压。7/12/20257/12/2025l 莫塞莱定律莫塞莱定律特征特征X射线谱的射线谱的频率频率和和波长波长只取决于只取决于阳极靶物质的原阳极靶物质的原子能级结构子能级结构，是物质的固有特性

11、是物质的固有特性。莫塞莱定律：特征莫塞莱定律：特征X射线谱的波长射线谱的波长与原子序数与原子序数Z关系关系为为：2.特征特征X射线谱射线谱7/12/20257/12/20252.特征特征X射线谱射线谱l 特征特征X射线的强度特征射线的强度特征当当I特特/I连连最大，工作电压为最大，工作电压为K系激发电压的系激发电压的35倍倍时，连续谱造成的衍射背影最小。时，连续谱造成的衍射背影最小。K系特征系特征X射线的强度与管射线的强度与管电压、管电流的关系为：电压、管电流的关系为：7/12/20257/12/20252.特征特征X射线谱射线谱阳极靶阳极靶 元素元素 原子序数原子序数Z Z K K系特征

12、系特征谱波波长（埃）（埃）KKCr 24 2.29100 2.08487 Fe 26 1.937355 1.75661 Co 27 1.790262 1.62079 Ni 28 1.659189 1.500135 Cu 29 1.541838 1.392218 Mo 42 0.710730 0.632288 l 几种常用阳极靶材料的特征谱参数几种常用阳极靶材料的特征谱参数7/12/20257/12/20251.31.3 X X射线与物质相互作用射线与物质相互作用l X射线与物质相遇时会发生透射、散射、吸收。射线与物质相遇时会发生透射、散射、吸收。因散射、吸收使穿过物质的因散射、吸收使穿过物质的

13、X射线强度减弱。射线强度减弱。7/12/20257/12/20251.X射线的散射射线的散射lX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：1)1)相干散射相干散射 物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。2)2)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或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。7/12/20257/12/20251.X射线的散射射线的散射非非相相干干散散射射是是康康普普顿顿（A.H.Compt

14、on）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，特特别对轻元素。别对轻元素。7/12/20257/12/20252.X射线的吸收射线的吸收l物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生了X射线的光电效应和俄歇效应。1)光电效应光电效应l以X射线光量子激发原子所发生的激发和辐射过程,被击出的电子称为

15、光电子，辐射出的次级特征X射线称为荧光X射线。l产生光电效应，X射线光量子波长必须等于或小于吸收限k k。7/12/20257/12/20252.X射线的吸收射线的吸收2)俄歇效应俄歇效应l原子在入射X射线光量子或电子的作用下失掉K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位时，放出EK-EL能量，产生两种效应：(1)荧光X射线或特征X射线；(2)产生二次电离，使L层另一个核外电子跳到原子之外，这个核外电子叫作俄歇电子。7/12/20257/12/20253.X射线的衰减规律射线的衰减规律l当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。

16、式中m质量衰减系数，表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。X射线穿过物质时被衰减的示意示图7/12/20257/12/20253.X射线的衰减规律射线的衰减规律l单一元素组成的物质的质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系：式中 K为常数，表明，当吸收物质一定时，X射线的波长越长越容易被吸收，吸收体的原子序数越高，X射线越容易被吸收。l多种元素组成的物质的质量衰减系数为：为第 种元素的质量吸收系数；为各元素的质量分数(%)；N表示该物质是由N种元素组成的。7/12/20257/12/20254.吸收限的应用吸收限的应用l m与与的吸收曲线关系如图所示的吸收曲线关系如图所示m随的变化是不

17、连续的 其间被尖锐的突变分开。其中一些突变对应于相应 的波长称吸收限，与K层 电子对应的吸收称为K吸 收限。吸收限与光电吸收有关。存在K、L、M系等吸收限 系。7/12/20257/12/20254.吸收限的应用吸收限的应用l吸收限主要是由光电效应光电效应引起的：当X射线的波长等于或小于k时光子的能量E达到击出一个K层电子的功W，X射线被吸收，激发光电效应。使m突变性增大。l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。l X射线滤波片射线滤波片 利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的特点，制作滤波片，以获得单色X射线。KKKKImIm无滤波片镍滤波片7/12/20257/12/2

18、0254.吸收限的应用吸收限的应用l滤波片的选择滤波片的选择:(1)它的吸收限位于辐射源的K和K之间，且尽量靠近K，强烈吸收K，K吸收很小。(2)滤波片厚度以K强度被吸收一半为最佳。(3)滤波片的材料是根据靶材元素确定的 Z靶靶40时时:Z滤片滤片=Z靶靶-27/12/20257/12/20254.吸收限的应用吸收限的应用7/12/20257/12/20254.吸收限的应用吸收限的应用例如在研究纯铁时，最好选用钴靶或铁靶，而不能用镍靶，更不能用铜靶，因为铁的k0.17429nm，钴靶的Ka波长0.17902nm,因此钴钯不能激发铁的K系荧光辐射，同样铁靶也不能激发自身的荧光辐射。l阳极靶的选择阳极靶的选择:(1)阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限；(2)试样对X射线的吸收最小。Z靶靶Z试样试样+17/12/20257/12/2025敬请批评指正谢 谢！7/12/20257/12/2025