第二章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

前一章內(nèi)容回顧空間點(diǎn)陣晶（向）面指數(shù)倒易點(diǎn)陣定義和倒易矢量的基本性質(zhì)晶帶定律

2-1x射線的發(fā)現(xiàn)及x射線學(xué)發(fā)展過程

2-2x射線與電磁波譜

2-3x射線的產(chǎn)生及x射線譜（連續(xù)譜和標(biāo)識(shí)譜）

2-4x射線與物質(zhì)的相互作用

2-5x射線的探測(cè)、防護(hù)及應(yīng)用畫線部分為重點(diǎn)。

第二章X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)2-1x射線的發(fā)現(xiàn)及x射線學(xué)發(fā)展過程X射線的發(fā)現(xiàn)是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線1895年、放射線1896年、電子1897年）之一，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的產(chǎn)生。對(duì)x射線的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用有巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家德國(guó)物理學(xué)家倫琴（1895年）（發(fā)現(xiàn)了未知射線）德國(guó)物理學(xué)家勞厄（1912年）（證明x射線的波動(dòng)性）英國(guó)布拉格父子（1912年）（簡(jiǎn)潔形式描述晶體對(duì)x射線的衍射現(xiàn)象，推動(dòng)了x射線的應(yīng)用）

1894年11月8日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴將陰極射線管放在一個(gè)黑紙袋中，關(guān)閉了實(shí)驗(yàn)室燈源，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)開啟放電線圈電源時(shí)，一塊涂有氰亞鉑酸鋇的熒光屏發(fā)出熒光。用一本厚書，2－3厘米厚的木板或幾厘米厚的硬橡膠插在放電管和熒光屏之間，仍能看到熒光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明它們也是“透明的”，銅、銀、金、鉑、鋁等金屬也能讓這種射線透過，只要它們不太厚。倫琴意識(shí)到這可能是某種特殊的從來(lái)沒有觀察到的射線，它具有特別強(qiáng)的穿透力。他一連許多天將自己關(guān)在實(shí)驗(yàn)室里，集中全部精力進(jìn)行徹底研究。6個(gè)星期后，倫琴確認(rèn)這的確是一種新的射線。

1895年12月22日，倫琴和他夫人拍下了第一張X射線照片。1895年12月28日，倫琴向德國(guó)維爾茲堡物理和醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)遞交了第一篇研究通訊《一種新射線———初步研究》。倫琴在他的通訊中把這一新射線稱為X射線，因?yàn)樗?dāng)時(shí)無(wú)法確定這一新射線的本質(zhì)。倫琴發(fā)現(xiàn)X射線從而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線通過晶體時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線的波動(dòng)性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性，發(fā)表了《X射線的干涉現(xiàn)象》一文。勞厄的文章發(fā)表不久，就引起英國(guó)布拉格父子的關(guān)注，年輕的小布拉格經(jīng)過反復(fù)研究，成功地解釋了勞厄的實(shí)驗(yàn)事實(shí)。他以更簡(jiǎn)潔的方式，清楚地解釋了X射線晶體衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：2dsinθ＝nλ

。這一結(jié)果不僅證明了小布拉格解釋的正確性，更重要的是證明了能夠用X射線來(lái)獲取關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的信息。1912年11月，年僅22歲的小布位格以《晶體對(duì)短波長(zhǎng)電磁波衍射》為題向劍橋哲學(xué)學(xué)會(huì)報(bào)告了上述研究結(jié)果。老布拉格則于1913年元月設(shè)計(jì)出第一臺(tái)X射線分光計(jì)，并利用這臺(tái)儀器，發(fā)現(xiàn)了特征X射線。

X射線已被廣泛應(yīng)用于晶體結(jié)構(gòu)的分析以及醫(yī)學(xué)和工業(yè)等領(lǐng)域。對(duì)于促進(jìn)20世紀(jì)的物理學(xué)以至整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大而深遠(yuǎn)的影響。

X射線衍射分析的特點(diǎn)：反映出的信息是大量原子散射行為的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)果與材料的宏觀性能有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。不足之處：不可能給出材料實(shí)際存在的微觀成分和結(jié)構(gòu)的不均勻性的資料。2-2x射線與電磁波譜X射線的本質(zhì)是電磁輻射，與可見光完全相同，僅是波長(zhǎng)短而已，因此具有波粒二象性。(1)波動(dòng)性;(2)粒子性。X射線的頻率ν、波長(zhǎng)λ以及其光子的能量ε、動(dòng)量p之間存在如下關(guān)系：

式中h——普朗克常數(shù)，等于6.625×J.s;c——X射線的速度，等于2.998×m/s.

X射線波長(zhǎng)范圍0.01～10nm，在電磁波譜上位于紫外線和γ射線之間。無(wú)線電波紅外線可見光紫外線可見光X射線γ射線分為軟x射線（波長(zhǎng)大于0.5nm）和硬x射線（波長(zhǎng)小于0.5nm）。用于衍射分析的波長(zhǎng)0.05～0.25nm。硬X射線：波長(zhǎng)較短的硬X射線能量較高，穿透性較強(qiáng)，適用于金屬部件的無(wú)損探傷及金屬物相分析。軟X射線：波長(zhǎng)較長(zhǎng)的軟X射線能量較低，穿透性弱，可用于非金屬的分析。X射線波長(zhǎng)的度量單位常用埃（?）表示；通用的國(guó)際計(jì)量單位中用納米（nm）表示，它們之間的換算關(guān)系為：1nm=10?2-3x射線的產(chǎn)生及x射線譜一、X射線的產(chǎn)生(1)產(chǎn)生原理；(2)產(chǎn)生條件；

(3)X射線管；二、X射線譜(1)連續(xù)X射線；(2)標(biāo)識(shí)X射線。一、x射線的產(chǎn)生高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中一小部分（1％左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99％左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。（水冷）（1）產(chǎn)生原理a.產(chǎn)生自由電子；b.使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng);c.在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物使電子突然減速或停止。（2）產(chǎn)生條件接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空（）二極管?；窘M成包括：(1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。(2)陽(yáng)極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。（3）X射線管

二、X射線譜由X射線管發(fā)射出來(lái)的X射線可以分為兩種類型：(1)連續(xù)X射線；(2)標(biāo)識(shí)X射線。（1）連續(xù)X射線具有連續(xù)波長(zhǎng)的X射線，構(gòu)成連續(xù)X射線譜，它和可見光相似，亦稱多色X射線。特性；短波限；產(chǎn)生機(jī)理；X射線的強(qiáng)度。

鎢靶的連續(xù)X射線譜相對(duì)強(qiáng)度（1）每一種管電壓下，存在一個(gè)短波極限；射線中含有大于短波極限的各個(gè)波長(zhǎng)成分。（2）隨著管電壓增大，短波極限和強(qiáng)度最大的波長(zhǎng)朝短波方向移動(dòng)。連續(xù)譜特性相對(duì)強(qiáng)度短波限

連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)波長(zhǎng)極限，稱為短波限λ0.它是由電子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線。它只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。相互關(guān)系為：式中e——電子電荷，等于庫(kù)侖；V——電子通過兩極時(shí)的電壓降；h——普朗克常數(shù)，等于

相對(duì)強(qiáng)度

鎢靶的連續(xù)X射線譜短波限λ0隨管壓V的增大而減小。產(chǎn)生機(jī)理

高能電子與陽(yáng)極靶的原子碰撞時(shí)，受靶中原子核的庫(kù)侖場(chǎng)作用而速度驟減，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個(gè)能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。高速電子進(jìn)入靶內(nèi)不同深度，損失的動(dòng)能有各種數(shù)值，使射線(光子)波長(zhǎng)連續(xù)變化,形成連續(xù)譜。X射線的強(qiáng)度

X射線的強(qiáng)度是指垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。常用的單位是J/(cm2·s)

.X射線的強(qiáng)度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個(gè)因素決定的,即I=nhv.連續(xù)X射線強(qiáng)度最大值在1.5λ0,而不在λ0處。連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強(qiáng)度。也是陽(yáng)極靶發(fā)射出的X射線的總能量。實(shí)驗(yàn)證明，I與管電流i、管電壓V、陽(yáng)極靶的原子序數(shù)Z存在如下關(guān)系：且X射線管的效率為:由于K1是個(gè)很小的數(shù)，約為，如采用W陽(yáng)極（z=74）,V=100kV時(shí)，效率僅為1%左右。碰撞陽(yáng)極靶的電子束的大部分能量都耗費(fèi)在使陽(yáng)極靶發(fā)熱上。水冷卻(2)標(biāo)識(shí)X射線（特征x射線）是在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長(zhǎng)的譜線，它和可見光中的單色相似，亦稱單色X射線。1.標(biāo)識(shí)X射線的特征;2.產(chǎn)生機(jī)理;3.K系激發(fā)機(jī)理;4.莫塞萊定律；5.標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度特征。

X射線譜標(biāo)識(shí)X射線的特征當(dāng)電壓達(dá)到臨界電壓時(shí)，發(fā)出標(biāo)識(shí)譜線；

隨電壓增加，標(biāo)識(shí)譜線的波長(zhǎng)不變化，

強(qiáng)度增強(qiáng)。如鉬靶K系標(biāo)識(shí)X射線有兩個(gè)強(qiáng)度高峰為Kα和Kβ，波長(zhǎng)分別為0.71?和0.63?.激發(fā)電壓：發(fā)出標(biāo)識(shí)x射線的最低電壓或臨界電壓。產(chǎn)生機(jī)理

標(biāo)識(shí)X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理與陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個(gè)能級(jí)。在電子轟擊陽(yáng)極的過程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽(yáng)極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于是在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)X射線譜。K系激發(fā)機(jī)理及命名

K層電子被擊出時(shí)，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級(jí)電子向K層空位填充時(shí)產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時(shí)，產(chǎn)生Kα輻射；M層電子填充空位時(shí)產(chǎn)生Kβ輻射。由能級(jí)可知，Kβ輻射的光子能量大于Kα的能量，但K層與L層為相鄰能級(jí)，故L層電子填充幾率大，所以Kα的強(qiáng)度約為Kβ的5倍。產(chǎn)生K系激發(fā)要陰極電子的能量eVk至少等于擊出一個(gè)K層電子所作的功Wk。Vk就是激發(fā)電壓。L層內(nèi)不同亞能級(jí)電子向K層躍遷所發(fā)射的K

1和K

2的關(guān)系X射線譜標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度特征K系標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度與管電壓、管電流的關(guān)系為：當(dāng)I標(biāo)/I連最大，工作電壓為K系激發(fā)電壓的3～5倍時(shí)，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。莫塞萊定律標(biāo)識(shí)X射線譜的頻率和波長(zhǎng)只取決于陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。且存在如下關(guān)系：莫塞萊定律：標(biāo)識(shí)X射線譜的波長(zhǎng)λ與原子序數(shù)Z關(guān)系為：標(biāo)識(shí)X射線譜應(yīng)用：化學(xué)元素的分析上式是元素分析的理論依據(jù)。總結(jié)1x射線譜分為連續(xù)譜和標(biāo)識(shí)譜（或特征譜）2短波限λ0是連續(xù)譜上的最小波長(zhǎng)。由電子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線，它與管壓的關(guān)系：3標(biāo)識(shí)譜的產(chǎn)生機(jī)理

4K系激發(fā)電壓，K系標(biāo)識(shí)譜線的命名。5莫塞萊定律在電子轟擊陽(yáng)極的過程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽(yáng)極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于是在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，較高能級(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)X射線譜。K層電子被擊出時(shí)所需最低電壓。K層電子被擊出時(shí)，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級(jí)電子向K層空位填充時(shí)產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時(shí)，產(chǎn)生Kα輻射；