X射线与物质的相互作用

―宇宙之手”伸向光芒
燃料耗尽而塌坍的脉 冲星 “PSR B1509-58‖
其释放的美丽X射线 星云的直径长达150 光年。
天体GRO J1655-40 可能是一个 正在快速旋 转的黑洞
美国宇航局快速号人 造卫星观测到的发生 在130亿年前的爆炸。 宇宙创始之后将近九 亿年，迄今为止人们 所观测到的最遥远的 星体爆炸。
人 物
Coolige（库利）
Moseley（莫塞莱） Debye（德拜） Scherrer（谢乐） Scherrer（谢乐） Barrett（巴悦特） Wever（韦佛） Geiger（盖革） Mǔller（弥勒）
内 ν1/2＝K（Z -σ）
发明粉末法
容
发明热阴极X射线管
提出测定微粒大小的方法 提出了测定宏观应力的方法 进行了晶粒取向的研究 发明了Geiger—Mǔller计数器
二、粒子性
① X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续粒子流， 这些粒子称为光量子。每个光量子的能量：
ε＝h· ν
h—普朗克常数，6.63×10－34J· s；
ν—X射线频率，ν＝c/λ，λ—X射线波长
由于X射线的波长很短，所以X射线的能量很大。
② X射线可以与原子、电子相互作用，产生光电效应、荧光
成分分析
围绕X射线的性质和应用的研究，除伦琴外， 还有15项获诺贝尔奖的课题与X射线有关。
获奖 年代 1914
人物
成 就 提出了用天然晶体的晶格作为衍射 光栅，观察到了X射线的衍射现象， 证明X射线是电磁波 康普顿散射，揭示了X射线光子的 粒子性
劳厄
1915 布拉格父子 利用X射线衍射进行晶体结构分析 1927 康普顿
注意：公式的单位：λ0：nm；
3、X—ray的强度（Intensity）
X—ray的强度是指单位时间内，通过与X—ray传播方向
垂直的单位面积上的光量子数。 库伦坎普弗（Kulenkampff）经验公式： Iλdλ=αI(1/λ2)(1/λ0－1/λ) dλ Iλdλ表示波长在
λ与λ+dλ之间X—ray的强度，
1.1.2 X射线的本质
所在电磁波段
一、波动性
① X射线以光速直线传播，c＝2.998×108m/s。
② X射线的波长范围是：λ＝10～0.001nm。
在材料研究中，用于晶体结构分析时，X射 线的波长范围一般在0.25～0.05 nm之间，若用 于探伤，其波长一般取0.1～0.005 nm。 ③ X射线之间可以相互作用，产生干涉、衍射等 现象。
⑤若改变阳极靶元素
则X—ray谱形式不变，上述规律也不变，但谱线位置变化。
通常，随着原子序数增大，各种波长的相对强度增大。
连续谱线的产生原因：
因为不同的电子，就不同。
由于存在大量电子，故可以得到各种波长的
X—ray，从而形成连续X—ray谱。
2、短波限λ0
根据原子模型定义各种谱线： 如果是K层电子被外来的高能粒子轰击出去，则称为K系 激发，随之进行的电子跃迁引起的辐射就称为K系辐射， 所产生的特征X射线就称为K系谱线；
同理，把L层电子被击出的过程称为L系激发，随之的电子 跃迁引起的辐射称为L系辐射，所产生的特征X射线就称 为L系谱线。
…等等。
在一种谱系中，按照电子跃迁时所跨越的能
Iλ称为波长λ处的X—ray强度密度， α为常数， α≈1.1～1.5×10-9， I为管电流。
I 连＝ I d＝IZV
0

2
Z —— 阳极靶的原子序数 V—— 管电压 I —— 管电流 X—ray的强度与I、Z、V2成正比.
4、X—ray管的效率(efficiency)
X—ray管的效率是指：
特征X射线的产 生过程： 原子激发→ 电子跃迁→ 释放能量→ 产生特征X射线
二、产生装置
热阴极X射线管（也称电子式X射线管）
X射线管
阴极射线管显示器发出电磁场和辐射： X射线、紫外线、可见光、红外线、微 波、射频、VLF场（甚低频场）和ELF 场（极低频场）。
上 海 大 光 源 同步辐射 XRD装置
按n次方规律增大。
I特＝c I（V－V激）n
c —比例常数，
n＝1.5～2，也是常数。
④ (特征X射线) / (连续X射线) 强度的比值，
称为特征谱线的峰背比。
在X射线管的工作电压为激发电压的3～5
倍时最大，即：
V＝（3～5）V激时，I特/ I连最大。 →工作电压的选择原则。
2、特征谱线产生机理（原子模型）
元素 原子序数
Ag
47
Mo
42
Cu
29
Ni
28
Co
27
Fe
26
Cr
24
V激，kV
波长 Kα1
× 10－2 Kα2 nm
25.52
20.00
8.98
8.33
16.5791 16.6175 15.6919 15.0014
7.71
17.8897 17.9285 17.9026 16.2079
7.11
19.3604 19.3998 19.3735 17.5661
辐射等现象。
三、穿透能力强
X射线穿透能力强。它能够穿透木块、玻璃， 甚至金属（“铅”除外）。 伽玛射线、微中子（中微子）穿透力更强。
这个50,000吨的巨 型圆柱中微子探测 器，座落在日本 kamioka mozumi矿 山的地下1,000米深 处，用来做探测中 微子、质子衰变、 宇宙射线等等研究。 它的“超净化注水 墙壁”上安装了大 约12,000个超敏感 的光电倍增管，这 使它看上去带有科 幻电影般的恐怖美 丽。
由高速运动的粒子与某种物质相撞击后 猝然减速，释放大量的动能，从而激发
物质中的内层电子发生跳越，而产生的
一种电磁波。
连续谱
不同电子，损耗不
同，转变的X—ray 光子能量不同，其 波长就不同。由于 存在大量电子，故 可以得到各种波长 的X—ray，从而形 成连续X—ray谱。
标识谱 – 能级跃迁
第一节 X射线的物理基础
1.1.1
1.1.2
1.1.3 1.1.4 1.1.5
X射线的发现与应用 X射线的本质 X射线的产生及X射线管 X射线谱（X—ray line） X射线与物质的相互作用
1.1.4 X射线谱（X—ray line）
X射线谱是指X—ray强度I随波长λ而变化的关系曲线。
短波限的存在原因： 由灯丝发射出的电子经高压电场加速，电场的位能将转化
为电子的动能：
（1/2）mυ2=e V V-管电压，e -电子的负荷
当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一个X—ray光子
时，光子将达到最高的能量：εmax=hνmax， 此时，X射线就具有了最大的频率νmax和最短的波长λ0。
短波限λ0的推导与计算 ：
两种类型：
①连续X—ray谱
是从某一短波限λ0开始，直到波长等于无穷大λ∞的一系 列波长构成，也称为白色X—ray。
②特征X—ray谱：
是具有一定波长的若干特强的X—ray，叠加在强度连续平 滑变化的连续谱之上，也叫标识X—ray。
一、连续X—ray谱 1、实验规律
连续X—ray谱具有下述规律：
电子 储存 环旁 实验 站
三、X射线的产生条件 ①能产生自由电子的电子源（阴极）； ②能阻碍自由电子运动的障碍（阳极靶）； ③能够使自由电子高速定向运动（加高压）； ④能够保持电子流稳定（加高真空）。
冷阴极X射线管（离子式X射线管）：
先通过电离，产生正离子；
然后用正离子撞击阴极，放出电子； 再让电子高速运动，撞击阳极，产生X射线。
钱德拉太空望远镜
§1.1 X射线的物理基础
一、X射线学发展简史
伦 琴
W.K.Röntgen
（1845-1923）
1895年发现X射线 1910年第一张诺贝尔物理学奖
1912年劳厄：劳埃方程 1914年获诺贝尔奖
1913年布拉格父子：布拉格方程 1915年获诺贝尔奖
时 间
1913年
1914年 1916年 1918年 1925年 1926年 1928年
级数目的不同，又可以将同一辐射线系分成
若干小类。 分类的原则是： 对跨越1、2、3、…个能级所引起的辐射分
别标以α、β、γ、…等符号。
这样就出现了Kα、Kβ、Lα、Lβ等谱线。
hc E光子 WK WL
hc WK WL
3、莫塞莱定律（Moseley） ν1/2＝K΄（Z－σ） or （1/λ）1/2＝K（Z－σ） Z—阳极靶元素的原子序数； K΄、K、σ均为常数。 应用： ①是波谱分析的基本依据； 式中：ν、λ分别为特征X射线的频率和波长；
随管电压V增大——
① 各种波长射线的相对强度I（λ）一致增高。 ② 最高强度X—ray的波长λm变短。 ③ 短波限λ0 变小，即λ0向左方移动，同时，波 谱变宽。
可见：管电压既影响X—ray的强度，也影响 X—ray的波长范围。
④若管电压V保持恒定
增大管电流I，则强度一致增高；但波长λm、λ0数值大小不 变，即管电流不影响波长。
5.99
22.8971 22.9361 22.9100 20.8487
5.5941 7.0930 15.4056 5.6380 7.1359 15.4439 5.6084 7.1073 15.4184 4.9709 6.3229 13.9222
Kα Kβ1
③当管电压超过激发电压而进一步升高时，
特征X射线的波长不变，仅强度升高，且
（X—ray的强度） / （X—ray管功率）比值.
η= I连/P = αIZV 2/IV = αZV ∴ η 主要与Z、V呈正比.