1X射线物理学基础
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康普顿效应：用量子理论描述，亦称量子散射。增加 连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元 素。
1.3 二次特征辐射
二次特征辐射：荧光辐射，激发限 光电效应 俄歇效应
2、X射线的衰减
X射线衰减图示
2.1 衰减公式推导
设入射X射线强度为I0，透过厚度为P的物 质后强度为I，I＜ I0；在被照射的物质中取 一度深元度上为的XX处 射线的强小度厚为度元Ix，dX透，过照此到厚此度小元厚的 X射线强度为Ix+dx，则强度的改变为：
C，σ都是常数
3.5 特征X射线的强度
I特 cI V V激 n
c为比例常数，V激为阳极靶元素特征X射线的激发电压，I 为管电流，V为管电压
当I特/I连最大，工作电压为激发电压的3-5倍时，连续谱造 成的衍射背影最小。
第三节 X射线与物质相互作用
1. X射线的散射 2. X射线的衰减 3. 吸收限 4. X射线的折射 5. 总结 6. X射线的安全防护
4、X射线的折射
折射率约为0.99999-0.999999
M
1
ne22 2mc 2
1
ne22 2mc 2
5、X射线与物质相互作用的总结
散射X射线 电子
相干的
非相干 的 反冲电子 俄歇电子 光电子
荧光X射线
康普顿效应 俄歇效应 光电效应
透射X射线衰减后的强度I0
热能
6、X射线的安全防护
3.3 K系激发
示意图
K系激发的特点
管电压超过激发电压时才能产生特征谱线 靶元素的原子序数越大，激发电压越高 Kα的强度约为Kβ的5倍
激发限
h k
ห้องสมุดไป่ตู้
hc
k
e k
k
hc
k
1.24
k
3.4 莫塞莱定律
表征特征X射线谱的波长λ与原子序数Z关系
1 CZ
1937 物理
戴维森Clinton Joseph Davisson 汤姆孙George Paget Thomson
电子衍射
1954 化学 鲍林Linus Carl Panling
化学键的本质
1962 化学
肯德鲁John Charles Kendrew 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz
蛋白质的结构测定
1912年，德国物理学家劳厄发现了X射线在晶体中的衍射 现象，确证了X射线是一种电磁波
1912年，英国物理学家Brag父子利用X射线衍射测定了 NaCl晶体的结构，开创了X射线晶体结构分析的历史
与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
年份 学科
得奖者
内容
1901 物理 伦琴Wilhelm Conral Rontgen
1、X射线的散射
相干散射, 非相干散射
1.1 相干散射
电子在X射线作用下，产生强迫振动。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
一、 汤姆逊公式
Ie
I0
e4 R2m2c4
(1
cos 2 2
2
)＝I 0
7.9 10 26 R2
(1 cos2 2
X射线谱
1、连续谱：强度随波长连续 变化
2、特征谱：波长一定、强度 很大又称为标识谱
1、X射线的强度
定义
垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过 的光子数目的能量总和。单位是J/cm2·s
决定因素
光子能量hv、光子数目n I=nhv
最大值出现在1.5λ0处
2、连续X射线谱
连续谱示意图
X射线的发现
1914 物理 劳埃Max von Laue
晶体的X射线衍射
1915 物理
亨利.布拉格Henry Bragg 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg.
晶体结构的X射线分析
1917 物理 巴克拉Charles Glover Barkla
元素的特征X射线
1924 物理 卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn X射线光谱学
2
)
Ie：散射X射线的强度; I0：入射X射线强度 e：电子电荷; m：电子质量; c: 光速 2θ：电场中任一点到原点连线与入射X射线方向的夹角 R：电场中任一点到发生散射的电子的距离 fe=e2/mc2: 电子的散射因子 (1+cos22θ)/2: 为极化因子或偏振因子
金 属 靶
铍窗口
X射线 电子
X射线
玻璃 钨灯丝
接变压器
金属聚灯罩
6、X射线管
X射线管
电子枪：产生电子并将电子束 聚焦。钨丝螺旋式，通电流放 出自由电子。
金属靶：发射X射线。通常由传 热性好熔点较高的金属材料制 成。如铜、钻、镍、铁、铝等。
X射线管剖面图
结构
阴极：发射电子 阳极：亦称靶，使电子突然减速和发射X射线 窗口：X射线从阳极靶向外射出的地方 焦点：阳极靶面被电子束轰击的地方
II. 粒子性 X射线由具有能量E、动量P、质量m的X光子组成 E = hv P = h/ h为普朗克常数，6.62617610-27尔格
硬X射线：波长较短、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、能量较低、穿透性弱。用于分析非 金属的分析。
数量关系
eV
h max
hc
0
0
hc eV
1.24 V
e 电子电荷，4.803×10-10
V 电子通过两极时的电压降
h 普朗克常数，6.625×10-34j·s
2.4 连续谱的X射线强度经验公式
I
CZ
1
2
(1
0
1)
C为常数，Z为阳极材料的原子序数
经验公式
I连 KIZV 2
设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤 X射线的阴极端为危险的源泉，安装时把阴极端装在
仪器台面之下或箱子里、屏后 辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使
局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、 血液的组成和性能改变以及影响生育等
安全措施：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、避免 身体直接暴露在X射线下、定期进行身体检查和验血。
4、X射线的范围
5、X射线的产生
高速运动的电子流
射线 X 射线 中子流
高能辐 射流
突然减速,产生X射线
5.1 X射线产生条件
1. 产生自由电子的电子源
2. 电子作定向的高速运动
3. 在电子运动的路径上设置一个障碍物如阳极靶 使电子突然减速或停止
4. 阴阳极封闭在10-3Pa的高真空中
5.2 过程演示 冷却水
本章主要内容
第一节 X射线的本质 第二节 X射线谱 第三节 X射线与物质相互作用
第一节 X射线的本质
1. X射线的历史 2. X射线的性质 3. X射线的特征 4. X射线范围 5. X射线的产生 6. X射线管 7. X射线仪 8. X射线的影响
1、X射线的历史
1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线
m W mi i
i
μmi为第i种元素的质量吸收系数 Wi为各元素的质量分数
3、吸收限
吸收限主要是由光电效应引起的：当X射线的波长等于 或小于λk时，光子的能量达到击出一个K层电子的功W， X射线被电子吸收，激发光电效应，使μm突变性增大。
吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有二个副层， 有二个吸收限。
1962
生理医学
Francis Maurice
H.C.Crick、JAMES h.f.Wilkins
d.Watson、
脱氧核糖核酸DNA测定
1964 化学 Dorothy Crowfoot Hodgkin
青霉素、B12生物晶体测定
1985 化学
霍普特曼Herbert Hauptman 卡尔Jerome Karle
度量单位：Å、kX、nm
1nm=10Å=10-9m
1kX=1.0020772±0.000053 Å
3、X射线的特征
a. X射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑纸及许多对于可 见光不透明的物质
b. X射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片感光
c. X射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织在受到X射线 的辐射时，生理上会产生一定的反应
二、 X射线散射的特点
1. 在各个方向上散射强度不同，2θ＝0°处强度最强， 2θ＝90°强度最弱
2. 散射波强度与入射波频率无关 3. 散射强度与入射强度相比，强度很弱
1.2 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。
直接法解析结构
鲁斯卡E.Ruska
电子显微镜
1986 物理 宾尼希G.Binnig
扫描隧道显微镜
罗雷尔H.Rohrer
1994 物理
布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 沙尔 C.G.Shull
中子谱学 中子衍射
2、X射线的性质
X射线是一种电磁波，具有波粒二象性
I. 波动性
波长： 10－2～102 Å 规律： = c/
K为常数,1.1-1.5×10-9 Z为阳极靶元素的原子序数 I为X射线管的电流强度，V为管电压
X射线管的效率
X射线管效率
X射线强度 X射线管功率
KZV 2 IV
AZV
3、特征X射线
特 征 谱 示 意 图
3.1 特征X射线产生机理
与阳极物质的原子内部结构紧密相关
电子按泡利不相容原理和能量最低原理排布。在轰击阳 极的过程中，具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层 电子击出，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
X射线管实物图
7、X射线仪
8、X射线的影响
使一些物质发出可见的荧光 使离子固体发出黄褐色或紫色的光 促进物质的合成 引起生物效应，导致新陈代谢发生变化； x射线与物质之间的物理作用，可分为X射线散射和吸收。
第二节 X射线谱
1. X射线的强度 2. 连续X射线 3. 特征X射线
2.1 连续谱产生机理
电子与阳极靶碰撞，电子失去能量，其中部分以光子的 形式辐射，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， 出现连续X射线谱。
过程演示
Wk
Wl
原
子 的
Wm
能 Wn 量
0 电子冲击阳级靶
K态（击走K电子）
L态（击走L电子） M态（击走M电子） N击态走（价击电走子XN射电线子射）出 中性原子
2.2 连续X射线谱的规律
X射线强度与管压的关系 X射线强度与管流的关系 X射线强度元素的原子序数的关系
2.3 短波限
定义 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限。只与管 电压有关，不受其它因素的影响。
dIx ＝ Ix+dx－Ix
I xdx I x Ix
＝dI x ＝ －μL·dx
Ix
e 当x＝0时，Ix＝I0， I/I0 =
L x
2.2 相关概念及物理意义
线衰减系数，L
线吸收系数，τ 散射系数，σ 质量吸收系数 m
2.3 质量吸收系数
m K3Z 3
质量吸收系数的加和性
吸收限的应用
滤波片的选择
吸收限位于Kα和Kβ之间，尽量靠近Kα，强烈吸收Kβ，Kα 吸收很小； Z靶<40时 Z滤片=Z靶-1； Z靶>40时 Z滤片=Z靶-2； 滤波片的厚度以将Kα强度降低一半最佳
阳极靶的选择
阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限； 试样对X射线的吸收最小。Z靶≤Z试样+1
1.3 二次特征辐射
二次特征辐射：荧光辐射，激发限 光电效应 俄歇效应
2、X射线的衰减
X射线衰减图示
2.1 衰减公式推导
设入射X射线强度为I0，透过厚度为P的物 质后强度为I，I＜ I0；在被照射的物质中取 一度深元度上为的XX处 射线的强小度厚为度元Ix，dX透，过照此到厚此度小元厚的 X射线强度为Ix+dx，则强度的改变为：
C，σ都是常数
3.5 特征X射线的强度
I特 cI V V激 n
c为比例常数，V激为阳极靶元素特征X射线的激发电压，I 为管电流，V为管电压
当I特/I连最大，工作电压为激发电压的3-5倍时，连续谱造 成的衍射背影最小。
第三节 X射线与物质相互作用
1. X射线的散射 2. X射线的衰减 3. 吸收限 4. X射线的折射 5. 总结 6. X射线的安全防护
4、X射线的折射
折射率约为0.99999-0.999999
M
1
ne22 2mc 2
1
ne22 2mc 2
5、X射线与物质相互作用的总结
散射X射线 电子
相干的
非相干 的 反冲电子 俄歇电子 光电子
荧光X射线
康普顿效应 俄歇效应 光电效应
透射X射线衰减后的强度I0
热能
6、X射线的安全防护
3.3 K系激发
示意图
K系激发的特点
管电压超过激发电压时才能产生特征谱线 靶元素的原子序数越大，激发电压越高 Kα的强度约为Kβ的5倍
激发限
h k
ห้องสมุดไป่ตู้
hc
k
e k
k
hc
k
1.24
k
3.4 莫塞莱定律
表征特征X射线谱的波长λ与原子序数Z关系
1 CZ
1937 物理
戴维森Clinton Joseph Davisson 汤姆孙George Paget Thomson
电子衍射
1954 化学 鲍林Linus Carl Panling
化学键的本质
1962 化学
肯德鲁John Charles Kendrew 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz
蛋白质的结构测定
1912年，德国物理学家劳厄发现了X射线在晶体中的衍射 现象，确证了X射线是一种电磁波
1912年，英国物理学家Brag父子利用X射线衍射测定了 NaCl晶体的结构，开创了X射线晶体结构分析的历史
与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
年份 学科
得奖者
内容
1901 物理 伦琴Wilhelm Conral Rontgen
1、X射线的散射
相干散射, 非相干散射
1.1 相干散射
电子在X射线作用下，产生强迫振动。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
一、 汤姆逊公式
Ie
I0
e4 R2m2c4
(1
cos 2 2
2
)＝I 0
7.9 10 26 R2
(1 cos2 2
X射线谱
1、连续谱：强度随波长连续 变化
2、特征谱：波长一定、强度 很大又称为标识谱
1、X射线的强度
定义
垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过 的光子数目的能量总和。单位是J/cm2·s
决定因素
光子能量hv、光子数目n I=nhv
最大值出现在1.5λ0处
2、连续X射线谱
连续谱示意图
X射线的发现
1914 物理 劳埃Max von Laue
晶体的X射线衍射
1915 物理
亨利.布拉格Henry Bragg 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg.
晶体结构的X射线分析
1917 物理 巴克拉Charles Glover Barkla
元素的特征X射线
1924 物理 卡尔.西格班Karl Manne Georg Siegbahn X射线光谱学
2
)
Ie：散射X射线的强度; I0：入射X射线强度 e：电子电荷; m：电子质量; c: 光速 2θ：电场中任一点到原点连线与入射X射线方向的夹角 R：电场中任一点到发生散射的电子的距离 fe=e2/mc2: 电子的散射因子 (1+cos22θ)/2: 为极化因子或偏振因子
金 属 靶
铍窗口
X射线 电子
X射线
玻璃 钨灯丝
接变压器
金属聚灯罩
6、X射线管
X射线管
电子枪：产生电子并将电子束 聚焦。钨丝螺旋式，通电流放 出自由电子。
金属靶：发射X射线。通常由传 热性好熔点较高的金属材料制 成。如铜、钻、镍、铁、铝等。
X射线管剖面图
结构
阴极：发射电子 阳极：亦称靶，使电子突然减速和发射X射线 窗口：X射线从阳极靶向外射出的地方 焦点：阳极靶面被电子束轰击的地方
II. 粒子性 X射线由具有能量E、动量P、质量m的X光子组成 E = hv P = h/ h为普朗克常数，6.62617610-27尔格
硬X射线：波长较短、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、能量较低、穿透性弱。用于分析非 金属的分析。
数量关系
eV
h max
hc
0
0
hc eV
1.24 V
e 电子电荷，4.803×10-10
V 电子通过两极时的电压降
h 普朗克常数，6.625×10-34j·s
2.4 连续谱的X射线强度经验公式
I
CZ
1
2
(1
0
1)
C为常数，Z为阳极材料的原子序数
经验公式
I连 KIZV 2
设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤 X射线的阴极端为危险的源泉，安装时把阴极端装在
仪器台面之下或箱子里、屏后 辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使
局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、 血液的组成和性能改变以及影响生育等
安全措施：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、避免 身体直接暴露在X射线下、定期进行身体检查和验血。
4、X射线的范围
5、X射线的产生
高速运动的电子流
射线 X 射线 中子流
高能辐 射流
突然减速,产生X射线
5.1 X射线产生条件
1. 产生自由电子的电子源
2. 电子作定向的高速运动
3. 在电子运动的路径上设置一个障碍物如阳极靶 使电子突然减速或停止
4. 阴阳极封闭在10-3Pa的高真空中
5.2 过程演示 冷却水
本章主要内容
第一节 X射线的本质 第二节 X射线谱 第三节 X射线与物质相互作用
第一节 X射线的本质
1. X射线的历史 2. X射线的性质 3. X射线的特征 4. X射线范围 5. X射线的产生 6. X射线管 7. X射线仪 8. X射线的影响
1、X射线的历史
1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线
m W mi i
i
μmi为第i种元素的质量吸收系数 Wi为各元素的质量分数
3、吸收限
吸收限主要是由光电效应引起的：当X射线的波长等于 或小于λk时，光子的能量达到击出一个K层电子的功W， X射线被电子吸收，激发光电效应，使μm突变性增大。
吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有二个副层， 有二个吸收限。
1962
生理医学
Francis Maurice
H.C.Crick、JAMES h.f.Wilkins
d.Watson、
脱氧核糖核酸DNA测定
1964 化学 Dorothy Crowfoot Hodgkin
青霉素、B12生物晶体测定
1985 化学
霍普特曼Herbert Hauptman 卡尔Jerome Karle
度量单位：Å、kX、nm
1nm=10Å=10-9m
1kX=1.0020772±0.000053 Å
3、X射线的特征
a. X射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑纸及许多对于可 见光不透明的物质
b. X射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片感光
c. X射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织在受到X射线 的辐射时，生理上会产生一定的反应
二、 X射线散射的特点
1. 在各个方向上散射强度不同，2θ＝0°处强度最强， 2θ＝90°强度最弱
2. 散射波强度与入射波频率无关 3. 散射强度与入射强度相比，强度很弱
1.2 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。
直接法解析结构
鲁斯卡E.Ruska
电子显微镜
1986 物理 宾尼希G.Binnig
扫描隧道显微镜
罗雷尔H.Rohrer
1994 物理
布罗克豪斯 B.N.Brockhouse 沙尔 C.G.Shull
中子谱学 中子衍射
2、X射线的性质
X射线是一种电磁波，具有波粒二象性
I. 波动性
波长： 10－2～102 Å 规律： = c/
K为常数,1.1-1.5×10-9 Z为阳极靶元素的原子序数 I为X射线管的电流强度，V为管电压
X射线管的效率
X射线管效率
X射线强度 X射线管功率
KZV 2 IV
AZV
3、特征X射线
特 征 谱 示 意 图
3.1 特征X射线产生机理
与阳极物质的原子内部结构紧密相关
电子按泡利不相容原理和能量最低原理排布。在轰击阳 极的过程中，具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层 电子击出，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
X射线管实物图
7、X射线仪
8、X射线的影响
使一些物质发出可见的荧光 使离子固体发出黄褐色或紫色的光 促进物质的合成 引起生物效应，导致新陈代谢发生变化； x射线与物质之间的物理作用，可分为X射线散射和吸收。
第二节 X射线谱
1. X射线的强度 2. 连续X射线 3. 特征X射线
2.1 连续谱产生机理
电子与阳极靶碰撞，电子失去能量，其中部分以光子的 形式辐射，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， 出现连续X射线谱。
过程演示
Wk
Wl
原
子 的
Wm
能 Wn 量
0 电子冲击阳级靶
K态（击走K电子）
L态（击走L电子） M态（击走M电子） N击态走（价击电走子XN射电线子射）出 中性原子
2.2 连续X射线谱的规律
X射线强度与管压的关系 X射线强度与管流的关系 X射线强度元素的原子序数的关系
2.3 短波限
定义 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限。只与管 电压有关，不受其它因素的影响。
dIx ＝ Ix+dx－Ix
I xdx I x Ix
＝dI x ＝ －μL·dx
Ix
e 当x＝0时，Ix＝I0， I/I0 =
L x
2.2 相关概念及物理意义
线衰减系数，L
线吸收系数，τ 散射系数，σ 质量吸收系数 m
2.3 质量吸收系数
m K3Z 3
质量吸收系数的加和性
吸收限的应用
滤波片的选择
吸收限位于Kα和Kβ之间，尽量靠近Kα，强烈吸收Kβ，Kα 吸收很小； Z靶<40时 Z滤片=Z靶-1； Z靶>40时 Z滤片=Z靶-2； 滤波片的厚度以将Kα强度降低一半最佳
阳极靶的选择
阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限； 试样对X射线的吸收最小。Z靶≤Z试样+1