1X射线物理学基础
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第一章 X射线的物理学基础-fuxn
本课程内容
第二章 X射线荧光分析-------6学时 1. 概述------1 2. X射线荧光------1 3. XRF光谱仪的结构和工作原理---------1 4. 定性分析---------1 5. 定量分析----------1 6. 能谱分析-----------1
X射线最早的应用
在X射线发现后几个 月医生就用它来为病 人服务
右图是纪念伦琴发现 X射线100周年发行的 纪念封
1-1 X射线的发现
伦琴的发现引起了极大的轰动，以 致于在全世界范围内掀起了X射线研 究热，1896年关于X射线的研究论文 高达1000多篇.对X射线的公布，促使 法国物理学家贝克勒尔也投入到这 一研究领域之中，为了弄清X射线产 生的机制。他想，如果把荧光物质 放在强光下照时，是否在发荧光的 同时，也能放出X射线呢？
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第四章 X射线光电子能谱分析-----6学时 1. 概述-----1 2. 分析原理------1 3. 谱线识别-------1 4. 谱峰的位移------1 5. 伴峰和谱峰的分裂-------0.5 6. 定性分析与俄歇峰利用------0.5 7. 定量分析-------------0.5 8. XPS实验方法及应用举例-------0.5
本课程内容
第三章 X射线衍射分析--------10学时 1. 概述-----0.5 2. X射线的产生及其性质-----0.5 3. X射线衍射原理------3 4. X射线衍射方法------2 5. X射线衍射数据------2 6. X射线物相定性定量分析------1 7. X射线分析方法的应用---------1
1-1 X射线的发现
X射线物理学基础
6) 假定空气由20% O2 和 80% N2 组成, 其密
度为1.29×10-3 g/cm3, 试求其对于Cr Kα的质
量吸收系数um 和线吸收系数u。
7) 作出Cu靶在1, 5, 20 and 40 kV 电压下的强
度-波长关系图。
8) 对于铁靶，应用什么做滤波片，解释你的选
择理由。
一、原子能态及其表征
可以象粒子一样和微观粒子发生相互作用
同样微观粒子既有粒子性，又可以作为一
种波（德布罗意波）有干涉和衍射现象
X射线的特点： 1）不可见 2）折射率接近1 3）穿透性强 5）杀伤作用
(三) X产生与X射线管
1. 产生方式： 1.高速电子流撞击金属靶
2.同步幅射X射线 X射线管的结构 ：
X射线管
阴极产生电子
X射线物理学基础作业 1．在原子序24（Cr）到74（W）之间选择7种元素，根据它们的特征谱波 长（Kα1），用图解法验证莫塞莱定律。 2．若X射线管的额定功率为1.5kW，在管电压为35kV时，容许的最大电流 是多少？ 3．讨论下列各组概念中二者之间的关系： 1）同一物质的吸收谱和发射谱； 2）X射线管靶材的发射谱与其配用的滤波片的吸收谱。 3）X射线管靶材的发射谱与被照射试样的吸收谱。 4．为使Cu靶的Kβ线透射系数是Kα线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。 5．画出MoKα辐射的透射系数（I/I0）-铅板厚度（t）的关系曲线（t取 0~1mm）。 6．欲用Mo靶X射线管激发Cu的荧光X射线辐射，所需施加的最低管电压是 多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？
1
式中K2为与靶中主量子数有关的常数，
K2 (Z )
K2 (Z )
σ为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。 特征X射线谱及管电压对特征谱的影响 （钼钯K系）
chap1_X射线物理学基础
第一篇X射线衍射分析n1910年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。
1895年伦琴初次发现X射线，拍摄的他夫人手指的X射线照在伦琴的两名研究生弗里德里希（W. Friedrich）和克尼(Knipping)的帮助下，劳厄进行了第一次X射线衍射实验，并取得了成功。
第一次X射线衍射实验所用的仪器。
所用的晶体是硫酸铜。
劳厄法X射线衍射实验的基本装置与所拍的照片爱因期坦称，劳厄的实验“物理学最美的实验”。
它一箭双雕地解决了X射线的波动性和晶体的结构的周期性。
第一章X射线的物理特性n1.1 X射线的产生极其性质n1.2 X射线谱n1.3 X射线与物质的相互作用n1.4 X射线的衰减规律第一节Ｘ射线的产生极其性质一、X射线的产生X射线管包括阴极、高压、靶材图1-1 X射线管的结构示意图二、X射线的本质X射线是一种电子波，横波，波长短（0.01-10nm）“硬”X射线，“软”X射线三、X射线的本质Ø不能用一般方法使X射线会聚发散Ø通常靠使荧光物质发光、使照相底片感光、使气体产生电离现象观察检测Ø软X射线的波长与晶体中原子间距比较接近，常被用来进行X射线衍射分析（0.25-0.05nm）Ø对有机质是有害的，需要加上铅制品保护。
第二节X 射线谱图1-2 两种X 射线谱示意图一、连续谱X 射线强度随波长λ而变化的关系曲线，即X 射线谱。
丘包状曲线为连续谱竖直尖峰为特征谱对应两种X 射线辐射的物理过程。
连续谱：大量高速运动的电子与靶材碰撞时而减速，不同能量损失转化成不同波长的X 射线，并按统计规律分布。
2I iZUα连=图1-2 两种X 射线谱示意图2max12o hc eU h m ευνλ====动短波限λo ：hc K e U Uλ==o K=1.24nm ·kV ，短波限只与管电压有关。
连续X 射线总强度：α值约为（1.1-1.4）×10-9X 射线管发射连续X 射线的效率η为：2X X iZU ZUiUαηα===连续射线总强度射线管功率当用钨阳极（Z=74），管电压为100kV 时，η≈1%，可见效率是很低的。
X射线物理学基础
因康普顿效应与英国A.T.R威尔逊分享1927年度诺贝尔物理学奖，年 康普顿(Arthur Holly 仅35岁。同年被选为美国国立科学院院士。 Compton 1892-1962)
敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
1784年左右研究了空气由O2和N2组成； 确定了水的成分，肯定了它不是元素而是化合物。
X射线的发现像一声春雷，唤醒了沉睡的物理学界。由此而引发了一系 列重大的发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现 代物理学的序幕。 敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
1905年，德国基尔大学 1914年，德国法兰克福大学 的勒纳德。阴极射线。 的劳厄，晶体的X射线衍射。
1915年，英国的亨利·布拉格和劳伦 斯·布拉格，X射线分析晶体结构。
01—X射线物理学基础 中国近代物理学奠基人，生于江西。 1921年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究。 1926年获博士学位。 1928年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长。 1945年10月任中央大学校长。 1950年夏任中国科学院近代物理研究所所长，同年12月起 任中国科学院副院长。 1977年11月30日在北京逝世。
发现硝酸，被称为“化学中的牛顿” ；
1781年制得H2，并证明燃烧之后生成水； 首先提出电势的概念，对静电理论的发展起了重要作用；
发现一对电荷间的作用力和它们之间的距离平方成反比， 即后来库伦定律的一部分；
指出导体两端的电势与通过它的电流成正比，即1827年的
卡文迪许(Henry
欧姆定律；
Cavendish,1731.10.10.～ 1810.3.10.)英国化学家、
连续谱上，会出现一系列强度很
Kβ
高、波长范围很窄的线状光谱，
敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
1784年左右研究了空气由O2和N2组成； 确定了水的成分，肯定了它不是元素而是化合物。
X射线的发现像一声春雷，唤醒了沉睡的物理学界。由此而引发了一系 列重大的发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现 代物理学的序幕。 敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
1905年，德国基尔大学 1914年，德国法兰克福大学 的勒纳德。阴极射线。 的劳厄，晶体的X射线衍射。
1915年，英国的亨利·布拉格和劳伦 斯·布拉格，X射线分析晶体结构。
01—X射线物理学基础 中国近代物理学奠基人，生于江西。 1921年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究。 1926年获博士学位。 1928年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长。 1945年10月任中央大学校长。 1950年夏任中国科学院近代物理研究所所长，同年12月起 任中国科学院副院长。 1977年11月30日在北京逝世。
发现硝酸，被称为“化学中的牛顿” ；
1781年制得H2，并证明燃烧之后生成水； 首先提出电势的概念，对静电理论的发展起了重要作用；
发现一对电荷间的作用力和它们之间的距离平方成反比， 即后来库伦定律的一部分；
指出导体两端的电势与通过它的电流成正比，即1827年的
卡文迪许(Henry
欧姆定律；
Cavendish,1731.10.10.～ 1810.3.10.)英国化学家、
连续谱上，会出现一系列强度很
Kβ
高、波长范围很窄的线状光谱，
第一章 X射线的性质
电子入Fra bibliotekx射线 强度I0
透射x射线
热能 图1-9. X射线与物质的相互作用
穿透
入射 X射线透过物质沿原方向的传播
相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子相互作用，散射波 之间发生相互干涉的散射现象称为相干散射。
散射 非相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子产生弹性碰撞， 产生新的光子和反冲电子的过程．（康－吴效应） 吸收 入射 X射线的能量在通过物质时，转变为其它形式的能量，其 本身能量被消耗的现象．
(2) 俄歇效应 处于K激发态的原子能量(EK—EL)如还能继续 产生二次电离使另一个核外电子脱离原子变为二 次电子，如EK—EL＞EL，它就可能使L、M、N等层 的电子逸出，这种二次电子称为KL电子，它的能 量有固定值，近似地等于“EK-EL”这种具有特征能 量的电子就是俄歇电子。
三：X射线的衰减规律 （1）质量吸收系数 实验证明：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 度与所经过物质小的距离成正比，如图1－7所示。 强度的相对变化为： Ix Ix dx dIx
1
二.
重要的概念和公式：
1.高能粒子与物质相互作用 特征辐射（特征X射线）：入射电子，击出k层 电子，发出具有特定波长的x光子。 光电效应（荧光辐射）：入射x光子，击出内层 电子—光电子，发出x光子(荧光X射线)。 俄歇效应：入射x光子，击出一个k层电子，L层 一电子跃入 填充，再使L层上一电子成自由电子 (KL2L2 Auger电子)。
1.1.3 X射线谱 由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型。 (1) 连续X射线谱 ： 定义：高速运动的带电粒子受阻而减速时，都会产 生电磁辐射，这种辐射称之为韧致辐射。由于电子 与阳极碰撞的无规律性，因而其X射线的波长是连续 分布的 ，故叫做连续X射线谱。其谱形如图1-5 (2) 特征X射线 ： 定义：原子外层电子向内层跃迁所产生的X射线叫做 特征X射线，又叫标识X射线。由特征X射线构成的X 射线谱叫特征x射线谱，产生的原理见图1－6。 特征X射线产生的根本原因 1 是原子内层电子的跃迁，它的波 K (Z ) 长与原子序数服从莫塞莱定律。
透射x射线
热能 图1-9. X射线与物质的相互作用
穿透
入射 X射线透过物质沿原方向的传播
相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子相互作用，散射波 之间发生相互干涉的散射现象称为相干散射。
散射 非相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子产生弹性碰撞， 产生新的光子和反冲电子的过程．（康－吴效应） 吸收 入射 X射线的能量在通过物质时，转变为其它形式的能量，其 本身能量被消耗的现象．
(2) 俄歇效应 处于K激发态的原子能量(EK—EL)如还能继续 产生二次电离使另一个核外电子脱离原子变为二 次电子，如EK—EL＞EL，它就可能使L、M、N等层 的电子逸出，这种二次电子称为KL电子，它的能 量有固定值，近似地等于“EK-EL”这种具有特征能 量的电子就是俄歇电子。
三：X射线的衰减规律 （1）质量吸收系数 实验证明：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 度与所经过物质小的距离成正比，如图1－7所示。 强度的相对变化为： Ix Ix dx dIx
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二.
重要的概念和公式：
1.高能粒子与物质相互作用 特征辐射（特征X射线）：入射电子，击出k层 电子，发出具有特定波长的x光子。 光电效应（荧光辐射）：入射x光子，击出内层 电子—光电子，发出x光子(荧光X射线)。 俄歇效应：入射x光子，击出一个k层电子，L层 一电子跃入 填充，再使L层上一电子成自由电子 (KL2L2 Auger电子)。
1.1.3 X射线谱 由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型。 (1) 连续X射线谱 ： 定义：高速运动的带电粒子受阻而减速时，都会产 生电磁辐射，这种辐射称之为韧致辐射。由于电子 与阳极碰撞的无规律性，因而其X射线的波长是连续 分布的 ，故叫做连续X射线谱。其谱形如图1-5 (2) 特征X射线 ： 定义：原子外层电子向内层跃迁所产生的X射线叫做 特征X射线，又叫标识X射线。由特征X射线构成的X 射线谱叫特征x射线谱，产生的原理见图1－6。 特征X射线产生的根本原因 1 是原子内层电子的跃迁，它的波 K (Z ) 长与原子序数服从莫塞莱定律。
第1章 X-射线原理
X射线衍射应用领域
X射线衍射(XRD)是所有物质，包括从流 体、粉末到完整晶体，重要的无损分析工具。 对材料学、物理学、化学、地质、环境、 纳米材料、生物等领域来说，X射线衍射仪都 是物质结构表征，以性能为导向研制与开发新 材料， 宏观表象转移至微观认识，建立新理 论和质量控制不可缺少的方法。
X射线衍射能解决的问题
电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列
γ射线→ X 射线→紫外光→可见光→红外光→微波→无线电波
波长
高能辐射区 γ射线 能量最高，来自于核能级跃迁 χ射线 来自内层电子能级的跃迁 光学光谱区 紫外光 来自原子和分子外层电子能级的跃迁 可见光 红外光 来自分子振动和转动能级的跃迁 波谱区 微波 来自分子转动能级及电子自旋能级跃迁 长 无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁
p
h
X射线强度的描述
用波动性的观点来描述：单位时间内通过垂直 于X射线传播方向的单位截面上能量的大小，强度I 与波振幅A 的平方成正比，I＝A2 。 • 用粒子性描述为单位时间内通过单位截面的光 量子数。
•
•X射线的绝对强度难以测定，通常用相对强度值。 例如：衍射峰的相对高低， 照相底板上的明暗程度
这种强度峰的波长反映了 物质的原子序数特征。 所以叫特征X射线峰。 产生特征X射线的最低电 压叫激发电压。
二.特征X射线
特征X射线谱
特征X射线谱的产生
特征X射线谱反映了物质的原子结构特征。原子系统的电子分别分布在原子核 外不同能级的壳层上，离原子核越近的电子能量越低。当阴极来的高能电子把 内壳层中某个电子轰出去后，在原位置上留下空位，使原子系统能量升高，处 于激发态。激发态是不稳定的，外层电子就要向内层空位处跃迁，使系统回到 稳定态。这一过程是高能态→低能态的过程。 如果K层少了一个电子，高 能 L 层的某个电子去补位， 这时能量降为
第1章 X射线的性质
17
1.3 X射线谱--- 连续X射线谱
X射线强度与波长的 关系曲线，称之X射 线谱。 一、连续X射线谱
在管压很低时， 小 于 20kv 的 曲 线 是 连续变化的，故称 之连续X射线谱，即 连续谱。
18
1、连续X射线谱的产生机理
极大数量的电子与靶材随机碰撞 不同且连续的X射线
2、短波限λ0
15
根据量子力学理论，原子系统中的电子按泡利不相容原理不
连续地分布在K、L、M、N……等不同能级的轨道（壳层）上，
而且按能量最低原理首先填充最靠近原子核的第K层，再依次 填L、M、N等。能量大小：K<L<M<N… eg：当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产 生Kα辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，
这么大数目的电子到达靶上的时间和条件不 会相同，并且大多数电子要经过多次碰撞，能量 逐步损失掉，因此其波长必然覆盖一个很大的范 14 围，这种辐射称为连续辐射。
4.X射线产生的机理
特征辐射 当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电 子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量 较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的 能量增高，原子处于激发状态。 处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此 时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。 原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐 射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能 量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。
X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。
从能量的转换角度来看：
一束X射线通过物质时，其能量分为三个部分： 被散射，改变前进方向 被吸收，产生光电效应 热效应 透过物质，强度发生衰减。
第一章-X射线物理学基础
第一章 X 射线的物理学基础1、X 射线有什么性质，本质是什么？波长为多少？与可见光的区别？X 射线性质：(1)X 射线穿透物质时可被吸收；(2)原子量及密度不同的物质，对X 射线的吸收不同；(3)轻原子物质对X 射线来说几乎是透明的，而重元素物质对X 射线的吸收非常显著；(4)可穿透不透明的物质。
本质：属于电磁波。
X 射线的波长：大约在0.01~100 Å之间。
X 射线和可见光本质上同属于电磁波，只不过彼此占据不同的波长范围而已；X 射线虽然和可见光一样（没有静止质量，但有能量），与光传播有关的一些现象（如反射、折射、散射、干涉、以及偏振）都会发生，但由于相对可见光而言，X 射线的波长要短得多（光量子的能量相应要高得多），上述物理现象在表现方式上与可见光存在很大的差异。
不能象可见光一样使X 射线会聚、发散、和变向，使得X 射线无法制成显微镜！2、什么是X 射线管的管电压、管电流？它们通常采用什么单位？数值通常是什么？X 射线的管电压：加载到阴极和阳极侧之间的电压。
（KV ），50KVX 射线的管电流：在阴阳两极电场作用下，向阳极运动，形成的电流。
（mA ）50mA3、X 射线的焦点与表观焦点的区别与联系？焦点：阳极靶表面被电子束轰击的地方，正是这个区域发射X 射线。
对于长方形焦点的X 射线管，引出窗口很重要。
对着焦点长边开设的窗口发射出X 射线的表观焦点为线状（称为线焦斑），其强度较弱，但其水平发散度小，分辨率较高，线性较好，粉末衍射仪多采用线焦斑；对焦点短边开设的窗口发射出的X 射线的表观焦点则为正方形（称为点焦斑），强度较高，可使衍射线明锐，适合于织构测定及德拜、劳埃照相场合。
4、X 射线有几种？产生不同X 射线的条件是什么？产生的机理是怎样的？晶体的X 射线衍射分析中采用的是哪种X 射线？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。
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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）
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
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
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
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
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
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
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。
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
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
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
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
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：
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
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。
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。
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
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。
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
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
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
C，σ都是常数
3.5 特征X射线的强度