第二章 X射线物理学基础
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02.2第二章 X-射线晶体学(2)
与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单
二、X射线的产生
热阴极二极管 阳极---靶（A），一般为纯 金属（Cu,Cr,V,Fe,Co）抛 光镜面 阴极---灯丝（C）产生热电 子 真空管---铍玻璃-金属管 直流高压---U(几千~几万伏） 两种类型X射线波长：
连续X射线 特征X射线
Microstructural scale Microstructure: general term Macro covering a wide range of Meso structural features, from interatomic distance to those visible to the naked eye. Micro
Macrostructure: the scale of the engineering components, visible to the eye. Mesostructure: On the Nano borderline of the visible. Microstructure: grain, precipitates, dislocation, microcracks, microporosity… Nanostructure: Sub-micro feautures
ห้องสมุดไป่ตู้
K β 、Lα特征射线是怎样产生的？
五、X射线与物质的相互作用
五、X射线与物质的相互作用
一、X射线的散射 1. 相干散射（经典散射/汤姆逊散射） X射线光电子和受原子和束缚 得很紧的电子（如原子内层电子） 相碰撞而弹射，光子的方向改变了， 但能量几乎没有损失，于是产生了 波长不变的散射。 是X射线在晶体中产生衍射现象的 基础 2. 非相干散射 当X射线光子与原子中受束缚力弱 的电子（如原子中的外层电子）发 生碰撞时，电子被撞离原子并带走 光子的一部分能量而成为反冲电子。 因损失能量而波长变长的光子也被 撞偏了一个角度2θ 成为散射光子。 散射光子和反冲电子的能量之和等 于入射光子的能量。
第二章X射线物理基础
消息传遍全球，各国竞相开展试验研究。虽未了解此现象本质，因其有 强大穿透力，能透过人体显示骨骼，迅速被医学界广泛利用，成为透 视人体、检查伤病的有力工具，产生了X射线透视学。
后来又用于金属探伤，对工业技术也有很大促进作用。
2020/1/27
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
2020/1/27
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
荷兰Philips公司第二代陶瓷X射线管
2020/1/27
2.2.2 产生条件
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
（1）产生自由电子（如加热钨丝发射热电子）；
1895年11月8日发现了X射线。 1900年任慕尼黑大学物理研究所教授，主 任。 1901年，获首届诺贝尔物理学奖。 1923年2月10日，在慕尼黑去世。
2020/1/27
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
伦琴夫人的手 －摄于1895年12月22日
六个星期后，伦琴确认是一种新射线， 才告诉自己夫人。
X射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线γ射线、宇宙射线一 样也是一种电磁波或电磁辐射，它的波长为0.001-10nm ，一般波 长短的X射线穿透能力强，称为硬X射线（0.005-0.01nm），反之 则称为软X射线。用于晶体衍射分析常用的X射线波长约在2.5Ǻ到 0.5 Ǻ之间。
2020/1/27
1912年，德国物理学家劳埃（M. Von Laue）利用晶体作为天然光栅成功观 察到了X射线衍射现象。
他用CuSO4·5H2O进行了实验，获得了 第一张X射线衍射照片。
1914年获诺贝尔物理学奖
2020/1/27
Max von Laue 马克斯 • 冯 • 劳埃(1879-1960)
后来又用于金属探伤，对工业技术也有很大促进作用。
2020/1/27
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
2020/1/27
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
荷兰Philips公司第二代陶瓷X射线管
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2.2.2 产生条件
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
（1）产生自由电子（如加热钨丝发射热电子）；
1895年11月8日发现了X射线。 1900年任慕尼黑大学物理研究所教授，主 任。 1901年，获首届诺贝尔物理学奖。 1923年2月10日，在慕尼黑去世。
2020/1/27
材 料 分 析 测 试 方 法（2015年春季）
伦琴夫人的手 －摄于1895年12月22日
六个星期后，伦琴确认是一种新射线， 才告诉自己夫人。
X射线与无线电波、红外线、可见光、紫外线γ射线、宇宙射线一 样也是一种电磁波或电磁辐射，它的波长为0.001-10nm ，一般波 长短的X射线穿透能力强，称为硬X射线（0.005-0.01nm），反之 则称为软X射线。用于晶体衍射分析常用的X射线波长约在2.5Ǻ到 0.5 Ǻ之间。
2020/1/27
1912年，德国物理学家劳埃（M. Von Laue）利用晶体作为天然光栅成功观 察到了X射线衍射现象。
他用CuSO4·5H2O进行了实验，获得了 第一张X射线衍射照片。
1914年获诺贝尔物理学奖
2020/1/27
Max von Laue 马克斯 • 冯 • 劳埃(1879-1960)
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）
x射线物理学基础
X射线是一种短波长（0.005-10nm） 、高能量（2.5×105-1.2×102）的电磁波 。它是原子内层电子在高速运动电子流 冲击下，产生跃迁而发射的电磁辐射。
一、x射线须具备如下条件：
1．产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射 热电子；
2．设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用以 产生x射线；
1912年、劳厄(M.v.Lnue)等利用晶体作为产生 x射线衍射的光栅，使x射线产生衍射，证实了 x射线本质上是一种电磁波，波动性是其本性 的—个方面。
它与可见光一样，x射线以光速沿直线传播， 其电场强度矢量E和磁场强度矢量H相互垂直 ，并位于垂直于x射线传播方向的平面上。
x射线波长范围为10—0.001nm，在X射 线金属学中，常用的波长约在0.25— 0.05nm之间，用于材料探伤的x射线波长 在0.1—0.005nm之间，一般波长短的x射 线称为硬x射线．反之称为软X射线。
x射线物理学基础
2020年4月22日星期三
开创了人类认 识物质微观结 构的新纪元
发展了X射线 的衍射理论
1912年劳埃（Laue ）
X射线的发现和广泛应用是廿世纪科学发展 中最伟大成就之一
围绕X射线发现 、发展和应用 而进行科研工 作的科学家获 诺贝尔奖的就 有近卅人之多
1901年 伦琴(英)
获诺贝尔物理奖
当X射线管中高速运动的电子和阳极靶碰撞时 、产生极大的负加速度，电子周围的电磁场将 发生急剧的变化，辐射出电磁波。由于大量电 子轰击阳极靶的时间和条件不完全相同，聚射 出的电磁波具有各种不同的波长，因而形成了 连续X射线谱。
根据量子力学观点、能量为eV的电子和阳极靶 碰撞时产生光子，从数值上看光子的能量应该 小于或最多等于电子的能量。
X射线物理学基础
●
Mg
Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
12
莫塞莱定律
巴克拉 西格班
卢瑟福
阿伦尼乌斯 ◆莫塞莱（Moseley H.G.J.）对特征谱进行系统 研究后，在1914年得出了特征谱波长λ和阳极靶 的原子序数Z之间的关系——莫塞莱定律：
I I 0e
l
t
I 0e
m t
μm =μl /ρ称质量吸收系数（单位为cm2·-1），表示单位重量 g
物质对X射线的吸收程度。 质量吸收系数与波长λ和吸收物质的原子序数Z存在函数关系：
m K 4 Z
3
3
Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
Δλ= λ’- λ = 0.00243(1-cos2θ) = 0.00486sin2 θ
Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
17
1.5.2 X射线的透射和吸收
一、 X射线的吸收与吸收系数
1. 衰减规律与线吸收系数
实验证明，当一束单色X射线透过一层 均匀物质时，其强度将随穿透深度的增加按 指数规律减弱，即：
E = h = hc / P=h/ =h /c
3
Modern Analytical Instruments and Technology for Materials
用于晶体结构分析的X射线波长：
0.25~0.05nm （硬X射线）
金属零件的无损探伤：
0.1~0.005nm
Mg
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莫塞莱定律
巴克拉 西格班
卢瑟福
阿伦尼乌斯 ◆莫塞莱（Moseley H.G.J.）对特征谱进行系统 研究后，在1914年得出了特征谱波长λ和阳极靶 的原子序数Z之间的关系——莫塞莱定律：
I I 0e
l
t
I 0e
m t
μm =μl /ρ称质量吸收系数（单位为cm2·-1），表示单位重量 g
物质对X射线的吸收程度。 质量吸收系数与波长λ和吸收物质的原子序数Z存在函数关系：
m K 4 Z
3
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Δλ= λ’- λ = 0.00243(1-cos2θ) = 0.00486sin2 θ
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1.5.2 X射线的透射和吸收
一、 X射线的吸收与吸收系数
1. 衰减规律与线吸收系数
实验证明，当一束单色X射线透过一层 均匀物质时，其强度将随穿透深度的增加按 指数规律减弱，即：
E = h = hc / P=h/ =h /c
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用于晶体结构分析的X射线波长：
0.25~0.05nm （硬X射线）
金属零件的无损探伤：
0.1~0.005nm
X射线物理学基础(2)
1. 光电效应 ---光电子和荧光X射线
激发K系光电效应时，入射光子的能量必须等于 或大于将K电子从K层移至无穷远时所作的功WK，即
hγ k =
hc
λk
= ωk
将激发限波长λK和激发电压VK联系起 ，即
eVk = ωk =
hc
λk
hc 12.4 = (nm) λk = eVk Vk
2. 俄歇效应
µl µm = ρ
工作中有时需要计算i个元素组成的化合 物、混合物、合金和溶液等的质量衰减系 数µm。由于µm与物质的存在状态无关， 因此衰减系数可按下式求得： µm=ω1µm1+ω2µm2+…ωiµmi
(3) X射线的吸收曲线 X射线的吸收曲线 如果用σm仍表示散射 系数，τm表示吸收系数。 在大多数情况下吸收系数 比散射系数大得多，故 μm≈τm。质量吸收系数 与波长的三次方和元素的 原子序数的三次方近似地 成比例。
温故而知新
1. X射线的本质 X射线的本质 2. X射线的产生 X射线的产生 (1) 产生条件 (2) X射线管的主要结构 X射线管的主要结构 3. X射线谱 X射线谱 连续X射线谱、特征X 连续X射线谱、特征X射线谱
第三节 X射线与物质的相互作用
【教学目标】 教学目标】
1. 理解X射线的散射与吸收。 2. 掌握X射线的衰减规律及线吸收系数和质量吸收系数。
光电子被被xx射线击出壳层的电子即射线击出壳层的电子即光电子光电子它带有壳它带有壳层的特征能量层的特征能量所以可用来进行成分分析所以可用来进行成分分析xpsxps俄歇电子高能级的电子回跳高能级的电子回跳多余能量将同能级的另多余能量将同能级的另一个电子送出去一个电子送出去这个被送出去的电子就是这个被送出去的电子就是俄歇电子俄歇电子带有壳层的特征能量带有壳层的特征能量aesaes二次荧光高能级的电子回跳高能级的电子回跳多余能量以多余能量以xx射线形式发射线形式发出出
第二章 X射线的产生与性质讲解
第二章 X射线的产生与性质绪论一．X射线实验技术的发展概况1895年，德国物理学家伦琴（W.K.Rontgen)，作阴极射线实验时，发现了一种不可见的射线，由于当时不知它的性能和本质，故称X射线，也称伦琴射线。
1909年，巴克拉（Barkla)利用X射线，发现X射线与产生X射线的物质（靶）的原子序数（Z）有关，由此发现了标识X射线，并认为此X射线是原子内层电子跃迁产生。
1908~1909年，德国物理学家Walte.Pohl，将X射线照金属（相当于光栅），产生了干涉条纹。
1910年，Ewald发现新散射现象，劳埃由此得出：散射间距（即原子间距）近似于1A数量级。
1912年，劳埃提出非凡预言：X射线照射晶体时，将产生衍射。
随后，为解释衍射图象，劳埃提出了劳埃方程；1913年，布拉格父子导出了简单实用的布拉格方程；随后，厄瓦尔德把衍射变成了图解的形式：厄瓦尔德图解1913~1914年，莫塞莱定律的发现，并最终发展成为X射线光谱分析及X射线荧光分析。
X射线衍射理论已基本完善，是一门相当成熟的学科，而X射线衍射技术仍在不断发展，近年来，发展尤为显著，其主要方面和原因有：（1）新光源的发明：转靶、同步辐射、X射线激光、X射线脉冲源，高效率、强光源，使测量精度提高4个数量级。
（2）新的探测器：由气体探测器到固体探测器，高分辨率、高灵敏度，使测量提高2个数量级。
（3）新的数据记录及处理技术：高度计算机化a. 实验设备、实验数据全自动化；b. 数据分析计算程序化；c. 衍射花样的计算机模拟。
二．X射线分析在金属材料领域中的主要应用物相分析点阵常数的精确测定织构的测定此外还有：晶粒大小的测定，应力测定等等。
第二章 X射线的产生和性质（即X射线物理学）重点：X射线的电磁波本质；两种X射线谱的成因及其实验规律；X射线与物质（试样）相互作用的物理效应及意义。
（首先对探测所用的辐射进行了解，然后对探测对象——晶体进行了解）第一节 X射线的本质1.１性质1895年德国物理学家伦琴（W.K.Rontyen）在研究阴极射线时，发现一种新的射线。
X线放射物理与防护第二章
• 2.阳极 又称阳极靶，它是使高速电子突然受阻而产生X线的地方。 阳极靶面和散热体两部分组成。通常，是将钨材料靶面焊接在实 心或空心铜材料圆柱体上。采用这种结构是因为从阴极飞来的高 速电子能，99%以上都在阳极上变为了热能，使阳极产生，很高 的温升，这就要求阳极材料既要耐高温，又要散热性能好。以便 能及时将热量传递出去，保证阳极靶面不被融化而损坏。钨的原 子序数高（Z=74），有利于提高X线产生的效率;其熔点高 （3370°C），能耐受住高速电子碰撞时产生的热量，但导热性 差。铜的原子序数和熔点较低，但导热性能好，故结合两者的优 点将阳极靶面做成将钨靶面镶嵌在镶嵌在铜散热体上的结构。
• 其他原因影响 • 半波整流，全波整流。
下图是使用钨靶X线管，管电流保持不变，将管电压从20KV逐步 增加到50KV，同时测量各波段的相对强度而绘制成的X线谱。
2、连续X线的最短波长、最强波长、平均波长及最 大光子能量。
• 最短波长
最强波长： λ最强 = 1.5 λmin
平均波长 λ平均 = 2.5λmin
• 当然X线对正常人体组织也可能产生损伤作用，故应注意对 非受检部位和非治疗部位的屏蔽防护，同时射线工作者也应注意 自身的防护。
第三节X线的产生条件和装置
研究证明，凡高速带电离子桩基物质而突然受阻，都能产生X线。 一、X线的产生条件: 1.电子源
2.高速运动的电子流
3.阳极靶
三、X线产生装置
1.电子源：电子源能提供所需数量的电子。
管电压一定时，X线管的管电流的大小反应了阴极 灯丝发射电子的情况。管电流大，表明单位时间撞 击阳极靶的电子数多，由此激发出的X线光子数也 正比地增加；照射时间长，X线量也正比地增大。 所以管电流和照射时间的乘积能反映X线的量。
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X射线功率 K1iZV 2 X射线管效率 K1ZV 电子流功率 iV
由于K1是个很小的数，约为 1.1 ~ 1.4 109V ，如 采用W阳极（z=74）,V=100kV时，效率仅为1%左右。 碰撞阳极靶的电子束的大部分能量都耗费在使阳极 靶发热上 。 水冷却
(2)标识X射线（特征x射线）
X射线的强度 • X射线的强度是指垂直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。 常用的 单位是J/(cm2· s) . • X 射线的强度 I 是由光子能量 hv 和它的数目 n 两个因素 决定的,即I=nhv.连续X射线强度最大值在1.5λ0 ,而 不在λ0处。
• 连续 X 射线谱中每条曲线下的面积表示连续 X 射线 的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。 • 实验证明，I与管电流i、管电压V、阳极靶的原子 序数 Z 存在如下关系： 且 X 射线 2 I 连 K1iZV 管的效率为:
2-3 x射线的产生及x射线谱（连续谱和标识谱）
2-4 x射线与物质的相互作用 2-5 x射线的探测、防护及应用
画线部分为重点。
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程
X射线的发现是19世纪末20世纪初物理
学的三大发现（X射线1895年、放射线 1896年、电子1897年）之一，这一发 现标志着现代物理学的产生。
右）能量转变成热能使物体温度升高。
（水冷）
（2）产生条件
a.产生自由电子；
b.使电子作定向的高速运动;
c.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。
X射线 冷却水 电子
玻璃 钨灯丝
接变压器 金 属 靶 X射线 铍窗口 X射线管剖面示意图 金属聚灯罩
（3）X射线管 • 封闭式X射线管实质上就是一个大的
波长分别为0.71 Å和0.63 Å.
• 激发电压：发出标识x射线的最低电压或临界电压。
产生机理
• 标识X射线谱的产生机理与阳极靶物质的原子内部 结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容 原理和能量最低原理分布于各个能级。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
似，亦称多色X射线。
• 特性；
相 对 强 度
• 短波限；
• 产生机理； • X射线的强度。
钨靶的连续X射线谱
连续谱特性
（1）每一种管电压下，存在一个短波极限；射线 中含有大于短波极限的各个波长成分。
（2）随着管电压增大，短波极限和强度最大的波
长朝短波方向移动。
相 对 强 度
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 λ0.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。 • 相互关系为：
前一章内容回顾
• 空间点阵
• 晶（向）面指数 • 倒易点阵定义和倒易矢量的基本性质 • 晶带定律
[hkl]* (hkl)， r * d 1 [uvw] (uvw)*，d* r 1 hu kv lw 1
第二章 X射线的物理学基础
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程 2-2 x射线与电磁波谱
伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时无 法确定这一新射线的本质。伦琴发现X射线从而获得诺贝 尔奖。 1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产 ，发表了《X射线的干涉现象》一文。
劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注，
1034
J.s;
X射线 波长范围0.01～10nm，在电磁波谱上位于紫 外线和γ 射线之间。
无线电波
可见光
可见光 X射线
红外线
紫外线
γ射线
分为软x射线（波长大于0.5nm）和硬x射线（波长小于 0.5nm）。 用于衍射分析的波长0.05～0.25nm。 •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。 •软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱， 可用于非金属的分析。 •X射线波长的度量单位常用埃（Å）表示；通用的国 际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关 系为： 1nm=10 Å
上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式
辐射出标识X射线谱。
K系激发机理及命名
• K层电子被击出时，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。 • L层电子填充空位时， 产生Kα辐射；M层电子 填充空位时产生Kβ辐
射。
• 由能级可知，Kβ辐射的光子 能量大于 Kα 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Kα 的强 度约为Kβ的5倍。 产生K系激发要阴极电子的 能量eVk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk
• X 射线与物质相互作用时， 产生各种不同的和复杂的 过程。就其能量转换而言， 一束 X 射线通过物质时，可 分为三部分： • 一部分被散射， 一部分被吸收， 一 部 分透 过 物 质继 续 沿 原 来的方向传播(透射或折 射)。 • X射线的散射 ； • X射线的吸收 ； • X射线的衰减规律； • 吸收限的应用； • X射线的折射；
个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线 圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用 一本厚书，2－3厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插在 放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、
二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是
“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射 线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特
殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。
他一连许多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行 彻底研究。6个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。
1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。 1895年12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递
交了第一篇研究通讯《一种新射线———初步研究》。
2-2 x射线与电磁波谱
X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅 是波长短而已，因此具有波粒二象性。 (1)波动性; (2)粒子性。
•X射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动 h 量p之间存在如下关系： h hc p
•式 中 h—— 普 朗 克 常 数 ， 等 于 6 . 6 2 5 × c——X射线的速度，等于2.998× 108 m/s.
连续谱造成的衍射背影最小。
莫塞莱定律
• 标识 X 射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子
能级结构，是物质的固有特性。且存在如下关系：
• 莫塞莱定律：标识X射线谱的波长λ与原子序数Z关系为：
1
K 2 Z
•标识X射线谱应用：化学元素的分析 •上式是元素分析的理论依据。
总结
• 1 x射线谱分为连续谱和标识谱（或特征谱）
• 是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱
线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。
1.标识X射线的特征 ; 2.产生机理 ;
3.K系激发机理 ;
4.莫塞莱定律；
5.标识X射线的强度特征。
X射线谱
标识X射线的特征
• 当电压达到临界电压时，发出标识谱线； 随电压增加，标识谱线的波长不变化， 强度增强。 • 如钼靶 K 系标识 X 射线有两个强度高峰为 Kα 和 Kβ ，
eV h max
hc
0
• 式中
相 对 强 度
e——电子电荷，等于 1.6 1019
V——电子通过两极时的电压降；
库仑；
钨靶的连续X射线谱
h——普朗克常数，等于 6.6251034 j s
eV h max
hc
0
hc 0 eV 6.6251034 3.0 108 9 10 1.601019 V 1240 (nm) V
• 4 K系激发电压，K系标识谱线的命名。
K层电子被击出时所需最低电压。 K层电子被击出时，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。L层电子 填充空位时，产生Kα辐射；M层电子填充空位时产生Kβ辐射。
• 5 莫塞莱定律
1
K 2 Z
2-4 X射线与物质相互作用
• 2 短波限λ0是连续谱上的最小波长。由电子一次
eV h 碰撞就耗尽能量所产生的X射线，它与管压的关系：
max
hc
0
• 3 标识谱的产生机理
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，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标识X射线谱。
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。 • 非相干散射是康普顿（ pton）和我国物理学 家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射 突出地表现出 X 射线的微粒特性，只能用量子理论来
• 总结 。
X射线的散射
• X射线被物质散射时，产生两种现象：
• 相干散射； • 非相干散射。
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。 • 用于x射线衍射分析。
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
计，并利用这台仪器，发现了特征X射线。
X射线已被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工业 等领域。对于促进20世纪的物理学以至整个科学技术 的发展产生了巨大而深远的影响。
X射线衍射分析的特点：
由于K1是个很小的数，约为 1.1 ~ 1.4 109V ，如 采用W阳极（z=74）,V=100kV时，效率仅为1%左右。 碰撞阳极靶的电子束的大部分能量都耗费在使阳极 靶发热上 。 水冷却
(2)标识X射线（特征x射线）
X射线的强度 • X射线的强度是指垂直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。 常用的 单位是J/(cm2· s) . • X 射线的强度 I 是由光子能量 hv 和它的数目 n 两个因素 决定的,即I=nhv.连续X射线强度最大值在1.5λ0 ,而 不在λ0处。
• 连续 X 射线谱中每条曲线下的面积表示连续 X 射线 的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。 • 实验证明，I与管电流i、管电压V、阳极靶的原子 序数 Z 存在如下关系： 且 X 射线 2 I 连 K1iZV 管的效率为:
2-3 x射线的产生及x射线谱（连续谱和标识谱）
2-4 x射线与物质的相互作用 2-5 x射线的探测、防护及应用
画线部分为重点。
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程
X射线的发现是19世纪末20世纪初物理
学的三大发现（X射线1895年、放射线 1896年、电子1897年）之一，这一发 现标志着现代物理学的产生。
右）能量转变成热能使物体温度升高。
（水冷）
（2）产生条件
a.产生自由电子；
b.使电子作定向的高速运动;
c.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。
X射线 冷却水 电子
玻璃 钨灯丝
接变压器 金 属 靶 X射线 铍窗口 X射线管剖面示意图 金属聚灯罩
（3）X射线管 • 封闭式X射线管实质上就是一个大的
波长分别为0.71 Å和0.63 Å.
• 激发电压：发出标识x射线的最低电压或临界电压。
产生机理
• 标识X射线谱的产生机理与阳极靶物质的原子内部 结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容 原理和能量最低原理分布于各个能级。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
似，亦称多色X射线。
• 特性；
相 对 强 度
• 短波限；
• 产生机理； • X射线的强度。
钨靶的连续X射线谱
连续谱特性
（1）每一种管电压下，存在一个短波极限；射线 中含有大于短波极限的各个波长成分。
（2）随着管电压增大，短波极限和强度最大的波
长朝短波方向移动。
相 对 强 度
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 λ0.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。 • 相互关系为：
前一章内容回顾
• 空间点阵
• 晶（向）面指数 • 倒易点阵定义和倒易矢量的基本性质 • 晶带定律
[hkl]* (hkl)， r * d 1 [uvw] (uvw)*，d* r 1 hu kv lw 1
第二章 X射线的物理学基础
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程 2-2 x射线与电磁波谱
伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时无 法确定这一新射线的本质。伦琴发现X射线从而获得诺贝 尔奖。 1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产 ，发表了《X射线的干涉现象》一文。
劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注，
1034
J.s;
X射线 波长范围0.01～10nm，在电磁波谱上位于紫 外线和γ 射线之间。
无线电波
可见光
可见光 X射线
红外线
紫外线
γ射线
分为软x射线（波长大于0.5nm）和硬x射线（波长小于 0.5nm）。 用于衍射分析的波长0.05～0.25nm。 •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。 •软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱， 可用于非金属的分析。 •X射线波长的度量单位常用埃（Å）表示；通用的国 际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关 系为： 1nm=10 Å
上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式
辐射出标识X射线谱。
K系激发机理及命名
• K层电子被击出时，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。 • L层电子填充空位时， 产生Kα辐射；M层电子 填充空位时产生Kβ辐
射。
• 由能级可知，Kβ辐射的光子 能量大于 Kα 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Kα 的强 度约为Kβ的5倍。 产生K系激发要阴极电子的 能量eVk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk
• X 射线与物质相互作用时， 产生各种不同的和复杂的 过程。就其能量转换而言， 一束 X 射线通过物质时，可 分为三部分： • 一部分被散射， 一部分被吸收， 一 部 分透 过 物 质继 续 沿 原 来的方向传播(透射或折 射)。 • X射线的散射 ； • X射线的吸收 ； • X射线的衰减规律； • 吸收限的应用； • X射线的折射；
个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线 圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用 一本厚书，2－3厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插在 放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、
二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是
“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射 线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特
殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。
他一连许多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行 彻底研究。6个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。
1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。 1895年12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递
交了第一篇研究通讯《一种新射线———初步研究》。
2-2 x射线与电磁波谱
X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅 是波长短而已，因此具有波粒二象性。 (1)波动性; (2)粒子性。
•X射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动 h 量p之间存在如下关系： h hc p
•式 中 h—— 普 朗 克 常 数 ， 等 于 6 . 6 2 5 × c——X射线的速度，等于2.998× 108 m/s.
连续谱造成的衍射背影最小。
莫塞莱定律
• 标识 X 射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子
能级结构，是物质的固有特性。且存在如下关系：
• 莫塞莱定律：标识X射线谱的波长λ与原子序数Z关系为：
1
K 2 Z
•标识X射线谱应用：化学元素的分析 •上式是元素分析的理论依据。
总结
• 1 x射线谱分为连续谱和标识谱（或特征谱）
• 是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱
线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。
1.标识X射线的特征 ; 2.产生机理 ;
3.K系激发机理 ;
4.莫塞莱定律；
5.标识X射线的强度特征。
X射线谱
标识X射线的特征
• 当电压达到临界电压时，发出标识谱线； 随电压增加，标识谱线的波长不变化， 强度增强。 • 如钼靶 K 系标识 X 射线有两个强度高峰为 Kα 和 Kβ ，
eV h max
hc
0
• 式中
相 对 强 度
e——电子电荷，等于 1.6 1019
V——电子通过两极时的电压降；
库仑；
钨靶的连续X射线谱
h——普朗克常数，等于 6.6251034 j s
eV h max
hc
0
hc 0 eV 6.6251034 3.0 108 9 10 1.601019 V 1240 (nm) V
• 4 K系激发电压，K系标识谱线的命名。
K层电子被击出时所需最低电压。 K层电子被击出时，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。L层电子 填充空位时，产生Kα辐射；M层电子填充空位时产生Kβ辐射。
• 5 莫塞莱定律
1
K 2 Z
2-4 X射线与物质相互作用
• 2 短波限λ0是连续谱上的最小波长。由电子一次
eV h 碰撞就耗尽能量所产生的X射线，它与管压的关系：
max
hc
0
• 3 标识谱的产生机理
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，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标识X射线谱。
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。 • 非相干散射是康普顿（ pton）和我国物理学 家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射 突出地表现出 X 射线的微粒特性，只能用量子理论来
• 总结 。
X射线的散射
• X射线被物质散射时，产生两种现象：
• 相干散射； • 非相干散射。
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。 • 用于x射线衍射分析。
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
计，并利用这台仪器，发现了特征X射线。
X射线已被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工业 等领域。对于促进20世纪的物理学以至整个科学技术 的发展产生了巨大而深远的影响。
X射线衍射分析的特点：