X射线与物质相互作用
X射线与物质相互作用
x射线的性质
穿透性
波长
x射线具有强穿透性，能够穿透一定厚 度的物质。
x射线波长较短，可用于高精度检测和 成像。
能量
x射线具有特定能量，可用于物质成分 分析。
x射线的应用
医学诊断
x射线用于医学影像诊断，如拍片、CT等。
工业检测
x射线用于工业无损检测，如焊接、铸件等。
安全检查
x射线用于机场、海关等安全检查，检测违禁品。
02
03
操作人员培训
采用铅板、铅玻璃等材料对X射 线设备进行屏蔽，减少辐射泄漏。
对操作人员进行专业培训，确保 他们了解安全标准和操作规范， 避免误操作。
操作规范与注意事项
操作前准备
确保X射线设备正常工作，检 查电源、电缆、控制台等是 否完好。
操作过程
按照操作规程进行操作，避 免长时间暴露于X射线辐射下 。
晶体取向
X射线衍射可以用来确定晶体在样品中的取向，有 助于了解晶体生长和排列的规律。
微观结构
结合显微镜技术，X射线可以用来观察样品 的微观结构，如晶粒大小、相分布等，有助 于了解材料的性能和行为。
05
安全与防护
x射线的生物效应
细胞损伤
01
高强度X射线可导致细胞结构损伤，引发DNA断裂和细胞死亡。
这一过程对物质的密度、原子序数和光子能量都有一定影响。
03
x射线衍射
晶体结构与x射线衍射
晶体结构对x射线衍射的影响
晶体结构中的原子或分子的规则排列会对x射线产生衍射现象，通过分析衍射图 谱可以推断晶体的结构特征。
x射线衍射的原理
当x射线通过晶体时，会受到晶体中原子或分子的散射，散射波在某些方向上相 互加强，形成衍射波，通过测量衍射波的方向可以推导出晶体的结构信息。
第一章——第二节_X射线与物质的相互作用
9
X射线的透射/吸收系数
为了更准确的表达物质本质的吸收特性，引入质量吸收系数μm
m
l
将上式代入 I e u l H I0
I I0emH I0emm
m为单位面积厚度为H的体积中的物质的质量。
μm的物理意义：X射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对 衰减量。
若吸收体为化合物、固溶体或混合物时， μm取决于各组元质量吸 收系数μmi及各组元的质量分数wi。
n
m mi w i （n为组元数） 源自 1 10X射线的透射/吸收系数
对于确定物质， μm取决于吸收物质的原子序数Z和X射线的波长λ。 其关系为：
m K43Z 3 （K4为常数）
由上式可以看出：
12
吸收限的概念
随入射波长变化，会相继出现K、L和M吸收限。描述质量吸收系数 随波长改变的关系曲线称为吸收曲线（谱线）。
13
吸收限的应用
滤波片的选择
在XRD分析中，利用吸收限两侧吸收系数差很大的现象制成滤波 片，用以吸收不需要的辐射，可以获得基本单色的入射X射线。
光电管阳极靶发射的K系X-
射线包括Kα和Kβ，Kα的强
度为x处的dx厚度物质，其强度衰减率dIx/Ix可表示为：
dI x Ix
l dx
强度的衰减dIx/dx与dx成正比。
负号表示随厚度增加时强度降低。
H x dx
μl为常数，称为线吸收系数,是X射线通 过单位厚度（即单位体积）物质的相对 I0 衰减量。表明物质对X射线的吸收特性。
Ix Ix+dx I
3
第二节 X射线与物质的相互作用
当一束X射线通过物质时，其能量可分为三部分，即一部分被散射， 一部分被吸收，其余部分则透过物质继续沿原来的方向传播。
x射线传感器原理
x射线传感器原理
X射线传感器是一种用于检测和测量X射线的设备，常见于医疗成像、安检、工业质检等领域。
这些传感器利用X射线与物质相互作用的原理来获取图像或其他信息。
以下是X射线传感器的原理：
1. X射线的生成：X射线是一种高能电磁辐射，通过X射线管等设备产生。
在X射线管中，电子被加速至高速并撞击金属靶，产生X射线辐射。
2. X射线与物质的相互作用：X射线穿透物质时会发生不同的相互作用，包括吸收、散射和透射。
这些作用取决于物质的密度和成分。
3. 传感器结构：X射线传感器通常包括X射线探测器和信号处理系统。
X射线探测器可以是闪烁体探测器、半导体探测器等，用于捕获X射线与物质相互作用后的信号。
4. 信号检测：当X射线通过被检测物质时，探测器会记录X射线的吸收量或散射情况，并将这些信息转换为电信号。
5. 图像重建：通过测量X射线的吸收量或散射情况，可以重建出被检测物质的内部结构或密度分布，形成X射线影像。
6. 应用：X射线传感器在医学影像学中用于诊断和治
疗、在工业中用于质量控制和安全检测、在安全领域用于安检等。
7. 安全性：在使用X射线传感器时，需要遵循安全操作规程，以避免X射线辐射对人体和设备造成伤害。
X射线传感器通过检测X射线与物质的相互作用，可以获得有关被检测物质内部结构和密度的信息，为医学、工业和安全领域提供重要的辅助诊断和检测手段。
xrd透射原理
xrd透射原理X射线衍射（X-ray Diffraction，XRD）是一种重要的物质结构分析方法，它利用X射线与物质相互作用的原理来研究物质的晶体结构和非晶态结构。
本文将围绕XRD的透射原理展开讨论，旨在深入理解XRD的工作原理和应用。
一、XRD透射原理的基本概念XRD透射原理是基于X射线与物质相互作用的现象。
当X射线通过物质时，会发生衍射现象，即X射线被物质中的原子或分子散射，形成一定的衍射图样。
这些衍射图样包含了物质的结晶信息，通过解析和处理衍射图样，可以获得物质的晶体结构信息。
二、XRD透射原理的基本过程XRD透射实验通常由X射线源、样品和衍射仪三部分组成。
X射线源产生高能的X射线，经过样品后，被衍射仪接收并记录。
整个过程中，X射线的衍射现象决定了衍射图样的形成。
具体来说，X射线通过样品时，会与样品中的原子或分子相互作用。
根据布拉格的衍射条件，只有当X射线的入射角和出射角满足特定的关系时，才会发生衍射现象。
衍射仪记录并测量入射角和出射角之间的关系，得到衍射图样。
三、XRD透射原理的应用XRD透射原理在材料科学、地球科学、生物科学等领域有着广泛的应用。
以下是几个常见的应用案例：1.材料的结构分析通过XRD透射实验，可以获得材料的晶体结构信息，包括晶格常数、晶胞参数、晶体的对称性等。
这对于新材料的开发和研究具有重要意义。
2.物质的相变研究XRD透射实验可以用来研究物质的相变过程。
通过监测衍射图样的变化，可以确定物质在不同温度、压力等条件下的相变行为，为相变机制的研究提供了重要的实验数据。
3.晶体质量的评估XRD透射实验可以用来评估晶体的质量。
通过分析衍射图样的强度、峰形等特征，可以判断晶体的完整性、纯度和缺陷情况。
4.生物分子的结构研究XRD透射实验在生物科学领域也有着广泛的应用。
通过测量生物分子的衍射图样，可以获得生物分子的三维结构信息，从而揭示生物分子的功能和相互作用机制。
XRD透射原理是一种基于X射线的物质结构分析方法。
X射线与物质相互作用
第三节X射线与物质相互作用我们前面讲过当X射线穿透物质时，与物质发生各种作用有吸收、散射、透射光电效应等一、X射线的散射X射线是一种电磁波，当它穿透物质时，物质的原子中的电子，可能使X射线光子偏离原射线方向，即发生散射。
X射线的散射现象可分为相干散射和非相干散射。
1、相干散射及散射强度当X射线通过物质时，在入射电场作用下，物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置振动，同时向四周辐射出与入射X射线波长相同的散射X射线，称为经典散射。
由于散射波与入射波的频率或波长相同，位相差恒定，在同一方向上各散射波符合相干条件，又称为相干散射。
按动力学理论，一个质量为m的电子，在与入射线呈2θ角度方向上距离为R处的某点，对一束非偏振X射线的散射波强度为：I e =I0)22cos1(24224θ+CmRe它表示一个电子散射X射线的强度，式中fe=e2/mC2称为电子散射因子。
22cos12θ+称为极化因子或偏振因子。
它是由入射波非偏振化引起的I e =I0)22cos1(109.72226θ+⨯-R从上式可见（书P5）相干散射波之间产生相互干涉，就可获得衍射。
可见相干散射是X 射线衍射技术的基础。
2、非相干散射当入射X射线光子与原子中束缚较弱的电子或自由电子发生非弹性碰撞时，光子消耗一部分能量作为电子的动能，于是电子被撞出离子外（即反冲电子）同时发出波长变长，能量降低的非相干散射，或康普顿散射这种散射分布在各方向上，波长变长，相位与入射线之间也没有固定的关系，故不产生相互干涉，不能产生衍射，只会称为衍射谱的背底，给衍射分析工作带来干扰和不利的影响。
二、X 射线的透射X 射线射线透过物质后强度的减弱是X 射线射线光子数的减少，而不是X 射线能量的减少。
所以，透射X 射线能量和传播方向基本与入射线相同。
X 射线与物质相互作用，实质上是X 射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X 射线电磁波的振荡电场加速，短波长的X 射线易穿过物质，长波长X 射线易被物质吸收。
第3章 X射线与物质的作用
2、电子对效应的概率
t nZ ln E
2
高能量的光子和大原子序数的介质对电子对效应 的发生是有利的。 由于医学成像的射线能量不会超过200KeV，故电 子对效应在医学成像领域不会出现。
三种作用方式的总结
1) 光子能量一般在 0.01-10MeV 范围。 2) 0.01-0.8MeV时，光电效应占主导。 0.8-4.0MeV时，康普顿散射占主导。 4.0-10..MeV时，电子对效应占主导。 3) 医学影像中X线不超过 0.3 MeV，故电子 对效应不可能发生。
康普顿散射的次级粒子
运动的自由电子 （反冲电子） 散射光子 hv散 新的标识光子
2、康普顿散射发生的概率
N e t C1
E
与介质的原子序数关系不大， 与介质的密度成正比， 与光子能量成反比。
3、康普顿散射对医学成像的影响
是X射线成像的最大散射线来源，影响成像 质量。 散射到各个方向，须加强防护。
3.1.2 光电效应
1、光电吸收现象 光电作用过程是光致电离的过程，一个 辐射光子使原子的一个壳层电子脱离原子， 变成光电子。 光子的能量用来克服电子的结合能使原 子电离，剩余部分能量变为光电子的动能。 这一现象就叫光电效应。 如果光电子来自较低能级的壳层（如K、 L层），那么留出的空位在被更高能级的电 子填充时会产生标识辐射光子。这个过程 与高速电子轰击阳极靶产生标识辐射X线光 子的过程类似。
能量较高的辐射光子在与物质相互作 用时，光子方向发生偏离，能量（频率、 波长）也发生变化。这一现象由A H Compton首先发现，他把这一现象解释为 辐射光子与“自由”电子非弹性碰撞的结 果。
图解康普顿散射
肿瘤放射物理学-物理师资料-2.3 X(γ)射线与物质的相互作用
(3).光电截面
电子在原子中被束缚得越紧，产生光电效应的概率就越大。 如果入射光子的能量超过K层电子结合能，那么大约80％的光 电吸收发生在这K层电子上。
入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光电截面。
5 4
k
k为k层光电截面
(4). 作用系数
光电效应总截面：
Z n /(h )3
低原子序数 n≈4 高原子序数 n≈4.8
光电线性衰减系数：
MA
N A
Zn
/(h )3
光电质量衰减系数：
NA MA
Z n1 /(h )3
a. 原子序数的影响 光电效应总截面 光电线性衰减系数
Z4～4.8
光电质量衰减系数
Z3～3.8
随原子序数增加，光电效应发生的概率迅速增加。
如果一个入射粒子与物质的相互作用有多种相互独立的 作用方式，则相互作用总截面等于各种作用截面之和
c p
总截面 光电效应截面
电子对效应截面 康普顿效应截面
2、线性衰减系数、质量衰减系数
X（γ）光子与每单位厚度物质发生相互作用的概率，称为线性
衰减系数，用µ表示，单位m-1或cm-1。
en tr (1 g)
g为次级电子的动能因辐射而损失的份额。
4、半价层（HVL） 定义为X（γ）射线束流强度衰减到其初始值一半时所需的某种
物质的衰减块的厚度。它与线性衰减系数的关系可表示为
HVL 0.693
与μ的意义一样， HVL表示物质对X（γ）光子的衰减能力。
5、平均自由程（l） 定义为X（γ）光子在与物质发生作用前平均的自由运动距离。
1章第三节：X射线与物质的相互作用
二、、原子截面
统计概率： 一个满足某种条件的光子射入物质是否一定与原子或者电子发生相互
作用？
截 面
原子截面：用σ表示，有面积的量纲 入射光子与物质中的一个原子或电子发生一次特定相互作用的“概率”
称为“原子截面”或“电子截面”。
三、光电效应
X光子与轨道电子发生作用 X光子能量全失去
轨道电子被电离变为光电子
第三节：X射线与物质的相 互作用
-------------X光子的物质内部之旅（能量损径
三大主要形式
X光子与物质作用的形式
其他形式
一、X光子的能量在物质中的传递路径
X与物质的相互作用，其本质是能量的转换和传递！
光子能 量
电子势 能
电子动 能
原子动 能
Thank you!
思考：
出现了电子空穴：原子处于不稳定态，还会 发生什么？
三、光电效应原子截面
这个概率的大小：σ
在医用X射线能量范围内
Z为原子序数；h为普朗克常量；v为光子频率
由公式可知： 1、随着原子序数增大，发生光电效应概率越大。
2、随着光子能量的增大，光电效应发生概率迅速减 小 3、光子能量大于等于K层结合能时候，光电效应主要 发生在K层。光子能量小于K层结合能，光电效应只能 发生在L层或者更外层。
三、光电效应边缘吸收
我们用连续能量的X光子与钨钼铜作用：
图中图像的锯齿点，说明 该点X射线的吸收突然增 大，因为这一点的X射线 的能量等于某一层的结合 能，我们把光电效应发生 概率突然增大的地方称为 边缘吸收。
三、光电效应在影像中的利弊
1、不产生散射线，减少了灰雾。 2、可增加人体组织与造影剂之间的对比度 3、能量全部被吸收，辐射剂量大。
X射线与物质的相互作用
X射线与物质的相互作用X射线是一种高能电磁波，具有较短的波长和较高的频率。
当X射线入射到物质上时，它与物质中的原子相互作用，主要有光电效应、康普顿散射和正电子湮灭三种。
首先，光电效应是指当X射线入射到物质中的原子内层电子上时，电子被光子击中后被激发或抛射出原子。
这个过程遵循能量守恒定律，即入射X射线的能量等于光电子的能量加上剩余能量。
光电效应的主要特点是能量转移效率高，但是能量分辨率较差，不适用于微细结构的研究。
其次，康普顿散射是X射线与物质中的自由电子碰撞后散射出去，同时X射线的波长发生了变化。
这个过程遵循动量守恒和能量守恒定律。
康普顿散射在医学诊断中得到了广泛应用，因为它具有良好的能量分辨率和较高的对比度。
最后，正电子湮灭是指当X射线入射到物质中时，一部分入射X射线与物质中的原子碰撞，产生正电子和负电子。
正电子与负电子相遇后发生湮灭，产生两个γ光子。
正电子湮灭谱是通过测量X射线与物质的相互作用，得到信息的有效方法。
除此之外，X射线还会与物质产生其他的相互作用，如光子发射、光子吸收、光子和原子核相互作用等。
这些相互作用过程是多种多样的，可以通过测量入射和散射X射线的强度、能量变化以及角分布来研究物质的结构、成分等信息。
在医学方面，X射线的应用非常广泛。
例如，X射线透视可以用于骨骼和丰富因子的成像，可以用于检查骨折、肺部感染、心脏病等疾病。
另外，计算机断层扫描（CT）是一种通过多个方向的X射线扫描来获取物体横截面图像的技术，可以用于检测和诊断肿瘤、脑血栓等疾病。
在工业领域，X射线也得到了广泛的应用。
例如，X射线非破坏性检测可以用于检测金属和非金属材料的缺陷，如焊缝、裂纹等。
此外，X射线衍射可以用于材料的结晶结构分析，用于研究材料的晶体结构和晶体缺陷。
总之，X射线与物质的相互作用是一种重要的物理现象，具有广泛的应用领域。
通过研究X射线与物质的相互作用机制，可以获得物质的结构、成分等信息，为医学诊断、工业检测等领域提供技术支持。
X射线与物质的相互作用
µ＝ wj µj ∑
j
元素的质量吸收系数， 其中µj 代表吸收体内第 j 元素的质量吸收系数，wj是它所占 重量百分比（ 重量百分比（ ） wj = 1 。
∑
X射线的电离作用 射线的电离作用
∗ 物质受X射线照射时，使核外电子脱离原子轨道， 这种作用叫电离作用。 ∗ 在光电效应和散射过程中，出现光电子和反冲电 子脱离其原子的过程叫一次电离，这些光电子或 反冲电子在行进中又和其它原子碰撞，使被击原 子逸出电子叫二次电离。在固体和液体中，电离 后的正、负离子将很快复合，不易收集。但在气 体中的电离电荷却很容易收集起来，利用电离电 荷的多少可测定X射线的照射量（X射线测量仪器 正是根据这个原理制成的）。 ∗ 电离作用是X射线损伤和治疗的基础
讨论 若 λ 的关系与物质无关 与物质无关， ∆λ 与θ 的关系与物质无关，是光子与近自由电子
0
可见光观察不 可见光观察 到康普顿效应. λ >> λC 则 ≈ λ0 ,可见光观察不到康普顿效应
间的相互作用. 间的相互作用 的散射光是因光子与金属中的紧束缚 光子与金属中的 λ 散射中∆ = 0 的散射光是因光子与金属中的紧束缚 电子（原子核）的作用. 电子（原子核）的作用 物理意义 光子假设的正确性， 光子假设的正确性，狭义相对论力学的正确性 . 微观粒子也遵守能量守恒 动量守恒定律 能量守恒和 定律. 微观粒子也遵守能量守恒和动量守恒定律
光电效应的过程
∗电子被光子击出：“光电子”产生。光子本身消 失了， ∗物质的原子被电离，原壳层处留下空位。 ∗“光电子”继续撞击物质中的其它原子，它的动 能以热的形式消耗在附近晶格中； ∗空位为外层电子(自由电子)所填充，产生辐射： 发出标识X-射线。
光电效应示意图
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uuuv
uEuouvx E0 cos
Eoz E0 sin
10
分别计算它们的散射波电场 Epx、Epz，然后矢量相
加求出散射波总的电场及散射强度。计算可得散 射波强度为
Ie
re02 R2
(cos2
sin2
cos2 )I0
（2.4）
11
如入射X射线为完全非偏振光（例X射线管发射的X射线），
uuv Ee (
R,
t
)
e
4 0c
2
R
v n
v (n
v a(t
))
式中
v n
为辐射方向，R为观察点与电子之间的距离，
t t R c
6
(1)入射X射线u为uv线偏振光 v
令电场为 设α为 uEuv0 与
nvE0的e夹iwt 角，，则则a(t
)
uuv eE0 eiwt m
Ia Z 2Ie
14
⑵ 短波 λ～ a
这时原子内各处电子发出的散射波有很大的位相差， 散射波的强度由相互间干涉来决定。
结构分析中常用的X射线波长λ～À，正是这种情况
定义 f 原子结构因子（原子散射因子） f Aa Ae
Aa 一个原子相干散射波的振幅（电场强度） Ae 一个电子相干散射波的振幅（电场强度）
，
E0e
(R,
t
)
e2 E0
4 0c2 Rm
sin
iw(t
e
R c
)
7
式中负号表示在入射波前进方向上，散射波 与入射波位相差180度，散射波的强度为
Ie
I0
e4
16 202c4R 2 m2
sin2
re2 R2
I0
sin2
re 为电子经典半径，re 2.81015 m
电偶极子辐射出次级辐射，即散射X射线。 电子受迫振动的频率与入射波的振动频率一致
（不考虑阻尼），故散射波的频率与入射波一致， 也即散射波的波长与入射波相同。即相干散射， 对入射X射线（原级）来说，这种散射只是改变 方向而波长不变的一种次级辐射。
5
由电动力学，一个电子作加速运动时，电磁辐射为
用于改变X射线方向、聚焦、滤去高能X射线 X射线“透镜”
毛细管束X射线透镜－－－用于聚焦
23
X射线毛细管透镜
1931年提出原理，80年代有实用报道
Tu6-23 X光在毛细管内反射的情形
24
单毛细管X射线聚焦/准直 Cornell
3
2.X射线的相干散射
相干散射 (λ不变,远场光学) 弹性散射(Ex不变) Ryleigh散射
不相干散射（λ改变） 非弹性散射(Ex改变) Compton散射 Raman散射
4
1)自由电子的相干散射
电子在入射X射线的交变电场作用下作受迫振动， 成为具有交变电矩的电偶极子。
16
f 与Z，，关系
Ia f 2Ie
f
Sin
17
3）凝聚态物质的相干散射 所有原子相干散射的叠加 晶体、准晶体、液晶 ——X射线衍射 非晶体、液体 ——相干散射图形→干涉 函数→相关函数
18
4）介质的X射线光学特性
界面的反射、折射、全uv反射 uuv
原子→电偶极子→ P E0, 1 , n 1/2
则 (0 2 ) 对求平均，得
Ie
1
2
2 0
re02 R2
(cos2
sin2
cos2 )I0d
r0e2 R2
1
cos2
2
I0（2.5）
式中
1 (1 cos2 )
2
是偏振因子P( )
P( ) 由入射波的偏振情况确定。偏振情况不同时，偏振因
子相应变化。
12
2）单个原子的X射线相干散射 原子对X射线的散射，主要由电子贡献，原子核
的作用一般情况下是微不足道的，因为散射波强 度与带电粒子的质量平方成反比。 设原子半径为a，电子分布在这球体中，入射X射
线波长为λ，原子散射波强度为 I a 。
13
⑴ 长波 a
原子内不同处的电子的散射波到达远处的 观察点P时没有显著的位相差。
可以得出折射率n为
n
1
Ne2
2 0 m 2
1
式中N为单位体积内的电子数，ω为X射线频率，在X 射线频率的范围内δ的数值为 103 10。6
由光学在界面上的折射、反射的菲涅耳公式，在掠入
射角为大角度时，X射线在界面的反射率是很小的，可以 忽略不计，折射引起的角度变化也很小近于0。当 2 0时， 即折射光束消失，发生全反射。此时的掠入射角 为全反射临界角 c
cosc
1
1 2
c
2
1
c 2
对X射线，c 的数值为mrad量级，它随X射线
波长（频率）与介质的电子密度变化。
22
X射线全反射的重要应用 X射线反射镜
8
(2)入射波为非偏振情况
E pz
E px
p
O
图6 单个电子的X射线相干散射
9
(2)入射波为非偏振情况
令入射方向为 OY ，P为观察点，散射方向
v n(OP)
与
OY确定的平面为散射面 YOZ ,令散射方向与入射方向
夹角为θ。 可将任一偏振方向的
uuv E0
的入射波，分解为
uuuv Eox
uuuv
Ia f 2Ie
15
计算可得出
sin kr f u(r) dr
0
kr
式中u(r) 4r2 2为原子中径向电子密度分布函数，
为电子波函数。
k 4 sin / ，散射角为2θ
f 与Z，，有关
各元素原子、离子的结构因子可查
International Tables for X-ray crystallography
1
2
1.概述
X射线与物质相互作用的宏观效应： （波） 相干散射、衍射，界面的反射、折射，衰减 （粒子）不相干散射，光电吸收及其二次效应(荧光,俄歇) 电子对的产生(Ex>1.022MeV) 物质的变化：热效应 改性 辐射损伤(结构变化)
微观本质 ：X射线与物质中电子的相互作用
理论处理方法：经典电磁理论，量子力学
19
空气 θ1
介质 θ2
i1 i1 θ1 掠入射
i2
图7 X射线的折射与反射
20
但当X射线从真空（空气）以小角度掠入射至介 质，当掠入射角小于临界角将发生全反射。由折 射定律，
sin i1 n2 1
sin i2 n1
1
2
i1,2
2
i2
cos / cos2 1