x射线物理基础
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射线的性质PPT课件
M K, K
M亚层K, K1， K2
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特征X射线谱的特点
1) 需要最低的管电压Vk（激发电 压），它由阳极靶的原子序数Z决 定。 2) 靶不同，特征X射线谱的波长也 不同。 3) V>V激时,特征X射线谱的波长不 变，仅强度增大。
Mo靶X射线管的X射线强度曲线
11
1.4 X射线与物质相互作用
2、X射线产生的基本条件 • 产生自由电子； • 使电子作定向的高速运动; • 与靶材相互碰撞，突然减速。
4
3、X射线管的结构
阴极：灯丝(钨丝)，通电加热后便能释放出电子。
阳极：靶材，通常由纯金属制成(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag, W等)，使电子
突然减速并发射X射线。
高压：使电子加速；25－50 KV
到达靶上的电子要经过多次碰撞，逐步把能 量释放到零，产生能量各不相同的辐射，因此 形成连续X射线谱。
特点： （1）强度随连续变化，
短波限0
（2）随电压增加，X强度增加；向短波方向移动， 存在短波限；
（3）不同电压，有不同的短波限0
6
产生短波限的原因：
假设电子在一次碰撞中将全部能量(h)一次转换为一个光量子（即X 射线），这个光量子具有最高能量（光量子能量不可能超过电子的能量）, 最高能量 最短波长。
俄歇电子的能量与激发源（光或电子）的能量无关，只取决于物质的 能级结构，是元素的特征值，俄歇效应特别适合做表面轻元素的分析。
俄歇电子
E＝（El－Ek）
15
3、X射线的吸收
X射线通过均匀物质,其强度的衰减符合下式:
dI dx I
I=I0e -t
其中μ为线吸收系数,表示在X 射线的传播方向上,单位长度物质引起X 射
材料研究方法x射线物理基础
1.3 x射线谱
• 施加不同的电压， 得到波长和强度的 关系曲线，称为 x-ray谱。
I
连 续 相X 对射 强线 度
特征X射线
λmin
λ
连续x射线谱 I λ
特点：
一． 强度随波长连续变化。 二． 每条曲线都有一个强度最大值和波长极
○ 限——短波限λº。
产生原因：
高速运动的电子被靶面骤然阻止。
连续x-ray 谱的构成
激发限与吸收限λK
讨论光电效应产生的条件时，λK 称K系激发限；讨论x-ray被物质 吸收时，λK称吸收限。
荧光x-ray增加衍射花样的背影； x-ray荧光光谱分析中，利用它进 行分析。掌握荧光x-ray产生机理 和条件，可合理利用。
ehVKc1V.2K4K(nm )
俄歇效应
1个空位被2个空位所代替的无辐射跃迁过程称俄歇效应。 光子与物质中原子相撞，多余能量不以x-ray形式放出，传递给其它外层电子， 使之脱离原子，形成二次电子，即俄歇电子（Auger Electron ） 。
小结：
光电子(XPS) ：被X射线击出壳层的 电子。它带有壳层的特征能量,可用 来进行成分分析。
二次荧光：高能级电子回跳,多 余能量以X射线形式发出，是 二次荧光。带有壳层的特征能 量。
俄歇电子(AES) ：高能级电子回 跳,多余能量将另一电子送出,被 送出的电子是俄歇电子。带有壳 层的特征能量
小结：
宏观效应--X射线强度衰减 微观机制--X射线被散射,吸收 散射：无能量损失或损失相对较小
○ 只有相干散射才能产生衍射 ○ 散射是进行材料晶体结构分析的工具
吸收：能量大幅度转换, 带有壳层的特征能量,是揭示材料成分的因素。
○ 吸收是进行材料成分分析的工具
射线检测—X射线检测基本原理(无损检测课件)
5. 射线照相规范
♫
（4）曝光量的选择
曝光量E为射线强度I与曝光时间t的乘积，即 E = I·t。曝
光量的大小要能保证足够的底片黑度。如果管电压偏高，
那么小的曝光量也能使底片达到规定黑度，但这样的底
片灵敏度不够好，所以焦距为600mm时X射线照相的曝光
一般规定底片黑度为1.5～4.0D的范围内。
5. 射线照相规范
♫
➢
➢
➢
（7）象质计（透度计）的应用
象质计是用来检查透照技术和胶片处理质量的。我国标准
规定使用线型象质计。
所谓射线照相的灵敏度是射线照相能发现最小缺陷的能力，
射线照相灵敏度分为绝对灵敏度和相对灵敏度。
绝对灵敏度是指射线透照某工件时能发现最小缺陷的尺寸，
第2节 X射线检测的基本原理
2. 物理基础
➢
单色窄束射线在穿过厚度非常小的均匀介质时，其衰减的
基本规律为：
I= 0 −
其中，I0 ——入射射线强度；
I —— 透射射线强度；
T —— 吸收体厚度；
μ —— 线衰减系数。
0.639
➢
半值层厚度： 1Τ =
➢
宽束连续谱射线衰减规律： = 0 1 + −
➢
愈是使用低能量的射线，吸收系数μ值就愈大，从而可以
得到ΔD较大的缺陷图象。
➢
在采用X射线时要尽可能降低管电压，在采用γ射线时，则
要选择能量较低的γ射线源。但是降低管电压会导致射线
穿透力减小，因而不能得到黑度足够的底片。所以降低管
电压也是有一定限度的。
➢
完整的说法是：在能穿透工件的前提下尽可能地降低X射
射线检测的物理基础
射线检测的物理基础射线检测是一种利用射线在物质中传播的特性进行物质组成分析和缺陷检测的方法。
射线检测常用的射线包括X射线和γ射线。
这两种射线都是电磁波，具有较高的穿透能力和能量，因此可以用于穿透物质并获取内部信息。
射线检测的物理基础主要包括射线的产生、传播以及与物质相互作用的过程。
下面将对这些基础进行详细的介绍。
一、射线的产生射线检测中常用的X射线是通过X射线管产生的。
X射线管由阴极和阳极组成，当阴极上加上一定电压时，会产生一束高速电子，电子在电场作用下加速，并与阳极碰撞。
在碰撞过程中，电子会失去一部分能量，产生X射线。
这些X射线具有较高的能量，可以穿透物质并与物质相互作用。
γ射线则是由放射性核素产生的。
放射性核素的原子核不稳定，会发生衰变，释放出γ射线。
γ射线具有较高的能量和穿透能力，可以用于射线检测。
二、射线的传播射线在物质中的传播是直线传播，具有一定的传播速度。
射线传播的速度取决于射线的能量和介质的密度。
在同一介质中，射线的传播速度是恒定的。
而在不同介质中，射线的传播速度会发生改变，这就是射线折射现象。
三、射线与物质的相互作用射线与物质相互作用的过程是射线检测中最重要的过程。
射线与物质的相互作用包括散射、吸收和衰减三个主要过程。
散射是指射线与物质中的原子或分子碰撞后改变方向的过程。
散射分为弹性散射和非弹性散射。
弹性散射是指射线与原子或分子碰撞后只改变方向而不改变能量的过程，非弹性散射则是指射线与原子或分子碰撞后既改变方向又改变能量的过程。
散射的发生会改变射线的传播方向，从而影响射线检测的结果。
吸收是指射线在物质中传播过程中被物质吸收的过程。
物质对射线的吸收能力取决于射线的能量和物质的性质。
不同物质对射线的吸收能力有所差异，因此可以通过测量射线的吸收量来判断物质的组成。
衰减是指射线在物质中传播过程中能量逐渐减小的过程。
射线的衰减程度取决于射线的能量和物质的厚度。
较厚的物质会对射线的衰减产生更显著的影响。
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。
x射线诊断的物理基础
x射线诊断的物理基础X射线诊断是一种常用于医学影像学中的诊断技术。
它通过利用X射线穿透物体并在胶片或数字传感器上形成影像的原理来诊断疾病。
X射线的物理基础包括X射线的生成、穿透和吸收。
X射线的生成主要是通过X射线管。
X射线管由阴极和阳极组成，阴极由电子束加热产生电子，经由高电压加速，在阳极上产生高速电子撞击阳极金属，从而产生X射线。
X射线的频率和能量与电子束的能量有关。
X射线具有很强的穿透能力，可以穿过人体组织。
它的穿透能力与射线的能量有关，能量越高，穿透能力越强。
在医学影像学中，通常使用具有30至150kV的高电压来产生X射线。
X射线可以穿透软组织，如肌肉和脂肪，显示为较浅的影像；而在骨骼等密度较高的组织中，X射线的穿透能力较弱，形成较浓密的影像。
通过观察X射线影像的浓密程度和形状，可以判断组织的健康情况。
X射线在物体中的吸收程度与物质的原子序数和原子量有关。
原子序数越大的物质，如钙和铅，对X射线的吸收能力越强。
而原子序数较小的物质，如肌肉和脂肪组织，对X射线的吸收能力较弱。
在X 射线影像中，骨骼和钙质结构会显示为较白的区域，而软组织则显示为较暗的区域。
X射线诊断的物理基础还包括X射线的散射和弥散。
X射线在穿过物体时会发生散射，散射的程度与物体的密度有关。
散射会导致X 射线影像的对比度降低，影响诊断的准确性。
为了减少散射，常常使用散射补偿方法，如使用散射屏或增加固定的铅遮挡器。
X射线诊断是通过利用X射线的生成、穿透、吸收和散射等物理原理，对患者进行影像检查并诊断疾病的一种常用技术。
了解X射线的物理基础对于正确解读X射线影像，提高诊断准确性非常重要。
X射线物理学基础
第一章X射线物理学基础【教学内容】1．X射线的发觉。
2．X射线的本质。
3.X射线的产生与X射线管。
4．X射线谱。
5.X射线与物质的彼此作用。
【重点把握内容】1.X射线的粒子性与波动性。
2.X射线的产生与X射线管的大体构造。
3•持续X射线和特点X射线谱特点及产生的机理。
4.X射线与物质的的彼此作用而产生的散射和吸收。
【了解内容】1.X射线发觉。
2.X射线的平安防护。
【教学难点】1．X射线的散射与干与。
2．X射线的吸收。
【教学目标】1•了解X射线的本质、特点。
2.把握X射线的产生和X射线谱特点。
3．把握X射线与物质的彼此作用有关知识。
4.培育能依照不同的需要选择对不同类型的X射线及在关实验条件的能力。
【教学方式】1．以课堂教学为主，通过量媒体教学手腕，增强教学成效。
并通过部份习题，增进学生对X射线本质的明白得。
2.安排一次对X射线衍射仪的参观，使学生对X射线的产生和大体装置有一个初步的感性熟悉。
一、X射线的发觉X射线发觉于19世纪末期，并在上个世纪之交掀起了一场X射线热。
它的发觉及其本质的确信在物理学上具有划时期的意义。
代表着经典物理学与近代物理学的转折点。
1895年11月8日，德国物理学家伦琴（照片）在研究真空管的高压放电现象时，偶然发觉凳子上镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。
这一现象当即引发的细心的伦琴的注意。
他认真分析一下，以为这可能是真空管中发出的一种射线引发的。
连续数日呆在实验室中不回家。
他试着用各类手、纸板、木块去遮挡，但都无法挡住这种射线。
于是，一项伟大的发觉诞生了。
由于那时对这种射线的本质和特性都不了解，故称之为X射线。
其实在此之前，也有人注意到，放在高压管周围的照相底片有时会发生雾点。
但他们以为这是一种偶然现象。
没有引发重视。
伦琴发觉，不同物质对X射线的穿透能力是不同的。
他用X射线拍了一张其夫人手的照片（照片）。
1896年1月23日。
伦琴在自己的研究所第一次作关于X 射线发觉的报告时，现场再次拍了维尔兹堡闻名的解剖学教授克利克尔的一只手的照片，克利克尔教授带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线称为伦琴射线。
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X射线的波长范围：100- 0.01Å 或 10-0.001nm
硬X射线： 0.05-2.5 Å
0.5-2.5 Å 主要用于晶体结构分析
0.05-1 Å 主要用于金属探伤等
软X射线： 10-100 Å 主要用于医学
波长的单位：nm（纳米） 法定单位
Å
过去的常用单位
KX
晶体学单位（不常用）
换算关系： 1nm = 10-9m =10 Å
与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单Βιβλιοθήκη 年份 学科得奖者内容
1901 物理 伦琴Wilhelm Conral Rontgen
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
X射线衍射分析
第一篇：X射线衍射分析（XRD）
X射线物理基础 X射线晶体学基础 X衍射理论※ X衍射的应用※
1.怎样得到一张好的粉末衍射谱？ 2.从一张图谱中可以挖掘出什么样的信息？
〈1〉衍射峰位置：物相定性 〈2〉衍射峰强度：物相含量 〈3〉衍射峰型以及面积：结晶度 〈4〉峰型拟合：晶粒尺寸及微观应变 〈5〉全谱精修：晶胞参数计算 〈6〉应力分析 〈7〉粉末法未知晶体结构解析
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
无线电波 来自原子核自旋能级的跃迁
长
X射线粒子性：
X射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流
螢光一閃 揭開物理新紀元 照片一張 掀起報界千層浪
.tw/~PurpleWoo/Literature/!%E6%95%B8%E7%90%86%E5%8C%96%E9%80%9A%E4%BF%97%E6%B C%94%E7%BE%A9/數理化通俗演義.htm
劳厄法X射线衍射实验的基本装置与所拍的照片
X射线也是电磁波的一种，波长在10－8 cm左右。 它具有波粒二象性。即 它既具波动性，又具有粒子性。
在X射线衍射分析中应用的主要是它的波动性，反映在 传播过程中发生干涉、衍射作用。
在与物质相互作用，进行能量交换时，则表现出它的 粒子性。
X射线的波动性： X射线作为电磁波的具有电场矢量和磁场矢量。 它以一定的波长和频率在空间传播。 Ｖ＝Ｃ／λ
2、X射线管
（1） 阴极——发射电子。一般由钨丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。 （2） 阳极——靶，使电子突然减速并发出X射线。 （3） 窗口——X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用 金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6°的斜角，以减少靶 面对出射X射线的阻碍。 （4）高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。所以靶 材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的 功率有限，大功率需要用旋转阳极。 （5） 焦点——阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射线就是从这块面积上发 射出来的。焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯 丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点
中子谱学 中子衍射
1.2、X 射线的本质
粒子流？电磁波？
第一节 X射线物理基础
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。
爱因期坦称，劳厄的实验是“ 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。
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
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
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
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
X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分辨率； 高强度则可缩短暴光时间
2）旋转阳极靶
3、同步幅射X射线源
速度接近光速的带电粒子在磁场中作圆周运动时， 会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。
。。。。。。
第一节 X射线物理基础
主要内容：
1.X射线的本质、产生和性质 2.X射线谱---连续谱,特征谱 3.X射线与物质的相互作用
1.1 X 射线的发现
伟大的物理学家,X射线发明者 ---伦琴
1895年德国物理学家---“伦琴”发现X射线 1895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、 传播、穿透力等大部分性质 1901年伦琴获第一届诺贝尔奖
构成的。它具有一定能量和动量。
能量ε和动量p与X射线光子的频率v和波长λ之间的关
系如下：
ε＝hv=hc/λ
p＝h/λ
h为普朗克常数，为
c 为光速，为
1.3 X射线的产生
1、 原理
电磁学原理： 当带电粒子在加速或减速过程中，会释放出电磁
波，在巨大加速或减速过程中，所释放的电磁波具 有高能量，当其波長在10-12－10-8m則成X光。