1、第一章第一章 X X 射線的性質射線的性質【教學內容教學內容】 1 1X X射線的發現。射線的發現。 2 2X X射線的本質。射線的本質。 3 3X X射線的產生與射線的產生與X X射線管。射線管。 4 4X X射線譜。射線譜。 5 5X X 射線與物質的相互作用。射線與物質的相互作用。X X射線的發現射線的發現W. K. Rontgen18451923 n1895年年11月月8日，德國物理學家倫琴在研究真空日，德國物理學家倫琴在研究真空管的高壓放電時，偶然發現鍍有氰亞鉑酸鋇的硬管的高壓放電時，偶然發現鍍有氰亞鉑酸鋇的硬紙板會發出熒光。這一現象立即引起的細心的倫紙板會發出熒光。這一現象立即引起

2、的細心的倫琴的注意。經仔細分析，認為這是真空管中發出琴的注意。經仔細分析，認為這是真空管中發出的一種射線引起的。于是一個偉大的發現誕生了的一種射線引起的。于是一個偉大的發現誕生了。由于當時對這種射線不了解，故稱之為。由于當時對這種射線不了解，故稱之為x射線射線。后來也稱倫琴射線。后來也稱倫琴射線。倫琴發現，不同物質對倫琴發現，不同物質對x射線的穿透能力是射線的穿透能力是不同的。他用不同的。他用x射線拍了一張其夫人手的照片。射線拍了一張其夫人手的照片。很快，很快，x射線發現僅半年時間，在當時對射線發現僅半年時間，在當時對x射線的射線的本質還不清楚的情況下，本質還不清楚的情況下，x射線在醫學上得到

3、了射線在醫學上得到了應用。發展了應用。發展了x射線照像術。射線照像術。 n1896年年1月月23日倫琴在他的日倫琴在他的研究所作了第一個關于研究所作了第一個關于x射射線的學術報告。線的學術報告。1896年，倫琴將他的年，倫琴將他的發現和初步的研究結果寫了發現和初步的研究結果寫了一篇論文一篇論文“論一種新射線論一種新射線”，發表在英國的，發表在英國的nature雜志上。他的發現在社會上雜志上。他的發現在社會上引起了轟動，也為他贏得了引起了轟動，也為他贏得了很大的榮譽。很大的榮譽。1910年，諾貝爾獎第年，諾貝爾獎第一次頒發，倫琴因一次頒發，倫琴因x射線的射線的發現而獲得第一個諾貝爾物發現而獲得第

4、一個諾貝爾物理學獎。理學獎。 1895年倫琴初次發現x射線時，拍攝的他夫人手指的x射線照 1910年第一張諾貝爾物理學獎授予年第一張諾貝爾物理學獎授予w. k. 倫琴倫琴 倫琴 -全名威廉康拉德倫琴（18451923），德國實驗物理學家。 1845年3月27日生于德國萊茵州雷內普鎮。 1869年獲蘇黎世大學理學博士學位。1870年回德國維爾茨堡大學工作。1894年任維爾茨堡大學校長。1895年11月8日發現X射線。1900年任慕尼黑大學物理研究所教授，主任。1901年獲首屆諾貝爾物理學獎。1923年2月10日在慕尼黑去世。個人貢獻倫琴一生在物理學許多領域中進行過實驗研究工作，如對電介質在充電的

5、電容器中運動時的磁效應、氣體的比熱容、晶體的導熱性、熱釋電和壓電現象、光的偏振面在氣體中的旋轉、光與電的關系、物質的彈性、毛細現象等方面的研究都作出了一定的貢獻,由于他對X射線的發現贏得了巨大的榮譽，以致這些貢獻大多不為人所注意。 nX射線的發現是19世紀末20世紀初物理學的三大發現（X射線1896年、放射線1896年、電子1897年） 特點特點波長很短的電磁波波長很短的電磁波 具有波粒二相性具有波粒二相性n直線傳播，穿透性強，能使密封的底片感光直線傳播，穿透性強，能使密封的底片感光X X射線的本質射線的本質n對對x射線本質的爭論，焦點集中在它是：粒子流？電磁波射線本質的爭論，焦點集中在它是：

6、粒子流？電磁波？認為認為x射線是物質粒子流的科學家中有射線是物質粒子流的科學家中有w. h. 布拉格。布拉格。他的兒子他的兒子w. l. 布拉格布拉格 則對則對x射線的波動性進行了深入的研射線的波動性進行了深入的研究，并給出了著名的布拉格方程究，并給出了著名的布拉格方程。 對對X射線波動性最完美的研究是德國物理學家勞厄（射線波動性最完美的研究是德國物理學家勞厄（Laue） n愛因期坦稱，勞厄的實愛因期坦稱，勞厄的實驗驗“ 物理學最美的實物理學最美的實驗驗”。n它一箭雙雕地解決了它一箭雙雕地解決了x射線的波動性和晶體的射線的波動性和晶體的結構的周期性。結構的周期性。 n后來的科學證明，與可見光一

7、樣，后來的科學證明，與可見光一樣，X射線具有波射線具有波粒二象性。粒二象性。nX射線的本質是一種電磁波。射線的本質是一種電磁波。 它既具波動性，又它既具波動性，又具有粒子性。具有粒子性。n在在X射線衍射分析中應用的主要是它的波動性，射線衍射分析中應用的主要是它的波動性，反映在在傳播過程中發生干涉、衍射作用。反映在在傳播過程中發生干涉、衍射作用。n而在與物質相互作用，進行能量交換時，則表現而在與物質相互作用，進行能量交換時，則表現出它的粒子性，這種微粒子通常稱為光子。出它的粒子性，這種微粒子通常稱為光子。X X射線波粒二象性射線波粒二象性。X X射線的波動性射線的波動性nX射線的波動性表現在它以

8、一定的波長和頻率在空間射線的波動性表現在它以一定的波長和頻率在空間傳播。傳播。X射線的波長在電磁波譜上位于紫外線之后射線的波長在電磁波譜上位于紫外線之后（圖（圖1-1）。nX射線波長的度量單位常用埃（射線波長的度量單位常用埃（）n通用的國際計量單位中用納米（通用的國際計量單位中用納米（nm）表示）表示n它們之間的換算關系為：它們之間的換算關系為： 1nm=10 =101nm=10 =10-9-9m mnX X射線的波長范圍：射線的波長范圍： 0.01100 0.01100 X-radiationMicrowavesg g-radiationUVIRRadio waves10-6 10-3 1

9、103 106 109 1012Wavelength(nm)可見光可見光無線電波無線電波 X X射線的粒子性射線的粒子性稱為波矢為普朗克常數，1KhKhhPchhEh普朗克常數CX射線的速度E-能量-頻率-波長nX射線的粒子性表現在它是由大量的不連續的粒射線的粒子性表現在它是由大量的不連續的粒子流構成的。它具有一定和能量和動量子流構成的。它具有一定和能量和動量。n式中h普朗克常數n h=6.62510-34 J.s; n cX射線的速度(光速)n c=2.998 108 m/s. nX射線的波長較可見光短得多，所以能量和動量 很大，具有很強的穿透力。hPn高速運動的電子（高能粒子）與物體碰撞時

10、，高速運動的電子（高能粒子）與物體碰撞時，發生能量轉換，能量轉變為發生能量轉換，能量轉變為X射線。射線。n高能粒子：電子、中子、光子（高能粒子：電子、中子、光子（X射線本身）射線本身）等等X X射線的產生射線的產生X X射線的產生射線的產生X射線產生的基本條件：射線產生的基本條件： （1）產生自由電子；）產生自由電子； （2）使電子做定向高速運動；）使電子做定向高速運動； （3）在電子運動的路徑上設置使其突然減速的）在電子運動的路徑上設置使其突然減速的 障礙物。障礙物。n通常使用熱陰極通常使用熱陰極X射線管射線管n被加熱的燈絲發射出電子流，在高壓電場作用被加熱的燈絲發射出電子流，在高壓電場作用

11、下，加速飛向陽極。下，加速飛向陽極。n高速電子流在撞擊陽極（靶）時，所攜帶的動高速電子流在撞擊陽極（靶）時，所攜帶的動能部分轉變為光量子，以能部分轉變為光量子，以X射線形式發射出來。射線形式發射出來。X X射線的產生射線的產生nX射線管由陽極靶和陰極燈絲組成射線管由陽極靶和陰極燈絲組成產產 生生-X-X射線管射線管冷卻水冷卻水靶（陽極）靶（陽極）銅銅X射線射線X射線射線真空真空鎢絲鎢絲玻璃玻璃管座（接變壓器）管座（接變壓器）鈹窗鈹窗聚焦罩聚焦罩常用常用X射線管的結構包括：射線管的結構包括： （1 1）陰極：）陰極：如同一般的燈絲，一如同一般的燈絲，一般用鎢絲做成。用于產生大般用鎢絲做成。用于產

12、生大量的電子，量的電子，是發射電子的地是發射電子的地方。方。 （2 2）陽極：亦稱靶，是使電子突）陽極：亦稱靶，是使電子突然減速和發射然減速和發射X X射線的地方。射線的地方。 不同金屬制成的靶產生的不同金屬制成的靶產生的X X射射線是不同的。線是不同的。常用的靶材：常用的靶材：Cr, Fe, Co, Ni, Cr, Fe, Co, Ni, CuCu, Mo, , Mo, AgAg。產產 生生-X-X射線管射線管（3 3）窗口）窗口(Be)(Be)：窗口是：窗口是X X射線從陽極靶向外射出的地方。射線從陽極靶向外射出的地方。（4）冷卻系統：當電子束轟擊陽極靶時，其中只有）冷卻系統：當電子束轟擊

13、陽極靶時，其中只有1%能能 量轉換為量轉換為X射線，其余的射線，其余的99%均轉變為熱能。因此，均轉變為熱能。因此， 陽極的底座一般高導熱性的金屬（銅）制作。使用時陽極的底座一般高導熱性的金屬（銅）制作。使用時 通冷卻水防止熔化。通冷卻水防止熔化。（5）焦點：焦點是指陽極靶面被電子束轟擊的地方，正）焦點：焦點是指陽極靶面被電子束轟擊的地方，正 是從這塊面積上發射出是從這塊面積上發射出X射線。射線。 產產 生生-X-X射線管射線管n轉靶轉靶X射線管射線管n常規常規X射線管功率只射線管功率只有有1-2KW ，大功率轉，大功率轉靶靶X射線管功率可達射線管功率可達10-30 KWn可顯示更多衍射信息可

14、顯示更多衍射信息和細節和細節產產 生生-轉靶轉靶X射線管射線管電子束電子束X射線射線高功率旋轉陽極高功率旋轉陽極X X射線譜射線譜X X射線譜射線譜是指是指X X射線強度隨波長變化的關系曲線射線強度隨波長變化的關系曲線X X射線譜射線譜連續連續X X射線譜射線譜特征特征X X射線譜射線譜波長連續變化的波長連續變化的X X射射線組成線組成一定波長的若干一定波長的若干X X射射線疊加在連續線疊加在連續X X射線射線譜上構成譜上構成連續譜+標識（特征）譜 連續譜連續譜 正如太陽光包含有紅、橙、黃、正如太陽光包含有紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等許多不同波長的光綠、藍、靛、紫等許多不同波長的光一樣，從一樣

15、，從X射線管中發出的射線管中發出的X射線也不射線也不是單一波長（單色）的，而是包含有是單一波長（單色）的，而是包含有許多不同波長的許多不同波長的X射線。這些波長構射線。這些波長構成連續的光譜成連續的光譜。別名：多色別名：多色X射線射線 白色白色X射線射線X X射線譜射線譜 強度強度 波長（波長（ ）連續譜連續譜特征譜特征譜連續連續X X射線譜射線譜 如圖所示的曲線是管電流恒定，管電壓從如圖所示的曲線是管電流恒定，管電壓從5kV5kV逐漸增加到逐漸增加到25kV25kV鉬鈀鉬鈀X X射線管中發出的射線管中發出的X X射線譜。射線譜。 連續連續X X射線譜射線譜特點：特點：曲線均有一個最短波長限曲

16、線均有一個最短波長限00和最大強度和最大強度點所對應的波長點所對應的波長mm。最大值一般在最大值一般在1.501.50地方。地方。恒定管電流，逐漸升高電壓，恒定管電流，逐漸升高電壓，0 0和和m m均均向短波方向移動。向短波方向移動。0=1.24/v(nm0=1.24/v(nm) )當電壓增加時，各個波長所對應的強度增當電壓增加時，各個波長所對應的強度增加，曲線下所圍的面積增加。加，曲線下所圍的面積增加。 i i連連= = 連續連續X X射線譜產生機理射線譜產生機理 n 能量為能量為eVeV的電子與陽極靶碰撞時，電子失去能量，其中的電子與陽極靶碰撞時，電子失去能量，其中部分能量以光子的形式輻射

17、（大部分轉化為熱能），碰部分能量以光子的形式輻射（大部分轉化為熱能），碰撞一次產生一個能量為撞一次產生一個能量為h h的光子，這樣的光子流即為的光子，這樣的光子流即為X X射線。射線。n到達陽極靶面的電子數目是極大量的（每秒到達陽極靶面的電子數目是極大量的（每秒6.25 1016 個），達到靶上的時間和條件不會相同，并且絕大多數，達到靶上的時間和條件不會相同，并且絕大多數電子要經歷多次碰撞，每次碰撞都轉換成波長不相同的電子要經歷多次碰撞，每次碰撞都轉換成波長不相同的輻射輻射(光子能量不同），于是產生了一個連續的光子能量不同），于是產生了一個連續的X射線譜射線譜。短波限短波限n連續連續X射線譜在

18、短波方向有一個波長限，稱為短射線譜在短波方向有一個波長限，稱為短波限波限0n它是由電子它是由電子一次碰撞就將一次碰撞就將全部能量全部能量轉換成所產生轉換成所產生的的X射線射線 （數目龐大的電子群中（數目龐大的電子群中總會有總會有這樣的電這樣的電子）子）n0只與管電壓有關，不受其它因素的影響。（與只與管電壓有關，不受其它因素的影響。（與管電流和靶的材料無關）。管電流和靶的材料無關）。0maxhcheVn式中式中e電子電荷，電子電荷，nc光速，光速，n頻率頻率n V電子通過兩極時的電壓降（電子通過兩極時的電壓降（kv）n h普朗克常數，普朗克常數，h=sj3410625. 6n式中式中e電子電荷，

19、電子電荷，nc光速，光速，n頻率頻率n V電子通過兩極時的電壓降電子通過兩極時的電壓降（kv）n h普朗克常數，普朗克常數，h=sj3410625. 6SWL= nmV24.1短波限短波限n試計算用試計算用50千伏操作時，千伏操作時，X射線管中的射線管中的電子在撞擊靶時的速度和動能，所發射的電子在撞擊靶時的速度和動能，所發射的X射線短波限為多少？射線短波限為多少？eVm20210mp eVhc0kgm311011. 9Jsh3410625. 6smc/1038Ce19106 . 1連續譜強度連續譜強度 nX射線的強度是指垂直于射線的強度是指垂直于X射線傳播方向的單位面積射線傳播方向的單位面積上

20、在單位時間內所通過的光子數目的能量總和。上在單位時間內所通過的光子數目的能量總和。 I = nh 正因為如此，連續正因為如此，連續X射線譜中強度最大值并不在光射線譜中強度最大值并不在光子能量最大的子能量最大的0處，而是在大約處，而是在大約1.50的地方。的地方。n實驗證明實驗證明 I連連 i Z U2 n陽極原子數陽極原子數Z Z成正比成正比n與靶電流與靶電流i i成正比成正比n與電壓與電壓U U二次方成正比二次方成正比n可見，連續可見，連續X X射線的總能量（強度）隨管電流、射線的總能量（強度）隨管電流、陽極靶原子序數和管電壓的增加而增大。陽極靶原子序數和管電壓的增加而增大。連續譜強度連續譜

21、強度 管電壓管電壓靶原子序數靶原子序數管電流管電流強度SWLM X射線管的效率n一般一般1%1%（當用鎢靶（當用鎢靶z=74z=74，管壓為，管壓為100kv100kv，1%1%），），電子能量的電子能量的99%99%左右在轉變過程中損失掉了。左右在轉變過程中損失掉了。n為了提高效率，選用重金屬靶并施以高電壓。為了提高效率，選用重金屬靶并施以高電壓。n=連續連續x射線的總強度射線的總強度/x射線管的功率射線管的功率 = =zv特征特征X X射線譜射線譜( (標識譜標識譜) )characteristic X-ray characteristic X-ray n當電壓加到當電壓加到25kv25k

22、v時，時，momo靶靶的連續的連續x x射線譜射線譜上出現了二個上出現了二個尖銳的峰尖銳的峰k(0.071nm)k(0.071nm)和和k(0.063nm)k(0.063nm)。特征特征X X射線譜射線譜 鉬靶鉬靶X X射線管在某電壓下射線管在某電壓下產生的特征譜線產生的特征譜線n隨著電壓的增大，其強隨著電壓的增大，其強度進一步增強，但波長度進一步增強，但波長不變，也就是說，這些不變，也就是說，這些譜線的波長與管壓和管譜線的波長與管壓和管流無關。流無關。n它與靶材有關。對給定它與靶材有關。對給定的靶材，它們的這些譜的靶材，它們的這些譜線是特定的。因此，稱線是特定的。因此，稱之為特征之為特征x

23、x射線譜或標識射線譜或標識x x射線譜。射線譜。n產生特征產生特征x x射線的最低射線的最低電壓稱激發電壓。電壓稱激發電壓。特征特征X X射線譜產生機理射線譜產生機理n特征特征X X射線譜產生的機射線譜產生的機理與連續譜不同，它的理與連續譜不同，它的產生是與陽極靶物質的產生是與陽極靶物質的原子結構緊密相關。原子結構緊密相關。n原子內部的電子分布在原子內部的電子分布在不同的殼層上不同的殼層上k k、lln每個殼層上的電子具有每個殼層上的電子具有不同的能量不同的能量kk、ll，且，且kkll 泡利不相容原理泡利不相容原理特征（標識）譜產生特征（標識）譜產生n在電子轟擊陽極的過程中，當某個具有足夠能

24、量的電子將在電子轟擊陽極的過程中，當某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內層電子（陽極靶原子的內層電子（如如K K層層的一個電子）擊出的一個電子）擊出時，于時，于是在低能級上出現空位，系統能量升高，處于不穩定是在低能級上出現空位，系統能量升高，處于不穩定激發激發態態。n高能級上的電子向低能級躍遷（如高能級上的電子向低能級躍遷（如L L層電子躍遷到層電子躍遷到K K層）層）釋釋放能量，并以光子的形式放能量，并以光子的形式輻射出標識輻射出標識X射線譜射線譜。 出現內層空位出現內層空位高能電子高能電子擊出靶的內層電子擊出靶的內層電子 外層電子躍入填充外層電子躍入填充發射發射X光子光子NMKLKKKL

25、LK系激發L系激發入射電子n釋放的能量（釋放的能量（E=EE=EL L-E-EK K= =hh）以電磁波的形）以電磁波的形式放射出去，式放射出去，n其波長其波長h/Eh/E必然是個僅取決于原子序數必然是個僅取決于原子序數的常數。的常數。即特征即特征x x射線波長為一定值射線波長為一定值。n不同原子序數不同原子序數Z，有不同特征，有不同特征X射線，射線，K、K也不同。也不同。n譜系命名譜系命名: : K K層電離層電離, ,電子由其它殼層向電子由其它殼層向K K層躍遷產生的層躍遷產生的X X射線叫射線叫K K系譜線；跨躍系譜線；跨躍1 1個能級的標記為個能級的標記為，2 2個個能級的標記為能級的

26、標記為等。等。nLKLK躍遷躍遷: : K KnMKMK躍遷躍遷: : K KnNKNK躍遷躍遷: : K K同理同理, , n ML ML 躍遷躍遷: : L Ln NL NL 躍遷躍遷: : L Ln NM NM 躍遷躍遷: : M Mn產生某系激發要陰極電子的能量產生某系激發要陰極電子的能量eUeU 至少等于擊出一個至少等于擊出一個某層電子所作的功（將某層電子變成自由電子所需要的能某層電子所作的功（將某層電子變成自由電子所需要的能量）量）。n臨界激發電壓：臨界激發電壓：電子具足夠能量把靶原子某一能級上的電子具足夠能量把靶原子某一能級上的電子打掉，從而產生特征電子打掉，從而產生特征x-ra

27、yx-ray所必須達到的最低電壓。所必須達到的最低電壓。n對于同種原子：越接近內層臨界激發電壓越高對于同種原子：越接近內層臨界激發電壓越高 V Vk k V VL L V VM M V VN N n對于不同種原子：原子序數大的臨界激發電壓大。對于不同種原子：原子序數大的臨界激發電壓大。特征特征X X射線譜產生條件射線譜產生條件注注 意意 ：特征特征X射射線產生存在一個臨界激發電壓線產生存在一個臨界激發電壓WK：K層電子的逸出功層電子的逸出功VK：陰極電子擊出靶材原子：陰極電子擊出靶材原子K電子所需的臨界激發電壓電子所需的臨界激發電壓 在臨界條件下：在臨界條件下：212KKKKm ve Ve V

28、W特征特征X X射線波長射線波長-莫塞萊定律莫塞萊定律 MosleyMosleys Laws Lawn標識標識X X射線譜（的頻率和波長）射線譜（的頻率和波長）只取決于陽極靶物質的原子只取決于陽極靶物質的原子能級結構，是物質的固有特能級結構，是物質的固有特性。性。且存在如下關系且存在如下關系：n標識標識X射線譜的波長射線譜的波長與原子與原子序數序數Z關系為：關系為：ZK1n ：波長：波長; K; K：與主量子數、電子質量和電子電荷有關的：與主量子數、電子質量和電子電荷有關的常數常數; Z ; Z ：靶材原子序數：靶材原子序數; ; ：屏蔽：屏蔽常數常數n每種元素都有特征每種元素都有特征X X射

29、線譜射線譜。可以用特征譜來識別元素，。可以用特征譜來識別元素，進行化學成分分析。進行化學成分分析。n莫塞萊定律為莫塞萊定律為X X射線射線化學成分分析化學成分分析奠定了理論基礎，分析奠定了理論基礎，分析思路是使未知物質發出特征思路是使未知物質發出特征X X射線，并經過已知晶體進行射線，并經過已知晶體進行衍射，然后算出波長衍射，然后算出波長 ，從而確定，從而確定Z Z。特征X射線波長與靶材料原子序數有關n幾種靶材料的特征幾種靶材料的特征X X射線波長射線波長 ()()n元素元素 序數序數 K K K K n Cr 24 2.2907 2.0849 Cr 24 2.2907 2.0849n Fe

30、26 1.9373 1.7566 Fe 26 1.9373 1.7566n Ni 28 1.6592 1.5001 Ni 28 1.6592 1.5001n Cu 29 1.5418 1.3922Cu 29 1.5418 1.3922n Mo 42 0.7107 0.6323 Mo 42 0.7107 0.6323特征特征X X射線的強度射線的強度n各能級的能量差不是均勻分布的，越靠近原子核各能級的能量差不是均勻分布的，越靠近原子核的相鄰能級間的能量差越大，見圖的相鄰能級間的能量差越大，見圖1-81-8。n由于由于KmKm KlKl ，所以，所以KK的波長大于的波長大于KK。n由于由于LKLK

31、躍遷的幾率比躍遷的幾率比MKMK躍遷大躍遷大5 5倍左右，所以倍左右，所以，KK強度比強度比KK大大5 5倍。倍。K 比比K 譜線波長長譜線波長長：注意：注意：kKLKLhckKMKMhcKKM-K層上的能級差：層上的能級差： KML-K層上的能級差：層上的能級差： KL注意：注意：nK 比比K 譜線的強度高譜線的強度高5倍左右倍左右 電子由電子由L-K層躍遷的幾率比由層躍遷的幾率比由M-K層躍遷的幾率大層躍遷的幾率大5倍左右倍左右 I = nh標識x射線的精細結構:nK K由由K K11 和和K K22組成，組成，兩者的強度比為兩者的強度比為2 2：1 1。KLK K11K2 2nK K是最

32、強的譜線，比相鄰譜線強是最強的譜線，比相鄰譜線強5 59090倍。可作倍。可作為衍射的單色光源。為衍射的單色光源。n是是K K強度的強度的5 5倍。倍。nCu:Cu:q K1K1=1.54056 =1.54056 q K2K2=1.54439 =1.54439 q K K=2=2 K1K1/3 +/3 + K2K2/3=1.54184/3=1.54184輻射源選擇：輻射源選擇： 在在X X射線的多晶體衍射中，射線的多晶體衍射中，主要利用主要利用K K線做輻射源，線做輻射源，L L系或系或M M系由于波長太長，系由于波長太長， 容易被物質吸收，所以不容易被物質吸收，所以不利用。利用。 k k系特

33、征幅射最強，尤其是系特征幅射最強，尤其是kk，是，是x x射線分析中射線分析中最常用的最常用的x x射線。射線。 1)電壓對不同的陽極靶是不同的，它由陽極靶電壓對不同的陽極靶是不同的，它由陽極靶的原子序數的原子序數z所決定。所決定。2) 陽極靶不同產生的特征陽極靶不同產生的特征x射線的波長不同。射線的波長不同。3）實驗中最常用的特征）實驗中最常用的特征x射線是射線是k。最常用的。最常用的靶材是靶材是cu和和fe。5） k= 2/3k1+1/3k2,有時需要注意區分有時需要注意區分k1和和k2。 一連續一連續X X射線譜射線譜特點特點產生原因產生原因 ( (減速輻射減速輻射) )二特征二特征X

34、X射線譜射線譜 特點特點產生原因產生原因產生過程產生過程 產生條件產生條件特征特征X X射線命名射線命名特征特征X X射線的波長射線的波長X X射線譜的小結：射線譜的小結：三三. .在在X X射線的多晶體衍射中，主要利用射線的多晶體衍射中，主要利用K K線做輻射源線做輻射源X X射線管最佳工作電壓射線管最佳工作電壓： V=V=（3 35 5）V VK K X X射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用 nX X射線與物質的作用分為射線與物質的作用分為n透射透射 衰減衰減n吸收吸收 熱熱 真吸收真吸收 光電效應光電效應 熒光效應熒光效應n散射散射 相干散射相干散射 非相干散射非相干散射n散射即散

35、射即x x射線與物質作用改變方向射線與物質作用改變方向n X X射線被物質散射時可以產生兩種散射現象，即射線被物質散射時可以產生兩種散射現象，即相干相干散射散射和和非相干散射非相干散射。X X射線散射射線散射X射線散射相干散射非相干散射相干散射相干散射n入射光子與電子（束縛較緊的入射光子與電子（束縛較緊的內層電子內層電子）彈性碰撞）彈性碰撞，散射出電磁波的波長與入射波完全相同，即，散射出電磁波的波長與入射波完全相同，即散射散射過程中波長不變。過程中波長不變。n散射波之間將可以發生干涉散射波之間將可以發生干涉-相干散射。相干散射。n相干散射不損失相干散射不損失X X射線的能量，但改變了傳播方向。

36、射線的能量，但改變了傳播方向。n相干散射相干散射是衍射的基礎是衍射的基礎。n即散射過程中射線的即散射過程中射線的波長有所改變波長有所改變。n X X射線光子與束縛力不大的射線光子與束縛力不大的外層電子外層電子 或自由電子碰撞時或自由電子碰撞時電子獲得一部分動能成為反沖電子，電子獲得一部分動能成為反沖電子，X X射線光子離開原來射線光子離開原來方向，方向，能量減小能量減小，X X射線波長發生改變射線波長發生改變( (增加增加),),成為非相干成為非相干散射散射。n非相干散射是康普頓（非相干散射是康普頓（A.H.ComptonA.H.Compton）和我國物理學家吳）和我國物理學家吳有訓等人發現的

37、，亦稱有訓等人發現的，亦稱康普頓效應。康普頓效應。n無明確的相位關系，它會增加連續背底，給衍射圖象無明確的相位關系，它會增加連續背底，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。帶來不利的影響，特別對輕元素。非相干散射非相干散射 非相干散射非相干散射 散射散射x x射線波長的改變與傳播方向存在如下的關系：射線波長的改變與傳播方向存在如下的關系：=0.0024(1-cos2)=0.0024(1-cos2) 我國著名的物理學家吳有訓與美國物理學家康普頓一我國著名的物理學家吳有訓與美國物理學家康普頓一起在起在1924年發現的此效應。故亦稱康普頓吳有訓效應年發現的此效應。故亦稱康普頓吳有訓效應 n除了被散

38、射和透射一部分外，除了被散射和透射一部分外，X射線能量主要將被物射線能量主要將被物質吸收質吸收n這種這種能量轉換能量轉換包括包括光電效應（二次特征幅射）光電效應（二次特征幅射） 和俄和俄歇效應。歇效應。 n吸收主要由原子內部的電子躍遷（遷移）引起。吸收主要由原子內部的電子躍遷（遷移）引起。 （真吸收：見（真吸收：見P14）X射線的吸收光電效應光電效應 （熒光輻射（熒光輻射）（1 1）定義：）定義： 當一個具有足夠能量的當一個具有足夠能量的X X射線光子射線光子碰撞到物質的原子時，也碰撞到物質的原子時，也可以擊出原子內層可以擊出原子內層( (如如K K層層) )的電子而產生電子空位，且高能級的的

39、電子而產生電子空位，且高能級的電子填充該空位發生電子躍遷時，同樣會產生輻射，即產生電子填充該空位發生電子躍遷時，同樣會產生輻射，即產生新新的的特征特征X X射線。射線。 這種以這種以X X射線光子激發物質原子所發生的激發和輻射的過程射線光子激發物質原子所發生的激發和輻射的過程稱為稱為光電效應光電效應。被擊出的電子被稱為。被擊出的電子被稱為X X射線射線光電子光電子，所輻射的特，所輻射的特征征X X射線稱為射線稱為次級（或二次）次級（或二次）X X射線射線，或稱為，或稱為熒光熒光X X射線射線。（2 2）產生條件：產生光電效應，）產生條件：產生光電效應，X X射線光子波長射線光子波長必須小于必須

40、小于吸收限吸收限k k。當當X X光子激發光子激發K K系（電子）系（電子）產生光電效應時，光子的能量必須大于擊出一個產生光電效應時，光子的能量必須大于擊出一個K K層電子所做的功（臨界值）：層電子所做的功（臨界值）： 12.4( )hcAeVV此式把吸收限與激發電壓此式把吸收限與激發電壓聯系起來。聯系起來。 從激發光電效應角度講，稱從激發光電效應角度講，稱 K K為為激發限波長激發限波長，即只有波長小，即只有波長小于于 K的的X X光子才能激發光子才能激發K K系產生系產生X X光電效應而使光電效應而使X X射線的能量被射線的能量被吸收。吸收。 吸收限與光電效應相關吸收限與光電效應相關聯。聯

41、。為單位以kVVK K系光電效應（熒光輻射）系光電效應（熒光輻射）L L系光電效應（熒光輻射）系光電效應（熒光輻射）n產生光電效應，產生光電效應，入射入射X X射線光子波長必須小于等于吸射線光子波長必須小于等于吸收限收限k k。n 即即k k光電效應nk k n從激發光電效應的角度說，稱為從激發光電效應的角度說，稱為激發限波長激發限波長，意義是只，意義是只有入射的有入射的x x射線波長達到或小于它時，才能激發物質的射線波長達到或小于它時，才能激發物質的二次特征二次特征x x射線。射線。n從從x x射線被吸收的角度看，稱為射線被吸收的角度看，稱為吸收限波長吸收限波長。意義是當。意義是當入射的入射

42、的x x射線的波長達到它時，入射射線的波長達到它時，入射x x射線將被該物質強射線將被該物質強烈吸收，并產生光電效應。烈吸收，并產生光電效應。 原子內殼層（原子內殼層（K層）電子被電離，原子處于激發態，外殼層層）電子被電離，原子處于激發態，外殼層電子躍遷釋放能量電子躍遷釋放能量其能量不是以產生其能量不是以產生X X射線光量子，射線光量子，而是而是將將其它殼層（其它殼層（L層）電子電離層）電子電離，此被電離的電子，此被電離的電子具有特征能量具有特征能量，叫叫俄歇電子俄歇電子(Auger electrons)(Auger electrons)。n這種現象叫做俄歇效應。這種現象叫做俄歇效應。n俄歇電

43、子主要用于俄歇電子主要用于表面表面(10 )幾個原子層幾個原子層的成分分析。這種的成分分析。這種電子能量很低，在固體表面深處測量不到。電子能量很低，在固體表面深處測量不到。 俄歇效應 Auger effect入射入射X射線射線光電子光電子熒 光熒 光 X 射射線線俄歇電子俄歇電子 N M L KX射線光電效應,俄歇效應俄歇俄歇(Auger)(Auger)效應效應激發源激發源 打出電子打出電子 較外層電子向空位較外層電子向空位躍遷的能量躍遷的能量 不產生不產生X X射線而是打出某層電子（射線而是打出某層電子（俄歇俄歇電子）電子）二次特征二次特征X X射線射線: : 激發源（激發源（ X X射線射

44、線) ) 打出電子打出電子 較外層電子向空位較外層電子向空位躍遷的能量躍遷的能量 產生產生X X射線射線兩者比較兩者比較HI0IHX X射線衰減規律射線衰減規律x射線通過物質時，射線通過物質時，x射線強度衰減了。其中，因散射引起射線強度衰減了。其中，因散射引起的衰減遠遠小于因吸收導致的衰減量。因此，可以近似地的衰減遠遠小于因吸收導致的衰減量。因此，可以近似地認為，認為，x射線通過物質后其強度的衰減是由于物質對它的射線通過物質后其強度的衰減是由于物質對它的吸收所造成的吸收所造成的。 X X射線衰減規律射線衰減規律nX X射線的能量衰減符合指數規律，即射線的能量衰減符合指數規律，即nI IH H

45、- -透射束的強度透射束的強度nI I0 0-入射束的強度，入射束的強度，n-線吸收系數線吸收系數，表示對，表示對X X射線的吸收量，射線的吸收量，nH-H-物質的厚度物質的厚度 HoHeII透射系數與物質的密度成正比n通常用m表示物質的吸收n對多相混合物nW1，W2為重量百分比，為物質密度為物質密度m2211mmmWWX X射線衰減規律射線衰減規律質量吸收系數（附錄質量吸收系數（附錄2）質量吸收系數質量吸收系數mm與波長與波長 和原子序數和原子序數Z Z存在如下關存在如下關系系：n mmK K 3 3Z Z3 3n 這表明，當吸收物質一定時，這表明，當吸收物質一定時，X X射線的波長越長越容

46、易被射線的波長越長越容易被吸收吸收; ;n X X射線的波長固定時射線的波長固定時, ,吸收體的原子序數越高，吸收體的原子序數越高，X X射線越容射線越容易被吸收。易被吸收。X X射線吸收射線吸收n mmK K 3 3Z Z3 3mHoHeIIX射線衰減規律波長原子序數密度厚度 n吸收系數隨波長的增大而增大吸收系數隨波長的增大而增大, , 且在一定區間內是連續變且在一定區間內是連續變化的。這是因為化的。這是因為x x射線的波長越長越容易被物質所吸收。射線的波長越長越容易被物質所吸收。n在某些波長的位置上產生跳躍式的突變。即吸收限（吸收在某些波長的位置上產生跳躍式的突變。即吸收限（吸收邊）或激發限的存在。邊）或激發限的存在。吸收限的應用n為為避免避免K K譜線干擾譜線干擾, ,利用吸收限兩邊吸收系數相差懸殊的利用吸收限兩邊吸收系數相差懸殊的特點，制作濾波片，特點，制作濾波片，濾去濾去K K譜線譜線以獲得以獲得單色單色K K射線射線, ,作為作為衍射光源。衍射光源。濾濾波波片片n在在x射線分析中，在大射線分析中，在大多數情況下都希望所使多數情況下都希望所使用的用的x射線波長單一，射線波長單一，即即“單色單色”x射線。射線。但實際上，如上所述，但實際上，如上所述，k系特征譜線包括兩條系特