1、燃料耗盡而塌坍的脈燃料耗盡而塌坍的脈沖星沖星“PSR B1509-58” 其釋放的美麗其釋放的美麗X射線射線星云的直徑長達星云的直徑長達150光年。光年。“宇宙之手宇宙之手”伸向光芒伸向光芒 天體天體GRO J1655-40可能是一個可能是一個正在快速旋正在快速旋轉的黑洞轉的黑洞 美國宇航局快速號人美國宇航局快速號人造衛星觀測到的發生造衛星觀測到的發生在在130億年前的爆炸。億年前的爆炸。宇宙創始之后將近九宇宙創始之后將近九億年，迄今為止人們億年，迄今為止人們所觀測到的最遙遠的所觀測到的最遙遠的星體爆炸。星體爆炸。錢德拉太空望遠鏡錢德拉太空望遠鏡1.1 X射線的物理基礎射線的物理基礎一、一、X

2、射線學發展簡史射線學發展簡史倫琴W.K.RntgenW.K.Rntgen（1845-19231845-1923）1895年發現年發現X射線射線 1910年第一張諾貝爾物理學獎年第一張諾貝爾物理學獎1912年勞厄：勞埃方程年勞厄：勞埃方程1914年獲諾貝爾獎年獲諾貝爾獎1913年布拉格父子：布拉格方程年布拉格父子：布拉格方程1915年獲諾貝爾獎年獲諾貝爾獎時時 間間 人人 物物內內 容容1913年年Coolige（庫利）（庫利）發明熱陰極發明熱陰極X射線管射線管1914年年Moseley（莫塞萊）（莫塞萊）1/2K（Z -）1916年年Debye（德拜）（德拜）Scherrer（謝樂）（謝樂）發

3、明粉末法發明粉末法1918年年Scherrer（謝樂）（謝樂）提出測定微粒大小的方法提出測定微粒大小的方法1925年年Barrett（巴悅特）（巴悅特）提出了測定宏觀應力的方法提出了測定宏觀應力的方法1926年年Wever（韋佛）（韋佛）進行了晶粒取向的研究進行了晶粒取向的研究1928年年Geiger（蓋革）（蓋革）Mller（彌勒）（彌勒）發明了發明了GeigerMller計數器計數器1938年年Hanawalt（哈那瓦特）（哈那瓦特）建立了系統的物相定性分析方法建立了系統的物相定性分析方法 1943年年Fridman（富里德曼）（富里德曼）發明了發明了X射線衍射儀射線衍射儀第一節第一節 X

4、射線的物理基礎射線的物理基礎v1.1.1 X射線的發現與應用射線的發現與應用v1.1.2 X射線的本質射線的本質v1.1.3 X射線的產生及射線的產生及X射線管射線管v1.1.4 X射線譜（射線譜（Xray line）v1.1.5 X射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用所在電磁波段所在電磁波段1.1.2 X射線的本質射線的本質 X射線以射線以光速直線傳播光速直線傳播，c2.998108m/s。 X射線的波長范圍是：射線的波長范圍是：100.001nm。 在材料研究中，用于晶體結構分析時，在材料研究中，用于晶體結構分析時，X X射射線的波長范圍一般在線的波長范圍一般在0.250.250.05

5、 nm0.05 nm之間，若用之間，若用于探傷，其波長一般取于探傷，其波長一般取0.10.10.005 nm0.005 nm。 X射線之間可以相互作用，產生干涉、衍射等射線之間可以相互作用，產生干涉、衍射等現象。現象。 一、波動性一、波動性 X射線是由大量以光速運動的粒子組成的射線是由大量以光速運動的粒子組成的不連續粒子流不連續粒子流，這些粒子稱為光量子。每個光量子的能量：這些粒子稱為光量子。每個光量子的能量： hh h h普朗克常數，普朗克常數，6.636.6310103434JsJs； XX射線頻率，射線頻率，c/c/，XX射線波長射線波長 由于由于X X射線的波長很短，所以射線的波長很短

6、，所以X X射線的能量很大。射線的能量很大。 X射線可以與原子、電子相互作用，產生光電效應、熒光射線可以與原子、電子相互作用，產生光電效應、熒光輻射等現象。輻射等現象。 二、粒子性二、粒子性三、穿透能力強三、穿透能力強 X射線射線穿透能力強穿透能力強。它能夠穿透木塊、玻璃，。它能夠穿透木塊、玻璃，甚至金屬（甚至金屬（“鉛鉛”除外）。除外）。 伽瑪射線、微中子（中微子）穿透力更強。伽瑪射線、微中子（中微子）穿透力更強。這個50,000噸的巨型圓柱中微子探測器，座落在日本kamioka mozumi礦山的地下1,000米深處，用來做探測中微子、質子衰變、宇宙射線等等研究。它的“超凈化注水墻壁”上安

7、裝了大約12,000個超敏感的光電倍增管，這使它看上去帶有科幻電影般的恐怖美麗。第一節第一節 X射線的物理基礎射線的物理基礎1.1.1 X射線的發現與應用射線的發現與應用1.1.2 X射線的本質射線的本質1.1.3 X射線的產生及射線的產生及X射線管射線管1.1.4 X射線譜（射線譜（Xray line）1.1.5 X射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用一、一、X射線的產生射線的產生1.1.3 X射線的產生及射線的產生及X射線管射線管質子相互碰撞碰撞大型強子對撞機位于瑞士、法大型強子對撞機位于瑞士、法國邊境地下國邊境地下100米深的環形隧米深的環形隧道中，隧道全長達道中，隧道全長達27公里

8、公里 由高速運動的粒子與某種物質相由高速運動的粒子與某種物質相撞擊撞擊后后猝然減速，釋放大量的動能，從而激發猝然減速，釋放大量的動能，從而激發物質中的內層電子發生跳越物質中的內層電子發生跳越，而產生的，而產生的一種電磁波。一種電磁波。 連續譜連續譜v不同電子，損耗不不同電子，損耗不同，轉變的同，轉變的Xray光子能量不同，其光子能量不同，其波長就不同。由于波長就不同。由于存在大量電子，故存在大量電子，故可以得到各種波長可以得到各種波長的的Xray，從而形，從而形成連續成連續Xray譜。譜。 標識譜標識譜 能級躍遷能級躍遷特征特征X射線的產射線的產生過程：生過程：原子激發原子激發電子躍遷電子躍遷

9、釋放能量釋放能量產生特征產生特征X射線射線二、產生裝置二、產生裝置熱陰極熱陰極X射線管（射線管（也稱也稱電子式電子式X射線管射線管）陰極射線管顯示器發出電磁場和輻射：陰極射線管顯示器發出電磁場和輻射：X射線、紫外線、可見光、紅外線、微射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、射頻、波、射頻、VLF場（甚低頻場）和場（甚低頻場）和ELF場（極低頻場）。場（極低頻場）。 X射線管射線管 上上海海大大光光源源同步輻射同步輻射XRDXRD裝置裝置電子電子儲存儲存環旁環旁實驗實驗站站 三、三、X射線的產生條件射線的產生條件能產生自由電子的電子源（陰極）；能產生自由電子的電子源（陰極）；能阻礙自由電子運動的障礙

10、（陽極靶）；能阻礙自由電子運動的障礙（陽極靶）；能夠使自由電子高速定向運動（加高壓）；能夠使自由電子高速定向運動（加高壓）；能夠保持電子流穩定（加高真空）。能夠保持電子流穩定（加高真空）。 冷陰極冷陰極X射線管（射線管（離子式離子式X射線管）：射線管）： 先通過電離，產生正離子；先通過電離，產生正離子； 然后用正離子撞擊陰極，放出電子；然后用正離子撞擊陰極，放出電子； 再讓電子高速運動，撞擊陽極，產生再讓電子高速運動，撞擊陽極，產生X射線。射線。 第一節第一節 X射線的物理基礎射線的物理基礎v1.1.1 X射線的發現與應用射線的發現與應用v1.1.2 X射線的本質射線的本質v1.1.3 X射線

11、的產生及射線的產生及X射線管射線管v1.1.4 X射線譜（射線譜（Xray line）v1.1.5 X射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用X射線譜是指射線譜是指Xray強度強度I隨波長隨波長而變化的關系曲線。而變化的關系曲線。1.1.4 X射線譜（射線譜（Xray line）兩種類型：兩種類型：連續連續Xray譜譜 是從某一短波限是從某一短波限0 0開始，直到波長等于無窮大開始，直到波長等于無窮大的一系的一系列波長構成，也稱為白色列波長構成，也稱為白色XrayXray。特征特征Xray譜：譜： 是具有一定波長的若干特強的是具有一定波長的若干特強的XrayXray，疊加在強度連續平，疊加在強

12、度連續平滑變化的連續譜之上，也叫標識滑變化的連續譜之上，也叫標識XrayXray。 一、連續一、連續Xray譜譜 1、實驗規律、實驗規律 連續連續Xray譜具有下述規律：譜具有下述規律： 隨管電壓隨管電壓V增大增大 各種波長射線的相對強度各種波長射線的相對強度I（）一致增高。）一致增高。 最高強度最高強度Xray的波長的波長m變短。變短。 短波限短波限0 變小，即變小，即0向左方移動，同時，波向左方移動，同時，波譜變寬。譜變寬。 可見：管電壓既影響可見：管電壓既影響Xray的強度，也影響的強度，也影響Xray的波長范圍。的波長范圍。若管電壓若管電壓V保持恒定保持恒定 增大管電流增大管電流I I

13、，則強度一致增高；但波長，則強度一致增高；但波長mm、0 0數值大小不數值大小不變，即管電流不影響波長。變，即管電流不影響波長。若改變陽極靶元素若改變陽極靶元素 則則XrayXray譜形式不變，上述規律也不變，但譜線位置變化。譜形式不變，上述規律也不變，但譜線位置變化。 通常，隨著原子序數增大，各種波長的相對強度增大。通常，隨著原子序數增大，各種波長的相對強度增大。 連續譜線的產生原因：連續譜線的產生原因： 因為不同的電子，因為不同的電子，損耗不同損耗不同，則轉變，則轉變的的Xray光子能量不同，其波長就不同。光子能量不同，其波長就不同。由于存在由于存在大量電子大量電子，故可以得到各種波長，故

14、可以得到各種波長的的Xray，從而形成連續，從而形成連續Xray譜。譜。 2、短波限、短波限0 短波限的存在原因：短波限的存在原因： 由燈絲發射出的電子經高壓電場加速，電場的位能將轉化由燈絲發射出的電子經高壓電場加速，電場的位能將轉化為電子的動能：為電子的動能： （1/21/2）mm2 2=e V =e V V- V-管電壓，管電壓，e -e -電子的負荷電子的負荷 當一個電子的動能毫無損失地全部轉化為一個當一個電子的動能毫無損失地全部轉化為一個XrayXray光子光子時時，光子將達到最高的能量：，光子將達到最高的能量：maxmax=h=hmaxmax， 此時，此時，X射線就具有了最大的頻率射

15、線就具有了最大的頻率maxmax和最短的波長和最短的波長0 0。短波限短波限0的推導與計算的推導與計算 ： maxmax= (1/2)m= (1/2)m2 2=eV=eV h hmaxmax=h(c/=h(c/0 0) =) =maxmax 0 0=hc/ eV =hc/ eV h=6.63 h=6.631010-34-34JsJs， c=2.998c=2.99810108 8m/sm/s， e e4.804.8010101010靜電單位，靜電單位， V-V-管電壓，單位管電壓，單位 kVkV，轉化為靜電單位，轉化為靜電單位V V10103 3/300/300 0 0=1.24/V (nm)=

16、1.24/V (nm)注意：注意：公式的單位：公式的單位：0 0：nmnm； V V：kV kV 3、Xray的強度（的強度（Intensity） Xray的強度是指單位時間內，通過與的強度是指單位時間內，通過與Xray傳播方向垂傳播方向垂直的單位面積上的光量子數。直的單位面積上的光量子數。 庫倫坎普弗（庫倫坎普弗（Kulenkampff）經驗公式：）經驗公式： I Id=d=I(1/I(1/2 2)(1/)(1/0 01/) d1/) d I Idd表示波長在表示波長在 與與+d+d之間之間XrayXray的強度，的強度， I I稱為波長稱為波長處的處的XrayXray強度密度，強度密度，

17、為常數，為常數， 1.1 1.11.51.51010-9-9， I I為管電流。為管電流。 Z Z 陽極靶的原子序數陽極靶的原子序數 V V 管電壓管電壓 I I 管電流管電流 XrayXray的強度與的強度與I I、Z Z、V V2 2成正比成正比. . 20IZVdII連4、Xray管的效率管的效率(efficiency) Xray管的效率是指：管的效率是指： （Xray的強度）的強度） / （Xray管功率）比值管功率）比值. = I = I連連/P = /P = IZVIZV 2 2/IV = ZV/IV = ZV 主要與主要與Z Z、V V呈正比呈正比. . 二、特征二、特征Xray

18、譜譜 1、實驗規律、實驗規律 產生特征產生特征X射線所需要的最低管電壓，稱為激發電壓，射線所需要的最低管電壓，稱為激發電壓，以以V激激表示。表示。 激發電壓的大小與陽極靶材料有關：激發電壓的大小與陽極靶材料有關： ZV激激。 陽極靶材料不同，產生的特征陽極靶材料不同，產生的特征X射線譜波長不同。射線譜波長不同。元素元素 Ag Mo Cu Ni Co Fe Cr 原子序數原子序數 47422928272624V激激，kV 25.52 20.00 8.98 8.33 7.71 7.11 5.99 波長波長102nm K1 5.59417.093015.405616.579117.889719.36

19、0422.8971K2 5.63807.135915.443916.617517.928519.399822.9361K 5.60847.107315.418415.691917.902619.373522.9100K1 4.97096.322913.922215.001416.207917.566120.8487 當管電壓超過激發電壓而進一步升高時，當管電壓超過激發電壓而進一步升高時，特征特征X射線的波長不變，僅強度升高，且射線的波長不變，僅強度升高，且按按n次方規律增大。次方規律增大。 I I特特c Ic I（V VV V激激）n n c c 比例常數，比例常數， n n1.51.52 2

20、，也是常數。，也是常數。 (特征特征X射線射線) / (連續連續X射線射線) 強度的比值，強度的比值，稱為特征譜線的峰背比。稱為特征譜線的峰背比。 在在X射線管的工作電壓為激發電壓的射線管的工作電壓為激發電壓的35倍時最大，即：倍時最大，即： V（35）V激激時，時，I特特/ I連連最大。最大。 工作電壓的選擇原則。工作電壓的選擇原則。2、特征譜線產生機理（原子模型）、特征譜線產生機理（原子模型） 特征特征X射線的產生過程：射線的產生過程： 原子激發原子激發電子躍遷電子躍遷 釋放能量釋放能量產生特征產生特征X射線射線 比如，圖中是比如，圖中是L層的電子躍遷到層的電子躍遷到K層上，這個過程降層上

21、，這個過程降低的能量為：低的能量為：L LK K。 對于給定的物質，各原子能級的能量是固有的，所對于給定的物質，各原子能級的能量是固有的，所以能量差以能量差L LK K也是固定的。也是固定的。 當這個能量以一個當這個能量以一個X射線光子的形式輻射出射線光子的形式輻射出去時，就具有特定的波長：去時，就具有特定的波長： L LK K=h=hhc/hc/ hc/hc/（L LK K） 特征特征X X射線射線 根據原子模型定義各種譜線：根據原子模型定義各種譜線： 如果是如果是K層電子被外來的高能粒子轟擊出去，則稱為層電子被外來的高能粒子轟擊出去，則稱為K系系激發，隨之進行的電子躍遷引起的輻射就稱為激發

22、，隨之進行的電子躍遷引起的輻射就稱為K系輻射，系輻射，所產生的特征所產生的特征X射線就稱為射線就稱為K系譜線；系譜線； 同理，把同理，把L層電子被擊出的過程稱為層電子被擊出的過程稱為L系激發，隨之的電子系激發，隨之的電子躍遷引起的輻射稱為躍遷引起的輻射稱為L系輻射，所產生的特征系輻射，所產生的特征X射線就稱射線就稱為為L系譜線。系譜線。 等等。等等。 在一種譜系中，按照在一種譜系中，按照電子躍遷時所跨越的能電子躍遷時所跨越的能級數目的不同級數目的不同，又可以將同一輻射線系分，又可以將同一輻射線系分成若干小類。成若干小類。 分類的原則是：分類的原則是： 對跨越對跨越1、2、3、個能級所引起的輻射

23、分個能級所引起的輻射分別標以別標以、等符號。等符號。 這樣就出現了這樣就出現了K、K、L、L等譜線。等譜線。KLhcEWW光子KLhcWW3、莫塞萊定律（、莫塞萊定律（Moseley） 1/21/2K K（Z Z） or or （1/1/）1/21/2K K（Z Z） 式中：式中：、分別為特征分別為特征X X射線的頻率和波長；射線的頻率和波長； ZZ陽極靶元素的原子序數；陽極靶元素的原子序數； K K、K K、均為常數。均為常數。 應用：應用： 是波譜分析的基本依據；是波譜分析的基本依據； 利用它可以發明新的元素。利用它可以發明新的元素。 第一節第一節 X射線的物理基礎射線的物理基礎v1.1.

24、1 X射線的發現與應用射線的發現與應用v1.1.2 X射線的本質射線的本質v1.1.3 X射線的產生及射線的產生及X射線管射線管v1.1.4 X射線譜（射線譜（Xray line）v1.1.5 X射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用 X射線的應用射線的應用（1 1）窺探物質結構：）窺探物質結構： 從從1914到到1924年中，就有五位物理學家（勞年中，就有五位物理學家（勞厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究 X 射射線及其應用方面獲得了諾貝爾物理學獎。線及其應用方面獲得了諾貝爾物理學獎。 1912年，德國物理學家勞厄通過實驗，既證年，德國物理學家勞厄

25、通過實驗，既證明了明了X射線具有波動性，也證明了晶體中的原子射線具有波動性，也證明了晶體中的原子是有規則排列的。是有規則排列的。 晶體可看作三維立晶體可看作三維立體光柵體光柵, 根據勞厄斑點根據勞厄斑點的分布的分布, 可算出晶面間可算出晶面間距掌握晶體點陣結構距掌握晶體點陣結構.晶體底片鉛屏X 射線管勞厄斑點晶體結構晶體結構晶體結構晶體結構原子結構原子結構成分分析成分分析 圍繞圍繞X射線的性質和應用的研究，除倫琴外，射線的性質和應用的研究，除倫琴外，還有還有15項獲諾貝爾獎的課題與項獲諾貝爾獎的課題與X射線有關。射線有關。獲獎獲獎年代年代人人 物物成成 就就1914勞厄勞厄提出了用天然晶體的晶

26、格作為衍提出了用天然晶體的晶格作為衍射光柵，觀察到了射光柵，觀察到了X射線的衍射射線的衍射現象，證明現象，證明X射線是電磁波射線是電磁波1915布拉格父布拉格父子子利用利用X射線衍射進行晶體結構分射線衍射進行晶體結構分析析1927康普頓康普頓康普頓散射，揭示了康普頓散射，揭示了X射線光子射線光子的粒子性的粒子性a. 醫學診斷：醫學診斷：（2 2）在醫學中的應用：）在醫學中的應用： 上世紀六十年代，南非出生的美國物理學家科上世紀六十年代，南非出生的美國物理學家科馬克（馬克（Cormark）和英國電氣工程師洪斯菲爾德）和英國電氣工程師洪斯菲爾德（Hounsfield）提出用計算機控制）提出用計算機

27、控制 X 射線斷層掃描射線斷層掃描原理，并發明原理，并發明X射線斷層掃描儀（射線斷層掃描儀（XCT），使醫生），使醫生能看到人體內臟器官橫斷面圖象，從而準確診斷病能看到人體內臟器官橫斷面圖象，從而準確診斷病癥，他們兩人共享了癥，他們兩人共享了1979年諾貝爾生物學及醫學獎。年諾貝爾生物學及醫學獎。b. X射線治療：射線治療：c. X射線防護：射線防護：胎兒胎兒X射線照片射線照片醫學檢查醫學檢查工業探傷工業探傷（3 3）揭示生命奧秘揭示生命奧秘： 1953-1959年，小布拉格的兩位助手佩魯茨和年，小布拉格的兩位助手佩魯茨和肯德羅，用改進了的肯德羅，用改進了的X射線分析法測定了肌紅蛋白射線分析法

28、測定了肌紅蛋白及血紅蛋白的分子結構，為此獲得及血紅蛋白的分子結構，為此獲得 1962 年的諾貝年的諾貝爾化學獎。爾化學獎。 1962年諾貝爾生理學獎及醫學獎授予英國生物年諾貝爾生理學獎及醫學獎授予英國生物物理學家克里克、威爾金森、美國生物學家沃森，物理學家克里克、威爾金森、美國生物學家沃森，表彰他們發現表彰他們發現DNA的雙螺旋結構，這是的雙螺旋結構，這是20世紀生世紀生物學的最偉大成就，他們依靠的也是物學的最偉大成就，他們依靠的也是X射線分析法。射線分析法。DNA分子雙螺旋結構分子雙螺旋結構 （4）其它應用：其它應用： X光機對機場、車站對旅客行李的安全檢查；光機對機場、車站對旅客行李的安全

29、檢查； 檢驗集成電路板質量；檢驗集成電路板質量； 墻壁厚度測量；墻壁厚度測量； 測量尺寸的復雜變化；測量尺寸的復雜變化； 透視復雜物體的內部結構；透視復雜物體的內部結構； 輔助設計和生產；輔助設計和生產； 產生組件缺陷位置的影像；產生組件缺陷位置的影像； 用特征用特征X射線可對材料的元素成分做出分析，射線可對材料的元素成分做出分析，在考古、材料研究等方面有重要應用。在考古、材料研究等方面有重要應用。X光下的世光下的世界界X射線衍射成分分析無損檢測1.1.5 X射線與物質的相互作用射線與物質的相互作用X 射 線 原子或離子中的電子原子或離子中的電子受迫振動。受迫振動。振動著的電子振動著的電子成為

30、次生成為次生X射射線的波源，線的波源，向向外輻射與入射外輻射與入射 X X 射線同頻率射線同頻率的電磁波，稱的電磁波，稱為為散射波散射波。一）、相干散射一）、相干散射：由于入射線與散射線的波長與由于入射線與散射線的波長與頻率一致，位相固定，各散射波之間以及與入射頻率一致，位相固定，各散射波之間以及與入射波可以發生干涉，故稱相干散射（彈性散射）。波可以發生干涉，故稱相干散射（彈性散射）。干涉的結果干涉的結果：散射波在某些方向上相互加強，在散射波在某些方向上相互加強，在另一些方向上相互減弱或抵消。另一些方向上相互減弱或抵消。 晶體中發生衍射的基礎晶體中發生衍射的基礎相干散射并不損失相干散射并不損失

31、x-rayx-ray能量，而只是改變了它的傳能量，而只是改變了它的傳播方向，但對入射線方向來說，卻起了強度衰減的播方向，但對入射線方向來說，卻起了強度衰減的作用。作用。 一、一、X射線的散射射線的散射二）、非相干散射二）、非相干散射 1、概念、概念 電子被撞出原來的軌道，成為反沖電子，而入射電子被撞出原來的軌道，成為反沖電子，而入射X射線被撞偏方向，在射線被撞偏方向，在角度上形成散射角度上形成散射X射線。射線。 由于反沖電子消耗一定的能量（變為動能），由于反沖電子消耗一定的能量（變為動能），故散射故散射X射線的能量要比入射射線的能量要比入射X射線低，其波長變射線低，其波長變大，頻率變小，從而使

32、散射波與入射波之間不存大，頻率變小，從而使散射波與入射波之間不存在固定的位相關系，因此不能產生任何干涉效應。在固定的位相關系，因此不能產生任何干涉效應。 所以，這種散射被稱為非相干散射。也稱為所以，這種散射被稱為非相干散射。也稱為康普頓康普頓吳有訓散射，或康普頓吳有訓散射，或康普頓吳有訓效應吳有訓效應 ，或量子散射。或量子散射。 2、非相干散射的特征、非相干散射的特征波長變化波長變化 設散射波的波長為設散射波的波長為，入射波的波長為，入射波的波長為，則，則，其增量為：其增量為： 0.002430.00243（1 1cos2cos2） nmnm 式中，式中，22是散射波與入射波之間的夾角，稱為散

33、是散射波與入射波之間的夾角，稱為散射角。射角。 可見：可見：隨散射角隨散射角2而變化。而變化。 非相干散射波分布在各個方向上，強度很非相干散射波分布在各個方向上，強度很低，且隨低，且隨sin2/的增加而增大。的增加而增大。 非相干散射不能參與衍射，也無法避免，非相干散射不能參與衍射，也無法避免，通常，它在衍射圖形上形成連續的背底，通常，它在衍射圖形上形成連續的背底，會給分析帶來困難。會給分析帶來困難。二、二、X射線的吸收射線的吸收物質對物質對x-ray的吸收，的吸收，指的是指的是x-ray能量在通過物質時轉能量在通過物質時轉變為其它形式的能量，變為其它形式的能量，對對x-ray而言，也就是發生

34、了能量而言，也就是發生了能量損耗。損耗。物質對物質對x-ray的吸收主要是由原子內部的電子躍遷而引起的吸收主要是由原子內部的電子躍遷而引起的。的。發生發生x-ray的的光電效應光電效應和和俄歇效應俄歇效應，使，使x-ray的部分能量的部分能量轉變成為光電子、熒光轉變成為光電子、熒光x-ray及俄歇電子的能量，故及俄歇電子的能量，故x-ray的強度被衰減。的強度被衰減。當入射當入射X射線光子的能量射線光子的能量足夠大時，足夠大時，(h明顯超過明顯超過原子的芯電子束縛能原子的芯電子束縛能Eb)，將使原子中的內層電子被將使原子中的內層電子被擊出，使原子處于激發態。擊出，使原子處于激發態。隨后，原子中

35、的外層電子隨后，原子中的外層電子將躍遷到內層電子空位上，將躍遷到內層電子空位上，同時輻射出特征同時輻射出特征X射線射線(輻輻射躍遷射躍遷)。 光電子光電子h特征特征X X射線射線二次特征二次特征X X射線，射線，熒光熒光X X射線射線1 1）光電效應與熒光）光電效應與熒光( (二次特征二次特征) )輻射輻射v光電效應光電效應吸收限的產生機制吸收限的產生機制x-ray與物質相互作用可以看作是與物質相互作用可以看作是x-ray光子和物質中的原子相互碰撞，光子與光子和物質中的原子相互碰撞，光子與原子的碰撞很像前面講過的電子與陽極靶的原子碰撞產生標識原子的碰撞很像前面講過的電子與陽極靶的原子碰撞產生標

36、識x-ray譜的情況。譜的情況。當當x-ray波長足夠短時，其光子的能量就很大，以至能把原子中處于某一能級波長足夠短時，其光子的能量就很大，以至能把原子中處于某一能級上的電子打出來使原子處于高能激發態，內層出現空位，外層電子往此空位上的電子打出來使原子處于高能激發態，內層出現空位，外層電子往此空位躍遷，產生標識躍遷，產生標識x-ray。光電效應光電效應這種以光子激發原子所發生的激發和輻射過程稱為光電效應，被擊出的電子這種以光子激發原子所發生的激發和輻射過程稱為光電效應，被擊出的電子稱為稱為光電子光電子，所輻射出的次級標識，所輻射出的次級標識x-ray（由（由x-ray激發出的激發出的x-ray

37、）稱為）稱為熒光熒光x-ray（二次標識（二次標識x-ray）。）。一次的特征一次的特征x-ray的一部分能量轉變為所照射物質的二次特征輻射，表現為物的一部分能量轉變為所照射物質的二次特征輻射，表現為物質對入射質對入射x-ray的吸收，這一吸收非常強烈。的吸收，這一吸收非常強烈。v2 2）俄歇效應）俄歇效應 v定義定義：光子與物質中原子相撞，使原子處于激發狀態，當外光子與物質中原子相撞，使原子處于激發狀態，當外層電子躍入內層空位時，其多余的能量不以層電子躍入內層空位時，其多余的能量不以x-ray形式放出形式放出（熒光（熒光x-ray），而是傳遞給其它外層的電子，使之脫離原），而是傳遞給其它外層

38、的電子，使之脫離原子。子。 俄歇效應俄歇效應。 例：俄歇電子例：俄歇電子KL2L2 vK層電子被擊出，層電子被擊出，L2層電子跳入層電子跳入K層空位，多余能量傳遞層空位，多余能量傳遞L2、L3、M層電子，使其脫離原子（形成二次電子）。層電子，使其脫離原子（形成二次電子）。這種二次電子稱俄歇電子，上述這種二次電子稱俄歇電子，上述K層一個空位被層一個空位被L層二個空層二個空位所代替，這個過程稱俄歇效應（無輻射躍遷過程）。位所代替，這個過程稱俄歇效應（無輻射躍遷過程）。 俄歇效應俄歇效應光電子光電子 俄歇電子俄歇電子 俄歇電子俄歇電子 KL1L1 LM1M1L1KL2v命名命名:俄歇電子通常用俄歇電

39、子通常用參與俄歇過程的三個能級來命名參與俄歇過程的三個能級來命名。即：。即：初態空位所在能級、向空位作無輻射躍遷電子原在能級、發初態空位所在能級、向空位作無輻射躍遷電子原在能級、發射電子原在能級。上例中俄歇電子為射電子原在能級。上例中俄歇電子為KL2L2。說明說明：伴隨光電吸收發生的有熒光伴隨光電吸收發生的有熒光x-ray和俄歇電子。（輻和俄歇電子。（輻射躍遷和無輻射躍遷）射躍遷和無輻射躍遷）通常熒光通常熒光x-ray和俄歇電子是同時存在的。和俄歇電子是同時存在的。v用途用途：俄歇電子的能量只取決于物質原子的能級結構（與參俄歇電子的能量只取決于物質原子的能級結構（與參與該過程的三個能級能量有關

40、），每種元素都有自己的特征與該過程的三個能級能量有關），每種元素都有自己的特征俄歇電子能譜，它是元素的固有特征。所以，可以用俄歇電俄歇電子能譜，它是元素的固有特征。所以，可以用俄歇電子能譜做元素的成分分析及試樣表面狀態分析等。子能譜做元素的成分分析及試樣表面狀態分析等。三、三、X射線的衰減射線的衰減 1、衰減規律、衰減規律 I0：入射：入射X射線強度射線強度 I：透過物質后的強度：透過物質后的強度 I：x處處X射線強度射線強度dI：X射線通過無限小薄層射線通過無限小薄層dx時的衰減量時的衰減量 dIdIIdxIdx 即：即： dIdIIdxIdx 式中：式中：比例常數，稱為線吸收系數，或線衰比

41、例常數，稱為線吸收系數，或線衰減系數，單位為減系數，單位為cmcm1 1。其物理意義是在。其物理意義是在X X射線傳射線傳播方向上，單位長度上播方向上，單位長度上X X射線的衰減程度，它主射線的衰減程度，它主要與入射要與入射X X射線的波長及物質種類有關。對于給射線的波長及物質種類有關。對于給定物質，和特定波長定物質，和特定波長X X射線，射線，為常數。為常數。 積分上述方程：積分上述方程： I II I0 0 xx 或：或： I II I0 0eexx可見：可見：X射線通過物質時，按指數規律迅速衰減的。射線通過物質時，按指數規律迅速衰減的。 xIIdxIdI002、質量吸收系數、質量吸收系數

42、 線吸收系數線吸收系數與物質的密度與物質的密度有關，通常：有關，通常： 為了消除密度（即物質的狀態）的影響，引入一為了消除密度（即物質的狀態）的影響，引入一個新的系數個新的系數m： mm/ 稱為質量吸收系數，稱為質量吸收系數，單位為單位為cmcm2 2gg1 1。 它反映每克物質引起的相對衰減量，主要取決于它反映每克物質引起的相對衰減量，主要取決于物質的化學成分和入射物質的化學成分和入射X射線的波長。射線的波長。 幾點規律：幾點規律：對單一元素組成的物質，對單一元素組成的物質，m與其原子序數與其原子序數Z，及入，及入射射X射線的波長射線的波長之間存在明顯的函數關系：之間存在明顯的函數關系： m

43、m3 3Z Z3 3 mm 但在但在k處發生突變，突然增大。處發生突變，突然增大。 原因：此時原因：此時X射線的能量達到了激發射線的能量達到了激發K層電層電子，引起二次特征輻射的程度，其能量被大子，引起二次特征輻射的程度，其能量被大量吸收，故量吸收，故m突然增大。突然增大。 發生突變吸收的波長發生突變吸收的波長k稱為吸收限。稱為吸收限。 k1.24/Vk nm Vk激發電壓，激發電壓，kV； k吸收限，又稱為激發限，吸收限，又稱為激發限，nm。 連續譜的質量吸收系數連續譜的質量吸收系數 當連續當連續X射線穿過物質時，通常取各波長吸收系射線穿過物質時，通常取各波長吸收系數的平均值。數的平均值。

44、這個平均值相當于這個平均值相當于1.31.40波長時對應的吸收波長時對應的吸收系數（系數（0為短波限），這個波長稱為有效波長：為短波限），這個波長稱為有效波長： 有效有效1.31.31.41.40 01.351.350 0 1.35 (1.24/V)1.35 (1.24/V)1.67/V (nm) 1.67/V (nm) 復雜物質的質量吸收系數復雜物質的質量吸收系數 當當X射線通過多種元素組成的復雜物質，如化合物、射線通過多種元素組成的復雜物質，如化合物、固溶體、機械混合物時，其衰減將受到各種元素固溶體、機械混合物時，其衰減將受到各種元素的影響，但卻與這些原子之間的結合方式無關。的影響，但卻與

45、這些原子之間的結合方式無關。 mmmimi W Wi i（/）i i W Wi i 式中：式中：mimi或（或（/）i i為為i i種元素的質量吸收系數；種元素的質量吸收系數；WWi i為為i i元素的質量分數。元素的質量分數。四、吸收限（四、吸收限（k）的應用）的應用1、濾波片（、濾波片（Filter）的選擇）的選擇材料材料材料選取：材料選取： kkk k：濾波片的吸收限；：濾波片的吸收限； k：K譜線的波長；譜線的波長； k：K譜線的波長。譜線的波長。獲取單波長獲取單波長X射線射線濾波片濾波片濾波選擇吸收限介于選擇吸收限介于X X射線中的射線中的KK和和KK的波長之間的物質。的波長之間的物

46、質。應用：應用：濾波片實際上是利用吸收限兩濾波片實際上是利用吸收限兩邊吸收系數相差懸殊的特點制成邊吸收系數相差懸殊的特點制成的。的。 如果選擇一種材料其如果選擇一種材料其K吸收限吸收限波長波長K恰好位于所用特征恰好位于所用特征x-ray的的K與與K線波長之間（盡量靠近線波長之間（盡量靠近K），此時，對），此時，對K線及連續譜線線及連續譜線吸收很大，而對吸收很大，而對K線的吸收卻很線的吸收卻很小，可得到基本上是單色的小，可得到基本上是單色的K譜譜線。線。 幾種元素幾種元素K系射線波長和常用的濾波片及其吸收限系射線波長和常用的濾波片及其吸收限 規律：規律： 設陽極靶元素的原子序數為設陽極靶元素的原

47、子序數為Z靶靶， 濾波片物質的原子序數為濾波片物質的原子序數為Z片片， 則：則： 當當 Z Z靶靶4040時，時，Z Z片片Z Z靶靶1 1 Z Z靶靶4040時，時，Z Z片片Z Z靶靶2 2厚度厚度 濾波片必須具有合適的厚度。若太薄，會對濾波片必須具有合適的厚度。若太薄，會對K譜線譜線濾得不徹底；而太厚時，又會吸收掉部分濾得不徹底；而太厚時，又會吸收掉部分K譜線。譜線。 實驗表明，當實驗表明，當K譜線的強度被吸收到原來的一半時，譜線的強度被吸收到原來的一半時，K/K的強度比值可由濾波前的的強度比值可由濾波前的1/5提高到提高到1/500左右，左右，這樣便可以滿足一般的衍射分析工作的要求。這樣便可以滿足一般的衍射分析工作的要求。濾濾波片的厚度設計原則波片的厚度設計原則 2、陽極靶（、陽極靶（Positive target）的選擇）的選擇 材料選取：陽極靶的材料選取：陽極靶的K譜線波長應比試樣的譜線波長應比試樣的 吸收限吸收限k稍長一些稍長一些 。避免熒光輻射避免熒光輻射試樣試樣幾種元素幾種元素K系射線波長及其吸收限系射線波長及其吸收限 v根據根據m=K Z33知知m