X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)課件保存于：cailiaofenxi@163.com密碼：xingxiaodong1X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)一、X射線的性質(zhì)二、X射線的產(chǎn)生三、X射線譜四、X射線與物質(zhì)的相互作用2X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)一、X射線的性質(zhì)二、X射線的產(chǎn)生三、X射線譜四、X射線與物質(zhì)的相互作用3一、X射線的性質(zhì)（1）引言X射線的發(fā)現(xiàn)是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)（X射線1895年、放射線1896年、電子1897年）之一，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著現(xiàn)代物理學(xué)的產(chǎn)生。倫琴榮獲1901年第一屆諾貝爾物理獎(jiǎng)；貝克勒爾，居里1903年；湯姆遜1906年；4一、X射線的性質(zhì)（2）發(fā)現(xiàn)X射線1894年11月8日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線管的高壓放電現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)了能使熒光屏發(fā)光的一種新射線。1895年12月22日，倫琴和他夫人拍下第一張X射線照片。1895年12月28日，倫琴第一篇研究通訊《一種新射線——初步研究》。倫琴將當(dāng)時(shí)無(wú)法確定本質(zhì)的新射線稱為X射線。5一、X射線的性質(zhì)（3）X射線的主要特征肉眼不可見，但能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光，能使照相底片感光呈直線傳播，經(jīng)過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)具有自身的特點(diǎn)（很高的穿透能力、可被物質(zhì)吸收和減弱、可使空氣電離、對(duì)生物細(xì)胞有殺傷作用等）6一、X射線的性質(zhì)（4）貢獻(xiàn)幾個(gè)月后被用于醫(yī)學(xué)診斷，后來(lái)又用于金屬材料和機(jī)械零件的探傷。1901年獲第一屆諾貝爾物理獎(jiǎng)。1912年勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線通過(guò)晶體時(shí)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，證明了X射線的波動(dòng)性和晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的周期性。（1914諾獎(jiǎng)）1912年11月，布拉格利用X射線分析晶體結(jié)構(gòu)，提出著名的布拉格方程，成功解釋勞厄的實(shí)驗(yàn)。（1915諾獎(jiǎng)）7一、X射線的性質(zhì)（4）貢獻(xiàn)圖為澳大利亞悉尼大學(xué)一名工作人員在審視手中的X射線照片8一、X射線的性質(zhì)（5）X射線的本質(zhì)1912年，德國(guó)物理學(xué)家勞厄（M.V.Laue)等根據(jù)理論預(yù)見到，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)：X射線照射晶體時(shí)，將產(chǎn)生干涉（即衍射）現(xiàn)象。證明了X射線的本質(zhì)是電磁波。這是X射線衍射學(xué)的第一個(gè)里程碑。X射線的本質(zhì)是波長(zhǎng)極短的電磁波；同可見光、紫外線以及其它基本粒子（電子、中子、質(zhì)子等）都一樣，都具有波粒二象性。既有波動(dòng)性，又有粒子性，都會(huì)產(chǎn)生干涉、衍射、吸收和光電效應(yīng)等。X射線的波長(zhǎng)較短，X光子的能量就相對(duì)較高，因此它的微粒特性比較明顯。9一、X射線的性質(zhì)（6）X射線的波長(zhǎng)度量單位：埃，納米nmX射線的波長(zhǎng)范圍為10~0.001nm對(duì)應(yīng)能量0.124~1240KeV波長(zhǎng)越長(zhǎng)，波動(dòng)性越明顯；波長(zhǎng)越短，粒子性越明顯；10-1510-1410-1210-1010-810-610-410-2110

宇宙射線射線X射線

紫外線可見光

無(wú)線電波

紅外線圖電磁波譜10一、X射線的性質(zhì)（7）X射線的波粒二象性波動(dòng)性：X射線以一定的波長(zhǎng)和頻率在空間傳播，反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性；X射線干涉、衍射；粒子性：X射線以光子形式輻射和吸收時(shí)，具有一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量，反映了物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的分立性。

——λ越小，p和ε越大，X射線穿透能力越強(qiáng)。11一、X射線的性質(zhì)（8）X射線的分類根據(jù)X射線波長(zhǎng)的不同，可將X射線分為以下兩種：硬X射線：波長(zhǎng)短軟X射線：波長(zhǎng)較長(zhǎng)波長(zhǎng)愈短穿透能力愈強(qiáng)，用于金屬探傷的X射線波長(zhǎng)為0.005~0.01nm或更短；適用于晶體結(jié)構(gòu)分析的X射線，波長(zhǎng)約為0.05~0.25nm。12一、X射線的性質(zhì)（9）X射線探測(cè)與防護(hù)因X射線是人類肉眼看不見的射線，必須使用專門的設(shè)備和儀器進(jìn)行間接探測(cè)。探測(cè)X射線的主要儀器設(shè)備是：熒光屏、照相底片和探測(cè)器等。過(guò)量的X射線對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生有害影響，且影響程度取決于X射線的強(qiáng)度、波長(zhǎng)和人體的受害部位。操作調(diào)試時(shí)，要嚴(yán)格遵守安全條例，注意采取防護(hù)措施，要特別注意不要讓身體直接暴露在X射線束照射之中。13X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)一、X射線的性質(zhì)二、X射線的產(chǎn)生三、X射線譜四、X射線與物質(zhì)的相互作用14二、X射線的產(chǎn)生（1）X射線的產(chǎn)生條件X射線是由高速運(yùn)動(dòng)著的帶電粒子（電子）與某種物質(zhì)撞擊突然被阻止時(shí)，伴隨電子動(dòng)能的消失或轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生的。要獲得X射線，必須滿足以下條件：（1）產(chǎn)生并發(fā)射自由電子的電子源，如加熱鎢絲發(fā)射熱電子；（2）在真空中（一般為10-4Pa），使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng)；（3）在高速電子流的運(yùn)動(dòng)路程上設(shè)置一障礙物（陽(yáng)極靶），使高速運(yùn)動(dòng)的電子突然受阻而停止下來(lái)。15二、X射線的產(chǎn)生（1）X射線的產(chǎn)生條件X射線產(chǎn)生的本質(zhì)：電子在轟擊激發(fā)材料時(shí)，實(shí)際就是電子從原子核附近穿過(guò)，受到原子核電磁場(chǎng)的作用（非彈性散射）而偏轉(zhuǎn)減速時(shí)釋放的多余能量——以連續(xù)X射線形式釋放；或者是高速電子將原子中的K層電子打出，L層電子躍遷到K層時(shí)釋放多余的勢(shì)能，以特征X射線形式釋放。

16二、X射線的產(chǎn)生（2）X射線管電子式X射線管實(shí)質(zhì)上是一個(gè)真空二極管，陰極是發(fā)射電子的燈絲、而陽(yáng)極是阻礙電子運(yùn)動(dòng)的金屬靶面，陰極和陽(yáng)極都密封在高真空（1.3*10-4Pa）的管內(nèi)。封閉電子式X射線管及其工作原理圖燈絲變壓器高壓變壓器燈絲靶窗口X射線17二、X射線的產(chǎn)生（2）X射線管陰極（燈絲）：鎢絲制成，通電加熱至白熱后放出熱電子在30KV~50KV高壓電場(chǎng)作用下，電子高速向陽(yáng)極轟擊而產(chǎn)生X射線。為了聚焦電子束，在燈絲外有金屬聚焦罩，其電位較陰極低100V~400V。金屬聚焦罩用高熔點(diǎn)金屬鉬或鉭制造。X射線管結(jié)構(gòu)圖18二、X射線的產(chǎn)生（2）X射線管陽(yáng)極（靶）：使電子突然減速發(fā)射X射線；由熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱好的銅制成。為了獲得各種波長(zhǎng)的X射線，常在電子束轟擊的陽(yáng)極靶面鍍一層Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag和W等元素。因高速電子的動(dòng)能僅1%左右轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，99%都轉(zhuǎn)變成熱能，為避免燒熔靶面，需通水冷卻。19二、X射線的產(chǎn)生（2）X射線管窗口：金屬鈹制成，是X射線射出的通道，要求既要由足夠的強(qiáng)度維持高真空，又要對(duì)X射線吸收小。通常由四個(gè)或兩個(gè)窗口。X射線在各個(gè)方向上的強(qiáng)度不相同，與電子束垂直的方向，強(qiáng)度最大。由于靶面不是絕對(duì)光滑平整，因此常在與靶面成6度的方向接收X射線。20二、X射線的產(chǎn)生（3）X射線管的焦點(diǎn)焦點(diǎn)是陽(yáng)極靶表面被電子束轟擊的一塊面積，X射線就從這塊面積上發(fā)出。焦點(diǎn)的形狀和尺寸是X射線管的重要特性之一。焦點(diǎn)的形狀取決于燈絲形狀，螺線形燈絲產(chǎn)生長(zhǎng)方形焦點(diǎn)。為提高X射線衍射的分辨本領(lǐng)，要求焦點(diǎn)小、強(qiáng)度高。縮小焦點(diǎn)途徑——在與靶面成一定角度位置接受X射線。21二、X射線的產(chǎn)生（4）其他結(jié)構(gòu)的X射線管旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管：采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ龟?yáng)極高速旋轉(zhuǎn)，這樣，可使靶面受電子轟擊的部位——焦斑隨之改變，有利于散熱，可以提高X射線管的額定功率幾倍到幾十倍。細(xì)聚焦X射線管：在X射線管陰陽(yáng)極之間，添加一套靜電透鏡或電磁透鏡，使陰極發(fā)射的電子束聚焦在陽(yáng)極上，焦斑只有幾個(gè)微米到幾十微米。雖然電子束流減小，但因焦斑小，單位焦斑面積發(fā)射的X射線強(qiáng)度增加。這種X射線管，除了可以縮短拍攝照片得到極細(xì)的X射線束，有利于提高結(jié)構(gòu)分析的精度。22X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)一、X射線的性質(zhì)二、X射線的產(chǎn)生三、X射線譜四、X射線與物質(zhì)的相互作用23三、X射線譜（1）X射線譜X射線譜：用適當(dāng)?shù)姆椒y(cè)量X射線管發(fā)出的X射線的波長(zhǎng)及其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度，并在強(qiáng)度——波長(zhǎng)坐標(biāo)上得到的X射線強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化曲線。兩類X射線譜：連續(xù)X射線譜特征（標(biāo)識(shí)）X射線譜24三、X射線譜（2）連續(xù)X射線譜連續(xù)X射線譜：在一定的管電壓U（如50KV）以下，X射線強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化，稱這種譜線為連續(xù)X射線譜，即連續(xù)譜。連續(xù)X射線譜的特點(diǎn)：在短波方向上有短波限λ0，波長(zhǎng)的最小值每條譜線都有一個(gè)強(qiáng)度最大值，譜線最大強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)λmax，最大值出現(xiàn)在1.5λ0處隨管電壓增大，強(qiáng)度相應(yīng)增高，譜線的短波限和強(qiáng)度最大值均相短波方向移動(dòng)。圖鎢靶連續(xù)X射線譜max025三、X射線譜（2）連續(xù)X射線譜用經(jīng)典物理學(xué)和量子理論可以解釋連續(xù)譜的變化規(guī)律和產(chǎn)生機(jī)理：當(dāng)X射線管兩極間加高壓時(shí)，大量電子（例如，當(dāng)管電流為10mA時(shí)，也即每秒通過(guò)0.01C的電量時(shí)，1s內(nèi)射向陽(yáng)極的電子數(shù)為6.25*1016個(gè)電子）在高壓電場(chǎng)的作用下，以極高的速度向陽(yáng)極靶面轟擊；由于陽(yáng)極的阻礙作用，電子將產(chǎn)生極大的負(fù)加速度。26三、X射線譜（2）連續(xù)X射線譜經(jīng)典物理學(xué)：一個(gè)帶負(fù)電荷的電子做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子周圍的電磁場(chǎng)將發(fā)生急劇變化，此時(shí)必然要產(chǎn)生一個(gè)電磁波，或至少一個(gè)電磁脈沖。由于極大數(shù)量的電子射到陽(yáng)極上的時(shí)間和條件不可能相同，因而得到的電磁波將具有連續(xù)的各種波長(zhǎng)，形成連續(xù)X射線譜。27三、X射線譜（2）連續(xù)X射線譜量子理論：X射線光子的產(chǎn)生當(dāng)能量為eU的電子與靶原子碰撞時(shí)，電子失去能量，其中一部分以光子形式輻射出去。每碰撞一次，產(chǎn)生一個(gè)能量為hν的光子。連續(xù)譜的形成大量的電子在到達(dá)靶面的時(shí)間、條件均不同，而且還有多次碰撞，因而產(chǎn)生不同能量不同強(qiáng)度的光子序列，即形成連續(xù)譜。28三、X射線譜（2）連續(xù)X射線譜關(guān)于短波限極限情況下，能量為eU的電子在碰撞中一次把能量全部轉(zhuǎn)給光子，那么該光子獲得最高能量并具有最短波長(zhǎng)，即短波限λ0

——短波限只與管電壓有關(guān)，并隨管電壓增大減小29三、X射線譜（2）連續(xù)X射線譜關(guān)于強(qiáng)度最大值X射線的強(qiáng)度定義為單位時(shí)間內(nèi)通垂直于傳播方向的單位截面的能量大小，即通過(guò)單位面積的光量子流率，取決于光子能量hν和光子數(shù)目n。

——強(qiáng)度最大值不出現(xiàn)在光子能量最大值λ0處，而是大約1.5λ0處30三、X射線譜（2）連續(xù)X射線譜X射線的總強(qiáng)度連續(xù)X射線譜線下的面積表示連續(xù)X射線的總強(qiáng)度Ig，即陽(yáng)極靶發(fā)射出的X射線的總能量：

經(jīng)驗(yàn)公式：

i—管電流，U—管電壓，Z—陽(yáng)極靶原子序數(shù)，K，m——常數(shù)（m≈2，K≈(1.1~1.4)×10-9）31三、X射線譜（2）連續(xù)X射線譜X射線管發(fā)射連續(xù)X射線的效率

對(duì)于W靶，Z=74，當(dāng)U=100KV時(shí)，η≈1%

——其余能量在靶上轉(zhuǎn)化為熱能。32三、X射線譜（2）連續(xù)X射線譜連續(xù)譜與電流、電壓和靶材的關(guān)系圖連續(xù)譜與電流、電壓和靶材的關(guān)系33三、X射線譜（3）特征X射線譜在連續(xù)X射線譜的基礎(chǔ)上產(chǎn)生。當(dāng)管電壓繼續(xù)升高，大于某個(gè)臨界值時(shí)，在連續(xù)譜線的某個(gè)波長(zhǎng)處出現(xiàn)強(qiáng)度峰，成為特征X射線。將這一臨界電壓稱為激發(fā)電壓。當(dāng)電壓加到25KV時(shí)，Mo靶的連續(xù)X射線譜上出現(xiàn)了二個(gè)尖銳的峰K

(0.071nm)和K

(0.063nm)。

圖Mo靶的連續(xù)X射線譜與特征X射線譜34三、X射線譜（3）特征X射線譜特征X射線譜的特征在連續(xù)譜上出現(xiàn)特征譜線，常見Kα，Kβ兩條K波長(zhǎng)比K長(zhǎng)，K與K強(qiáng)度比約為5：1K還分為K1和K2兩條線，K1和K2強(qiáng)度比約為2：1。

35三、X射線譜（3）特征X射線譜特征X射線譜的特征圖Mo的標(biāo)識(shí)X射線譜隨著電壓的增大，特征譜強(qiáng)度增強(qiáng)，但波長(zhǎng)不變，也就是說(shuō)，這些譜線的波長(zhǎng)與管壓和管流無(wú)關(guān)。

它與靶材有關(guān)。對(duì)給定的靶材，它們的這些譜線是特定的。因此，稱之為特征X射線譜或標(biāo)識(shí)X射線譜。產(chǎn)生特征X射線的最低電壓稱激發(fā)電壓。

36三、X射線譜（3）特征X射線譜特征譜的產(chǎn)生機(jī)理LKMNK系激發(fā)KKKL系激發(fā)LLE3E2E1E4OLKMNK系激發(fā)L系激發(fā)KKKLL圖特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理37三、X射線譜（3）特征X射線譜特征譜的產(chǎn)生機(jī)理特征X射線的產(chǎn)生主要與原子內(nèi)部電子的激發(fā)與躍遷有關(guān)。原子中電子是按一定的規(guī)則(泡利不相容原理和能量最低原理）分布在核外不連續(xù)的軌道（殼層）上。這些軌道標(biāo)識(shí)為K、L、M、N等，它們具有特定的能級(jí)，而且由內(nèi)而外，能級(jí)逐漸升高；相鄰兩層的能量差隨著主量子數(shù)的增加而減小，即K、L兩層之間的能量差最大。當(dāng)原子受到高速電子的撞擊時(shí)，如果這些電子束的能量足夠大，它們就會(huì)將原子內(nèi)層的電子打出去，這一過(guò)程稱激發(fā)。K層電子的打出稱K系激發(fā)，依次有L系、M系激發(fā)等。當(dāng)內(nèi)層電子被激發(fā)后，便在原有的位置上留下一個(gè)空位，外層電子就會(huì)躍入此空位，同時(shí)將多余的能量以X射線光子的形式釋放出來(lái)，這一過(guò)程稱躍遷。38三、X射線譜（3）特征X射線譜特征譜的產(chǎn)生機(jī)理輻射出的X光子能量由電子躍遷所跨越的兩個(gè)能級(jí)的能量差來(lái)決定。比如n2n1層電子的躍遷：式中，n2，n1分別為電子躍遷前后所在的能級(jí)，En2，En1分別為電子躍遷前后的能量狀態(tài)。原子內(nèi)部電子軌道間的電子躍遷產(chǎn)生的射線波長(zhǎng)在X射線的范圍之內(nèi)。各個(gè)原子中各電子層間的能量差是一定的，所以由此產(chǎn)生的X射線波長(zhǎng)是一定的。這就是特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理。39三、X射線譜（3）特征X射線譜特征X射線的命名當(dāng)K電子被打出K層時(shí)，如L層電子來(lái)填充K空位時(shí)，則產(chǎn)生Kα輻射。此X射線的能量為電子躍遷前后兩能級(jí)的能量差。同樣當(dāng)K空位被M層電子填充時(shí)，則產(chǎn)生Kβ輻射。M能級(jí)與K能級(jí)之差大于L能級(jí)與K能級(jí)之差，即一個(gè)Kβ光子的能量大于一個(gè)Kα光子的能量；Kβ的波長(zhǎng)就小于Kα。但因L→K層躍遷的幾率比M→K遷附幾率大五倍，故Kα輻射強(qiáng)度比Kβ大五倍左右。顯然，當(dāng)L層電子填充K層后，原子由K激發(fā)狀態(tài)變成L激發(fā)狀態(tài)，此時(shí)更外層如M、N……層的電子將填充L層空位，產(chǎn)生L系輻射。因此，當(dāng)原子受到K激發(fā)時(shí)，除產(chǎn)生K系輻射外，還將伴生L、M……等系的輻射。除K系輻射因波長(zhǎng)短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波長(zhǎng)長(zhǎng)而被吸收。40三、X射線譜（3）特征X射線譜特征X射線的命名同一殼層中電子并不處于同一能量狀態(tài)，而分屬于若干個(gè)亞能級(jí)。如L層的8個(gè)電子分別屬于L1、L2、L3三個(gè)亞能級(jí)。因此電子從同層不同亞層向同一內(nèi)層躍遷，輻射的特征譜線的波長(zhǎng)必有微小的差值。由于L3K的躍遷幾率比L2K躍遷高1倍，所以K1線的強(qiáng)度是K2的兩倍。

L1L2L3KEK1K241三、X射線譜（3）特征X射線譜臨界激發(fā)電壓產(chǎn)生特征輻射前提是將內(nèi)層電子轟擊出來(lái)，即要求陰極射來(lái)的電子的動(dòng)能必須大于等于該內(nèi)層電子與原子核的結(jié)合能電離。eU≥WK＝hυK，才能產(chǎn)生K激發(fā)。其臨界值為eUK＝WK，UK稱之臨界激發(fā)電壓。42三、X射線譜（3）特征X射線譜K系標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度與管壓、管流的關(guān)系式中，K2和n為常數(shù)，n等于1.5~1.7U和Uk分別為工作電壓和K系激發(fā)電壓i為管流43三、X射線譜（3）特征X射線譜表常用的陽(yáng)極靶K系標(biāo)識(shí)X射線譜的波長(zhǎng)和工作電壓44三、X射線譜（3）特征X射線譜說(shuō)明：激發(fā)電壓對(duì)不同的陽(yáng)極靶是不同的，它由陽(yáng)極靶的原子序數(shù)Z所決定。陽(yáng)極靶不同，產(chǎn)生的特征X射線的波長(zhǎng)不同。工作電壓一般是激發(fā)電壓的3-5倍。因?yàn)楫?dāng)工作電壓激發(fā)電壓的3-5倍時(shí)，I特/I連最大。實(shí)驗(yàn)中最常用的特征X射線是K。最常用的靶材是Cu和Fe。K=2/3K1+1/3K2，有時(shí)需要注意區(qū)分K1和K2。45三、X射線譜（4）莫塞萊定律特征X射線的頻率（或波長(zhǎng)）只與陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是物質(zhì)的固有屬性。1913年莫塞萊發(fā)現(xiàn)，特征X射線的頻率的平方根和靶材原子序數(shù)Z之間存在線性關(guān)系，即

式中K和均為常數(shù)。莫塞萊定律是X射線光譜分析的依據(jù)。46X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)一、X射線的性質(zhì)二、X射線的產(chǎn)生三、X射線譜四、X射線與物質(zhì)的相互作用47四、X射線與物質(zhì)的相互作用（1）X射線的散射（2）X射線的吸收（3）X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)（4）吸收限的利用48四、X射線與物質(zhì)的相互作用0.引言X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生各種不同的復(fù)雜過(guò)程，從能量轉(zhuǎn)換來(lái)看，一束X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，它的能量可分為三部分：散射：相干散射，非相干散射；吸收；熒光X射線，光電子和俄歇電子；透過(guò)。X射線與物質(zhì)的相互作用入射X射線強(qiáng)度I0散射X射線相干的非相干的電子反沖電子俄歇電子光電子熒光X射線光電效應(yīng)俄歇效應(yīng)X熱能透射X射線I=I0e-X49四、X射線與物質(zhì)的相互作用（1）X射線的散射X射線散射——沿一定方向運(yùn)動(dòng)的X射線光子流與物質(zhì)的電子相互碰撞后，部分X射線將改變它們前進(jìn)的方向，向周圍發(fā)散開來(lái)的過(guò)程，即發(fā)生散射現(xiàn)象。相干散射（彈性散射）非相干散射（非彈性散射）兩類50四、X射線與物質(zhì)的相互作用（1.1）X射線的散射——相干散射定義：入射的X射線光子與原子中受束縛較緊的電子相碰撞而彈射，光子的方向改變了，但能量幾乎沒(méi)有損失，于是產(chǎn)生了波長(zhǎng)不變的相干散射。機(jī)理：原子中的電子在入射X射線電場(chǎng)力的作用下產(chǎn)生與入射波頻率相同的受迫振動(dòng)，于是這樣的受迫振動(dòng)的電子便成為一個(gè)新的電磁波源，向四周輻射與入射X射線的頻率（波長(zhǎng)）相同的電磁波，并且彼此之間有確定的相位關(guān)系。由于散射線與入射線的波長(zhǎng)和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，故稱為相干散射，也稱經(jīng)典散射或湯姆遜散射。相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)。51四、X射線與物質(zhì)的相互作用（1.2）X射線的散射——非相干散射當(dāng)X射線與束縛較小的外層電子或自由電子作用時(shí)，X射線光子將一部分能量傳給電子，使之脫離原有的原子而成為反沖電子。同時(shí)光子本身也改變了傳播方向，發(fā)生散射，且能量減小，即散射X射線的波長(zhǎng)變長(zhǎng)了。散射X射線波長(zhǎng)的改變與傳播方向存在如下的關(guān)系：△=′－=0.00243(1-cos2)式中，′為散射線的波長(zhǎng)(nm)；為入射線的波長(zhǎng)(nm)。52四、X射線與物質(zhì)的相互作用（1.2）X射線的散射——非相干散射

美國(guó)物理學(xué)家康普頓與我國(guó)著名的物理學(xué)家吳有訓(xùn)一起在1924年發(fā)現(xiàn)的此效應(yīng)。故亦稱康普頓－吳有訓(xùn)散射或量子散射。非相干散射不能參加晶體對(duì)X射線的衍射，只會(huì)在衍射圖像上形成強(qiáng)度隨sin/的增加而增大的連續(xù)背底，給衍射分析帶來(lái)不利影響。53四、X射線與物質(zhì)的相互作用（1.3）X射線的散射相干散射散射波為相干波，可以干涉加強(qiáng)；只有相干散射才能產(chǎn)生衍射,相干散射是X射線衍射基礎(chǔ)非相干散射非相干散射不能干涉加強(qiáng)產(chǎn)生衍射,非相干散射只能形成衍射的背底54四、X射線與物質(zhì)的相互作用（2）X射線的吸收X射線的吸收是指X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，將原子內(nèi)層電子擊出，X射線能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰浚窗l(fā)生了能量損耗。X射線的吸收主要包括：光電效應(yīng)與熒光（二次特征）X射線俄歇效應(yīng)55四、X射線與物質(zhì)的相互作用（2.1）光電效應(yīng)與熒光（二次特征）X射線光電效應(yīng)——當(dāng)用X射線轟擊物質(zhì)時(shí)，若X射線的能量大于物質(zhì)原子對(duì)其內(nèi)層電子的束縛力時(shí)，入射X射線光子的能量就會(huì)被吸收，從而導(dǎo)致其內(nèi)層電子（如K層電子）被擊出，產(chǎn)生光電效應(yīng)。圖光電效應(yīng)56四、X射線與物質(zhì)的相互作用（2.1）光電效應(yīng)與熒光（二次特征）X射線熒光輻射——失去內(nèi)層電子的原子處于激發(fā)態(tài)，將發(fā)生外層電子向內(nèi)層躍遷同時(shí)釋放波長(zhǎng)一定的特征X射線。稱為二次熒光輻射或熒光輻射。圖熒光輻射57四、X射線與物質(zhì)的相互作用（2.1）光電效應(yīng)與熒光（二次特征）X射線激發(fā)限產(chǎn)生的二次特征X射線的波長(zhǎng)與激發(fā)它們所需的能量取決于物質(zhì)的原子種類和結(jié)構(gòu)。要使K、L、M等層電子產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射X射線的能量必須大于等于原子中K、L、M等層電子的逸出功WK，即

K：從激發(fā)光電效應(yīng)的角度說(shuō)，稱為激發(fā)限波長(zhǎng)，意義是只有入射的X射線波長(zhǎng)達(dá)到或小于它時(shí)，才能激發(fā)物質(zhì)的二次特征X射線。

58四、X射線與物質(zhì)的相互作用（2.1）光電效應(yīng)與熒光（二次特征）X射線吸收限一旦產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射的X射線光子被大量地吸收，所以，λK、λL、λM等也稱作被照物質(zhì)因產(chǎn)生熒光輻射而大量吸收入射X射線的K、L、M吸收限。利用吸收限可以計(jì)算靶材的臨界激發(fā)電壓，例如：式中，UK為K臨界激發(fā)電壓（KV）；λK為陽(yáng)極靶材物質(zhì)的K吸收限波長(zhǎng)（nm）K：從X射線被吸收的角度看，稱為吸收限波長(zhǎng)。意義是當(dāng)入射的X射線的波長(zhǎng)達(dá)到它時(shí)，入射X射線將被該物質(zhì)強(qiáng)烈吸收，并產(chǎn)生光電效應(yīng)。59四、X射線與物質(zhì)的相互作用（2.1）光電效應(yīng)與熒光（二次特征）X射線熒光輻射的利與弊：在X射線衍射分析中，熒光輻射是有害的，它會(huì)增加衍射譜的背底，使衍射花樣變得復(fù)雜。在元素分析方面，熒光輻射又可作為X射線熒光光譜分析的基礎(chǔ)。60四、X射線與物質(zhì)的相互作用（2.2）俄歇效應(yīng)定義：當(dāng)高能級(jí)的電子向低能級(jí)躍遷時(shí)，能量不是產(chǎn)生二次X射線，而是被周圍某個(gè)殼層上的電子所吸收，并促使該電子受激發(fā)逸出原子成為二次電子。這種效應(yīng)是俄歇1925年發(fā)現(xiàn)的，稱俄歇效應(yīng)，產(chǎn)生的二次電子稱俄歇電子。圖光電子、熒光X射線和俄歇電子三種過(guò)程示意圖61四、X射線與物質(zhì)的相互作用（2.2）俄歇效應(yīng)俄歇電子的命名原子K層電子被擊出，外層電子如L層的L2電子向K層躍遷，其能量差可能不是以產(chǎn)生一個(gè)K系X射線的形式釋放，而是被鄰近的電子（比如另一個(gè)L2電子）所吸收，使這個(gè)電子受激發(fā)而逸出原子成為俄歇電子；常用參與俄歇過(guò)程的三個(gè)能級(jí)來(lái)命名：KL2L2俄歇電子。俄歇電子的能量與參與俄歇過(guò)程的三個(gè)能級(jí)能量有關(guān)：俄歇電子具有特定的能量值，僅與物質(zhì)元素種類有關(guān)。利用該原理制造的俄歇能譜儀主要用于材料表面的成份分析。

62四、X射線與物質(zhì)的相互作用（3）X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，X射線強(qiáng)度會(huì)衰減。其中，因散射引起的衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于因吸收導(dǎo)致的衰減量。因此，可以近似地認(rèn)為，X射線通過(guò)物質(zhì)后其強(qiáng)度的衰減是由于物質(zhì)對(duì)它的吸收所造成的。

63四、X射線與物質(zhì)的相互作用（3）X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)實(shí)驗(yàn)證明，一單色X射線透過(guò)一層均勻物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度將隨穿透深度的增加呈指數(shù)規(guī)律減弱，即——透射束強(qiáng)度——入射束強(qiáng)度——線吸收系數(shù)——物質(zhì)厚度線吸收系數(shù)μl（cm-1）表示沿穿透方向單位長(zhǎng)度X射線的衰減程度，與X射線的波長(zhǎng)、吸收物質(zhì)、吸收物質(zhì)物理狀態(tài)等有關(guān)。I/I0為穿透系數(shù)或透射因數(shù)。64四、X射線與物質(zhì)的相互作用（3）X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)為避開吸收系數(shù)隨吸收物體物理狀態(tài)不同而改變的問(wèn)題，令

——質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)μm（cm2·g-1）表示單位質(zhì)量物質(zhì)對(duì)X射線的吸收程度，只與X射線的波長(zhǎng)和吸收物質(zhì)有關(guān)。對(duì)一定波長(zhǎng)的X射線和一定的物質(zhì)來(lái)說(shuō)，μm為一定值，不隨吸收體物理狀態(tài)的改變而變化。65四、X射線與物質(zhì)的相互作用（3）X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)吸收物質(zhì)一定時(shí)，X射線的波長(zhǎng)越短越容易被吸收，當(dāng)波長(zhǎng)一定時(shí)，吸收體的原子序數(shù)Z越大，X射線被吸收得越多。質(zhì)量吸收系數(shù)與物質(zhì)的原子序數(shù)Z和入射X射線的波長(zhǎng)有如下實(shí)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系：式中K為常數(shù)。吸收系數(shù)反映了不同物質(zhì)對(duì)X射線的吸收程度。66四、X射線與物質(zhì)的相互作用（3）X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)Pt（Z=78）的質(zhì)量吸收系數(shù)m隨入射X射線波長(zhǎng)的變化67四、X射線與物質(zhì)的相互作用（3）X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)物質(zhì)對(duì)CuK（=0.154178nm）的質(zhì)量吸收系數(shù)m隨原子序數(shù)Z的變化68四、X射線與物質(zhì)的相互作用（3）X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)和原子序數(shù)的增大而增大,且在一定區(qū)間內(nèi)是連續(xù)變化的。這是因?yàn)閄射線的波長(zhǎng)越長(zhǎng)越容易被物質(zhì)所吸收。在某些波長(zhǎng)的位置上產(chǎn)生跳躍式的突變，即存在吸收體因被激發(fā)產(chǎn)生光電效應(yīng)而大量吸收入射X射線的吸收限。對(duì)一定波長(zhǎng)的X射線在某些原子序數(shù)的位置上也產(chǎn)生跳躍式的突變。曲線分為若干段，每段曲線連續(xù)變化滿足公式關(guān)系，各段的K值不同。69四、X射線與物質(zhì)的相互作用（3）X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)如果吸收體中是由兩種以上的元素組成的化合物或混合物、或溶液，其總體的質(zhì)量吸收系數(shù)是其組分元素的質(zhì)量吸收系數(shù)的加權(quán)平均值，即

式中，i為各元素的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)；n為組元的數(shù)目。70四、X射線與物質(zhì)的相互作用（3）X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)連續(xù)X射線的質(zhì)量吸收系數(shù)實(shí)驗(yàn)證明，連續(xù)X射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)的質(zhì)量吸收系數(shù)，相當(dāng)于一個(gè)稱為有效波長(zhǎng)λ有效的波長(zhǎng)值對(duì)應(yīng)的質(zhì)量吸收系數(shù)。

λ有效=1.35λ0其中，λ0為連續(xù)譜的短波限。71四、X射線與物質(zhì)的相互作用（4）吸收限的利用對(duì)于選定的物質(zhì)（Z一定），曲線中某幾處出現(xiàn)質(zhì)量吸收系數(shù)突增，其原因是由于隨著入射波長(zhǎng)的減小，光子的能量達(dá)到了激發(fā)某個(gè)內(nèi)層電子的數(shù)值，在該波長(zhǎng)處產(chǎn)生光電效應(yīng)，X射線大量被吸收，稱該波長(zhǎng)為吸收限。72四、X射線與物質(zhì)的相互作用（4.1）吸收限的利用——陽(yáng)極靶材的選擇為避免樣品強(qiáng)烈吸收入射X射線產(chǎn)生熒光輻射，對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生干擾。必須根據(jù)所測(cè)樣品的化學(xué)成分選用不同靶材的X射線管，原則是：

Z靶≤Z樣品