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第一章 X 射线物理学基础

第一章 X 射线物理学基础. 1 、 X 射线的历史. 1895 年，德国物理学家伦琴发现了 X 射线 1912 年，德国物理学家劳厄发现了 X 射线在晶体中的衍射现象，确证了 X 射线是一种电磁波 1912 年，英国物理学家 Brag 父子利用 X 射线衍射测定了 NaCl 晶体的结构，开创了 X 射线晶体结构分析的历史. 与 X 射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单. 2 、 X 射线的性质. X 射线是一种电磁波，具有波粒二象性 波动性 波长： 10 － 2 ～ 10 2 Å 规律：  = c/  粒子性

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第一章 X 射线物理学基础

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  1. 第一章 X射线物理学基础

  2. 1、X射线的历史 • 1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线 • 1912年，德国物理学家劳厄发现了X射线在晶体中的衍射现象，确证了X射线是一种电磁波 • 1912年，英国物理学家Brag父子利用X射线衍射测定了NaCl晶体的结构，开创了X射线晶体结构分析的历史

  3. 与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单

  4. 2、X射线的性质 • X射线是一种电磁波，具有波粒二象性 • 波动性 波长： 10－2～102Å 规律： = c/ • 粒子性 X射线由具有能量E、动量P、质量m的X光子组成 E = hvP = h/ h为普朗克常数，6.62617610-27尔格

  5. 硬X射线：波长较短、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。硬X射线：波长较短、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。 • 软X射线：波长较长、能量较低、穿透性弱。用于分析非金属的分析。 • 度量单位：Å、kX、nm 1nm=10Å=10-9m 1kX=1.0020772±0.000053 Å

  6. 3、X射线的特征 • X射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑纸及许多对于可见光不透明的物质 • X射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片感光 • X射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织在受到X射线的辐射时，生理上会产生一定的反应

  7. 4、X射线的范围

  8. 5、X射线的产生 高速运动的电子流 突然减速,产生X射线  射线 X 射线 中子流 高能辐射流

  9. 5.1 X射线产生条件 • 产生自由电子的电子源 • 电子作定向的高速运动 • 在电子运动的路径上设置一个障碍物如阳极靶使电子突然减速或停止 • 阴阳极封闭在10-3Pa的高真空中

  10. 5.2 过程演示 X射线 玻璃 钨灯丝 冷却水 电子 接变压器 金属靶 X射线 金属聚灯罩 铍窗口

  11. 6、X射线管 电子枪：产生电子并将电子束聚焦。钨丝螺旋式，通电流放出自由电子。 金属靶：发射X射线。通常由传热性好熔点较高的金属材料制成。如铜、钻、镍、铁、铝等。 X射线管

  12. X射线管剖面图

  13. 结构 • 阴极：发射电子 • 阳极：亦称靶，使电子突然减速和发射X射线 • 窗口：X射线从阳极靶向外射出的地方 • 焦点：阳极靶面被电子束轰击的地方

  14. X射线管实物图

  15. 7、X射线仪

  16. 8、X射线的影响 • 使一些物质发出可见的荧光 • 使离子固体发出黄褐色或紫色的光 • 促进物质的合成 • 引起生物效应，导致新陈代谢发生变化； • x射线与物质之间的物理作用，可分为X射线散射和吸收。

  17. 第二节 X射线谱 • X射线的强度 • 连续X射线 • 特征X射线

  18. 1、连续谱：强度随波长连续变化 2、特征谱：波长一定、强度很大又称为标识谱 X射线谱

  19. 1、X射线的强度 • 定义 垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。单位是J/cm2·s • 决定因素 光子能量hv、光子数目n I=nhv 最大值出现在1.5λ0处

  20. 2、连续X射线谱 连续谱示意图

  21. 2.1 连续谱产生机理 • 电子与阳极靶碰撞，电子失去能量，其中部分以光子的形式辐射，这样的光子流即为X射线 • 单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，出现连续X射线谱。

  22. 过程演示 K态（击走K电子） Wk Wl L态（击走L电子） 原子的能量 Wm M态（击走M电子） Wn N态（击走N电子） 击走价电子 中性原子 0 电子冲击阳级靶 X射线射出

  23. 2.2 连续X射线谱的规律 • X射线强度与管压的关系 • X射线强度与管流的关系 • X射线强度元素的原子序数的关系

  24. 2.3 短波限 • 定义 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限。只与管电压有关，不受其它因素的影响。 • 数量关系 e 电子电荷，4.803×10-10 V 电子通过两极时的电压降 h 普朗克常数，6.625×10-34j·s

  25. 2.4 连续谱的X射线强度经验公式 • C为常数，Z为阳极材料的原子序数

  26. 经验公式 K为常数,1.1-1.5×10-9 Z为阳极靶元素的原子序数 I为X射线管的电流强度，V为管电压 • X射线管的效率

  27. 3、特征X射线 特 征 谱 示 意 图

  28. 3.1 特征X射线产生机理 • 与阳极物质的原子内部结构紧密相关 • 电子按泡利不相容原理和能量最低原理排布。在轰击阳极的过程中，具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出，在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出特征X射线

  29. 3.3 K系激发 示意图

  30. K系激发的特点 • 管电压超过激发电压时才能产生特征谱线 • 靶元素的原子序数越大，激发电压越高 • Kα的强度约为Kβ的5倍 激发限

  31. 3.4 莫塞莱定律 • 表征特征X射线谱的波长λ与原子序数Z关系 C，σ都是常数

  32. 3.5 特征X射线的强度 • c为比例常数，V激为阳极靶元素特征X射线的激发电压，I为管电流，V为管电压 • 当I特/I连最大，工作电压为激发电压的3-5倍时，连续谱造成的衍射背影最小。

  33. X射线的散射 X射线的衰减 吸收限 X射线的折射 总结 X射线的安全防护 第三节 X射线与物质相互作用

  34. 1.1 相干散射 1、X射线的散射 • 电子在X射线作用下，产生强迫振动。每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象 • 相干散射, 非相干散射

  35. 一、 汤姆逊公式 • Ie：散射X射线的强度; I0：入射X射线强度 • e：电子电荷; m：电子质量; c: 光速 • 2θ：电场中任一点到原点连线与入射X射线方向的夹角 • R：电场中任一点到发生散射的电子的距离 • fe=e2/mc2: 电子的散射因子 • (1+cos22θ)/2: 为极化因子或偏振因子

  36. 二、 X射线散射的特点 • 在各个方向上散射强度不同，2θ＝0°处强度最强，2θ＝90°强度最弱 • 散射波强度与入射波频率无关 • 散射强度与入射强度相比，强度很弱

  37. 1.2 非相干散射 • X射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时，电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。 • 康普顿效应：用量子理论描述，亦称量子散射。增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。

  38. 1.3 二次特征辐射 • 二次特征辐射：荧光辐射，激发限 • 光电效应 • 俄歇效应

  39. 2、X射线的衰减 X射线衰减图示

  40. 2.1 衰减公式推导 设入射X射线强度为I0，透过厚度为P的物质后强度为I，I＜ I0；在被照射的物质中取一深度为X处的小厚度元dX，照到此小厚度元上的X射线强度为Ix，透过此厚度元的X射线强度为Ix+dx，则强度的改变为： dIx＝ Ix+dx－Ix ＝ ＝ －μL·dx 当x＝0时，Ix＝I0， I/I0 =

  41. 2.2 相关概念及物理意义 • 线衰减系数，L • 线吸收系数，τ • 散射系数，σ • 质量吸收系数 m

  42. 2.3 质量吸收系数 质量吸收系数的加和性 μmi为第i种元素的质量吸收系数 Wi为各元素的质量分数

  43. 3、吸收限 • 吸收限主要是由光电效应引起的：当X射线的波长等于或小于λk时，光子的能量达到击出一个K层电子的功W，X射线被电子吸收，激发光电效应，使μm突变性增大。 • 吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有二个副层，有二个吸收限。

  44. 吸收限的应用 • 滤波片的选择 • 吸收限位于Kα和Kβ之间，尽量靠近Kα，强烈吸收Kβ，Kα吸收很小； Z靶<40时 Z滤片=Z靶-1； Z靶>40时 Z滤片=Z靶-2； 滤波片的厚度以将Kα强度降低一半最佳 • 阳极靶的选择 • 阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限； • 试样对X射线的吸收最小。Z靶≤Z试样+1

  45. 4、X射线的折射 • 折射率约为0.99999-0.999999

  46. 5、X射线与物质相互作用的总结 相干的 散射X射线 非相干 的 康普顿效应 反冲电子 俄歇效应 电子 俄歇电子 光电子 光电效应 荧光X射线 透射X射线衰减后的强度I0 热能

  47. 6、X射线的安全防护 设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤 • X射线的阴极端为危险的源泉，安装时把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后 • 辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生育等 安全措施：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、避免身体直接暴露在X射线下、定期进行身体检查和验血。

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