原子物理学X射线43页PPT

只是为了问题简化而引入的虚拟晶面。干涉面的面
指数称为干涉指数，一般有公约数n。当n=1时，干
涉指数即变为晶面指数。对于立方晶系，晶面间距
与晶面指数的关系为：
dhkl
a h2k2l2
干涉面的间距与干涉指数的关系与此类似，
即：dHKL
a 。在X射线衍射分析中，如无特
阵→32种点群→230种空间群； 低级晶族、中级晶族、高级晶族。 5、晶面间距的计算。
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三斜-anorthic(triclinic)，a; （P） 单斜：monoclinic, m; （P、C） 正交（斜方）：orthorhombic, o;（P、C、I、F 三方（菱方）：trigonal, (三方简单格子常用符号
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特征X射线谱：特征X射线谱是在连续 谱的基础上产生的，如果当管电压超 过某一临界值后，在某些特定波长位 置上，出现强度很高、非常狭窄的谱 线叠加在连续谱强度分布曲线上。改 变管流、管压，这些谱线只改变强度， 而波长固定不变，这就是特征X射线辐 射过程所产生的特征X射线谱。
7
8
在X射线管中，高速电子轰击阳极时，阳极物质 的原子被轰击为激发状态，即可能把原子的内层 电子打到能级较高的未饱和的电子层去，或打到 原子外面去，这时原子的能量增高处于激发状态， 为恢复原来正常状态，能量较高的外层电子会向 内层跃迁来填充内层空位，此时就以辐射形式放 出能量，因为原子的能量是量子化的，因此形成 线谱，而且原子中各电子壳层有一定能量。因此 电子在各层之间跳跃时可释放能量也是一定的， 这意味着原子由激发状态恢复到正常状态可发出 的电磁辐射具有一定的波长，各种元素的电子壳 层结构不同，因此各元素有自己特有的标识谱。 所以X射线的产生是由于原子内层电子能级间的 跃迁 而产生的。

N M
L
K
X-Ray X-Ray
X射线的产生机制
• 特征辐射的标记方法
X射线的产生机制
（2）俄歇过程 电子在退激的过程中，是以无辐射的方式进行 将退激产生的能量传给另外一个能量较大（较外层）的电子， 使其变为自由电子，俄歇效应类似于一个“内光效应”。
N M
L
K
e-
俄歇电子在1925年由法国物理学家俄歇(P．P.Auger)首先发 现的。俄歇电子的能量决定于原于内层能级的结构，因此对 俄歇电子的能量和强度的研究能使我们得到关于原于的结合 能、状态量子数信息。
对于Z小的原子，发生俄歇效应的几率比发射X射线的几率大。 对于Z>35的原子，发射X射线的几率超过俄歇效应。 俄歇效应往往与发射X射线伴随发生。
光子诱发原子退激方式
• 俄歇电子 • 荧光产额
• 诱发原子核激发
特征射线的应用
电子X荧光分析 质子X荧光分析 粒子X荧光分析 γ诱发X荧光分析
Lanzhou University
X射线的发现
与真理失之交臂的人
– 1879年,克鲁克 – 1890年,古德斯比德 和詹宁斯
X 射 线 的 发 现
返回
X射线管
返回
X射线的波性
• 1906年,英国物理学家巴拉克 (C.G.Barkla)发现X射线的偏振特性 • 1912年,德国物理学家冯.劳厄 (M.T.F.von Laue)提出X射线的晶体 衍射的设想 • 1913年,弗里德里克(W.Fridrich)和 尼平(P.Knipping) 验证X射线存在 晶体衍射效应,从而证明X射线的波 动性
1964年，钱学森院士提议取名为“激光”
一. 特点： 相干性极好 时间相干性好（～10 - 8埃）， 相干长度可达几十公里。 空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。

％左右）能量转变为X射 ~
线，而绝大部分（99％左
右）能量转变成热能使物
体温度升高。
+
X射线管
产生X 射线
低压电源
提供管电流
高压电源（含整流电路）
提供管电压
§1 X射线的产生
3. 实际焦点和有效焦点
（1） 实际焦点
实际焦点是指高速电
子流撞击在靶上的实
际面积S 。
（2）有效焦点
有效焦点是指高速电
子流撞击在靶上，实
§2 X射线谱
2. 标识谱特性
不论管电压如何变 化，标识谱所在的 位置都不变；在整 个谱线中所占的比 例很少。
标识X射线在认识原 子的壳层结构和物质 的化学元素分析中非 常重要。
§3 X射线的基本性质
§3 X射线的基本性质
一、X射线的基本性质
1. 电离作用 2. 荧光作用 3. 光化学作用 4. 生物效应 5. 贯穿本领
§5 X射线的医学应用
Δ§5 X射线的医学应用
一、治疗
X射线在临床上主要用于治疗癌症。 其治疗机制：X射线对生物组织有破坏作用，尤其是 对于分裂活动旺盛或正在分裂的细胞，其破坏更强。 组织细胞分裂旺盛是癌细胞的特征，用X射线照射可 以抑制它的生长或使它坏死。
用于治疗的X射线设备通常采用X射线治疗机和“X射 线刀”；放疗时有深度X线治疗机、60钴治疗机、直线 加速器及192铱源后装机等。
②增加管电压
增加每个光子的能量hv
医学上，通常采用管电流的毫安数（mA）来表示X射 线的强度。
§1 X射线的产生
（3）总辐射能量
常用管电流的毫安数（mA）与辐射时间（s）的乘 积表示 X射线的总辐射能量（mA·s）。
2. X射线的硬度

X射线管
• （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
母代表它们的名称。 • 但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子
在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较 高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。 • 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量 增高，原子处于激发状态。 • 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层， 称L激发，其余各层依此类推。 • 产生K激发的能量为WK＝hυK，阴极电子的能量必须满足 • eV≥WK＝hυK，才能产生K激发。其临界值为eVK＝WK ，VK 称之临界激发电压。
• 钼靶X射线管当管电压等于或高于 20KV时，则除连续X射线谱外，位于 一定波长处还叠加有少数强谱线， 它们即特征X射线谱。
• 钼靶X射线管在35KV电压下的谱线， 其特征x射线分别位于0.63Å 和 0.71Å 处，后者的强度约为前者强度 的五倍。这两条谱线称钼的K系
特征X射线的产生机理
• 特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。 • 原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字
I连 I（）dK1iZU2 SWL
当X射线管仅产生连续谱时，其效率为：
I连 Ui
K1ZU
X射线管的效率
• X射线管的效率η，是指电子流能量中用于 产生X射线的百分数，
• 即 连 X射 X 续 射线 线管 总 功 K强 ii Z Z率 2V 度 KZV

R
40 2Z 1.44fmMeV/0.1nm 3105 Z rad
E (MeV)
E
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1-2-3 解释 粒子散射实验(4)
• 带正电物质散射（汤氏模型）(4)
–电子对α粒子的偏转的贡献（对头撞）(1)
动量、动能守恒
m v0 m v1 meve ,
1 2
m v02
1 2
m v12
1 2
meve2
2
28
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (3)
• 空心圆锥体的立体角 ~ d
ds 2 r sin rd ;
d
ds r2
2
sin d
2 b | db
A
|
a2d 16 Asin4
2
29
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (4)
• 薄箔内有许多环: 核 ~ 环;
• 薄箔体积: At; 薄箔环数: Atn • 粒子打在Atn环上,散射角 相同
• 一个粒子打在薄箔
上被散射到 ~ -d
的几率
dp(
)
16
a2d
4
Asin
nAt
2
30
1-3-2 卢瑟福公式的推导 (5)
• N个粒子打在薄箔上测量到 ~ -d 的粒子数
dN
N a2d 16 A sin 4
nAt
ntN
1
4 0
Z1Z2e2 4E
2
d
sin4
2
2
• 微分截面(卢瑟福公式)
–重复散射也不会产生大角度
• 重复散射为随机, 平均之后不会朝一个方向 特别不会稳定地朝某一方向散射
–汤姆逊原子模型与实验不符!
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三、X射线光管分类
26
荷兰Philips公司第二代陶瓷X射线管（固定靶） 陶瓷灯体绝缘度高、重量轻、超长寿命、预校准模块化。 焦点三维精确定位，无需校准。但功率低，约3KW。
四、X射线焦点
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1、焦点：阳极靶面被电子束轰击并发出X射线的区域。 螺线形灯丝焦点长方形：1×l0mm。
衍射工作，希望X光有： 较小焦点（分辨本领高）， 较高强度（曝光时间短） X射线出射角： 常与靶面成 3o～8o（常为6o）
如：Mo靶施加35kV，在0.063nm 和0.071nm 处的特征线性谱线。
产生特征X射线的最低电压叫激 发电压。
二、特征X射线
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2）特征X射线波长λ：不受管电压、管电流的影响，只取决
于靶材元素的原子序数Z，故称特征X射线。
改变管流、管压，特征谱线只改 变强度，而峰位所对应的波长λ 不变。
第二节 X射线的产生与X射线谱
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一、X射线产生： 1、X射线：高速运动带电粒子（电子）与某物质相撞击后突
然减速或被阻止，与该物质中内层电子相互作用而产生的。
2、X射线产生条件： 1）产生并发射自由电子（加热W灯丝发射热电子，阴极）； 2）在真空中迫使电子作定向的高速运动（加速电子）； 3）在电子运动路经上设障碍，使其突然减速或停止（靶）
成为X射线荧光分析和电子探针微区成分分析的理论基础。
第一节 X射线的性质
一、 X射线的波动性
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X射线属电磁波，同时具有波动性和粒子性。
1、X射线波动性：表现为以一定频率和波长在空间传播，其 电场E和磁场H分量以相同周相，在两相互垂直平面内作周期 振动，且与传播方向垂直，以光速呈直线传播。
I连＝K1iZU 2
衍射分析时要提高衍射强度 ，一般采用增大电流，而不 提高电压。

m K 43Z 3
μm
01—X射线物理学基础
μm
LІ LⅢ
LⅡ K
λ 理想μm随入射波长的变化
（Z一定）
λ 实际μm随入射波长的变化
（Z一定）
每种物质都有本身确定的一系列吸收限，这种带有特征吸收限的吸收 系数曲线称为该物质的吸收谱。吸收限的存在暴露了吸收的本质。
敦德励学 知行相长
μm
LІ LⅢ
XI’AN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY
敦 知材料研德究方法 第一行章 X射励线的物理特性 相学 长
敦德励行 知行相长
01—X射线物理学基础
1895年，德国物理学家伦琴（Rontgen W.C） 在研究阴极射线时发现了X射线。1901年，首届诺 贝尔物理学奖授予伦琴， 以表彰他发现了对物理 学界有重大影响意义的X射线。 X射线、放射性和 电子被称为世纪之交的三大发现。
1917 年 ， 英 国 巴 克 拉，发现了标识X射 线。
1921年，爱因斯坦， 光电效应。
1924年，瑞典卡尔·西 格班，X射线光谱学。
1937 年 ， 美 国 戴 维 森 和 英 国 G.P.汤姆孙，用晶体对电子进 行衍射。
敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础
劳埃在1912年进行的晶体衍射实验 结果证明：X射线是一种波长很短的电磁 波，也揭示了物质内部原子规则排列的 特性。
卡文迪许在热学理论、计温学、气象学、 沉睡了一百年的手稿。
大地磁学等方面都有研究。1798年他完成最 后的实验时，已年近七十。
敦德励学 知行相长
A eC
U
X射线
i
kV 220V
敦德励学 知行相长
01—X射线物理学基础

遏止电势表明光电子有一个初速度的上
限v0，其相应的动能为
1 2
m
v
2 0
eV0
1.28
（3）截止频率（红限）
结论（i）当改变入射光束频率时，遏 止电势V0 随之改变， V0~ 成线性 关系。
V0 0 0
（ii）当低于某一频 率0 时，V0 = 0 。这 时，不论光强多大，
光电效应不再发生。
频率0称为光电效应 的截止频率或频率的 红限。
着频率及波长的概念，光的能量 正比
于其频率 ，即：
= h
1.30
爱因斯坦公式：
根据爱因斯坦假说，光束照射在金属 上时，光子是一个个地打在上面，电 子吸收的能量为 W= h。
h
1 2
m v02
A
eV0
A
1.31
2.3，康普顿效应
在研究x射线与物质散射实验中证明 了x射线的粒子性，起作用的不仅是 光子的能量，而且还有它的动量。
max T b
1.21
b：维恩常数，实验值为 b = 0.289 cm.K
热辐射颜色随温度T变化：
T（K） 500 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 max（nm） 5760 2880 1440 960 720 580 480 410 360
1.5，维恩公式和瑞利－金斯公式
uT d
8h 3
c3
d
eh kBT
1
uT
d
8hc 5
ehc
d
kBT
1
1.26 1.27
kB：波耳兹曼常数； h ＝ 6.62610-34 J.s 普朗克常数
h >> kBT，普朗克公式 维恩公式 h << kBT，普朗克公式 R-J公式