第二章 X射线物理学基础

第二章 X射线的产生与性质绪论一．X射线实验技术的发展概况1895年，德国物理学家伦琴（W.K.Rontgen)，作阴极射线实验时，发现了一种不可见的射线，由于当时不知它的性能和本质，故称X射线，也称伦琴射线。

1909年，巴克拉（Barkla)利用X射线，发现X射线与产生X射线的物质（靶）的原子序数（Z）有关，由此发现了标识X射线，并认为此X射线是原子内层电子跃迁产生。

1908~1909年，德国物理学家Walte.Pohl，将X射线照金属（相当于光栅），产生了干涉条纹。

1910年，Ewald发现新散射现象，劳埃由此得出：散射间距（即原子间距）近似于1A数量级。

1912年，劳埃提出非凡预言：X射线照射晶体时，将产生衍射。

随后，为解释衍射图象，劳埃提出了劳埃方程；1913年，布拉格父子导出了简单实用的布拉格方程；随后，厄瓦尔德把衍射变成了图解的形式：厄瓦尔德图解1913~1914年，莫塞莱定律的发现，并最终发展成为X射线光谱分析及X射线荧光分析。

X射线衍射理论已基本完善，是一门相当成熟的学科，而X射线衍射技术仍在不断发展，近年来，发展尤为显著，其主要方面和原因有：（1）新光源的发明：转靶、同步辐射、X射线激光、X射线脉冲源，高效率、强光源，使测量精度提高4个数量级。

（2）新的探测器：由气体探测器到固体探测器，高分辨率、高灵敏度，使测量提高2个数量级。

（3）新的数据记录及处理技术：高度计算机化a. 实验设备、实验数据全自动化；b. 数据分析计算程序化；c. 衍射花样的计算机模拟。

二．X射线分析在金属材料领域中的主要应用物相分析点阵常数的精确测定织构的测定此外还有：晶粒大小的测定，应力测定等等。

第二章 X射线的产生和性质（即X射线物理学）重点：X射线的电磁波本质；两种X射线谱的成因及其实验规律；X射线与物质（试样）相互作用的物理效应及意义。

（首先对探测所用的辐射进行了解，然后对探测对象——晶体进行了解）第一节 X射线的本质1.１性质1895年德国物理学家伦琴（W.K.Rontyen）在研究阴极射线时，发现一种新的射线。

第一章X射线物理学基础【教学内容】1．X射线的发觉。

2．X射线的本质。

3.X射线的产生与X射线管。

4．X射线谱。

5.X射线与物质的彼此作用。

【重点把握内容】1.X射线的粒子性与波动性。

2.X射线的产生与X射线管的大体构造。

3•持续X射线和特点X射线谱特点及产生的机理。

4.X射线与物质的的彼此作用而产生的散射和吸收。

【了解内容】1.X射线发觉。

2.X射线的平安防护。

【教学难点】1．X射线的散射与干与。

2．X射线的吸收。

【教学目标】1•了解X射线的本质、特点。

2.把握X射线的产生和X射线谱特点。

3．把握X射线与物质的彼此作用有关知识。

4.培育能依照不同的需要选择对不同类型的X射线及在关实验条件的能力。

【教学方式】1．以课堂教学为主，通过量媒体教学手腕，增强教学成效。

并通过部份习题，增进学生对X射线本质的明白得。

2.安排一次对X射线衍射仪的参观，使学生对X射线的产生和大体装置有一个初步的感性熟悉。

一、X射线的发觉X射线发觉于19世纪末期，并在上个世纪之交掀起了一场X射线热。

它的发觉及其本质的确信在物理学上具有划时期的意义。

代表着经典物理学与近代物理学的转折点。

1895年11月8日，德国物理学家伦琴（照片）在研究真空管的高压放电现象时，偶然发觉凳子上镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。

这一现象当即引发的细心的伦琴的注意。

他认真分析一下，以为这可能是真空管中发出的一种射线引发的。

连续数日呆在实验室中不回家。

他试着用各类手、纸板、木块去遮挡，但都无法挡住这种射线。

于是，一项伟大的发觉诞生了。

由于那时对这种射线的本质和特性都不了解，故称之为X射线。

其实在此之前，也有人注意到，放在高压管周围的照相底片有时会发生雾点。

但他们以为这是一种偶然现象。

没有引发重视。

伦琴发觉，不同物质对X射线的穿透能力是不同的。

他用X射线拍了一张其夫人手的照片（照片）。

1896年1月23日。

伦琴在自己的研究所第一次作关于X 射线发觉的报告时，现场再次拍了维尔兹堡闻名的解剖学教授克利克尔的一只手的照片，克利克尔教授带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线称为伦琴射线。

X射线物理基础一、X射线的基本概念X射线是一种高能电磁辐射，其波长比可见光还要短，但比γ射线稍长。

X射线是由被高速电子撞击产生的极短波长的电磁辐射。

X射线的波长范围在0.01~100纳米之间，因此具有穿透性很强的特点。

X射线辐射主要有三种过程，即散射、吸收和透射。

散射是指X射线在物质中的原子内外发生方向改变；吸收是指物质中的原子吸收掉X射线；透射是指X射线穿过物质而不被物质吸收。

二、X射线的产生和基本特性X射线的产生有两种方式，即广义上的X射线和特殊的X射线。

广义上的X射线产生是指将一束高能电子流来轰击具有特殊构造和材料的靶，使靶发射出X射线，这种方式就是X射线机所采用的。

特殊的X射线产生是指利用原子残余成分核能级跃迁所放出的特殊X射线。

X射线的基本特性有以下几点：1.X射线是一种电磁波，不带电，可以穿透很厚的物质，其波长短，频率高，能量较大。

2.X射线的强度随着入射电子的能量增加而增加，随着靶材的原子序数增加而增大。

3.不同的物质具有不同的透射性，而透射系数与射线的能量相关。

4.X射线具有强的杀菌和破坏生物细胞等作用。

三、X射线在医学中的应用X线是医学中常用的诊断性工具，应用广泛，可以用于检测人体内各种骨头、器官等部位情况。

常见的X线检查有：1.骨密度检查：用于测定骨的密度，并检测是否存在骨质疏松等问题。

2.胸部X线检查：用于检测肺、心脏等部位疾病的情况。

3.腹部X线检查：用于检测腹部器官如胃、肠、肝、脾、胰等的情况。

4.骨骼成像：用于检查骨骼不良变化的情况，如骨折等。

5.普通X线检查：用于全身各个部位的检查。

四、X射线的剂量安全问题X射线的安全问题是医学工作者非常关注的问题，因为如果剂量过大，就会对身体造成损害。

常见的X射线安全问题包括以下几点：1.剂量选择问题：不同的检查需要选择适当的剂量，大剂量的X射线会对人体健康造成不良影响。

2.暴露时间问题：X射线检查中，暴露时间过长会使剂量增加。

3.距离问题：医学工作者需要尽量离患者远一些，以避免吸收额外的X射线。

材料分析测试方法作业题第一章x射线物理学基础（第11、12页）1、名词解释：连续x射线、特征x射线、相干散射、非相干散射、光电效应、荧光辐射、荧光x射线、俄歇效应、吸收限(激发限)2.（第11页问题6）计算电子与目标碰撞时的速度和动能，以及管电压为50kV时发射的能量连续谱的短波限和光子的最大动能。

3.（P11问题10）已知钼？k？＝0.71?，铁k？＝1.93? 钴呢？k？=1.79?，试着找出光子的频率和能量。

4、（p11第10题）已知钼的λk=0.619?，试计算钼的k激发电压。

已知钴的k激发电压uk=7.71kv，试求其λk。

5.（第12页问题13）尝试计算含WC=0.8%、WCR=4%、WW=18%的高速钢对Mok的影响？辐射的质量吸收系数。

6、（p12第15题）什么厚度的镍滤波片可将cuk?辐射的强度降低至入射时的70％?如果入KK呢？强度比为5:1。

过滤后的强度比是多少？知道吗？m？＝49.03cm2／gm=290cm2／g。

第二章X射线衍射原理（p30、31）1.当X射线照射晶体并衍射时，波长为λ时，两条相邻（hkl）反射射线之间的波径差是多少？两条相邻（hkl）反射光线之间的波径差是多少？2、为什么倒易点阵中的倒易点能代表相应结构晶体中的同指数的一组平行晶面？3.编写erwald图解法的步骤，并用erwald图解法证明Bragg方程。

4、α-fe属立方晶系，点阵参数a=0.2866nm。

如用crkαx射线（λ=0.2291nm）照射，试求：（1）（110）、（200）及（211）可发生衍射的掠射角；（2）110衍射线对应的原子散射因子f。

5.分别推导了BCC和FCC晶胞的结构因子| fhkl | 2。

6、多重性因子的物理意义是什么？某立方晶系晶体，其{100}的多重性因子是多少？如该晶体转变为四方晶系，这个晶面族的多重性因子会发生什么变化？为什么？7.影响多晶体衍射强度的因素的物理意义是什么？8（p30第6题）今有一张用cukα辐射摄得的钨(体心立方)的粉末图样，试计算出头4根线条的相对积分强度(不计e-2m和a(θ))。

第一章X 射线物理学基础2、若X 射线管的额定功率为1.5KW，在管电压为35KV 时，容许的最大电流是多少？答：1.5KW/35KV=0.043A。

4、为使Cu 靶的Kβ线透射系数是Kα线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。

答：因X 光管是Cu 靶，故选择Ni 为滤片材料。

查表得：μ m α＝49.03cm2／g，μ mβ＝290cm2／g，有公式，，，故：，解得:t=8.35um t6、欲用Mo 靶X 射线管激发Cu 的荧光X 射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？答：eVk=hc/λVk=6.626×10-34×2.998×108/(1.602×10-19×0.71×10-10)=17.46(kv)λ 0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm)其中h为普郎克常数，其值等于6.626×10-34e为电子电荷，等于1.602×10-19c故需加的最低管电压应≥17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。

7、名词解释：相干散射、不相干散射、荧光辐射、吸收限、俄歇效应答：⑴当χ射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，受迫振动产生交变电磁场，其频率与入射线的频率相同，这种由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。

⑵当χ射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射χ射线长的χ射线，且波长随散射方向不同而改变，这种散射现象称为非相干散射。

⑶一个具有足够能量的χ射线光子从原子内部打出一个K 电子，当外层电子来填充K 空位时，将向外辐射K 系χ射线，这种由χ射线光子激发原子所发生的辐射过程，称荧光辐射。

或二次荧光。

⑷指χ射线通过物质时光子的能量大于或等于使物质原子激发的能量，如入射光子的能量必须等于或大于将K 电子从无穷远移至K 层时所作的功W，称此时的光子波长λ称为K 系的吸收限。

第一章X射线的物理学基础1.X射线的本质是什么？并请叙述其特征。

答：X射线的本质是电磁波，与可见光完全相同；其波长介于紫外线与γ射线之间，约为0.01—10nm的范围。

X射线的特征：波长短、光子能量大。

在通常实验条件下，很难观察到X射线的反射；对于所有的介质，X射线的折射率n都很接近于1。

2.X衍射实验中选择X射线管以及滤波片的原则是什么？答：滤波片的选择: (1)它的吸收限位于辐射源的Kα和K β之间，且尽量靠近K α。

强烈吸收Kβ，K吸收很小；(2)滤波片的厚度以将Kα强度降低一半最佳。

Z靶<40时Z滤片=Z靶-1；Z靶>40时Z 滤片=Z靶-2；阳极靶的选择:（1）阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限；（2）试样对X射线的吸收最小。

Z靶≤Z试样+1。

（1）X衍射仪常采用Cu靶，Cu的特征X射线及其波长为，需要用滤波片或单色器去除，用软件去除。

（多选题）aＫα１，1.5406埃；b Ｋα２，1.5444埃； c Ｋβ，1.392埃答案：a, c, b（2）X衍射选用Cu靶，相配的滤波片为(单选题)a Cub Fec Nid Al答案：c由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：、。

X衍射物相分析利用的是在晶体中的衍射。

a连续X射线b特征X射线答案：a b b 或b a b（3）判断对错。

用X衍射仪测一个以Fe为主要成分的样品，合适的X射线管和合适的滤波片是Cu靶和Ni滤波片。

（错）第二章X射线的晶体学基础一、晶体的定义是什么？请叙述其晶体的特点。

答：晶体的定义：内部质点在三维空间有规则排列的物体。

晶体的最明显特征是内部质点在三维空间作有规律的重复。

晶体的特点是：a 、均一性：指在宏观观察中，晶体表现为各部分性状相同的物体b 、各向异性：晶体在不同方向上具有不同的物理性质c 、自限性：晶体物质在适宜的外界条件下能自发的生长出晶面、晶棱等几何元素所组成凸多面体外形d 、固定熔点：晶体具有固定的熔点e、对称性：晶体的理想外形、宏观性质以及微观结构都具有一定的对称性g、最小内能二、晶体有四大空间格子类型、七大晶系，请具体说出其名称及其特征。