第1章 X射线物理学基础

特征X射线谱产生的原因：
①靶材中的电子分布在K, L, M, N, …各层，各具有特定的能量。 ②若电子将K层能级中的电子击出，原子将处于K激发态。 ③其它高能态的电子向K层跃迁,若L层电子跃迁到K层,原子就转变为L激发态,
其能量差以X射线光量子的形式辐射出来，这就是特征X射线。
若L层电子跃迁到K层，此时能量差为:
为什么特征X射线的波长是定值？
若L层电子跃迁到K层，此时能量差为:
这一能量差以X射线光量子的形式辐射出来， 变成光子能量(这个光量子即为特征X射线):
对于原子序数为Z的物质而言，各原子能级所具有的能量是固定的， 即△εkL是固定值，所以，λ也随之固定。 这就是特征X射线波长为定值的原因。 定性分析
时不发生偏转；当穿过物质时X射线可被偏振化，可被吸收
（轻元素物质对X射线几乎是透明的，当通过重元素物质时， 透明程度明显地被减弱）而使强度衰减。 它能够使空气或其它气体电离，能激发荧光效应，使照相底 片感光，并能杀死生物细胞与组织等。
历史上第一张X光照片
习题1：试计算波长0.71Å（Mo-Kα）和1.54Å（Cu-Kα）
的X射线束，其频率和每个量子的能量？
h —— 普朗克常数，等于6.626×10-34 J · s;
c —— X射线的速度，等于2.998×108 m/s.
第二节 X射线的产生及X射线谱
1、产生原理
高速运动的电子与物体(靶)碰撞时，发生能量转换，电子的 运动受阻失去动能，其中一小部分（1%左右）能量转变成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。
1

K2 Z
③U>U激时，特征X射线谱的波长不变， 而强度按n次方的规律增大。
Mo靶X射线管的X射线强度曲线
连续X射线谱与特征X射线谱对比
产生原因
连续谱 特征谱
高速运动的粒子能量转换成 电磁波 高能级电子回跳到低能级， 多余能量转换成电磁波。
谱图特征
强度随波长连续变化 仅在特定波长处有特别强 的强度峰
窗口：是X射线从阳极靶向外射出的通道，维持管内高真空，对X射线吸收较少，
铜
X射线
真空 X射线
X射线管剖面示意图
X射线衍射仪（Rigaku Ultima IV）
4. X射线谱
即连续X射线谱和特征X射线谱。
X射线谱即X射线强度随波长而变化的关系曲线。它由两部分组成，
（1）连续X射线谱
特征：X射线的波长连续变化（具有连续波长）。
1 nm=10-9 m
用于衍射分析的X射线：0.05~0.25 nm
X射线的波长： 0.01~10 nm
1 nm=10 Å
用于衍射分析的X射线：0.05~0.25 nm
什么是硬X射线？什么是软X射线？
适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。 波长短的X射线（<1 Å ），能量大，称为硬X射线； 波长长的X射线（>1 Å ），能量较低，称为软X射线。 λ< 0.1 Å ： 超硬X射线；
m x
X射线通过物质后的衰减
I0——入射X射线强度；Ix——入射X射线在穿过厚度为x的物质后的强度。
由于不同物质的吸收系数()和Ix不同， 故可用于生物体透射和工业探伤研究。
t
I I 0e
t
m (cm2 / g )
I0
X射线检测机：在不损坏被检物品的前提下使用低能量X光，
在K激发态下，L层电子向K层跃迁时的能量差为：
在K激发态下，M层电子向K层跃迁时的能量差为：
在K激发态下，L层电子向K层跃迁的几率远大于M层跃迁的几率， 所以，K谱线的强度是 K的5倍。 一般选用K作为辐射源。 K1和K2谱线的关系为：K1 K2，IK1 2IK2。 L系和M系射线波长太长，容易被吸收，所以一般不用做辐射源。
m K Z
3
3
μm为质量吸收系数，指X射线通过单位质量物质后强度的相对衰减量。
μm是反映物质本身对X射线吸收性质的物理量。 ① 元素的原子序数越大，物质的密度越大，对X射线的吸收能力越强； ② 波长愈短，物质对X射线吸收愈小，X射线穿透物质能力越强。
t
m K Z
3
3
I

I x I 0e
1895年，伦琴发现X射线（又称伦琴射线）; 1912年，劳厄发现X射线衍射－证实了X射线是一种波长很短的电磁波 ; 1913年，布拉格提出X射线衍射公式－测量晶体结构，d--关系; 1913年，莫塞莱确定X射线标识谱线的规律性－建立了X射线光谱学;
1917年，康普顿研究X射线散射，发现康普顿效应－非弹性散射；
透射系数
dI dx I
I I 0e
t
其中，μ为线吸收系数，表示在X 射线的传播方上，单 位厚度物质引起X射线强度衰减的程度。 μ与物质种类、密度和 X 射线波长有关。
I e t e m t I0
I0
I
X射线通过物质后的衰减
2 ( cm / g) 为便于处理, 令: m
当X射线管仅产生连续谱时，其效率η为:
连续X 射线总强度 K1iZU 2 K1ZU X 射线管功率 iU
当用钨阳极(Z=74)，管电压为100 kV，K1约为(1.1~1.4)X10-9，
此时, η=特征X射线谱（标识谱、特征谱）
对一特定靶材，当管电压U增加到某一特定Uk时， 在连续谱上某一特定波长0处，产生强度很高、波 长范围很窄的线状光谱，称为特征谱或标识谱。 若电压继续增加，0不变，仅强度增加，此0为该
例：计算CuO对Mo Kα，λ=0.711Å的质量吸收系数。
B
X射线吸收限
λ m 穿透能力越强
一个物体对X射线的吸收系数与X射线的波长遵循以下关系：
m K Z
3
这些对应的波长称为该物质的吸收限。
3
但实际上随λ，m不是连续变化，而是在某些波长位置上突然升高，
X射线吸收限是物质的特征值，反 映原子内部结构的情况，其波长与 跃迁的电子能级有关。
连续谱短波限λSWL只与管电压有关,与
管电流和靶材无关。
习题2：试计算用50 kV操作时，X射线管中的电子
在撞击靶时，所发射的X射线短波限为多少？
连续X射线的强度
连续X射线谱的总强度取决于U、i、Z三个因素，即:

I连
SWL
I ( )d K1iZU 2
为获得强的连续X射线谱，常选用原子序数较大的元素和较高的电压值
1956年，西格班创建X射线光电子能谱学－成分分析（Z>2）。
第一节 X射线的性质
X射线的本质是电磁波
1、X射线波长 波谱 光学光谱
红外线 可见光 紫外线
射线谱
X射线
无线电波
射线
宇宙射线
波长 15 (m) 10
10-4
10-6 10-7 10-8
10-11
10-12
10-15
电磁波谱
X射线的波长： 0.01~10 nm
高速运动的电子被突然减速时，就能产生X射线。
2、X射线产生的基本条件

(应有一个电子源, 能根据需要随时提供足够数量的电子) 产生自由电子；
使电子作定向的高速运动; 在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。
(将电子的动能转化为电磁波的能量)
3、X射线管的结构
（阴极）
e
封闭式X射线管 封闭式X射线管实质上就是一个大的真空(10-5~10-7 mmHg)热阴极二极管： 阴极：灯丝(钨丝)，通电加热后便能释放出热辐射电子。 阳极：靶材，通常由纯金属制成(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag,W等)， 使电子突然减速并发射X射线。阳极需要水强制冷却。 如金属铍、含铍玻璃、薄云母片。
若一个电子在与阳极靶碰撞时，把全部能量给予一个光量子， 这个光量子则具有最高能量(hmax) ， 这个最高能量所对应最短
的波长，即为短波限λSWL。
(U单位: kV)
元电荷，1.602×1019 C
讨论：短波限与哪些因素有关？

U I ， SWL和m i I ， SWL和m不变 Z I ，SWL和m不变
快速检测出被检物品的内部质量和其中的异物，并通过计算机 显示被检物品图像的测试手段。
输送式X射线异物检测仪
引入m后，则：
对于由多种元素组成的物质，其吸收系数可以通过下式得到:
m W1 m1 W2 m 2 W3 m3 ......
P324 附录B
mi——各元素的质量吸收系数， Wi——各元素的质量分数
X射线的频率ν、波长λ及其光量子的能量E和动量P之间存在如下关系：
其光量子的能量： 动量： h —— 普朗克常数，等于6.626×10-34 J · s; c —— X射线的速度，等于2.998×108 m/s.
波长越短 能量越大
X射线的特征：波长短，能量大，穿透物质的能力强。
注意：X射线具有很强的穿透物质的能力，经过电场和磁场
在多晶材料的衍射分析中，连续谱只会增加衍射花样的背底，因此 总是希望应用以特征谱为主的单色光源，即有尽可能高的I特/I连。
对K系谱线，当U/UK=4时，I特/I连获最大值。 所以，X射线管适宜的工作电压U≈(3~5)UK。
特征X射线谱的特点：
产生特征X射线的最低电压 ①管电压需要达到U激发； ②阳极靶不同，特征X射线谱的波长也不同；
应用
医用 晶体衍射 金属探伤
第一节 X射线的性质
X射线的本质、波长范围。
第二节 X射线的产生及X射线谱
X射线产生的原理（基本条件）、连续谱和特征谱产生的原因及特点、短波限。 特征谱：λkα >λkβ ， Ikα > Ikβ。