X射线的产生和性质

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X射线的发现
布拉格父子于1913年借助X射线成功地测出 金刚石的晶体结构，并提出了“布拉格公 式”，为最终建立现代晶体学打下了基础， 于1915年获奖。当时，小布拉格年仅25岁， 是至今为止最年轻的诺贝尔奖获得者
L.布拉格(1890～1971) H.布拉格(1862～1942)
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X射线的发现
X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1895年、放 射线1896年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。
●窗口：窗口是 X射线从阳极靶向外射出的地方 ：
●焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射 出X射线
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X射线的产生过程演示 X射线
冷却水 电子
（回车键演示）
玻璃 钨灯丝
接变压器
金 属 靶
X射线 铍窗口 40KV高压 X射线管剖面示意图
220V400mA电流
金属聚灯罩
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X射线的产生
19世纪末，阴极射线是物理学研究课题，许多物理实验室都开展了这 方面的研究。1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一个 黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线圈电源时，一块涂有 氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用一本厚书，2－3厘米厚的木板或几厘米 厚的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、二 硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是“透明的”，铜、银、 金、铂、铝等金属也能让这种射线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这 可能是某种特殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。他一 连许多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行彻底研究。6个星期后， 伦琴确认这的确是一种新的射线。 1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。1895年12 月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯《一 种新射线———初步研究》。伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线， 因为他当时无法确定这一新射线的本质。自伦琴发现X射线后，许多物理学 家都在积极地研究和探索，1905年和1909年，巴克拉曾先后发现X射线的 偏振现象，但对X射线究竟是一种电磁波还是微粒辐射，仍不清楚。1912 年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线 的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了《X射线的干涉现象》一文。 5

真空 阴极 X射线
高电压加速电子束轰击金属靶。 二.同步回旋加速器中产生：强度高、单色性好、频率可选择。 三.用X射线或低能γ射线激发（XIX）二次X射线。
x-射线通常是在真空度为10-3~10-5 Pa的x-射线管内， 由高电压加速的一束高速运动的电子，冲击阳极金 属靶而产生的。此中包括三个条件:
物质吸收x射线后将使物质中原子的某些电子改变其量子状态x射线波长变大其光量子能量下降并到一极限值时光量子的能量不能使电子的量子能态过渡这个能量的量子不能被吸吸收现象的应用吸收现象的应用为了获得单色波长需将k射线及白色射线除去一种方法是选择一种金属它的吸收限波长位于k之间用这种金属薄片作滤波片吸收掉k射线
滤波材料 原子 序数 Z 元素 K吸收 限(Å)
2.2691
1.8964 1.7435 1.6081 1.4881 0.7697 0.6888 0.5339
Kα2 (Å)
2.29361
1.93998 1.79285 1.66175 1.54439 0.79015 0.71359 0.56380
X射线管的额定功率
特殊结构的X射线管
X射线衍射仪
• 组成： （1）为X射线管提供稳定的数万伏高压电场的高压变 压器； （2）为加热阴极灯丝用的低压稳压电源； （3）为设备操作所需的自动控制和指示装置。
同步辐射
• 光是一种电磁波，也是一种粒子，叫做光子。可以用波长或者频率表 征光波，也可以用能量表征光波。光的波长可从10-4厘米到10-16厘米， 相应于光子的能量为 100电子伏到 10E12 电子伏。波长越短，能量越 高. • 在雨中快速转动雨伞时，沿伞边缘的切线方向会飞出一簇簇水珠。利 用弯转磁铁可以强迫高能电子束团在环形的同步加速器以接近于光速 作回旋运动，在切线方向会有电磁波发射出来。

％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射线产生效率（ η ）是产生的X线能量与高速电 子流的能量之比，即：
X 线能量 IV 2 Z ＝K ＝KVZ 高速电子流能量 IV
上式中，Z为原子序数，V为管电压，I为管 电流，K为比例常数，通常K＝10-9，上式可写成 η＝ZV×10-9。



由上式可知，X线的产生效率与管电压和靶物质的 原子序数成正比，高压波形越接近恒压，X线的产 生效率越高。 研究证明，X线管产生X线的效率极低，一般不足1 ％，而绝大部分的高速电子能都在阳极变为了热能， 使阳极靶面产生很高的温升。这是X线管不能长时 间连续工作的原因所在。因此X线管必须有良好的 散热冷却装置。 X射线的利用率也很低，不足总量的10%。绝大部 分都被阳极靶、管壳、管套、绝缘油等吸收。

二、厚靶周围X射线强度的空间公布

厚靶：是指把入射电子全部阻止，靶体几乎 把电子入射方向上产生的X射线全部吸收的 靶，称为厚靶。具有这种靶的X射线管称为 厚靶X射线管或称为反射式X射线管。这种靶 的靶面与垂直方向有一定的倾角——阳极角θ。
二、特征X射线
4.连续X线和特征X线的比例大小. 由上所述可知：高速入射电子与靶物质原子 作用，会产生连续X射线和特征X射线。连续 射线与特征射线的比例，随着管电压数值的 变化而变化。管电压升高，连续射线量所占 百分比减少，特征射线所占百分比增加。

二、特征X射线
对于钨靶X射线管，低于K系激发电压不会产 生K系放射；80～150KV时，特征放射只占 10％～28%；管电压高于150KV，特征放射 相对减少；管电压向300KV时，特征放射可 以忽略。 医用X射线主要是连续X射线，但在物质结构 的光谱分析中使用的是特征X射线。
表2-2