第一章 X射线物理学基础概述

X射线的特点
波动性：
以一定的频率 ν 和 波 长 λ 在 空间 传播；具有干涉、 衍 射 、偏 振 等现 象。
微粒性：
具有一定的质量m、 能量E和动量p， 在与电子、质子、 中子间相互作用时， 表现出粒子的特征。
X射线的波粒两重性
ν、λ与E、p之间也有如下的关系: E=hν=hc/λ P=h/λ
5. X射线命名规则

X射线命名规则：主字母代表终态，下标 代表层序差＝1，＝2。。。。。例如 K：LK， K：MK
6. X射线与物质的相互作用
X 射线与物质相互作用时 ( 过程复 杂 ) 。但就其能量转换而言，一束 X 射 线通过物质时，它的能量可分为三部 分：散射、吸收、透过(透过物质后的 射线束强度被衰减)。

常用X射线管的结构
X射线
玻璃
钨灯丝
冷却水
电子
接变压器 示 金属聚灯罩
3. X射线的产生--装置

（1）常用的靶材：Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag （2） 冷却系统：当电子束轰击阳极靶 时，其中只有1%能量转换为X射线，其 余的99%均转变为热能。因此， 阳极 的底座一般用铜制作。使用时通循环水 进行冷却。以防止阳极过热的熔化。
X射线的性质
（1）穿透性
（2）感光作用 （3）电离作用 （4）荧光作用 （5）生物效应
3. X射线的产生—原理
X射线的产生，是因为在阴极 射线管中的电子流高速射入正极 靶内的物质时，因为电子减速或 造成靶中原子内部的扰动，而放 射出高频率的电磁波。
3. X射线的产生--装置
当冲击物质的带电质点或光子的能量足够大时, 物质原子内层的某些电子被击出，或跃迁到外部 壳层，或使该原子电离，而在内层留下空位。然 后，处在较外层的电子便跃入内层以填补这个空 位。这种跃迁主要是电偶极跃迁，跃迁中发射出 具有确定波长的线状标识X 射线谱。

1.1.3 X射线谱
➢ 连续X射线谱：X射线波长连续变化，是 多波长的混和体，称白色X射线或多色X 射线。
➢ 特征X射线谱：由一定波长的若干X射线 叠加在连续X射线谱上构成，称单色X射 线。
（标识X射线：每种元素只能发出一定波长 的单色X射线，它是元素的标志。）
1.1.3.1 连续X射线谱
➢ 每条曲线都有一强度最 大值和一个波长极限值
1 K(Z )
式中：K和σ为常数。
1.1.3.2 特征X射线谱
该式称莫塞莱定律，它是X射线光谱分析 的基本依据，是X射线光谱学的重要公式。 根据莫塞莱定律，将实验结果所得到的未知 元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素 波长相比较，可以确定它是何种元素。
1.1.4 X射线与物质的相互作用
X射线与物质的相互作用，是一个比较复 杂的物理过程，可以概括地用图1-8来表示。 一束X射线通过物体后，其强度将被衰减， 它是被散射和吸收的结果，并且吸收是造成 强度衰减的主要原因。
连续谱的量子理论解释
当能量为eV的电子与阳极靶的原子碰 撞时，电子损失自己的能量，其动能的 一部分以X射线的形式辐射出来，其余部 分转变为热能。在与阳极靶碰撞的众多 电子中，有的辐射一个光子，有的多次 碰撞辐射多个能量不同的光子，它们的 总和就构成了连续谱。
1.1.3.1 连续X射线谱
连续谱的量子理论解释
Kα双线的产生与原子能级的精细结构相 关。L层的8个电子的能量并不相同，而分别 位于3个亚层上。 Kα双线系电子分别由LIII 和LII两个亚层跃迁到K层时产生的辐射，而 由LI亚层到K层因不符合选择定则(此时Δl＝ 0)，因此没有辐射。
1.1.3.2 特征X射线谱
特征X射线谱的频率(或波长)只与阳极靶 物质的原子结构有关，而与其它外界因素无 关，是物质的固有特性。1913－1914年莫塞 莱发现物质发出的特征谱波长与它本身的原 子序数间存在以下关系：

式中，K3为常数；Un为特征谱的临界激发电压，对于K系， Un = UK ；m为常数(K系m = 1.5， L系m = 2)
为了提高特征谱的强度，应采用较高的管电压，当U/Uk =4时，I特/I连最大，所以X射线管适宜的电压为， U = (3~5)UK
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第三节 X射线与物质的相互作用
一、衰减规律和吸收系数 如图1-6，强度为I0的X射线照射厚度为t的均匀物质上， 穿过深度为x处的dx厚度时的强度衰减量dIx/Ix与dx成正比，
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第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线 图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装臵 主要由阴极 (W灯丝) 和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等纯金属制 成的阳极(靶)组成 阴极通电加热，在阴、阳 极之间加以直流高压 (约数 万伏) 阴极发射的大量电子高速飞 向阳极，与阳极碰撞产生X 射线
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第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱 为什么连续X射线谱存在短波限SWL？ 用量子理论可以解释连续谱和短波限，若管电压为U， 则电子到达阳极靶的动能为eU，当电子在一次碰撞中将全部 能量转化为一个光量子，可获得最大能量hmax ，其波长即 为SWL， eU = hmax = hc /SWL
Fe
Co Ni Cu Mo
26
27 28 29 42
1.93604
1.78897 1.65791 1.54056 0.70930
1.93998
1.79285 1.66175 1.54439 0.71359
1.93736
1.79026 1.65919 1.54184 0.71730
1.75661
1.72079 1.50014 1.39222 0.63229

X射线衍射分析
（X-Ray Diffraction ，XRD）
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概述
1895年，德国物理学家伦琴
1901
发现X射线
1912年，德国物理学家劳厄等人 发现X射线在晶体中的衍射现象 劳厄方程组
1912年，英国物理学家布·拉格父子 布拉格方程 开创X射线分析晶体结构的历史
1914 1915
2
1916年：德拜、谢乐 多晶体试样的“粉末照相法”
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1、连续X射线谱
包含从某个短波极限开始 的各种波长的X射线谱。
(1)产生原理 ➢ 轫致辐射：高速电子骤然减
速产生辐射 ➢ 到达阳极的电子数目很多，
并且由于绝大多数电子都要经历多次碰撞产能到达阳极。因此撞 向阳极的时间、条件各不相同。 ➢ 电子动能转化为x-ray的能量也有多有少，从而导致产生的xray频率有大有小，形成不同波长的x-ray，构成连续的谱线。
产生强度特别高的X-ray
电动力学：带电粒子作加速运 动时会辐射光波
上海同步辐射光源
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上海同步辐射光源演示场景
以接近光速运动的电子在磁场中作曲线运动，改变运动方向时所产生的电磁辐射
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三、X射线谱
X射线强度与波长的关系曲线， 称之X射线谱,图（a）
从X-ray管中发出的X射线可以 分为：连续X射线谱,图（b） 特征X射线谱,图（c）
晶粒尺寸的计算
晶胞参数的确定……
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X 射线衍射分析（XRD）
需 分析未知物的物相组成所使用的检测方法？
解 决
XRD物相分析原理？仪器主要结构？样品要求？
的 XRD实验结果如何分析？
问 题 XRD除物相分析外，还能获得材料的哪些信息？
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