第一章第一章 XX 射线物理学基础 射线物理学基础

1895 年，德国物理学家伦琴发现了 X 射线 1912 年，德国物理学家劳厄发现了 X 射线在晶体中的衍

射现象，确证了 X 射线是一种电磁波 1912 年，英国物理学家 Brag 父子利用 X 射线衍射测定

了 NaCl 晶体的结构，开创了 X 射线晶体结构分析的历史

1 、 X 射线的历史

与 X 射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单 年 份 学 科 得奖者 内 容1901 物理 Wi l hel m Conral Rontgen伦琴 X射线的发现1914 物理 Max von Laue劳埃 X晶体的 射线衍射

. Henry Bragg亨利 布拉格. Lawrence Bragg.劳伦斯 布拉格

1917 物理 Charl es Gl over Barkl a巴克拉 X元素的特征 射线1924 物理 . Karl Manne Georg Si egbahn卡尔 西格班 X射线光谱学

Cl i nton J oseph Davi sson戴维森George Paget Thomson汤姆孙

1954 化学 Li nus Carl Panl i ng鲍林 化学键的本质J ohn Charl es Kendrew肯德鲁Max Ferdi nand Perutz帕鲁兹

1962 生理医学 Franci s H. C. Cri ck J AMES d. Watson、 、Mauri ce h. f . Wi l ki ns DNA脱氧核糖核酸 测定

1964 化学 Dorothy Crowfoot Hodgki n B12青霉素、 生物晶体测定Herbert Hauptman霍普特曼

J erome Karl e卡尔E. Ruska鲁斯卡 电子显微镜G. Bi nni g宾尼希 扫描隧道显微镜H. Rohrer罗雷尔

B. N. Brockhouse布罗克豪斯 中子谱学 C. G. Shul l沙尔 中子衍射

直接法解析结构

1915 物理 X晶体结构的 射线分析

1937 物理 电子衍射

1986 物理

1994 物理

1962 化学 蛋白质的结构测定

1985 化学

2 、 X 射线的性质 X 射线是一种电磁波，具有波粒二象性I. 波动性

波长： 10 － 2 ～ 102 Å规律： = c/

II.粒子性 X 射线由具有能量 E 、动量 P 、质量 m 的 X 光子组成

E = hv P = h/ h 为普朗克常数， 6.62617610-27尔格

硬 X 射线：波长较短、能量较高、穿透性较强。适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。 软 X 射线：波长较长、能量较低、穿透性弱。用于分析非金属的分析。 度量单位： Å 、 kX 、 nm

1nm=10Å=10-9m

1kX=1.0020772±0.000053 Å

3 、 X 射线的特征a. X 射线具有很高的穿透能力，可以穿过黑纸及许多

对于可见光不透明的物质

b. X 射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片感光

c. X 射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织在受到X 射线的辐射时，生理上会产生一定的反应

4 、 X 射线的范围

5 、 X 射线的产生

高速运动的电子流 射线 X 射线中子流

高能辐射流突然减速 , 产生 X 射线

5.1 X 射线产生条件1. 产生自由电子的电子源2. 电子作定向的高速运动3. 在电子运动的路径上设置一个障碍物如阳极靶使电子突然减速或停止4. 阴阳极封闭在 10-3Pa 的高真空中

接变压器

玻璃 钨灯丝

金属聚灯罩铍窗口

金属靶

冷却水电子

X 射线

X 射线

5.2 过程演示

6 、 X 射线管

X 射线管

电子枪：产生电子并将电子束聚焦。钨丝螺旋式，通电流放出自由电子。 金属靶：发射 X 射线。通常由传热性好熔点较高的金属材料制成。如铜、钻、镍、铁、铝等。

X 射线管剖面图

结构 阴极：发射电子 阳极：亦称靶，使电子突然减速和发射 X 射线 窗口： X 射线从阳极靶向外射出的地方 焦点：阳极靶面被电子束轰击的地方

X 射线管实物图

7 、 X 射线仪

8 、 X 射线的影响 使一些物质发出可见的荧光 使离子固体发出黄褐色或紫色的光 促进物质的合成 引起生物效应，导致新陈代谢发生变化； x 射线与物质之间的物理作用，可分为 X 射线散射和吸收。

1. X 射线的强度2.连续 X 射线3.特征 X 射线

第二节 X 射线谱

1 、连续谱：强度随波长连续变化

2 、特征谱：波长一定、强度很大又称为标识谱X 射线谱

1 、 X 射线的强度 定义 垂直 X 射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。单位是 J/cm2·s决定因素 光子能量 hv 、光子数目 n

I=nhv 最大值出现在 1.5λ0处

2 、连续 X 射线谱

连续谱示意图

2.1 连续谱产生机理

电子与阳极靶碰撞，电子失去能量，其中部分以光子的形式辐射，这样的光子流即为 X 射线单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，出现连续 X 射线谱。

K 态（击走 K 电子）L 态（击走 L 电子）M 态（击走 M 电子）N 态（击走 N 电子）击走价电子中性原子

Wk

Wl

Wm

Wn

0

原子的能量电子冲击阳级靶

X 射线射出

过程演示

2.2 连续 X 射线谱的规律 X 射线强度与管压的关系 X 射线强度与管流的关系 X 射线强度元素的原子序数的关系

2.3 短波限 定义 连续 X 射线谱在短波方向有一个波长极限。只与管电压有关，不受其它因素的影响。数量关系 e 电子电荷， 4.803×10-10

V 电子通过两极时的电压降 h 普朗克常数， 6.625×10-34j·s

0

max hcheV

VeVhc 24.1

0

2.4 连续谱的 X 射线强度经验公式

C 为常数， Z 为阳极材料的原子序数

)11(1

02 CZI

经验公式 K 为常数 ,1.1-1.5×10-9

Z 为阳极靶元素的原子序数 I 为 X 射线管的电流强度， V 为管电压X 射线管的效率

2KIZVI 连

AZVIVKZV

XXX

2

射线管功率射线强度

射线管效率

3 、特征 X 射线

特征谱示意图

3.1 特征 X 射线产生机理

与阳极物质的原子内部结构紧密相关电子按泡利不相容原理和能量最低原理排布。在轰击阳极的过程中，具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出，在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出特征 X 射线

3.3 K系激发

示意图

管电压超过激发电压时才能产生特征谱线 靶元素的原子序数越大，激发电压越高 Kα的强度约为 Kβ 的 5 倍激发限

K系激发的特点

kk

k ehch

kk

khc

24.1

3.4 莫塞莱定律 表征特征 X 射线谱的波长 λ与原子序数 Z 关系

ZC1

C ， σ 都是常数

3.5 特征 X 射线的强度

c 为比例常数， V 激为阳极靶元素特征 X 射线的激发电压， I 为管电流， V 为管电压 当 I 特 /I 连最大，工作电压为激发电压的 3-5倍时，连续谱造成的衍射背影最小。

nVVcII 激特

1. X 射线的散射 2. X 射线的衰减3. 吸收限4. X 射线的折射5. 总结6. X 射线的安全防护

第三节 X 射线与物质相互作用

1.1 相干散射电子在 X 射线作用下，产生强迫振动。每个电子在各方向产生与入射 X 射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象

1 、 X 射线的散射 相干散射 , 非相干散射

一、 汤姆逊公式

Ie ：散射 X 射线的强度 ; I0 ：入射 X 射线强度 e ：电子电荷 ; m ：电子质量 ; c: 光速 2θ ：电场中任一点到原点连线与入射 X 射线方向的夹角 R ：电场中任一点到发生散射的电子的距离 fe=e2/mc2: 电子的散射因子 (1+cos22θ)/2: 为极化因子或偏振因子

)2

2cos1(109.7)2

2cos1(2

2

26

0

2

422

4

0

RI

cmReII e ＝

1. 在各个方向上散射强度不同， 2θ ＝ 0° 处强度最强， 2θ ＝90° 强度最弱

2. 散射波强度与入射波频率无关3. 散射强度与入射强度相比，强度很弱

二、 X 射线散射的特点

1.2 非相干散射 X 射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时，电子获得一部分动能成为反冲电子， X 射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。 康普顿效应：用量子理论描述，亦称量子散射。增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。

1.3 二次特征辐射 二次特征辐射：荧光辐射，激发限 光电效应 俄歇效应

2 、 X 射线的衰减

X 射线衰减图示

设入射 X 射线强度为 I0 ，透过厚度为 P 的物质后强度为 I ， I ＜ I0 ；在被照射的物质中取一深度为 X 处的小厚度元 dX ，照到此小厚度元上的 X 射线强度为 Ix ，透过此厚度元的X 射线强度为 Ix+dx，则强度的改变为：dIx ＝ Ix+dx － Ix

＝ ＝ － μL·dx

x

xdxx

III

x

x

IdI

当 x ＝ 0 时， Ix ＝ I0 ， I/I0 =

xL e

2.1 衰减公式推导

2.2 相关概念及物理意义 线衰减系数， L

线吸收系数， τ

散射系数， σ

质量吸收系数 m

2.3 质量吸收系数

质量吸收系数的加和性33ZKm

ii

mm Wi

μmi 为第 i 种元素的质量吸收系数Wi 为各元素的质量分数

3 、吸收限

吸收限主要是由光电效应引起的：当 X 射线的波长等于或小于 λk时，光子的能量达到击出一个 K 层电子的功 W ， X 射线被电子吸收，激发光电效应，使 μm 突变性增大。

吸收限与原子能级的精细结构对应。如 L 系有二个副层，有二个吸收限。

滤波片的选择 吸收限位于 Kα 和 Kβ 之间，尽量靠近 Kα，强烈吸收

Kβ ， Kα吸收很小；Z 靶 <40 时 Z 滤片=Z 靶 -1 ；Z 靶 >40 时 Z 滤片=Z 靶 -2 ；

滤波片的厚度以将 Kα 强度降低一半最佳阳极靶的选择 阳极靶 K 波长稍大于试样的 K 吸收限； 试样对 X 射线的吸收最小。 Z 靶≤ Z 试样+1

吸收限的应用

4 、 X 射线的折射 折射率约为 0.99999-0.999999

2

22

2

22

2

12

1

mcne

mcneM

5 、 X 射线与物质相互作用的总结

热能

透射 X 射线衰减后的强度 I0

散射 X 射线

电子

荧光 X 射线

相干的非相干 的

反冲电子俄歇电子光电子

康普顿效应俄歇效应

光电效应

6 、 X 射线的安全防护设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤 X 射线的阴极端为危险的源泉，安装时把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后 辐射损伤是过量的 X 射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生育等安全措施：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、避免身体直接暴露在 X 射线下、定期进行身体检查和验血。