第一章 X射线物理学基础.pptVIP

X射线物理学基础 * * 中南大学 材料科学与工程学院 艾　延　龄 E-mail: ylai@ X射线衍射分析技术 1-1 X射线的本质 1-2 X射线谱 1-3 X射线与物质的相互作用 1-4 X射线的防护 1-5 总结 1895年伦琴发现X射线以后很长一段时间内，人们只认识到这种肉眼看不见的、穿透能力很强的射线所呈现出来的一些现象特征，诸如穿越磁场时不偏转；能使底片感光，使荧光物质发光和使气体电离；对生物细胞有杀害作用等。直到发现了晶体的衍射现象和康普顿效应以后，人们才逐步揭示X射线的真谛。 X射线和无线电波、红外线、可见光、紫外线、γ射线、宇宙射线一样，本质上同属于电磁波。只不过彼此占据不同的波长范围而已。X射线的波长很短，大约在0.01~100 ?之间，在电磁波谱中，它与紫外线及γ射线互相搭接。 电磁波谱 E H 电磁波传播示意图 E：电场强度矢量 H：磁场强度矢量 电磁波是一种横波，它由交替变化的电场和磁场组成。电场和磁场矢量总是以相同的周相，在两个相互垂直的平面内作周期振动。电磁波的传播方向总是与矢量E和H 的振动方向垂直，传播速度等于光速。 在X射线的分析实验中，我们记录的是电场强度矢量E起作用的物理效应！ X射线虽然和可见光一样（没有静止质量，但有能量），与光传播有关的一些现象（如反射、折射、散射、干涉、以及偏振）都会发生，但由于相对可见光而言，X射线的波长要短得多（光量子的能量相应要高得多），上述物理现象在表现方式上与可见光存在很大的差异。 X射线只有当它几乎平行的掠过光洁的固体表面时，才有可能发生类似于可见光那样的全反射； X射线穿过不同媒质时，几乎不发生偏折（X射线的折射率十分接近1，只在 数量级上有差异）。 不能象可见光一样使X射线会聚、发散、和变向，使得X射线无法制成显微镜！ 硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。用于金属探伤的X射线波长约为0.1~0.005nm或者更短，而用于晶体结构分析的X射线波长约在0.25~0.05nm之间。 软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于医学和非金属的分析。 X射线与其它微观粒子一样，既具有波动的特性，又具有粒子的特性。 描述X射线波动性质的物理量，如频率ν，波长λ和描述其粒子性的光量子能量E、动量P之间，遵循爱因斯坦关系式： 式中 h：普朗克常数，等于6.625× J.s; c：X射线的速度，等于2.998× cm/s. 小结 X射线本质上属于电磁波，它与无线电波、可见光等并没有本质的区别；它所展示出来的一些特殊的属性是由于其波长处于特定的范围造成的； X射线可以分为硬X射线和软X射线，波长短的称为硬X射线，其能量高、穿透力强；波长长的称为软X射线，其能量低、穿透力差。 1-1 X射线的本质 1-2 X射线谱 1-3 X射线与物质的相互作用 1-4 X射线的防护 1-5 总结 高速运动的电子与物体碰撞时，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射线的产生机理，按量子理论的观点，源自两个物理过程： 阴极射出的高速电子与靶材碰撞，运动受阻而减速，其损失的动能便以X射线光子的形式辐射出来，因此这种辐射称之为韧致辐射；由于高速电子的碰撞过程和条件是千变万化的，因而X射线光量子的波长必然是按统计规律连续分布，覆盖一个很大的波长范围，故称这种辐射为连续辐射（或称白色X射线）； 当阴极电子的动能足够大时，其中的一部分电子将有可能将靶材原子的某个内层电子击出到电子未添满的外层，此时原子将处于不稳定的高能激发态，各外层电子便争相向内层跃迁，以填补被击出电子的空位，以使系统能量回到低能稳定态。外层电子向内层跃迁过程中所降低的能量，便转而以一个X射线光量子的形式向外辐射。X射线光量子的波长由电子跃迁所跨越的两个能级的能量差来决定。由于这种X射线的波长能够标识原子的原子序数特征，故称这种辐射为特征辐射或者标识辐射。 X射线谱 一、连续X射线谱 具有连续波长的X射线，其强度与波长的关系曲线即为连续X射线谱。 短波限 在不同管压下的连续谱的短波端，都有一个突然截止的极限波长λ0，称之为短波限。 短波限只与阴极射线管的电压有关，而与电流强度无关，电流强度改变只会改变连续X射线谱的相应强度，不会改变短波限的位置。 用量子理论很容易解释短波限的问题，即如果在外加电压U的作用下，击靶时电子的最大动能就是eU，极限情况是电子在一次碰撞中将全部能量都转化为一个光量子，这个具有最