第1章x射线的产生

第一章X射线的性质【教学内容】1．X射线的发现。2．X射线的本质。3．X射线的产生与X射线管。4．X射线谱。5．X射线与物质的相互作用。X射线的发现W.K.Rontgen1845－19231895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究真空管的高压放电时，偶然发现镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。这一现象立即引起的细心的伦琴的注意。经仔细分析，认为这是真空管中发出的一种射线引起的。于是一个伟大的发现诞生了。由于当时对这种射线不了解，故称之为x射线。后来也称伦琴射线。伦琴发现，不同物质对x射线的穿透能力是不同的。他用x射线拍了一张其夫人手的照片。很快，x射线发现仅半年时间，在当时对x射线的本质还不清楚的情况下，x射线在医学上得到了应用。发展了x射线照像术。1896年1月23日伦琴在他的研究所作了第一个关于x射线的学术报告。1896年，伦琴将他的发现和初步的研究结果写了一篇论文“论一种新射线”，发表在英国的《nature》杂志上。他的发现在社会上引起了轰动，也为他赢得了很大的荣誉。1910年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因x射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。1895年伦琴初次发现x射线时，拍摄的他夫人手指的x射线照1910年第一张诺贝尔物理学奖授予w.k.伦琴伦琴-----全名威廉·康拉德·伦琴（1845~1923），德国实验物理学家。●1845年3月27日生于德国莱茵州雷内普镇。●1869年获苏黎世大学理学博士学位。●1870年回德国维尔茨堡大学工作。●1894年任维尔茨堡大学校长。●1895年11月8日发现X射线。●1900年任慕尼黑大学物理研究所教授，主任。●1901年获首届诺贝尔物理学奖。●1923年2月10日在慕尼黑去世。个人贡献伦琴一生在物理学许多领域中进行过实验研究工作，如对电介质在充电的电容器中运动时的磁效应、气体的比热容、晶体的导热性、热释电和压电现象、光的偏振面在气体中的旋转、光与电的关系、物质的弹性、毛细现象等方面的研究都作出了一定的贡献,由于他对X射线的发现赢得了巨大的荣誉，以致这些贡献大多不为人所注意。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1896年、放射线1896年、电子1897年）特点波长很短的电磁波具有波粒二相性直线传播，穿透性强，能使密封的底片感光X射线的本质对x射线本质的争论，焦点集中在它是：粒子流？电磁波？认为x射线是物质粒子流的科学家中有w.h.布拉格。他的儿子w.l.布拉格则对x射线的波动性进行了深入的研究，并给出了著名的布拉格方程。对X射线波动性最完美的研究是德国物理学家劳厄（Laue）爱因期坦称，劳厄的实验“物理学最美的实验”。它一箭双雕地解决了x射线的波动性和晶体的结构的周期性。后来的科学证明，与可见光一样，X射线具有波粒二象性。X射线的本质是一种电磁波。它既具波动性，又具有粒子性。在X射线衍射分析中应用的主要是它的波动性，反映在在传播过程中发生干涉、衍射作用。而在与物质相互作用，进行能量交换时，则表现出它的粒子性，这种微粒子通常称为光子。X射线波粒二象性。X射线的波动性X射线的波动性表现在它以一定的波长和频率在空间传播。X射线的波长在电磁波谱上位于紫外线之后（图1-1）。X射线波长的度量单位常用埃（Å）通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示它们之间的换算关系为：1nm=10Å=10-9mX射线的波长范围：0.01~100ÅX-radiationMicrowavesg-radiationUVIRRadiowaves10-610-311031061091012Wavelength(nm)可见光无线电波X射线的粒子性称为波矢为普朗克常数，1KhKhhPchhEh—普朗克常数C——X射线的速度E---能量Ν----频率λ---波长X射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流构成的。它具有一定和能量和动量。式中h——普朗克常数h=6.625×10-34J.s;c——X射线的速度(光速)c=2.998×108m/s.X射线的波长较可见光短得多，所以能量和动量很大，具有很强的穿透力。hP高速运动的电子（高能粒子）与物体碰撞时，发生能量转换，能量转变为X射线。高能粒子：电子、中子、光子（X射线本身）等X射线的产生X射线的产生X射线产生的基本条件：（1）产生自由电子；（2）使电子做定向高速运动；（3）在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物。通常使用热阴极X射线管被加热的灯丝发射出电子流，在高压电场作用下，加速飞向阳极。高速电子流在撞击阳极（靶）时，所携带的动能部分转变为光量子，以X射线形式发射出来。X射线的产生X射线管由阳极靶和阴极灯丝组成产生---X射线管冷却水靶（阳极）铜X射线X射线真空钨丝玻璃管座（接变压器）铍窗聚焦罩常用X射线管的结构包括：（1）阴极：如同一般的灯丝，一般用钨丝做成。用于产生大量的电子，是发射电子的地方。（2）阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。不同金属制成的靶产生的X射线是不同的。常用的靶材：Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag。产生---X射线管（3）窗口(Be)：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。（4）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，阳极的底座一般高导热性的金属（铜）制作。使用时通冷却水防止熔化。（5）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。产生---X射线管转靶X射线管常规X射线管功率只有1-2KW，大功率转靶X射线管功率可达10-30KW可显示更多衍射信息和细节产生---转靶X射线管电子束X射线高功率旋转阳极X射线谱X射线谱是指X射线强度随波长变化的关系曲线X射线谱①连续X射线谱②特征X射线谱波长连续变化的X射线组成一定波长的若干X射线叠加在连续X射线谱上构成连续谱+标识（特征）谱连续谱正如太阳光包含有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等许多不同波长的光一样，从X射线管中发出的X射线也不是单一波长（单色）的，而是包含有许多不同波长的X射线。这些波长构成连续的光谱。别名：多色X射线白色X射线X射线谱强度波长（Å）连续谱特征谱连续X射线谱如图所示的曲线是管电流恒定，管电压从5kV逐渐增加到25kV钼钯X射线管中发出的X射线谱。连续X射线谱特点：①曲线均有一个最短波长限λ0和最大强度点所对应的波长λm。最大值一般在1.5λ0地方。②恒定管电流，逐渐升高电压，λ0和λm均向短波方向移动。λ0=1.24/v(nm)③当电压增加时，各个波长所对应的强度增加，曲线下所围的面积增加。i连=连续X射线谱产生机理能量为eV的电子与阳极靶碰撞时，电子失去能量，其中部分能量以光子的形式辐射（大部分转化为热能），碰撞一次产生一个能量为hν的光子，这样的光子流即为X射线。到达阳极靶面的电子数目是极大量的（每秒6.25×1016个），达到靶上的时间和条件不会相同，并且绝大多数电子要经历多次碰撞，每次碰撞都转换成波长不相同的辐射(光子能量不同），于是产生了一个连续的X射线谱。短波限连续X射线谱在短波方向有一个波长限，称为短波限λ0它是由电子一次碰撞就将全部能量转换成所产生的X射线（数目庞大的电子群中总会有这样的电子）λ0只与管电压有关，不受其它因素的影响。（与管电流和靶的材料无关）。0maxhcheV式中e——电子电荷，c——光速，ν——频率V——电子通过两极时的电压降（kv）h——普朗克常数，h=sj3410625.6式中e——电子电荷，c——光速，ν——频率V——电子通过两极时的电压降（kv）h——普朗克常数，h=sj3410625.6λSWL=nmV24.1短波限试计算用50千伏操作时，X射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的X射线短波限为多少？eVm20210mpeVhc0kgm311011.9Jsh3410625.6smc/1038Ce19106.1连续谱强度X射线的强度是指垂直于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。I=nhν正因为如此，连续X射线谱中强度最大值并不在光子能量最大的λ0处，而是在大约1.5λ0的地方。实验证明I连iZU2阳极原子数Z成正比与靶电流i成正比与电压U二次方成正比可见，连续X射线的总能量（强度）随管电流、阳极靶原子序数和管电压的增加而增大。连续谱强度管电压靶原子序数管电流强度λSWLλM↑↓↓↑－－↑－－X射线管的效率一般η≤1%（当用钨靶z=74，管压为100kv，η≈1%），电子能量的99%左右在转变过程中损失掉了。为了提高效率，选用重金属靶并施以高电压。η=连续x射线的总强度/x射线管的功率η==αzv特征X射线谱(标识谱)characteristicX-ray当电压加到25kv时，mo靶的连续x射线谱上出现了二个尖锐的峰kα(0.071nm)和kβ(0.063nm)。特征X射线谱钼靶X射线管在某电压下产生的特征谱线随着电压的增大，其强度进一步增强，但波长不变，也就是说，这些谱线的波长与管压和管流无关。它与靶材有关。对给定的靶材，它们的这些谱线是特定的。因此，称之为特征x射线谱或标识x射线谱。产生特征x射线的最低电压称激发电压。特征X射线谱产生机理特征X射线谱产生的机理与连续谱不同，它的产生是与阳极靶物质的原子结构紧密相关。原子内部的电子分布在不同的壳层上k、l…每个壳层上的电子具有不同的能量εk、εl…，且εk＜εl…泡利不相容原理特征（标识）谱产生在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子（如K层的一个电子）击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。高能级上的电子向低能级跃迁（如L层电子跃迁到K层）释放能量，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。出现内层空位高能电子击出靶的内层电子外层电子跃入填充发射X光子NMKLKγKαKβLαLβK系激发L系激发入射电子释放的能量（ΔE=EL-EK=hν）以电磁波的形式放射出去，其波长λ＝h/ΔE必然是个仅取决于原子序数的常数。即特征x射线波长为一定值。不同原子序数Z，有不同特征X射线，Kα、Kβ也不同。谱系命名:K层电离,电子由其它壳层向K层跃迁产生的X射线叫K系谱线；跨跃1个能级的标记为α，2个能级的标记为β等。L→K跃迁:KαM→K跃迁:KβN→K跃迁:Kγ同理,M→L跃迁:LαN→L跃迁:LβN→M跃迁:Mα产生某系激发要阴极电子的能量eU至少等于击出一个某层电子所作的功（将某层电子变成自由电子所需要的能量）。临界激发电压：电子具足够能量把靶原子某一能级上的电子打掉，从而产生特征x-ray所必须达到的最低电压。对于同种原子：越接近内层临界激发电压越高VkVLVMVN对于不同种原子：原子序数大的临界激发电压大。特征X射线谱产生条件注意：特征X射线产生存在一个临界激发电压WK：K层电子的逸出功VK：阴极电子击出靶材原子K电子所需的临界激发电压在临界条件下：212KKKKmveVeVW特征X射线波长---莫塞莱定律Mosley’sLaw标识X射线谱（的频率和波长）只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。且存在如下关系：标识X射线谱的波长λ与原子序数Z关系为：ZK1：波长;K：与主量子数、电子质量和电子电荷有关的常数;Z：靶材原子序数;：屏蔽常数每种元素都有特征X射线谱。可以用特征谱来识别元素，进行化学成分分析。莫塞莱定律为X射线化学成分分析奠定了理论基础，分析思路是使未知物质发出特征X射线，并经过已知晶体进行衍射，然后算出波长，从而确定Z。特征X射线波长与靶材料原子序数有关几种靶材料的特征X射线波长(Å)元素序数KKCr242.29072.0849Fe261.93731.7566Ni28