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第一章X射线物理基础伟大的物理学家,X射线发明者------伦琴第一节X射线的产生及其性质绪论1895年德国物理学家---“伦琴”发现X射线1895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分性质1901年伦琴获诺贝尔奖1912年劳埃进行了晶体的X射线衍射实验1.布拉格定律•(1)布拉格方程的导出波的合成示意图布拉格方程的导出晶体对X射线的衍射布拉格方程的导出衍射现象示意图（2）导出布拉格方程的前提•考虑到：•（1）晶体结构的周期性，可将晶体视为由许多相互平行且晶面间距（d）相等的原子面组成；•（2）X射线具有穿透性，可照射到晶体的各个原子面上；•（3）光源及记录装置至样品的距离比d数量级大得多，故入射线与反射线均可视为平行光。•布拉格将X射线的“选择反射”解释为：•入射的平行光照射到晶体中各平行原子面上，各原子面各自产生的相互平行的反射线间的干涉作用导致了“选择反射”的结果。（3）衍射和反射的相似之处入射束、反射面法线、反射束均处于同一平面上；入射角等于反射角。（4）衍射和反射的区别•（i）被晶体衍射的X射线是由入射线在晶体中所经过路程上的所有原子散射干涉的结果，而可见光的反射是在极表层上产生的，可见光反射仅发生在两种介质的界面上；•（ii）单色X射线的衍射只在满足布拉格定律的若干个特殊角度上产生（选择衍射），而可见光的反射可以在任意角度产生；•（iii）可见光在良好的镜面上反射，其效率可以接近100%，而X射线衍射线的强度比起入射线强度却微乎其微。还需注意的是X射线的反射角不同于可见光反射角，X射线的入射线与反射线的夹角永远是2θ。它反映出的信息是大量原子散射行为的统计结果，此结果与材料的宏观性能有良好的对应关系。它的不足之处是它不可能给出结构内实际存在的微观成分和结构的不均匀性的资料，且不能分析微区的形貌，化学成分以及元素离子的存在状态。2.X射线衍射分析的本质3.布拉格方程的讨论(1)布拉格方程描述了“选择反射”的规律。产生“选择反射”的方向是各原子面反射线干涉一致加强的方向，即满足市拉格方程的方向；(2)布拉格方程表达了反射线空间方位()与反射晶面面间距(d)及人射线方位()和波长()的相互关系；(3)入射线照射各原子面产生的反射线实质是各原子面产生的反射方向上的相干散射线。而被接收记录的样品反射线实质是各原子面反射方向上散射线干涉一致加强的结果，即衍射线；(4)布拉格方程由各原子面散射线干涉条件导出，即视原子面为散射基元，原子面散射是该原子面上各原子散射相互干涉(叠加)的结果。布拉格方程的讨论•(5)衍射产生的必要条件“选择反射”即反射定律＋布拉格方程是衍射产生的必要条件。•①布拉格方程由原子面反射方向上散射线的干涉(一致)加强条件导出，而各原子面非反射方向上散射线是否可能因干涉(部分)加强从而产生衍射线呢?•②“选择反射”作为衍射的必要条件，意味着即使满足“选择反射”条件的方向上也不一定有反射线。•由于sin1，所以n/2d=sin1,即n2d，对于衍射而言，n的最小值为1，所以在任何可观测的衍射角度下，产生衍射的条件为：2d。这就是说，能够被晶体衍射的电磁波的波长必须小于参加反射的晶面的最小面间距的2倍。同理，必然有d/2，即：只有那些晶面间距大于入射X射线波长一半的晶面才能发生衍射。4.X射线最早的应用•在X射线发现后几个月医生就用它来为病人服务•右图是纪念伦琴发现X射线100周年发行的纪念封5.X射线的性质•人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。•X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。•X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。X射线也是电磁波的一种，波长在10-8cm左右6.X射线的本质X射线具有波粒二相性hphchX射线的强度是衍射波振幅的平方（），也是单位时间内通过单位截面的光量子数目。AI27.X射线的产生及X射线管X射线的产生：X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。X射线产生的条件1）产生自由电子；2）使自由电子作定向高速运动；3）在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物。X射线管示意图X射线电子真空管冷却液KAX射线管的结构为：X射线管•（1）阴极——发射电子。一般由钨丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。•（2）阳极——靶，使电子突然减速并发出X射线。•（3）窗口——X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6°的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。X射线管（4）高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极；（5）焦点——阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点；X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分辨率；高强度则可缩短暴光时间旋转阳极上述常用X射线管的功率为500～3000W。目前还有旋转阳极X射线管、细聚焦X射线管和闪光X射线管。因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。目前有100kW的旋转阳极，其功率比普通X射线管大数十倍。旋转阳极加速器中可以引出X射线加速器中可以引出X射线•8.X射线谱--------连续X射线谱•X射线强度与波长的关系曲线，称之X射线谱。•在管压很低时，小于20kv的曲线是连续变化的，故称之连续X射线谱，即连续谱。对连续X射线谱的解释1•根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。•由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。对连续X射线谱的解释2•量子力学概念，当能量为ev的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子，即“韧致辐射”。•大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。•极限情况下，能量为ev的电子在碰撞中一下子把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短波长，即短波限λ0。都有一个最短波长，称之短波限λ0，强度的最大值在λ0的1.5倍处。•eV=hvmax=hc/λ0•λ0=1.24/V（nm）8.X射线谱--------特征X射线谱•当管电压超过某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长保持不变。•钼靶X射线管当管电压等于或高于20KV时，则除连续X射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线，它们即特征X射线谱。•钼靶X射线管在35KV电压下的谱线，其特征x射线分别位于0.63Å和0.71Å处，后者的强度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的K系•特征X射线的产生机理•特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。•原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字母代表它们的名称。•但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。•阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量增高，原子处于激发状态。•如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层，称L激发，其余各层依此类推。•产生K激发的能量为WK＝hυK，阴极电子的能量必须满足eV≥WK＝hυK，才能产生K激发。其临界值为eVK＝WK，VK称之临界激发电压。特征X射线的产生机理•处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征X射波长一定。•当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产生Kα辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，即LKLKKhhWWh特征X射线的命名方法•同样当K空位被M层电子填充时，则产生Kβ辐射。M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个Kβ光子的能量大于一个Kα光子的能量；但因L→K层跃迁的几率比M→K迁附几率大，故Kα辐射强度比Kβ辐射强度大五倍左右。•显然，当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层如M、N……层的电子将填充L层空位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M……等系的辐射。除K系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。•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，而分别位于三个亚层上。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。小结连续谱(软X射线)高速运动的粒子能量转换成电磁波谱图特征:强度随波长连续变化是衍射分析的背底;是医学采用的特征谱(硬X射线)高能级电子回跳到低能级多余能量转换成电磁波仅在特定波长处有特别强的强度峰衍射分析采用莫赛莱定律•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，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。1913～1914年莫赛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：••根据莫赛莱定律，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，可以确定它是何元素。它是X射线光谱分析的基本依据ZK19.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。•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。X射线的散射•当X射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，其振动频率与入射X射线的频率相同。•任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，从而向四周辐射电磁波，其频率与带电粒子的振动频率相同。•由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。•X射线经束缚力不大的电子（如轻原子中的电子）或自由电子散射后，可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿一吴有训散射,也称之为不相干散射，是因散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。小结相干散射因为是相干波所以可以干涉加强.只有相干散射才能产生衍射,所以相干散射是X射线衍射基础不相干散射因为不相干散射不能干涉加强产生衍射,所以不相干散射只是衍射的背底X射线的吸收•物质对X射线的吸收，是指X射线通过物质时光子的能量变成了其他形式时能量。•有时将X射线通过物质时造成的能量损失称为真吸收。•X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射X射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光X射线的能量，使X射线强度被衰减，是物质对X射线的真吸收过程。光电效应---光电子和荧光X射线光电效应2-----俄歇效应•俄歇（Auger，M.P.）在1925年发现，原子中K层的一个电子被打出后，它就处于K激发状态，其能量为EK。如果一个L层电子来填充这个空位，K电离就变成L电离，其能量由EK变成EL，此时将释放EK-EL的能量。释放出的能量，可能产生荧光X射线，也可能给予L层的电子，使其脱离原子产生二次电离。即K层的一个空位被L层