X-射线的物理学基础张友祥伦 琴 (W. C. Rontgen)1895年，德国物理学家伦琴（W.C. Rontgen）在研究阴极射线时发现了一种 未知射线，当时对这种射线的本质还不了 解。因为在代数上常常用X表示未知数， 故将它命名为X射线X-射线照的相片当时的科学家们虽然还不了解X射线的本质 ，但是发现X射线具有很高的穿透能力，可 以很容易穿过纸、人体、木材、金属片和其 他不透明物体。1896年（X射线发现的第二 年）即被医学部门采用作为检查人体伤、病 的工具。1. X-射线的产生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。产生的原理产生的条件n产生自由电子-电子源，如加热钨丝产生热电子； n使电子作定向的高速运动 - 施加在阳极和阴极（钨丝）间 的电压；n在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。n真空-把阴极和阳极密封在真空度高于10-3Pa 的真空中， 保持两极洁净使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。X射线管的结构 封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管。 基本组成包括： (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 (2)阳极：靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。 (3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。 (4)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。X射线管截面图 X射线管 2. X射线的本质 X射线的本质是电磁波，与可见光完全相同，仅是波长短而 已，因此具有波粒二像性。 X射线的波长范围：0.01100 或者10-8-10-12 m 表现形式：在用晶体作衍射光栅时观察到的X射线的衍射现 象，即证明了X射线的波动性。2.1. X射线的波动性 X射线是波长在10-8到10-12米范围内的电磁波，因此具有极强 穿透能力。n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。n软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于 分析非金属的分析。 nX射线波长的度量单位常用埃（）,或者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：1 =10-10 m1nm=10-9 m 2.2. X射线的粒子性 X-射线在空间传递时，也具有粒子性。换言之，X-射线是由大量 以光速运动的粒子组成的不连续的粒子流，这些粒子叫做光子， 每个光子的能量为 即，X-射线和一切微观粒子（电子、质子、中子等）一样，都同 时具有波动和粒子双重特性（波粒二像性） 其波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传递，反映了物 质运动的连续性；其粒子性主要表现为以光子形式辐射和吸收时 具有一定的质量、能量、动量，反映了物质运动的分立性。 X射线的频率、波长以及其光子的能量、动量p之间存在如下 关系：式中h为普朗克常数，c为光速。 3. X射线谱X射线谱指的是物体发射出来的X射线的强度 随波 长着变化的关系曲线。其中X射线强度的大小由单 位面积上的光量子数决定。 由X射线管发射出来的X射线可以看作是由两种类型的谱线 叠加而成： (1)连续X射线 (2)特征X射线3.1. 3.1. 连续连续X X射线射线 具有连续波长的X射线，构 成连续X射线谱，它和可见 光相似，亦称白色X射线。X射线谱中的连续X射线谱n能量为eV（V为X射线管的管电压）的电子与阳极靶的原 子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分能量以光子的 形式辐射，碰撞一次即产生一个光子（能量为h ），这 样的光子流即为X射线。n单位时间内到达阳极靶面的电子数目是很多的，绝大多数 电子要经历多次碰撞，逐渐地损耗自身的全部能量，即产 生多次辐射（产生多个光子）。由于多次辐射中光子的能 量（ h）不同，因此出现连续X射线谱。连续X射线谱的产生机理短波限 0 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为 短波限0。它是由电子一次碰撞就耗尽所有能量 所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它 因素的影响。 相互关系为： 即0 = hc/eV 式中 h, c, e都为常数， 0 = f (V) ，只是管电压的 函数。X射线的强度 nX射线的强度是指在单位时间内通过垂直于X射线传播方 向的单位面积上光子能量的总和。nX射线的强度 I 是由光子能量 h 和它的数目 n 两个因 素决定的,即 I = nh。n连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强 度，也是阳极靶所发射出的X射线的总能量。3.2. 特征X射线 对于一定元素的靶，当管电压小于 某一限度时，只激发连续谱 。但当 管电压升高到超过某一临界值（如 对Mo靶, 其临界值V激20kV）后， 曲线产生明显的变化，在连续谱的 几个特定波长的地方，强度突然显 著增大，如图所示。由于它们的波 长反映了阳极靶材料的特征，因此 称之为特征X射线谱。 Mo阳极发射的X射线谱波长，0.1nm相对强度35kV2520n特征X射线是在连续谱的基础上叠加若 干条具有一定波长的谱线。它和可见 光中的单色光相似（具体特定的波长 ），故亦称单色X射线。 特征X射线的产生机理 n特征X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密 相关的。n原子系统内电子在各个能级的分布原理：Pauli不相容原 理；能量最低原理。n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击出时，在低能级上即出现空位， 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X射线，即 为特征X射线。KK壳层壳层L L壳层壳层MM壳层壳层N N壳层壳层 k k l l mm n n0 0原原 子子 的的 能能 级级 hlk=l-kKKKLLhnk=n-khnl=n-l特征特征X X射线的产生过程射线的产生过程 特征特征X X射线是波长一定的特征辐射射线是波长一定的特征辐射 。激发与辐射n当K系电子被激发时，原子的系统能量便由基态升高到K 激发态，即K系激发。同样，L系电子被激发，称为L系激 发，依此类推。n当K层电子出现空位，该空位被高能级电子填充时产生K 系辐射。具体地，当K层空位被L层电子填充时，产生K 辐射；被M层电子填充时，产生K辐射。依此类推。K系激发机理 nK层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态。高 能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空 位时，产生K辐射；M层电子填充空位时产生K辐射。n由能级图可知K辐射的光子能量大于K的能量。但K层与L 层为相邻能级，故L层电子填充K层空位的几率大，所以K 的强度约为K的5倍。4. X射线与物质的相互作用nX射线与物质相互作用时，最终可归结为光子（ X射线）和 电子（物质的电子）的相互作用。就其能量转换而言，一束 X射线通过物质时，其能量可分为3部分：一部分被散射，一 部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。穿透入射X射线束散射吸收相干散射（经典散射）非相干散射的光电子+二次特征辐射热能 4.1 X射线的散射相干散射 n相干散射是X射线和物质中束缚力较大的电子（重原子的内 层电子）相作用而产生的。该束缚力较大的电子在X射线的 作用下，产生受迫振动。每个受迫振动的电子便成为新的电 磁波源向空间各个方向辐射电磁波（也为X射线），其辐射 波即为散射波。散射波的特征：新产生的电磁波的波长和频 率与入射X射线的一致；位相固定；在相同的方向上各个散 射波符合干涉条件（相互干涉）。因此称为相干散射。n（干涉条件：频率相同；相位差固定；振动方向一致）n入射波将自身的能量传给束缚电子，该束缚电子再将该能量 转化为散射波。该散射X射线与入射X射线波长相同。n相干散射并未损失X射线的能量（频率或者波长没变），而 只是改变了它的传播方向。因此相干散射又称为弹性散射。n相干散射是X射线在晶体中产生衍射（晶体的X射线衍射）的 理论基础X 射 线晶体中的原子或离子中的 电子产生受迫振动。振动着的电子 成为次生X射 线的波源，向 外辐射与入射 X 射线相同频 率的电磁波， 称为散射波。 散射波之间相 互衍射，即为 晶体的X射线 衍射。相干散射的强度一个电子（位置为Q）将入射X射线散射到P点（P点与Q点相 距为为R， PQ 与入射X射线的方向成2角），其P点的散射强 度 Ie 为： 散射强度与距离的平方成反比。 各个方向上散射强度不同。PR入射X射线散射X射线电子2nX射线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射线则离开原来的方向，能 量减小，波长增加。入射X射线量子散射电子2非相干散射突出地表现出X-射线的微粒特性。非相干散射 会增加连续背影，给衍射图像带来不利的影响。4.1 X射线的散射非相干散射 4.2. X射线的吸收 n物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变为 其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。（有时把X射线 的这种能量损失称为真吸收）物质对X射线的真吸收主要 是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射 线的光电效应和俄歇效应。 光电效应； 俄歇效应。 热能 光电效应当一个具有足够能量的X射线光子（非高速运动的电子束） 碰撞到物质的原子时，可以将被照射物质原子中的内层电子 打击出来，使原子处于激发状态，从而成为一个标识X射线 的辐射源。（原子内层的电子被轰击出来产生电子空位，高 能级的电子填充该空位发生电子跃迁时产生辐射，即产生特 征X射线。）这种以X射线光子来激发物质原子所发生的激发和辐射的过 程称为光电效应。被击出的电子被称为光电子，所辐射出来 的特征X射线称为次级（或二次）X射线，或荧光X射线。X射线的光电效应是由物质对入射X射线的吸收而引起的， 在此过程中所产生的荧光X射线使得原X射线的强度剧烈衰减 ，且荧光X射线不产生衍射，只是造成底片上漫射的背底， 这些对一般的X射线衍射分析是有害的，因此，实验中选择 合适的靶尽量减少它的不利影响。但是，在X射线荧光光谱分析中，恰好要利用它来分析物质 的元素，因此，希望得到尽可能强的荧光X射线。所以，掌 握了荧光X射线产生了机理和条件，就可以很好地控制和利 用它。俄歇效应如果原子在入射X射线光子的作用下失掉一个K层电子（一次 电离），它就处于K激发态；当一个L层电子填充这个空位后 ，会放出(K -L)的能量。若能量释放出来的方式不是荧 光X射线，而是以产生二次电离的方式，则称此种效应为俄 歇效应。（如，当原子处于K激发态时，若K -L L ，则有可能 使L层的一个电子跃入K层，同时释放出来的能量(K -L) 使L层的另一个电子脱离原子逸出，产生二次电离。称该二 次电子为KLL俄歇电子。）俄歇电子的能量与激发源（光子或电子）的能量无关，只取决于 物质原子的能级结构，每种元素都有自己的特征俄歇电子能谱。 故可利用俄歇电子能谱做元素的成分分析。 KLILIILIIIMKLILII俄歇效应真空能级4.3 X射线的衰减 当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其在 透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质的距离 成正比。比例常数l称为线性衰减系数，它与物质种类、物质密度 、及X射线的波长有关。将上式积分，得到：其中，I0是入射X射线的强度，Ix是穿透厚度为x的物质后的 X射线强度，l为线性衰减系数。上式表明，X射线通过物质 后，将按指数规律迅速衰减。X射线强度的衰减是通过散射和吸收两种方式进行的。所