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1、第一章 X射线的性质连续X射线谱X射线特征光谱1 1、连续、连续X X射线谱射线谱连续射线的产生连续射线的产生经典电动力学解释：经典电动力学解释：量子力学解释：电子和原子的碰撞量子力学解释：电子和原子的碰撞e,mve,mv2 2hvhvhvhv=hchc/=hc/eUhc/eU=1.24/U=1.24/U连续连续X X射线谱特征射线谱特征1 1、存在短波限、存在短波限 0 02 2、随着管电压的增加，短、随着管电压的增加，短波限波限 0 0向短波方向移动。向短波方向移动。3 3、随着管电压的增加，、随着管电压的增加，射线强度增大。射线强度增大。4 4、射线管发射连续射线的效率比较低。、射线管发
2、射连续射线的效率比较低。短波限短波限 0 0=?=?hvhv=最大的电子能量最大的电子能量hvhvC/C/=C/C/=1.24/U(nm)=1.24/U(nm)=0 02、特征、特征/标识标识X射射线谱线谱特征X射线谱特征X射线的产生KLMKKeU基态MLK20.003kev2.869kev2.630kev2.525kev0.509kev0.414kev0.396kev0.235kev0.232kev0M0的原子能级图123K1K2K1K2L1L2若K层产生空位，其外层电子向K层跃迁产生的X射线统称为K系特征辐射，由L层或M层或更外层电子跃迁产生的X系特征辐射分别顺序称为K，K，射线；但距K层
3、越远的能级，电子向K层跃迁几率越小，相应产生的辐射光子数越少，故通常除K、K外，忽略其它辐射。若L层产生空位，其外M，N，层电子向其跃迁产生的谱线分别顺序称为L，L，射线，并统称为L系特征辐射。M系等依此类推。特征X射线谱及管电压对特征谱的影响钼钯K系1-20kV2-25kV3-35kVK射线的双重线K1与K2(钼靶)K系标识系标识X射线谱的波长和工作电压射线谱的波长和工作电压阳极靶元素原子序数K1nmK2nmKnmKnmKnmVKKV工作电压（KV）Cr240.2289620.2935120.229090.2084800.207015.982025Fe260.1935970.1939910.
4、193730.1756530.174337.102530Co270.1788920.1792780.179020.1620750.160817.7130Ni280.1657840.1661690.165910.1500100.148808.293035Cu290.1540510.1544330.154180.1392170.138048.863540Mo420.0709260.0713540.071070.0632250.0619820.65055Ag470.0559410.0563810.056090.0497010.0485525.55560特征特征X X射线谱特征射线谱特征1 1、波长具
5、有特征性，只与阳极靶原、波长具有特征性，只与阳极靶原子系数有关，而和管电压无关。子系数有关，而和管电压无关。2 2、只有管电压超过一个临界值，、只有管电压超过一个临界值，才能够产生。才能够产生。3 3、随着管电压的增加，射线强、随着管电压的增加，射线强度增大，但波长不变。度增大，但波长不变。特征谱线波长与物质原子序数的关系由莫特征谱线波长与物质原子序数的关系由莫塞莱塞莱(Mose1ey)(Mose1ey)定律表述定律表述.特征特征X射线小结射线小结1）定义定义：是具有特定波长的：是具有特定波长的X射线，也称单色射线，也称单色X射线射线。2）产生机理产生机理：入射电子能量等于或大于物：入射电子能
6、量等于或大于物质原子中质原子中K层电子的结合能，将层电子的结合能，将K层电子激层电子激发掉，外层电子会跃迁到发掉，外层电子会跃迁到K层空位，因外层层空位，因外层电子能量高，多余的能量就会以电子能量高，多余的能量就会以X射线的形射线的形式辐射出来，两个能级之间的能量差是固式辐射出来，两个能级之间的能量差是固定的，所以此能量也是固定，即其波长也定的，所以此能量也是固定，即其波长也是固定的：是固定的：En2En1=h（c/）特征特征X射线小结射线小结3）特征谱结构）特征谱结构 K系特征谱系特征谱：K、K、K,K(K1、K2)4）与与Z的关系的关系 1/1/K K(Z Z)荧光荧光X射线光谱分析（射线
7、光谱分析（XRF、XFS）四、X射线与物质的相互作用散射散射 吸收吸收透过透过衰减衰减 X射线作用于物质射线作用于物质1 1 X X射线的散射射线的散射X X射线与物质内层电子作用时，射线与物质内层电子作用时，电子便成为新的电磁波源向空间各个方向辐射与入射电子便成为新的电磁波源向空间各个方向辐射与入射X X射线频率相同的电磁波，新的散射波之间可以发生射线频率相同的电磁波，新的散射波之间可以发生干涉作用。干涉作用。X X射线射线 光量子光量子 碰撞碰撞(原子中原子中束缚较紧、束缚较紧、Z Z较大较大电子电子)新振动波源群新振动波源群（原子中的电子）；与原子中的电子）；与X X射线的周期、射线的周
8、期、频率相同，方向不同。频率相同，方向不同。相干散射相干散射非相干散射非相干散射X X射线与外层电子（受核束缚力小）或自由电子碰撞射线与外层电子（受核束缚力小）或自由电子碰撞时，电子获得一部分动能成为反冲电子，碰撞后的光时，电子获得一部分动能成为反冲电子，碰撞后的光子能量减少并偏离原来的传播方向。子能量减少并偏离原来的传播方向。由于散射波波长随散射方向改变，与入射由于散射波波长随散射方向改变，与入射X X射线不存射线不存在固定的位相关系，散射线之间不能发生干涉作用。在固定的位相关系，散射线之间不能发生干涉作用。X射线穿过厚度为dx的薄层单元时，其强度衰减率dI/I可表示为：XX 线吸收系数，单
9、位为cm-1。(1)吸收系数2、X射线的吸收及衰减规律XdXI0IxdIxI1）：线吸收系数，单位为线吸收系数，单位为cmcm-1-1。吸收系数讨论吸收系数讨论2）线吸收系数大小取决于入射线吸收系数大小取决于入射X X射线的波长及射线的波长及物质的密度。物质的密度。3）m m=/，单位为单位为cmcm2 2g g-1-1。质量吸收系数。质量吸收系数。xxxm与入射X射线波长及原子序数Z的关系为：m K 3Z2例例题题：X X射射线线衍衍射射实实验验室室为为保保护护操操作作人人员员所所用用的的铅铅屏屏厚厚度度通通常常至至少少为为1 1毫毫米米。试试计计算算这这种种铅铅屏屏对对于于MoKMoK及及
10、管管压压为为60KV60KV的的X X射射线线管管所所发发射射的的最最短短波波长长辐辐射射的的透透射射系系数数（I I透透射射/I/I入入射射）（已已知知铅铅对对MoKMoK为为141141cm2g-1）。xxxm xeIIxm-=/0 e141*0.1*11.34 -=多元素物质（机械混合物、固溶体或化合物）多元素物质（机械混合物、固溶体或化合物）:m m=w=w1 1m1 m1+w+w2 2m2 m2+式中：式中：w w1 1，w w2 2各元素的重量百分数各元素的重量百分数 m1m1，m2m2各元素的质量吸收系数各元素的质量吸收系数（2）吸收限）吸收限波长波长吸吸收收系系数数 L k吸收
11、系数吸收系数 m K 3Z2荧光辐射（二次荧光辐射（二次X射线）射线）俄歇效应：俄歇效应：吸收限吸收限激发（吸收）限与激发电压激发（吸收）限与激发电压k12.4/vk k称称为为激激发发限限，从从X射射线线吸吸收收的的角角度度讲讲又又可可称称吸吸收收限限，Vk称称 K系系激激发发电电压。压。（3）吸收限的应用 滤波片的选择 当 Z靶 40时，Z滤片=Z靶-2对于几种阳极靶常采用的滤波片对于几种阳极靶常采用的滤波片阳极靶滤波片靶材原子序数K波长nmK波长nm材料原子序数吸收限Knm厚度*mmI/I0(K)Cr240.229090.208480V230.226900.0160.50Fe260.19
12、3730.175653Mn250.189640.0160.46Co270.179020.162075Fe260.174290.0180.44Ni280.165910.150010Co270.160720.0130.53Cu290.154180.139217Ni280.148690.0210.40Mo420.071070.063225Zr400.068880.1800.31Ag470.056090.049701Rh450.053380.0790.29*滤波后的K/K强度比为1/600 阳极靶的选择阳极靶发射出的X射线的K波长应稍大于试样的K吸收限K，而且尽量靠近K。Z靶 Z试样+1阳极靶发射出的
13、X射线的波长K某种材料的吸收限K K铁元素吸收系数随波长的变化铁元素吸收系数随波长的变化铁的K=0.17429nm 0.170.17429研究纯铁样品时,如何选择阳极靶？靶材钴、镍的K波长分别为0.17902nm及0.16591nm，0.160.180.150.17镍的K波长0.16591nm K波长0.1500nm钴的K波长0.17902nm K波长0.160720nm小结：X射线与固体物质的相互作用五、X射线的探测与防护探测：荧光屏、照相底片、辐射探测器等。防护：铅板、铅玻璃、铅橡皮工作服、铅玻璃眼镜等。射线对物质晶体的研究？波的干涉波的干涉连续连续X X射线谱特征射线谱特征1 1、存在短
14、波限、存在短波限 0 02 2、随着管电压的增加，短、随着管电压的增加，短波限波限 0 0向短波方向移动。向短波方向移动。3 3、随着管电压的增加，、随着管电压的增加，射线强度增大。射线强度增大。4 4、射线管发射连续射线的效率比较低。、射线管发射连续射线的效率比较低。短波限短波限 0 0=?=?hvhv=最大的电子能量最大的电子能量hvhvC/C/=C/C/=1.24/U(nm)=1.24/U(nm)=0 0特征特征X X射线谱特征射线谱特征1 1、波长具有特征性，只与阳极靶原、波长具有特征性，只与阳极靶原子系数有关，而和管电压无关。子系数有关，而和管电压无关。2 2、只有管电压超过一个临界
15、值，、只有管电压超过一个临界值，才能够产生。才能够产生。3 3、随着管电压的增加，射线强、随着管电压的增加，射线强度增大，但波长不变。度增大，但波长不变。特征谱线波长与物质原子序数的关系由莫特征谱线波长与物质原子序数的关系由莫塞莱塞莱(Mose1ey)(Mose1ey)定律表述定律表述.散射散射 吸收吸收透过透过衰减衰减 X射线作用于物质射线作用于物质相干散射相干散射xxx吸收限吸收限1.X1.X射线的波粒二象性射线的波粒二象性 2.2.连续连续X X射线谱的特点射线谱的特点3.X3.X射线产生的基本条件与基本性质射线产生的基本条件与基本性质4.4.特征（标识）特征（标识）X X射线的特点射线
16、的特点,5.5.光电效应与光电效应与俄歇效应俄歇效应6.6.相干散射与非相干散射相干散射与非相干散射 7.7.什么叫特征什么叫特征X X射线激发电压射线激发电压V V激？激？习习 题题1-1 试试计计算算波波长长为为0.071nm(MoK)和和0.1542nm(CuK)的的X射线束的频率射线束的频率(每秒每秒)和每个量子的能量和每个量子的能量 是多少是多少?1-2 试试计计算算管管压压为为50KV时时,X射射线线管管中中的的电电子子撞撞击击阳阳极极靶靶的的速速度度和和动动能能。此此时时X光光管管发发射射的的连连续续光光谱谱的的短短波波限限及每个光子的最大能量是多少？及每个光子的最大能量是多少？
17、1-3铅铅对对MoK，RhK及及 AgK的的质质量量吸吸收收系系数数分分别别为为141，95.8及及74.4，作作图图验验证证公公式式m=K3Z3。根根据据所所作作的的曲曲线确确定定试样铅对60KV管管压X射射线管管发出出的的最最短短波波长辐射的射的质量吸收系数。量吸收系数。1-4 X射射线衍衍射射实验室室为保保护操操作作人人员所所用用的的铅屏屏厚厚度度通通常常至至少少为1毫毫米米。试计算算这种种铅屏屏对于于CuK、MoK及及管管压为60KV的的X射射线管管所所发射射的的最最短短波波长辐射射的透射系数（的透射系数（I透射透射/I入射入射）。）。1885年巴耳麦年巴耳麦(J.Balmer)对氢原
18、子在可见光区的十四条谱线总结出了巴耳麦经验公式对氢原子在可见光区的十四条谱线总结出了巴耳麦经验公式1895年德国物理学家伦琴年德国物理学家伦琴(W.C.Rntgen)发现了发现了X射线，初步研究了其性质。他于射线，初步研究了其性质。他于1901年成为了世界上年成为了世界上第一位诺贝尔奖获得者第一位诺贝尔奖获得者1900年德国物理学家普朗克年德国物理学家普朗克(M.Planck)提出振子能量有不连续性的提出振子能量有不连续性的“能量子能量子”概念，成功地解释了黑体概念，成功地解释了黑体辐射中能量密度随频率变化的规律辐射中能量密度随频率变化的规律1905年爱因斯坦年爱因斯坦(A.Einstein)
19、提出提出“光子说光子说”主张光子兼有粒子性，成功地解释了光最效应的实验规律主张光子兼有粒子性，成功地解释了光最效应的实验规律1906年汤姆逊年汤姆逊(J.J.Thomson)因证实电子是粒子诺贝尔物理奖因证实电子是粒子诺贝尔物理奖1911年卢琴福年卢琴福(E.Rutherford)提出原子结构的有核模型提出原子结构的有核模型19101912年劳厄年劳厄(M.Von Laue)在其研究生夫里德里克在其研究生夫里德里克(W.Friedrich)及尼平及尼平(P.Knipping)的协助下完成的协助下完成了五水硫酸铜单晶对了五水硫酸铜单晶对X射线的衍射实验，一箭双雕的证明了射线的衍射实验，一箭双雕的
20、证明了X射线的波动性本质及晶体结构排列的周期射线的波动性本质及晶体结构排列的周期性质。性质。1914年劳厄师生获得了诺贝尔奖年劳厄师生获得了诺贝尔奖1912年英国物理学家布拉格年英国物理学家布拉格(W.H.Bragg)发现了发现了X射线的特征谱线，后经莫塞莱射线的特征谱线，后经莫塞莱(H.G.Moseley)系统化系统化1913年布拉格（年布拉格（W.L.Bragg)用比劳厄更简单的公式表达了用比劳厄更简单的公式表达了X射线在晶体中产生衍射的必要条件（布拉格射线在晶体中产生衍射的必要条件（布拉格方程）。方程）。1915年布拉格父子获得了诺贝尔奖年布拉格父子获得了诺贝尔奖1913年丹麦物理学家玻
21、尔年丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)提出原子中电子运动的提出原子中电子运动的“定态定态”概念及概念及“玻尔频率规律玻尔频率规律”，成功的解，成功的解释了氢原子光谱的经验公式（巴耳麦经验公式）释了氢原子光谱的经验公式（巴耳麦经验公式）1921年德国物理学家厄瓦尔多将倒易点阵的概念引入了年德国物理学家厄瓦尔多将倒易点阵的概念引入了X射线衍射领域射线衍射领域1923法国物理学家德布罗意法国物理学家德布罗意(L.de Broglie)提出电子等微观质点的运动兼有波动性的假说（物质波）提出电子等微观质点的运动兼有波动性的假说（物质波）1927年汤姆逊年汤姆逊(G.P.Thomson)的电子衍射实验证实了电子具有波动性（德布罗意的假说），并因此获得的电子衍射实验证实了电子具有波动性（德布罗意的假说），并因此获得了了1937年的诺贝尔物理奖年的诺贝尔物理奖1985年赫普特曼年赫普特曼(H.Hauptman)及科尔勒及科尔勒(J.Karle)因发展了因发展了X射线分析的射线分析的“直接法直接法”获得了诺贝尔奖获得了诺贝尔奖