X射线的物理学基础

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1、第二章 X射线的物理学基础 返回目录21 X射线的本质射线的本质； 22 X射线的产生射线的产生； 23 X射线谱射线谱； 24 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用； 25 X射线的探测与防护射线的探测与防护； 返回21 X射线的本质 射线的本质 ? X射线的本质是 电磁辐射，与 可见光完全相 同，仅是波长 短而已，因此 具有波粒二像 性。 ? (1)波动性 ? (2)粒子性。 ? 相关习题：波动性 ? X射线的波长范围： 0.01100 ? 表现形式：在晶体作衍射光栅 观察到的X射线的衍射现象， 即证明了X射线的波动性。? 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

2、件的无 损探伤及金属物相分析。 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。 ? X射线波长的度量单位常用埃（）或晶 体学单位（kX）表示；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 nm=10 = m 1kX=1.00207720.000053A (1973年值)。 9 10 粒子性 ? 特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一 定的质量、能量和动量。 ? 表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如 光电效应；二次电子等。 ? 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普朗克常数，等于6.62

3、5 J.s cX射线的速度，等于2.998 cm/s. hc h = = h p = 34 10 10 10相关习题： ? 1.试计算波长试计算波长0.71A（MoK）和和 1.54A（Cu K）的的X射线束射线束，其频 其频 率和每个量子的能量？率和每个量子的能量？ 解答22 X射线的产生 ? (1)产生原理； ? (2)产生条件； ? (3)过程演示； ? (4) X射线管； ? (5)其它X射线装置。产生原理 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。产生条件 ?

4、1.产生自由电子； 产生自由电子； ? 2.使电子作定向的高速运动使电子作定向的高速运动 ? 3.在其运动的路径上设置一个障碍物 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。使电子突然减速或停止。接变压器 玻璃 钨灯丝 金属聚灯罩 铍窗口 金属靶 冷却水 电子 X射线 X射线 X射线管剖面示意图 （回车键演示） 过程演示X射线管 ? 1.X射线管的结构；图12； ? 2.特殊构造的X射线管； ? 3.市场上供应的种类。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：亦称靶，是使电子突然减速

5、和发射X射 线的地方。 mmHg 7 5 10 10 ? (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。特殊构造的X射线管； ? (1)细聚焦X射线管； ? (2)旋转阳极X射线管。市场上供应的种类 ? (1)密封式灯丝X射线管； ? (2)可拆式灯丝X射线管.23 X射线谱 ? 由X射线管发射出来的X射线可 以分为两种类型： ? (1)连续X射线； ? (2)标识X射线。连续X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，亦称多色X射线。 ? 产生机理； ? 演

6、示过程； ? 短波限； ? X射线的强度。产生机理 ? 能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞 时，电子失去自己的能量，其中部分以 光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能 量为hv的光子，这样的光子流即为X射线射线。 单位时间内到达阳极靶面的电子数目是 极大量的，绝大多数电子要经历多次碰 撞，产生能量各不相同的辐射，因此出 现连续连续X射线谱射线谱。K态（击走K电子） L态（击走L电子） M态（击走M电子） N态（击走N电子） 击走价电子 中性原子 Wk Wl Wm Wn 0 原 子 的 能 量 连续X射线产生过程 电子冲击阳级靶 X射线射出 演示过程 （ 回车键演示）短波限 ? 连续X射线谱在短波方

7、向有一个波长极限，称 为短波限0.它是由光子一次碰撞就耗尽能量 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： ? 式中e电子电荷，等于 静电单位； V电子通过两极时的电压降（静电单 位）； h普朗克常数，等于 ? 相关习题：相关习题： 0 max hc h eV = = 10 10 803 . 4 s j 34 10 625 . 6相关习题 相关习题 ? 试计算用试计算用50千伏操作时千伏操作时，X射线管中的 射线管中的 电子在撞击靶时的速度和动能电子在撞击靶时的速度和动能，所发 所发 射的射的X射线短波限为多少射线短波限为多少？X射线的强度 ? X射线的强度是指

8、行垂直X射线传播方向 的单位面积上在单位时间内所通过的光 光 子数目子数目的能量总和能量总和。 常用的单位是 J/cm2.s. ? X射线的强度I是由光子能量hv和它的数 目n两个因素决定的,即I=nhv.连续X射线 强度最大值在1.50,而不在0处。? 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。也是阳极靶发射出的 X射线的总能量。图17 ? 实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶 的原子序数存在如下关系： 且X 射线管的效率为: m iZV K I 1 = 连 ZV K iV ZV K X X 1 2 1 = = = = 电子流功率 射线功率 射线管效率 标识X射线 ? 是在连续

9、谱的基 础上叠加若干条 具有一定波长的 谱线，它和可见 光中的单色相 似，亦称单色X射 线。 ? 1.标识X射线的特征 ? 2.产生机理 ? 3.过程演示 ? 4.K系激发机理 ? 5.莫塞莱定律； ? 6.标识X射线的强度 特征。标识X射线的特征 ? 当电压达到临界电压时，标识谱线的 波长不再变，强度随电压增加。如钼 靶K系标识X射线有两个强度高峰为 K和K，波长分别为0.71A和0.63A.产生机理 ? 标识X射线谱的产生相理与阳极物质的原子内 部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利 不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。 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

10、的内层电子击出时，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。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标识X射 线谱。K态（击走K电子） L态（击走L电子） M态（击走M电子） N态（击走N电子） 击走价电子 中性原子 Wk Wl Wm Wn 0 原 子 的 能 量 标识X射线产生过程 K激发 L激发 Ka辐射 K辐射 L辐射 过程演示 （任意键演示）K系激发机理 ? K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。? 由能级可知K辐射

11、的光子能量大于K 的能量，但K层与L层为相邻能级，故L 层电子填充几率大，所以K的强度约为 K的5倍。 ? 产生K系激发要阴极电子的能量eVk至少 等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk 就是激发电压。莫塞莱定律 ? 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： ? 莫塞莱定律：标识X射线谱的波长与原 子序数Z关系为： ( ) = Z C 1标识X射线的强度特征 ? K系标识X射线的强度与管电压、管电流 的关系为： ? 当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压 的35倍时，连续谱造成的衍射背影最小。 ( ) n k V V i K I = 2

12、 标24 X射线与物质相互作用 ? X射线与物质相互作 用时，产生各种不同 的和复杂的过程。就 其能量转换而言，一 束 X 射 线 通 过 物 质 时，可分为三部分： 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。 ? X射线的散射 ； ? X射线的吸收 ； ? X射线的衰减规 律； ? 吸收限的应用； ? X射线的折射； ? 总结 。X射线的散射 ? X射线被物质散射时，产生两种现 象： ? 相干散射； ? 非相干散射。相干散射 ? 物质中的电子在X射线电场的作用 下，产生强迫振动。这样每个电子 在各方向产生与入射X射线同频率 的电磁波。新的散射波之间发生的 干涉现象

13、称为相干散射。非相干散射 ? X射线光子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射线光子离开原来方向，能量减小，波长增 加。 ? 非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国 物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。 非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性， 只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它会 增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响， 特别对轻元素。X射线的吸收 ? 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。物质对X射线的吸收 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

14、的光电效应 和俄歇效应。 ? 光电效应； ? 俄歇效应。光电效应 ? 以X光子激发原子所发生的激发和辐射过 程。被击出的电子称为光电子光电子，辐射出 的次级标识X射线称为荧光荧光X射线射线。 ? 产生光电效应，X射线光子波长必须小于 吸收限吸收限k。俄歇效应 ? 原子在入射X射线光子或电子的作用下失 掉K层电子，处于K激发态；当L层电子 填充空位时，放出EE能量，产生两种效 应： ? (1) 荧光X射线； ? (2) 产生二次电离，使另一个核外电子成 为二次电子俄歇电子。X射线的衰减规律 ? 当一束X射线通过物质时，由于散射和吸 收的作用使其透射方向上的强度衰减。 衰减的程度与所经过物质中的距

15、离成正 比。式 ( ) H H H x x x dx x x m e I e I I dx I dI I I I + = = = = 0 / 0质量衰减系数m ? 表示单位重量物质对X射线强度的衰减程 度。 ? 质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如 下近似关系： K为常数 ? m随的变化是不连续的其间被尖锐的 突变分开。突变对应的波长为K吸收限。 3 3 Z K m 吸收限的应用 ? 吸收限主要是由光电效应引起的：当X射 线的波长等于或小于时光子的能量E到 击出一个K层电子的功W，X射线被吸 收，激发光电效应。使m突变性增大。 ? 吸收限与原子能级的精细结构对应。如L 系有三个副层，有三个吸收限。? 滤波片的选择: (1)它的吸收限位于辐射源 的K和K 之间，且尽量靠近K 。 强烈吸收K，K吸收很小；(2)滤波片的 以将K强度降低一半最佳。 Z靶40时 Z滤片=Z 靶2； ?