育儿必备 (2)

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1、第一章 X射线物理基础伟大的物理学家,X射线发明者-伦琴绪.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）

2、能 产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细 胞。X射线的本质X射线也是电磁 波的一种，波长在 108cm左右X射线具有波粒二相性X X射线的强度是衍射波振幅的平方（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也是单位时间内通过单位截面 的光量子数目。的光量子数目。1-3 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。

3、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

4、极 上述常用X射线管的功率为 5003000W。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 加速器中可以引出X射线加速器中可以引出X射线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

5、 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0

6、。都有一个最短波长，称之短波限0，强度的 最大值在0的1.5倍处。 eV = hvmax = hc/0 0 = 1.24/V （nm）X射线管的效率 X射线管的效率，是指电子流能量中用于 产生X射线的百分数， 即 随着原子序数Z的增加，X射线管的效率提 高，但即使用原子序数大的钨靶，在管压 高达100kv的情况下，X射线管的效率也仅 有1左右，99的能量都转变为热能。 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

7、，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0.63和 0.71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

8、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WKhK，阴极电子的能量必须满足 eVWKhK，才能产生K激发。其临界值为eVKWK ，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 K辐射。此X射线的能量为电 子跃迁前后两能级的能量差， 即 特征X射线的命名方法 同样

9、当K空位被M层电子填充时，则产生K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K光子的 能量大于一个K光子的能量； 但因LK层跃迁的几率比 MK迁附几率大，故K辐射强度比K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。 K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。K双线系 电子分别由L和L两个亚

10、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l0），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色莱定律 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。19131914年莫色莱发现物质发 出的特征谱波长与它本身的原子序数间存在以下 关系： 根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素 的特征X射线谱线波长

11、，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 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

12、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。不相干散射 入射X射线遇到约束松的电 子时，将电子撞至一方，成 为反冲电子。入射线的能量 对电子作功而消耗一部份后 ，剩余部份以X射线向外辐 射。散射X射线的波长（ ）比入射x射线的波长 （）长，其差值与角度 之间存在如右关系： 不相干散射在衍射图相上成 为连续的背底，其强度随（ sin/）的增

13、加而增大， 在底片中心处（射线与底 片相交处）强度最小，越 大，强度越大。 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1 激发K

14、系光电效应时，入射光子的能量必 须等于或大于将K电子从K层移至无穷远 时所作的功WK，即 将激发限波长K和激发电压VK联系起 ， 即 式中VK以V为单位。（14）式和（1 11）式形式上非常相似，但物理意义完 全不同。前者说明连续谱的短波限0随 管电压的增高而减小，而后者说明每种 物质的K激发限波长都有它自己特定的值 。 从X射线激发光电效应的角度，称K为 激发限；然而，从X射线被物质吸收的角 度，则称K为吸收限。 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

15、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层的两个空位所代替 ，这种现象称俄歇效应. 从L层跳出原子的电子称KLL俄歇电子。每种原子的俄歇电 子均具有一定的能量，测定俄歇电子的能量，即可确定该 种原子的种类，所以，可以利用俄歇电子能谱作元素的成 分分析。不过，俄歇电子的能量很低，一般为几百eV，其 平均自由程非常短，人们能够检测到的只是表面两三个原 子层发出的俄歇电子，因此，俄歇谱仪是研究物质表面微 区成分的有力工具。 光电效应2- 俄歇效应 光电效应小结光电子被X射线击出壳层的电子即光电子,它带有 壳层的特征能量,所以可用来进行成分分析 (XPS)俄歇电子 高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另 一个电子送出去,这个被送出去的电子就是 俄歇电子带有壳层的特征能量(AES)二次荧光 高能级的电子回跳,多余能量以X射线形式 发出.这个二次X射线就是二次荧光也称荧 光辐射同样带有壳层的特征能量小结散射散射无能力损失或损失相对较小 相干散射是X射线衍射基础,只有相干散射才 能产生衍射. 散射是进行材