(X射线的物理基础)(1)

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1、1X射线的物理学基础•1.1X射线的本质•X射线是一种本质与可见光完全相同的电磁波或电磁辐射，只不过X射线是由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作用而产生的，因此能量大，波长短，穿透物质的能力强。无线电波红外线可见光紫外线X射线γ射线宇宙射线102910－410－610－710－810－1210－1310－15波长，米晶体衍射用X射线（0.05～0.2nm）：软X射线金属探伤X射线（0.005～0.1nm）：硬X射线材料科学与工程学院德国维尔茨堡大学W.C伦琴教授1895.12.28~1896.3.9发表三篇论文，论述它的性质：1，像可见光一样直线传播，经电场不发生偏转。

2、2，有很强的穿透能力，所有物质多少都透过它。3，使萤光物质发光，使气体电离。4，使照相底片感光，而人的肉眼无法直接观察到它。材料科学与工程学院波粒二象性是X射线的客观属性1）X射线具有波动的性质，有一定的频率和波长，反映物质的连续性。现象表现为晶体衍射。2）X射线具有粒子性，是具有一定能量光子的粒子流，反映物质运动的分立性。现象表现为光电效应和荧光辐射。材料科学与工程学院证明X射线的波动性已出现的设想：晶体中呈有规律、周期性排列，组成三维原子网络，以上未能得到实验证实。Laue根椐理分析预测提出：“晶体中原子间距与X射线波长相近，应当可以作为使X射线发生衍射的立体光栅。”

3、晶体的晶面间距是10-10m,与X射线的波长（2×10-10m）相当。一箭双雕的证实：X射线的本质是短波电磁辐射；晶体结构中点阵的假设是正确的。材料科学与工程学院劳厄（Laue）实验（1912）材料科学与工程学院光电效应实验证明X射线的粒子性入射X射线产生光电效应和荧光辐射的条件与频率(波长)有关，而与强度和照射时间无关。X射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动量p之间存在如下关系：ε=h.υ=h.c/λp=h/λ式中:h——普朗克常数，等于6.625×10-34J.s;c——X射线的速度，等于2.998×1010cm/s.材料科学与工程学院X射线的发现和研究历程18

4、95年，伦琴发现X射线(1901年)1907年，亨利.布拉格和巴克拉争论X射线的波粒二象性。1912年，劳厄发现X射线衍射，由此确定了X射线的波动性。1913年，劳伦斯.布拉格提出X射线衍射公式，亨利.布拉格创建X射线分光仪。1913年，莫塞莱确定X射线标识谱线的规律性。1917年，康普顿研究X射线散射，发现康普顿效应。1956年，凯.西格班开始发表X射线光电子能谱学的成果。材料科学与工程学院1.2X射线的产生及X射线管产生原理：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

5、能使物体温度升高。材料科学与工程学院X射线产生的几个基本条件产生自由电子；使电子作定向的高速运动;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。材料科学与工程学院X射线管的结构阴极：又称灯丝(钨丝)，通电加热后便能释放出热辐射电子。阳极：又称靶，通常由纯金属制成(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag,W等)，使电子突然减速并发射X射线。阳极需要水强制冷却。窗口：是X射线射出的通道，维持管内高真空，对X射线吸收较少，如金属铍、含铍玻璃、薄云母片。材料科学与工程学院X射线管中的焦点在X射线衍射中，总希望有较小的焦点（提高分辨率）和较强的X射线强度（缩短爆光时间）。一

6、般采用在与靶面成一定角度的位置接受X射线，这样可以达到焦点缩小，X射线相应增强的目的。材料科学与工程学院特殊结构的X射线管1）旋转阳极的X射线管充分散热，提高X射线管的功率（3KW90KW）。2）细聚焦X射线管利用电磁透镜聚焦电子束，制成细焦点的X射线（最小几个微米），提高X射线管的比功率和实验分辨率。材料科学与工程学院1.3X射线谱X射线谱：X射线强度随波长而变化的关系曲线。它由两部分组成：连续X射线谱：特征是各种波长连续变化，与可见光类似，也称白色X射线。特征X射线谱：也称标识谱，特征是某些特定波长，其强度较高并叠加在连续X射线谱上。特征X射线谱线的波长决定于靶子的材

7、料，每个元素有一套一定波长的X射线谱，成为这个元素的标识。材料科学与工程学院连续X射线谱的产生机理1）经典动力学解释高速运动的电子到达靶材，导致周围电磁场的急剧变化，产生电磁波。2）量子理论的解释高速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出去，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。绝大多数到达靶上的电子时间和条件不一样，并且电子要经过多次碰撞，逐步把能量释放到零，产生能量各不相同的辐射，因此形成连续X射线谱。材料科学与工程学院短波限λ0假设电子在一次碰撞中将全部能量一次转换为