第1章X射线物理学基础(2010)

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1、第1章x射线物理学基础一、X射线的发现1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究真空管的高压放电时，偶然发现镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。这一现象立即引起的细心的伦琴的注意。经仔细分析，认为这是真空管中发出的一种射线引起的。于是一个伟大的发现诞生了。由于当时对这种射线不了解，故称之为X射线。后来也称伦琴射线。　　伦琴发现，不同物质对X射线的穿透能力是不同的。他用X射线拍了一张其夫人手的照片。很快，X射线发现仅半年时间，在当时对X射线的本质还不清楚的情况下，X射线在医学上得到了应用。发展了X射线照像术。1896年1月23日伦琴在他的

2、研究所作了第一个关于X射线的学术报告。1896年，伦琴将他的发现和初步的研究结果写了一篇论文，发表在英国的《Nature》杂志上。他的发现在社会上引起了轰动，也为他赢得了很大的荣誉。1910年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。1910年第一张诺贝尔物理学奖授予W.K.伦琴二：X射线的本质对X射线本质的争论，焦点集中在它是：粒子流？电磁波？认为X射线是物质粒子流的科学家中有W.H.布拉格。他的儿子W.L.布拉格则对X射线的波动性进行了深入的研究，并给出了著名的布拉格方程。对X射线波动性最完美的研究是德国

3、物理学家劳厄（Laue）。光的干涉与衍射光的干涉劳厄进行了第一次X射线衍射实验，并取得了成功。　　第一次X射线衍射实验所用的仪器。所用的晶体是硫酸铜。劳厄法X射线衍射实验的基本装置与所拍的照片爱因期坦称，劳厄的实验“物理学最美的实验”。它一箭双雕地解决了X射线的波动性和晶体的结构的周期性。后来的科学证明，与可见光一样，X射线的本质是一种电磁波。　　　它具有波粒二象性。即它既具波动性，又具有粒子性。　　在X射线衍射分析中应用的主要是它的波动性，反映在传播过程中发生干涉、衍射作用。　　在与物质相互作用，进行能量交换时，则表现出它的粒子

4、性。X射线的波动性：X射线作为电磁波的具有电场矢量和磁场矢量。　　　它以一定的波长和频率在空间传播。　　　　　　Ｖ＝Ｃ／λX射线的波长范围：10-0.001nmX射线的波长范围：100-0.01Å或10-0.001nm硬X射线：0.05-2.5Å0.5-2.5Å主要用于晶体结构分析0.05-1Å主要用于金属探伤等　　软X射线：10-100Å主要用于医学　　波长的单位：nm（纳米）　法定单位Å过去的常用单位KX晶体学单位（不常用）　　换算关系：1nm==10ÅX射线粒子性：X射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流构成的。它具有

5、一定能量和动量。　　能量ε和动量p与X射线光子的频率v和波长λ之间的关系如下：ε＝hv=hc/λp＝h/λh为普朗克常数，为c为光速，为2.998X108m/s三：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。常用的靶材：Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag（3）窗口——X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封

6、。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。（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；高强度则可缩短曝光时间旋转阳极

7、（转靶）X射线管:为了缩短实验工时间，必须提高X射线源的强度，这就要求加大X射线管的功度密度和总功度。一般的X射线管在35～50kV，10～40mA的范围内使用，允许负荷约为100W/mm2左右。要进一步加大功率密度，主要障碍是电子束轰击阳极所产生的热能不能及时散发出去。为了克服这一障碍，现在所用的办法是使阳极以3000r/min左右的高速度作旋转运动。这样，受电子束轰击的点不断地改变，热量就有充分的时间散发出去。这种旋转阳极的X射线管最大功率密度可达到5000W/mm2左右。最大管流可达到500mA左右，其发出的X射线束强度可比通常的X

8、射线管大很多倍，这种X射线管由于有转动机构，需维修保养，所以都不是永久密封式的，而可拆式的，以便根据情况拆卸调换阳极，并进行维修保养。下图是旋转阳极结构示意图。四：X射线谱1.连续X射线谱X射