X-射线的物理学基础2011

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1、X-射线的物理学基础张友祥伦琴(W.C.Rontgen)1895年，德国物理学家伦琴（W.C.Rontgen）在研究阴极射线时发现了一种未知射线，当时对这种射线的本质还不了解。因为在代数上常常用X表示未知数，故将它命名为X射线X-射线照的相片当时的科学家们虽然还不了解X射线的本质，但是发现X射线具有很高的穿透能力，可以很容易穿过纸、人体、木材、金属片和其他不透明物体。1896年（X射线发现的第二年）即被医学部门采用作为检查人体伤、病的工具。1.X-射线的产生高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电

2、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。产生的原理产生的条件产生自由电子---电子源，如加热钨丝产生热电子；使电子作定向的高速运动---施加在阳极和阴极（钨丝）间的电压；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。真空---把阴极和阳极密封在真空度高于10-3Pa的真空中，保持两极洁净使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。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

3、方。(2)阳极：靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。(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。X射线管截面图X射线管2.X射线的本质X射线的本质是电磁波，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此具有波粒二像性。X射线的波长范围：0.01~100Å或者10-8-10-12m表现形式：在用晶体作衍射光栅时观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。2.1.X射线的波动性X射线是波长在10-8到10-12米范围内的

4、电磁波，因此具有极强穿透能力。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（Å）,或者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：1Å=10-10m1nm=10-9m2.2.X射线的粒子性X-射线在空间传递时，也具有粒子性。换言之，X-射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续的粒子流，这些粒子叫做光子，每个光子的能量为即，X-射线和一切微观

5、粒子（电子、质子、中子等）一样，都同时具有波动和粒子双重特性（波粒二像性）其波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传递，反映了物质运动的连续性；其粒子性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量、动量，反映了物质运动的分立性。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：式中h为普朗克常数，c为光速。3.X射线谱X射线谱指的是物体发射出来的X射线的强度Ι随波长着λ变化的关系曲线。其中X射线强度Ι的大小由单位面积上的光量子数决定。由X射线管发射出来的X射线可以看作是由两种

6、类型的谱线叠加而成：(1)连续X射线(2)特征X射线3.1.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，亦称白色X射线。X射线谱中的连续X射线谱能量为eV（V为X射线管的管电压）的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分能量以光子的形式辐射，碰撞一次即产生一个光子（能量为h），这样的光子流即为X射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是很多的，绝大多数电子要经历多次碰撞，逐渐地损耗自身的全部能量，即产生多次辐射（产生多个光子）。由于多次辐射中光子的能量（h）不同，

7、因此出现连续X射线谱。连续X射线谱的产生机理短波限0连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0。它是由电子一次碰撞就耗尽所有能量所产生的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：即0=hc/eV式中h,c,e都为常数，0=f(V)，只是管电压的函数。X射线的强度X射线的强度是指在单位时间内通过垂直于X射线传播方向的单位面积上光子能量的总和。X射线的强度I是由光子能量h和它的数目n两个因素决定的,即I=nh。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

8、极靶所发射出的X射线的总能量。3.2.特征X射线对于一定元素的靶，当管电压小于某一限度时，只激发连续谱。但当管电压升高到超过某一临界值（如对Mo靶,其临界值V激＝20kV）后，曲线产生明显的变化，在连续谱的几个特定波长的地方，强度突然显著增大，如图所示。由于它们的波长反映了阳极靶材料的特征，因此称之为特征X射线谱。Mo阳极发射的X射线谱波长，×0.1nm相对强度35kV2520特征X射线是在连续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光