• 实验证明，I与管电流i、管电压V、阳极靶的原子
序数Z存在如下关系：
且X射线管的效
率为:
I连 K1iZV 2
X射线管效率
X射线功率 电子流功率
K1iZV 2 iV
K1ZV
由于K1是个很小的数，约为 1.1 ~ 1.41，0如9V采用W
阳极（z=74）,V=100kV时，效率仅为1%左右。 碰撞阳极靶的电子束的大部分能量都耗费在使阳极 靶发热上 。 水冷却
产生K系激发要阴极电子的
能量eVk至少等于击出一个K层电子所作级电子向K层跃迁
所发射的K1和K2的关系
k1 k 2 ,
I k 1
2Ik 2
X射线谱
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：
I标 K 2iV Vk n
• 当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压的3～5倍时， 连续谱造成的衍射背影最小。
一、x射线的产生 （1）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。 （水冷）
（2）产生条件 a.产生自由电子； b.使电子作定向的高速运动; c.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。
X射线的强度
• X射线的强度是指垂直X射线传播方向的单位面积上 在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。 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1.5λ0 ,而不 在λ0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。
二、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。
（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，亦称多色X射线。
• 特性；
• 短波限；
相
对
• 产生机理；
强
• X射线的强度。
度
钨靶的连续X射线谱
连续谱特性
（1）每一种管电压下，存在一个短波极限；射线 中含有大于短波极限的各个波长成分。 （2）随着管电压增大，短波极限和强度最大的波 长朝短波方向移动。
•软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱， 可用于非金属的分析。
•X射线波长的度量单位常用埃（Å）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： 1nm=10 Å
2-3 x射线的产生及x射线谱
一、X射线的产生 (1)产生原理； (2)产生条件； (3)X射线管； 二、X射线谱 (1)连续X射线； (2)标识X射线。
相 对 强 度
短波限
• 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限λ0. 它是由电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
eV
h max
hc
0
相
对
强
度
e——电子电荷，等于 1.61库0仑19 ；
V——电子通过两极时的电压降； 钨靶的连续X射线谱
(2)标识X射线（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相似，亦称单色X射线。
1.标识X射线的特征 ; 2.产生机理 ; 3.K系激发机理 ; 4.莫塞莱定律； 5.标识X射线的强度特征。
X射线谱
标识X射线的特征
• 当电压达到临界电压时，发出标识谱线；
K系激发机理及命名 • 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Kα辐射；M层电子 填充空位时产生Kβ辐 射。
• 由能级可知，Kβ辐射的光子 能量大于Kα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Kα的强 度约为Kβ的5倍。
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λ与原子序数Z关系为：
1
K2 Z
•标识X射线谱应用：化学元素的分析 •上式是元素分析的理论依据。
总结
• 1 x射线谱分为连续谱和标识谱（或特征谱）
• 2 短波限λ0是连续谱上的最小波长。由电子一次
随电压增加，标识谱线的波长不变化， 强度增强。 • 如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为Kα和Kβ ，
波长分别为0.71 Å和0.63 Å. • 激发电压：发出标识x射线的最低电压或临界电压。
产生机理
• 标识X射线谱的产生机理与阳极靶物质的原子内部 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。
X射线 波长范围0.01～10nm，在电磁波谱上位于
紫外线和γ 射线之间。
无线电波
可见光
可X射见线光
红外线 紫外线
γ射线
分为软x射线（波长大于0.5nm）和硬x射线（波长小 于0.5nm）。
用于衍射分析的波长0.05～0.25nm。
•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。
• 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 的光电效应和俄歇效应。
• X射线的衰减规律 • 光电效应 • 俄歇效应
前一章内容回顾
• 空间点阵 • 晶（向）面指数 • 倒易点阵定义和倒易矢量的基本性质 • 晶带定律 [hkl]* (hkl)， r* d 1
[uvw] (uvw)*，d*r 1 hu kv lw 1
第二章 X射线的物理学基础
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程 2-2 x射线与电磁波谱 2-3 x射线的产生及x射线谱（连续谱和标识谱） 2-4 x射线与物质的相互作用 2-5 x射线的探测、防护及应用
分为三部分：
• X射线的衰减规律；
• 一部分被散射，
• 吸收限的应用；
一部分被吸收，
• X射线的折射；
一部分透过物质继续沿原来 • 总结 。 的方向传播(透射或折射)。
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 现象称为相干散射。
线的衍射现象，推动了x射线的应用）
1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在 一个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电 线圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。 用一本厚书，2－3厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插 在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、 二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是 “透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射 线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特 殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。 他一连许多天将自己关在实验室里，集中全部精力进行 彻底研究。6个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。
1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。 1895年12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会 递交了第一篇研究通讯《一种新射线———初步研究》。 伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时 无法确定这一新射线的本质。伦琴发现X射线从而获得诺 贝尔奖。
1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生 衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期 性，发表了《X射线的干涉现象》一文。
画线部分为重点。
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程
X射线的发现是19世纪末20世纪初物 理学的三大发现（X射线1895年、放 射线1896年、电子1897年）之一，这 一发现标志着现代物理学的产生。
对x射线的发现和应用有巨大贡献的科学家
• 德国物理学家伦琴（1895年）（发现了未知射线） • 德国物理学家劳厄（1912年）（证明x射线的波动性） • 英国布拉格父子（1912年）（简洁形式描述晶体对x射
h——普朗克常数，等于 6.625 1034 j s
eV
h max
hc
0
hc
0 eV
6.6251034 3.0 1.60 1019V
108
109
1240 (nm) V
短波限λ0随管压V的增大而减小。
产生机理
• 高能电子与阳极靶的原子碰撞时，受靶中原子核的库 仑场作用而速度骤减，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。高速电子进入靶内 不同深度，损失的动能有各种数值，使射线(光子)波 长连续变化,形成连续谱。
X射线已被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工 业等领域。对于促进20世纪的物理学以至整个科学技 术的发展产生了巨大而深远的影响。
X射线衍射分析的特点：
反映出的信息是大量原子散射行为的统计结果，结 果与材料的宏观性能有良好的对应关系。
不足之处：不可能给出材料实际存在的微观成分和 结构的不均匀性的资料。