6) 假定空气由20% O2 和 80% N2 组成, 其密
度为1.29×10-3 g/cm3, 试求其对于Cr Kα的质
量吸收系数um 和线吸收系数u。
7) 作出Cu靶在1, 5, 20 and 40 kV 电压下的强
度-波长关系图。
8) 对于铁靶，应用什么做滤波片，解释你的选
择理由。
一、原子能态及其表征
可以象粒子一样和微观粒子发生相互作用
同样微观粒子既有粒子性，又可以作为一
种波（德布罗意波）有干涉和衍射现象
X射线的特点： 1）不可见 2）折射率接近1 3）穿透性强 5）杀伤作用
(三) X产生与X射线管
1. 产生方式： 1.高速电子流撞击金属靶
2.同步幅射X射线 X射线管的结构 ：
X射线管
阴极产生电子
X射线物理学基础作业 1．在原子序24（Cr）到74（W）之间选择7种元素，根据它们的特征谱波 长（Kα1），用图解法验证莫塞莱定律。 2．若X射线管的额定功率为1.5kW，在管电压为35kV时，容许的最大电流 是多少？ 3．讨论下列各组概念中二者之间的关系： 1）同一物质的吸收谱和发射谱； 2）X射线管靶材的发射谱与其配用的滤波片的吸收谱。 3）X射线管靶材的发射谱与被照射试样的吸收谱。 4．为使Cu靶的Kβ线透射系数是Kα线透射系数的1/6，求滤波片的厚度。 5．画出MoKα辐射的透射系数（I/I0）-铅板厚度（t）的关系曲线（t取 0~1mm）。 6．欲用Mo靶X射线管激发Cu的荧光X射线辐射，所需施加的最低管电压是 多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？
1
式中K2为与靶中主量子数有关的常数，
K2 (Z )
K2 (Z )
σ为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。 特征X射线谱及管电压对特征谱的影响 （钼钯K系）
h n2 n1
1 1 En 2 En1 Rhc( Z )( 2 2 ) n2 n1
特征X射线产生机理：
对各角动量进行加和组合的过程（称为偶合）获得表征原子整体 运动状态与能态的原子量子数。
X射线激发俄歇电子能谱
X射线衍射
X射线光电子能谱 医学上透视 X射线荧光光谱
X射线与固体物质的相互作用
若X射线照射(气态)自由原子，原子内层电子吸收辐射向高能级跃迁是 X射线吸收光谱分析方法的技术基础。
俄歇效应： 俄歇电子的标识与俄歇电子的能量
KL2L3俄歇电子顺序表示俄歇过程初态空位所在能级、向空位作 无辐射跃迁电子原在能级及所发射电子原在能级的能级符号。
U的单位用V
I连= K1i ZU2
η= I连/iU=K1ZU 高电压和重金属
连续X射线产生机理：
电子的动能转变为X射线的光子的能量
（二） X射线特征谱（标识X射线） Characteristic Radiation
特点： 1）和靶的物质有关，和电压无关 2）电压要达到一定值才能产生 莫塞来定律：
EK
Kα KβKγ
铜谱线Copper Spectrum
Wavelengths: Kα1 1.5406 Å Kα2 1.5444 Å Kβ1 1.3922 Å Kβ2 1.3922 Å
工作电压一般是激发电压的3-5倍，这时I特/I连最大

五、X 射线与物质的相互作用
X射线的散射
1）相干散射（汤姆逊散射）
eU h max hc
U增加，则0减小，I() 曲线上移，i增加，则 I()上移，但0不变； 靶材原子序数(Z)增加， 也使I()上移，且0不 变。
0
0
1240 U
连续X射线谱及管电压(U)对连续谱的影响(钨靶)
特点：
X射线短波限λ0
hc 1240 0 (nm) eU U
m
m为X射线通过单位质量物质时(强度)的衰减，
亦称单位质量物质对X射线吸收。
不同元素的m不同（见附录5）
•若物质是由n(n2)个元素组成的混合物、化合
物、合金等，则
m ( m ) j w j
j 1
n
元素j的质量衰减系数
元素J的质量分数
影响µm的因素
质量吸收系数µm与波长 和原子序数Z存在如下关系
1．原子结构与电子量子数
2．原子能态与原子量子数
3．原子基态、激发、电离及能级跃迁
1．原子结构与电子量子数
核外电子的运动状态由n(主量子数)、l(角量子数)、 m(磁量子数)、s(自旋量子数)和ms(自旋磁量子数)表
征。
n、l、m对核外电子状态的表征意义
原子的电子能级示意图
2．原子能态与原子量子数
：µm=K 3Z3 这表明，当吸收物质一定时，X射线的波长
越长越容易被吸收; X射线的波长固定时,吸收体的原 子序数越高，X射线越容易被吸收。
吸收系数的变化是不连续的。波长（能量）变化到一
定值，吸收的性质发生变化，m发生突变，突变波长 称吸收限(K , Absorb limit)。
质量吸收系数
2）非相干散射（康普顿散射）
△λ =0.0024(1-cos2θ )
X射线与物质的相互作用
光电效应和俄歇效应
X射线的衰减
1. X射线的散射
（1）弹性散射 （2）非弹性散射（康普顿效应）
Inelastic Scattering (Compton)
2. X射线与物质的相互作用
(1)光电效应 将原子内层电子击出使其成为光电子，同时辐
X射线产生过程：
铜 冷却水
真空 X射线
钨丝
玻璃
管座（接变压器） 靶（阳极）
铍窗
X射线
聚焦罩
三、X射线谱(The X-Ray Spectrum）
依赖于加速电压 的连续X射线
不依赖于加速电 压的特征X射线
（一）连续X射线（白色X射线） Continuous Radiation
短波限 0
hc 0 eU
2. 波粒二象性
一个光子的能量：
c E hν h λ
h p λ
一个光子的动量：
其中 普朗克常数h=6.625*10-34J.s 光速c =2.998*108m/s
光波电场强度分量的表示：
E E0 cos(2
y
E E0exp( t )

2 t 0 )
问题：（1）X射线的波长范围在10~0.001nm 或100~0.01埃，其光子的能量范围是多少？（ 单位：电子伏特）
Kβ两条特征谱线中去掉一条，实现单色的特征辐射。
吸收限对应的能量就是轨道能，对K线而言： K = hc/WK
原子序数越低，轨道能WK越低，即吸收限K越大。
L1 200
质量吸收系数
100
L2 L3
K K=0.158Ǻ
0.5 1.0 波长
原子序数小1~2的物质对K 的吸收限接近阳极 物质的K，可用作过滤器，将K射线滤掉。 Cu/Ni:
X射线的衰减
dI ( x) / dx I ( x)
表示X射线通过单位长度物质
时强度的衰减。
亦为X射线通过单位体积物质时强度的衰减
常称为单位体积物质对X射线的吸收。 设m=/(为物质密度)，称m为质量吸收系数(cm2/g)
I t I 0e
( / )
I 0e
L1
200
100 K K=0.158Ǻ
L2 L3
0.5
1.0
波长
由图可见，整个曲线并非像上式那样随的减小而单
调下降。当波长减小到某几个值时， m会突然增加
，于是出现若干个跳跃台阶。 m突增的原因是在这几 个波长时产生了光电效应，使X射线被大量吸收，这个 相应的波长称为吸收限
k
。
利用这一原理，可以合理地选用滤波材料，使Kα和
42
Cu
Mo
1.5418
0.7107
28
40
Ni
Zr
1.4881
0.6888
X射线的防护
X射线等短波谱域的电磁波具有杀伤生物细胞的作用，过量照
射将对人体产生有害影响，其影响程度取决于波长、强度、照射
时间和人体接受部位等。
铅屏、铅玻璃屏屏蔽、铅玻璃眼镜
、铅橡胶手套、铅围裙等
。
使用X射线衍射仪要严格遵守操作规程！！！！
阳极产生X射线
装置介绍
1）常用的靶材：Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Ag 2）冷却系统： 效率1%， 阳极的底座一般用铜制作。使用时通循环水 进行冷却。以防止阳极过热的熔化。 3）焦点指阳极靶面被电子束轰击的面积。1mm*10mm的长方形。产生的X 射线束以6°度角度向外发射。 4) 窗口：X射线射出的通道。铍密封，以保持X射线的真空。
多电子原子中，存在着电子与电子相互作用等复杂情况，量子理
论将这些复杂作用分解为：
轨道-轨道相互作用：各电子轨道角动量之间的作用 自旋-自旋相互作用：各电子自旋角动量之间的作用 自旋-轨道相互作用：指电子自旋角动量与其轨道角动量的作用
（单电子原子中也存在此作用）
并将轨道-轨道及自旋-自旋作用合称为剩余相互作用，进而通过
（1）辐射跃迁，发射 二次（荧光）X射线 较外层(例如L层)电子向 内层（K层）跃迁 （2）无辐射跃迁， 产生俄歇电子
特征X射线 标识为KL2L3 俄歇电子
hv=E=EL－Ek
原子内层 (如K层) 出现空位
初态
终态
俄歇效应——俄歇电子的产生(示意图)
此过程称俄歇过程或俄歇效应
X射线与物质相互作用 及据此建立的主要分析方法
1 mv 2 eV 2
v
2eV m

h 2em V
将电子电荷e＝1.60×10-29C、电子质量mm0=9.11×1031kg及h值代入上式，得