X射线物理学基础 PPT
1895年，德国物理学家伦琴（Rontgen W.C） 在研究阴极射线时发现了X射线。1901年，首届诺 贝尔物理学奖授予伦琴， 以表彰他发现了对物理 学界有重大影响意义的X射线。 X射线、放射性和 电子被称为世纪之交的三大发现。
X射线的发现像一声春雷，唤醒了沉睡的物理学界。由此而引发了一系 列重大的发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现 代物理学的序幕。
特征X射线谱
Kα
当 管电 压 增 高到 Uk 时 ，在
连续谱上，会出现一系列强度很
Kβ
高、波长范围很窄的线状光谱，
它们的波长对一定材料的阳极靶
有严格恒定的数值，此波长可作
为阳极靶材的标志或特征，故称
为特征谱或标识谱。
λ/nm
特征谱的波长不受管电压、管电流的影响，只决定于阳极
靶材元素的原子序。莫塞莱定律表明：阳极靶材的原子序数越
质量吸收系数μm
ml /
II0em t I0em m
μm的物理意义：μm指X射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对
衰减量，是反映物质本身对X射线吸收特性的物理量。
μm取决于吸收物质的原子序数Z和X射线的波长λ 。
m K 43Z 3
可见，物质的原子序数越大，对X射线的吸收能力最强；对一定的吸 收体，X射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸收系数的下降。
50mA 40 30
92－U 78－Pt 74－W 47－Ag
2
30
20
10 1
20
0
λSWL0.05
10 0.1 0.15
λSWLλm
a）管电压的影响 b）管电流的影响
42－Mo 29－Cu
24－Cr 13－Al
λSWL λm
c）阳极靶原子序的影响
U、i、Z三个因素决定了连续谱的总强度，即
I连
m K 43Z 3
μm
μm
LІ LⅢ
LⅡ K
λ 理想μm随入射波长的变化
（Z一定）
λ 实际μm随入射波长的变化
（Z一定）
每种物质都有本身确定的一系列吸收限，这种带有特征吸收限的吸收 系数曲线称为该物质的吸收谱。吸收限的存在暴露了吸收的本质。
μm
LІ LⅢ
K
LⅡ
λ
μm随入射波长的变化（Z一定）
光电效应消耗大量入射能量，表现 为吸收系数突增，对应的入射波长即为 吸收限。光电效应所造成的入射能量消 耗就是真吸收。
在多晶材料的衍射分析中总是希望应用以特征谱为主的单色光源，即有
尽可能高的I特/I连。对K系谱线，当U/Uk＝4时I特/I连获最大值。所以X射线管适 宜的工作电压U≈（3～5）Uk。
当X射线与物质相遇时，会产生一系列效应，这是X射线应用的基础。
使气体电离
X-ray
使荧光物质发光 强的穿透能力
入射到某物质的X射线分为穿透和吸收两部分。
由入射X射线所激发出来的荧光X 射线和俄歇电子都是被照物质化学成分 的信号。
入射光量子
荧光X-ray
自由电子
二次X-ray
光量子
E
自由电子 俄歇电子
利用吸收限两侧吸收系数 差很大的现象可制成滤波片。 用来吸收不需要的辐射而得到 单色光源。
选择滤波片时应使其吸收 限满足：
K 光源 K 滤波片 K 光源
阳极靶材
X射线 阴极灯丝
A eC
U
X射线
i
kV 220V
板状阳极A和阴极C密封 在玻璃－金属管壳内；
阴极通电加热；
在阳极和阴极间加直流 高压U；
阴极产生的大量热电子 mA 将在高压电场作用下飞向
阳极；
热电子e轰击阳极的瞬间 产生X射线。
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继续保持安静
连续X射线谱 ——X射线的波长从最小值λSWL（短波限）向长波
大，相应于同一系的特征谱波长越短。
1
K2Z
X射线的强度（相对单位）
Kα 入射电子
Kβ
MgKβ光子 MgKα光子
Mg
35kV
25 20
K
二次电子
L
（自由电子）
M
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
λ/nm
特征X射线的产生
由于在K激发态下，L层电子向K层跃迁的几率远大于M层跃 迁的几率，所以Kα谱线 国 G.P.汤姆孙，用晶体对电子进 行衍射。
劳埃在1912年进行的晶体衍射实验 结果证明：X射线是一种波长很短的电 磁波，也揭示了物质内部原子规则排列 的特性。
在电磁波谱上，X射 线处于紫外线和γ射线之间， 波长约为0.01～10nm，用 于衍射分析的X射线波长 一般为0.05～0.25nm。X射 线具有波粒二相性，而粒 子性表现突出，可视为具 有一定能量的光量子流。
x dx t
I0
I
X射线通过物质后的衰减
I
t
X射线强度随透入深度的 指数衰减关系
X射线通过深度为x 处的dx 厚度物
质，其强度的衰减dIx 与dx 成正比。
dI x Ix
l dx
线吸收系数
I elt I0
即I： I0elt
透射系数
线吸收系数μl表明物质对X射线的吸收特性。
l dxIIx1dx
可知，μl是X射线通过单位厚度（单位体积）物质的相对衰减量。
方向伸展，强度随波长连续变化，且在λm处有一最大值。
X射线的强度（相对单位）
λSWL
4
λm
3
2
1
0
0.05
0.1
0.15 λ（nm）
连续X 射线谱受管电压U、管电流i和阳极靶材的原子序数Z 三个因素作用。
X射线的强度（相对单位） X射线的强度（相对单位） X射线的强度（相对单位）
5
50kV
4
40 3
I()d
SWL
Κ1iΖ2U
产生连续谱时，X射线管的效率
I连 iU
K1ZU
可见，管电压越高，阳极靶材的原子序越大，X射线管的效率越高。
连续谱是如何形成的？为什么存在短波限？
一个光量子所可能获得的最大能量为
hmaxeU
max
eU h
c
SWL
此光量子的波长即为短波限λSWL
SW e h L U c 6 .6 1 2 1 . 6 3 J 0 6 4 s 1 0 2 . 1 9 C 0 2 9 U 1 9 8 m 0 8 s 1 1 .4 U 2 1 7 m 0
1905年，德国基尔大学 1914年，德国法兰克福大学 的勒纳德。阴极射线。 的劳厄，晶体的X射线衍射。
1915年，英国的亨利·布拉格和劳伦 斯·布拉格，X射线分析晶体结构。
1917 年 ， 英 国 巴 克 拉，发现了标识X 射线。
1921年，爱因斯坦， 光电效应。
1924年，瑞典卡尔·西 格班，X射线光谱学。