第二章 X射线的产生与性质

1、第二章 X射线的产生与性质 绪 论一X射线实验技术的发展概况    1895年，德国物理学家伦琴（W.K.Rontgen)，作阴极射线实验时，发现了一种不可见的射线，由于当时不知它的性能和本质，故称X射线，也称伦琴射线。    1909年，巴克拉（Barkla)利用X射线，发现X射线与产生X射线的物质（靶）的原子序数（Z）有关，由此发现了标识X射线，并认为此X射线是原子内层电子跃迁产生。    19081909年，德国物理学家Walte.Pohl，将X射线照金属（相当于光栅）

2、，产生了干涉条纹。    1910年，Ewald发现新散射现象，劳埃由此得出：散射间距（即原子间距）近似于1A数量级。    1912年，劳埃提出非凡预言：X射线照射晶体时，将产生衍射。随后，为解释衍射图象，劳埃提出了劳埃方程；    1913年，布拉格父子导出了简单实用的布拉格方程；随后，厄瓦尔德把衍射变成了图解的形式：厄瓦尔德图解    19131914年，莫塞莱定律的发现，并最终发展成为X射线光谱分析及X射线荧光分析。 

3、   X射线衍射理论已基本完善，是一门相当成熟的学科，而X射线衍射技术仍在不断发展，近年来，发展尤为显著，其主要方面和原因有：    （1）新光源的发明：转靶、同步辐射、X射线激光、X射线脉冲源，高效率、强光源，使测量精度提高4个数量级。    （2）新的探测器：由气体探测器到固体探测器，高分辨率、高灵敏度，使测量提高2个数量级。    （3）新的数据记录及处理技术：高度计算机化      

4、60;  a. 实验设备、实验数据全自动化；        b. 数据分析计算程序化；         c. 衍射花样的计算机模拟。 二X射线分析在金属材料领域中的主要应用     物相分析    点阵常数的精确测定    织构的测定    此外还有：晶粒大小

5、的测定，应力测定等等。 第二章 X射线的产生和性质（即X射线物理学）重点：X射线的电磁波本质；两种X射线谱的成因及其实验规律；X射线与物质（试样）相互作用的物理效应及意义。（首先对探测所用的辐射进行了解，然后对探测对象晶体进行了解）第一节 X射线的本质 1. 性质 1895年德国物理学家伦琴（W.K.Rontyen）在研究阴极射线时，发现一种新的射线。后人为纪念发现者，称之为“伦琴射线”。伦琴在实验室的发现表明：X射线是用人的肉眼不可见的，但能使某些物质（铂氰化钡）发出可见荧光；具有感光性，能使照相底片感光；具有激发本领，使气体电离。X射线沿直线传播，经过电场时不发生偏转；具有很强的

6、穿透能力，波长越短，穿透物质的能力越大；与物质能相互作用。另外，X射线通过物质时可以被吸收，使其强度衰减，偏振化即经物质后，某些方向强度强，某些方向弱；能杀死生物细胞，实验中要特别注意保护。1.2 本质X射线是一种电磁波，有明显的波粒二象性 X射线的波长为 =10-10cm10-6cm，即或更短。X射线在空间传播具有粒子性，或者说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。这些粒子叫光量子，每个光量子具有能量或第二节 X射线的产生和设备 2.1 X射线的产生条件 实验证明，高速运动着的电子突然被阻止时，伴随着电子动能的消失或转化，会产生X射线。因此，要获得X射线，必须满足以下条件：产生

7、并发射自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子；在真空中（一般为10-6mmHg），使电子作定向的高速运动；在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电子突然受阻而停止下来。这样，靶面上就会发射出X射线。上述条件构成了X射线发生装置的基本原理，如图2-3所示。图2-3 X射线发生装置 2.2 X射线的工作原理及结构2.2.1 X射线管基本工作原理 高速运动的电子与物体发生碰撞时，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射线的能量产生X射线，其中绝大部分能量（约左右）转变成热能使物体（靶）温度升高。2.2.2 X射线管的基本构造图2-4

8、 X射线管示意图 X射线管有一个上限的使用额定功率，它是由阴阳极之间的加速电压（又称管电压）和阴极可能提供的电子束流（又称管电流）所决定。2.2.3 特殊结构的X射线管 旋转阳极X射线管：采用适当的方法使阳极高速旋转，这样，可使靶面受电子轰击的部位焦斑随进改变，有利于散热，可以提高X射线管的额定功率几倍到几十倍。细聚焦X射线管：在X射线管阴阳极之间，添加一套静电透镜或电磁透镜，使阴极发射的电子束聚焦在阳极上，焦斑只有几个微米到几十微米。虽然电子束流减小，但因焦斑小，单位焦斑面积发射的X射线强度增加。这种X射线管，除了可以缩短拍摄照片得到极细的X射线束，有利于提高结构分析的精度。2.3

9、 X射线探测与防护 因X射线是人类肉眼看不见的射线，必须使用专门的设备和仪器进行间接探测。探测X射线的主要仪器设备是：荧光屏、照相底片和探测器等。过量的X射线对人体会产生有害影响。且影响程度取决于X射线的强度，波长和人体的受害部位。操作调试时，要严格遵守安全条例，注意采取防护措施，要特别注意不要让的或身体的其它部位直接暴露在X射线束照射之中。第三节 X射线谱X射线谱：即X射线强度I随波长而变化的关系曲线。X射线强度：单位时间内，通过垂直于X射线传播方向的单位面积的X射线总能量，以J/cm2·s为单位。且3.1 连续X射线谱实验表明：特定的阳极材料，在某特定管压以下，产生连续谱强度随波

10、长连续变化，即在强度可测范围内，包含各种不同的波长，叫连续谱，又叫白色谱或多色谱。3.1.1实验规律 连续X射线谱上有一个强度最大值，并在短波方向有一波长极限，称为短波限0。随管电压增大，强度I普遍增大，短波限向短波方向移动，即0减小；强度最高的射线波长为m减小。即随V增大，整个曲线向左上方移动。管压V和管电流I保持一定的条件下，当阳极物质改变时，随阳极物质的原子序数Z增大，各种波长的相对强度I增高，整个曲线向上方移动，但其0、m均不变。由此可知：0、m的数值与阳极材料的种类无关，只与加速电压有关。 3.1.2 形成机制经典电动力学阐明：任何微对带电粒子，得到加速度时，其周围的电磁场急剧变化，

11、向周围辐射电磁波。射线管中，高速运动的阴极电子到达阳极表面时，受到几万伏的加速，具有相当大的动能几万电子伏特eV，由于阳极阻止，产生极大的负加速度，动能转换为热能和射线电磁波能量。 从量子理论的观点来分析，电子被阳极靶突然制止时，其动能的一部分将转化为一个或几个射线光子，其余部分将转化为热能。当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一个射线光子时，光子的能量： 光子达到了最高的能量，最大的频率和最短的波长。即得到短波限公式： 但是绝大多数高速电子与阳极靶撞击时，它的部分能量p要消耗于高速电子的全部内能上，所以转化为射线光子的能量小于高速电子的全部能，即： heV-p 另外，一个电子的能量也可能转化

12、为几个光子或分几次转化，这都说明大部分辐射波长0，即012.4/并呈连续的分布，也就是构成了连续射线谱。 3.2 标识X射线谱 即迭加于连续谱上，具有特定波长的X射线谱，又称单色X射线谱。在一个X射线管中，保持管电流不变，使管电压逐渐增加，管电压被提高到某一定的临界值以后（激发电压），便会在一定的波长处出现尖锐的强度上限叠加在连续光谱上，由于这些谱线非常狭窄，又由于它们的波长为制靶金属的特征，因此称之为特征谱线。见图1-5，有两个强度特别高的窄峰称为K系X射线。波长较短的是K射线，波长较长的是K射线，K又可细分为K1和K2两条线，有强度比K1K2=21，KK=51当用原子序数较高的金属作阳极靶

13、时，除有K系射线外，还得到L、M等系特征X射线。 在通常的X射线衍射工作中，一般均采用强而窄的K谱线。 当继续提高电压时，各特征X射线的强度不断提高，但其波长K、K不变。 3.2.1 实验规律（以K系为例）根据实验结果证明： 存在一临界电压VK，当V工作Vk，eVeVk时，则产生标识谱。不同的阳极物质，有不同的标识谱，即不同的激发电压，这由阳极靶的原子序数决定。 当管电压超过Vk而进一步升高时，K系特征X射线的波长不变，而强度按n次方的规律增大，即波长不因外界条件而变，工作电压V工作只改变强度I，不改变K、K1、K2的值。 且 I标=Ki(V-Vk)n式中：I为管电流；V为管电压；Vk为激发电

14、压，由阳极靶所决定；n 为常数，约为1.52；K为比例常数，与特征X射线的波长有关。 不同阳极材料，有不同的标识谱波长，即对某一特定材料，具有波长恒定的标识谱。遵循莫塞来定律（X-ray成分分析基础） 其中：某系标识射线的波长；c为常数；：屏蔽常数。3.2.2 标识谱产生机制 原子内层电子转移任何物质，原则上说，不管外界激发因素是由电子、中子、X光子等，一旦激发能达到或超过物质的结合能，就有标识X射线产生，而这种射线又是物质属性的标志。可见，其产生机制必与原子内层电子迁移密切相关。高能阴极电子激发靶原子，使K电子跃入外层轨道或原子之外而形成K空位，能量升高，原子处于亚稳态，此X射线波长由原子能

15、级结构决定。(1)由于K层电子被激发，并接着由其它高能级的外壳层电子跃入而产生的特征X射线称为K系射线。 由于各壳层电子能量不同，辐射出的特征X射线的波长、也各不相同。(2)不同原子（如Fe、Cu、W），其原子能级结构不同。标识不同 (3)由于L层电子被激发而产生的特征X射线称L系射线，其它类推 第四节 X射线与物质的相互作用实质：电磁波与电子的相互作用意义：可用于结构分析、成分分析、解释实验现象、选择实验条件、避免不利影响的发生。实验证明：X射线经过物质后，I0I+散射+吸收，从能量角度看，W入射W穿透+W散射+W吸收=W穿透+W衰减4.1 X射线的衰减规律  实验证明，

16、当X射线透过物质时，其强度将被衰减，衰减程度随物质的厚度不同而呈指数规律变化。如图，假定入射线束的强度为I0，通过厚度为H的物质后勤部，强度被衰减为IH， 线衰减系数：表示单位体积物质对X射线强度的衰减程度，与物质密度成正比，单位为长度的倒数（m-1、cm-1等）上式又可写成： m 质量衰减系数。表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。单位：cm2/g，与无关。混合物的质量衰减系数：（化合物、混合物、合金或溶液） （物相定量分析） Wj：各物相的重量分数，或元素的重量分数。 mj：相应的物相的质量吸收系数。4.2 X射线的散射 X射线的散射是物质中电子成为了波源，产生次级X射线的过程，它又分为

17、相干散射和非相干散射。4.2.1 相干散射（经典散射）X射线是电磁波，当它通过物质时，在入射线的交变电场的作用下（交变磁场的影响很小，忽略不计），物质中原子的电子将被迫围绕其平衡位置发生振动，振动频率与入射X射线的频率相同。根据电磁波辐射理论可知，振动的电子相当于一个振动的偶极子，而一偶极子必然向其四周发射与其振动频率相同的电磁波，即发射与入射线频率相同的电磁波。这样，就相当于电子将入射X射线散射到四周。这种散射X射线的波长、频率均与入射线相同，各散射线间可以有固定的位相差，在相同的传播方向上可以发生干涉现象，故称为相干散射，又称为经典散射。4.2.2 非相干散射 X射线射入到物质中，有可能与

18、物质中束缚较弱的电子发生碰撞，碰撞过程中，被碰撞的电子从入射X射线光量子上获得一部分能量，因而改变了电子本身的运动状态，这部分电子称为反冲电子，而入射X射线将一部分能量传递给反冲电子，损失了部分能量，因而引起了其振动频率降低，波长变长，并改变了其运动方向。这个现象就是非相干散射。它满足动量守恒和能量守恒条件，是弹性碰撞。4.3 X射线吸收：（即所有电子跃迁引起的吸收）指X射线能量在通过物质时，转变为其它形式的能量，有时又称为真吸收。光电效应吸收限的产生机制当激发二次特征辐射时，原入射X射线光子的能量被击出的电子所吸收，转变为电子动能而使电子逸出原子之外，同时辐射出次级标识X射线。这种电子称为光电子，辐射出的次级标识X射线称为荧光X射线。此时的吸收称为真吸收。这一激发和辐射的过程又称光电作用或光电效应。与前述X标识谱产生机制类似，当外来