[理学]第一章X射线物理学基础.ppt

第一章 X射线物理学基础 X射线的发展史 X射线的发展史 X射线的发展史 §1.1 X射线的本质 1. X射线的本质 是一种电磁波，与无线电波、可见光、紫外线、γ完全相同，仅是波长不同而已。 具有波粒二象性 波动性：以一定频率、波长在空间传播； 1. X射线的本质 粒子性：以光子形式辐射和吸收时具有一定的能量和 动量，它们之间的关系为： 1. X射线的本质 X射线的波长范围： 0.001～10nm 波长短的x射线为硬X射线，反之为软X射线 X射线金属学常用波长在0.05～0.25nm之间，材料探伤波长在0.005～0.1nm 1. X射线的本质 x-ray的性质： 不可见，极强的穿透能力 沿直线传播 使底片感光、荧光板发光、气体电离 杀死（伤）生物细胞 2. 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。 （2）产生条件 ① 产生自由电子； ② 使电子作定向的高速运动; ③ 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。 2. X射线的产生 2. X射线的产生 2. X射线的产生 (2) 阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射 线的地方。良好的循环水冷却，防止靶熔化。 (3) 窗口：是X射线从阳极靶向外射出的地方。 2个或4个专门材料（Be）制成的。 (4) 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。 §1.2 X射线谱 X射线谱可分为两部分： 1）连续X射线谱； 2）标识（特征）X射线谱。 1. 连续X射线谱 定义：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。 产生机理 能量为eV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。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。 1. 连续X射线谱 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。 1. 连续X射线谱 连续X射线谱的总强度： 1. 连续X射线谱 2. 特征X射线谱 定义：具有特定波长的X射线，由于波长反映了靶材特征，所以称为特征X射线，也称单色X射线。 特征X射线产生过程 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特征X射线谱。 2. 特征X射线谱 2. 特征X射线谱 莫塞莱定律 特征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。 莫塞莱定律：特征X射线谱的波长λ与原子序数Z关系为： 2. 特征X射线谱 2. 特征X射线谱 §1.3 X射线与物质相互作用 1. X射线的散射 1. X射线的散射 非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。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。 2. X射线的吸收 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。这个过程中发生了X射线的光电效应和俄歇效应。 1) 光电效应 2. X射线的吸收 2) 俄歇效应 3. X射线的衰减规律 当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。 3. X射线的衰减规律 单一元素组成的物质的质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系： 式中 K为常数，表明，当吸收物质一定时，X射线的波长越长越容易被吸收，吸收体的原子序数越高，X射线越容易被吸收。 多种元素组成的物质的质量衰减系数为： 为第 种元素的质量吸收系数； 为各元素的质量分数(%)；N表示该物质是由N种元素组成的。 4. 吸收限的应用 4. 吸收限的应用 4. 吸收限的应用 滤波片的选择: (1) 它的吸收限位于辐射源的