1、第一章 X射線的性質(zhì) 當(dāng)時(shí)，他發(fā)現(xiàn)凳子上的鍍有氰亞鉑酸鋇的硬紙板發(fā)出熒光。他分析，這可能是存在一種不同于可見光的射線，且可能是由真空管加上高電壓時(shí)引起的，他試著用黑紙擋、用木塊擋都擋不住，甚至可以透過人的骨骼！ 由于當(dāng)時(shí)對這種射線的本質(zhì)和特性尚無了解，故取名為X射線，后人也叫倫琴射線。倫琴的這一偉大發(fā)現(xiàn)使得他于1901年成為諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。1-1 引 言一、X射線的發(fā)現(xiàn) X射線是1895年11月8日由德國物理學(xué)家倫琴（W.C. Rntgen）在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時(shí)偶然發(fā)現(xiàn)的。 X射線的發(fā)現(xiàn)，引起了科學(xué)界的濃厚興趣。1、6個(gè)月后，醫(yī)學(xué)界就已普遍將X射線運(yùn)用于診斷及醫(yī)療。2、機(jī)場、火車站。3、

2、金屬探傷（包括焊縫）。二、應(yīng)用 鋼鐵中的碳化物、夾雜物、殘余奧氏體的定性分析與定量分析、化學(xué)熱處理的表面相分析、表面堆焊、噴焊物相的分析。 三、X射線分析在金屬材料領(lǐng)域的應(yīng)用1、物相分析 可以確定固溶體的類型（例如：體心立方）、固溶體中溶質(zhì)組元的含量（如M體中的含碳量）。2、固溶體分析 可以測定粗晶粒的平均大小、微晶粒的平均晶粒度等。3、晶粒大小的測定可以測定材料的宏觀、顯微內(nèi)應(yīng)力 4、應(yīng)力測定半導(dǎo)體材料、激光材料、磁性材料單晶體，其取向可用X射線法測定 5、晶體取向的測定 X射線兩邊分別與紫外線及射線相重疊。在電磁波譜中，其位置如圖書中1-1所示。一般把波長短的X射線稱為硬X射線，反之則為軟

3、X射線。硬軟程度表示它的穿透能力的強(qiáng)弱。用于金屬探傷的X射線波長約為10.05。接下來，我們要討論X射線的粒子性。 (1)我們知道，X射線是波長較短的電磁波。然而，波動理論對X射線光電效應(yīng)、熒光輻射現(xiàn)象無法解釋。 這種矛盾，說明波動性只是反映了X射線本性的一個(gè)方面。在大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，人們又認(rèn)識到X射線本性的另一個(gè)方面粒子性（或微粒性）。 X射線是由大量以光速運(yùn)動的粒子組成的不連續(xù)粒子流。這些粒子叫做光子（或光量子），每個(gè)光子具有的能量為=hv。(硬X射線的穿透能力強(qiáng)，還是軟X射線的的射透能力強(qiáng)？)2、X射線的粒子性 實(shí)驗(yàn)證明，高速運(yùn)動著的電子突然被阻止時(shí)，伴隨著電子動能的消失或轉(zhuǎn)化，會產(chǎn)生

4、X射線。X射線產(chǎn)生的幾個(gè)基本條件：1-3 X射線的產(chǎn)生及X射線管一、X射線產(chǎn)生的條件 1、產(chǎn)生并發(fā)射自由電子（例如加熱鎢燈絲發(fā)射熱電子）。2、在真空中（一般為10-6毫米汞柱）迫使自由電子朝一定方向高速運(yùn)動 （加一很高的管電壓）。3、在高速電子流的運(yùn)動路程上設(shè)置一障礙物（陽極靶），使高速運(yùn)動的電子突然受阻。這樣，靶面上就會發(fā)出X射線。（見圖1-3） 從某一短波限（入。）開始，直到波長等于無窮大的一系列波長所構(gòu)成的X射線譜。二、連續(xù)X射線譜的定義 三、連續(xù)X射線的產(chǎn)生及其規(guī)律 1、高速運(yùn)動的電子被陽極靶突然阻止，連續(xù)X射線產(chǎn)生。（1）各種波長的X射線的相對強(qiáng)度一致增高。（2）具有最高強(qiáng)度射線的波

5、長逐漸變小，曲線峰值向左方移動。（3）短波限逐漸變?。?向左方移動），波譜變寬。3、管電壓既影響連續(xù)X射線譜的強(qiáng)度，也影響其波長范圍2、當(dāng)逐步增加X射線管的管電壓時(shí)，連續(xù)X射線譜發(fā)生如下變化。(見下頁圖1-5）四、連續(xù)X射線的產(chǎn)生機(jī)理1、按照經(jīng)典物理的電動力學(xué)理論，一個(gè)帶有負(fù)電荷的電子在受到這樣一種加速度時(shí)（指X射線管中高速運(yùn)動著的電子到達(dá)陽極靶表面突然受到阻止時(shí)，產(chǎn)生極大的負(fù)加速度），電子周圍的電磁場將發(fā)生急劇的變化，此時(shí)必然要產(chǎn)生一個(gè)電磁波（最少一個(gè)電磁脈沖）。 q=0.01庫侖16191025.6106020.101.0=n =-（個(gè)）也就是說，1秒鐘內(nèi)有0.01庫侖的電量到達(dá)陽極靶。

6、電子的電荷e=1.602010-19庫侖則1秒鐘到達(dá)陽極上的電子數(shù)(n) 為多少？2、若管電流i=10毫安（1秒鐘內(nèi)陽極靶上發(fā)出的電磁波有多少個(gè)？） 討論： 如此極大數(shù)量的電子射到陽極靶上的條件和時(shí)間不可能是一樣的，因而電磁脈沖也各不相同，從而形成了具有各種波長的連續(xù)X射線譜。 從燈絲發(fā)射出的電子經(jīng)高壓電場加速，使電場的位能轉(zhuǎn)化為電子的動能。3、短波限0存在的原因 電子被陽極突然制止時(shí)，其動能的一部分將轉(zhuǎn)化為一個(gè)或幾個(gè)X射線光子，其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽ɑ蚬庾右莩觯．?dāng)一個(gè)電子的動能毫無損失地全部轉(zhuǎn)化為一個(gè)X射線光子時(shí)，此光子的能量為：lechhveV m=最大221eVhc=0l其中h普朗克常數(shù)

7、 cX射線速度 e電子電荷V4.120=l （埃） V千伏討論：（1）當(dāng)V=20、30、40、50千伏時(shí)，0=0.62、0.41、0.31、0.25。（2）短波限0與管電壓成反比。（3）絕大多數(shù)高速電子與陽極靶撞擊時(shí)，很大一部分能量P消耗轉(zhuǎn)化為熱能、光電子逸出等情況。即：peVhchvpm-=-l2210ll-=peVhc那么，連續(xù)射線的強(qiáng)度與哪些因素有關(guān)呢？ 常數(shù)z陽級靶的原子序數(shù)i管電流（毫安）V管電壓（千伏） 陽極靶可以影響連續(xù)譜的強(qiáng)度，能不能影響連續(xù)譜波長的分布?答案是不能。2、連續(xù)X射線譜的總強(qiáng)度 六、效率產(chǎn)生連續(xù)X射線的效率 ZViViZVXXaah=2射線管的功率射線總強(qiáng)度連續(xù)=

8、ZV七、（標(biāo)識）特征X射線譜 1、特征X射線譜的形成 由于它們的波長反映了靶材料的特征，因此稱之為特征X射線，并由它們構(gòu)成特征X射線譜（見圖16）。 當(dāng)管電壓超過某一臨介值V激后，例：鉬靶超過20千伏，在連續(xù)X射線譜某幾個(gè)特定波長的地方，強(qiáng)度突然顯著地增大。2、K、K射線 在X射線衍射中，一般采用強(qiáng)度高的K例如:鉬靶的K系X射線中 =0.63 =0.71 K線又可細(xì)分為K1、K2 12=0.004 1:2 2 1aaKKII1:5baKKII八、實(shí)驗(yàn)規(guī)律1、產(chǎn)生特征X射線所需的最低管電壓（V激），對不同的陽極靶是不同的，它由陽極靶的原子數(shù)Z所決定。（陽極靶不同，所產(chǎn)生的特征X射線譜的波長也不相

9、同）。2、當(dāng)管電壓超過V激后，管電壓進(jìn)一步升高，特征X射線不變。強(qiáng)度按n次方的規(guī)律增大（n = 1.52 ）。3、當(dāng)V/ V激=35時(shí) 連特II最大 我們知道，原子是由帶正電的原子核和與繞核旋轉(zhuǎn)的電子組成。電子分布在不同能級的電子殼層上。距核最近的第一層電子的能量最低，稱為K層，第二層為L層，依次為M、N、O、P等層（圖2-7），各層上電子的能量為:九、特征X射線產(chǎn)生機(jī)理 1、特征X射線的產(chǎn)生 22242)(2 p-=znhmeEn當(dāng)高速的陰極電子流沖擊陽極靶時(shí)，可將陽極靶內(nèi)層的某些電子擊出，轉(zhuǎn)移到能量較高的外部殼層上，或擊出原子系統(tǒng)之外而使原子電離，原子處于激發(fā)狀態(tài)，其能量高于正常狀態(tài)，是不

10、穩(wěn)定的。假定K層電子被激發(fā)后，由L層躍遷來一個(gè)補(bǔ)充電子，其降低的能量 這就是波長一定的特征X射線,K X射線。lneechhKLKL=-KLhceel-= K層電子被激發(fā)，其它高能級的外層電子躍入而產(chǎn)生的特征X射線為K系X射線。2、K系X射線 由子由L層K層躍遷產(chǎn)生的X射線，稱為K射線。 由子由M層K層躍遷產(chǎn)生的X射線，稱為K射線。 3、K、K 要獲得K系射線，必須使高速電子的動能足以把原子中K層電子擊出。即evx -kx未飽和的最外層（X層） 4、激發(fā)電壓V激 V激K是完全由陽極靶決定的，每種陽極靶有固定的激發(fā)電壓。K最短KV激 412.=l最短最大kkkxehceheVlnee=- K層電

11、子被激發(fā)后，L層電子向K層躍遷的幾率要比M層K層躍遷的幾率大很多倍，所以I / I 45。 5、IK、IK 同一殼層上的電子并不處于同一能量狀態(tài)，而分屬于若干個(gè)亞能級。K1、 K 2 是L層中的兩個(gè)亞能級電子向K層躍遷，輻射出來的兩根譜線。 6、K1、K 2： 十、莫塞萊定律： 特征X射線譜的頻率或波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，而與其它外界因素?zé)o關(guān)。莫塞萊在1914年總結(jié)發(fā)現(xiàn)了這一規(guī)律。K與靶材物質(zhì)（主量子數(shù)）有關(guān)的常數(shù)。與電子所在的殼層位置有關(guān)，稱為屏蔽常數(shù)。同系特征X射線的波長，隨陽極靶的原子序數(shù)的增加而變短。如果知道了v或，可確定該物質(zhì)的原子系數(shù)。 )(sv-=ZK 特征X射線波

12、長與陽極靶原子系數(shù)關(guān)系。 X射線照射到物質(zhì)上與物質(zhì)相互作用是個(gè)很復(fù)雜的過程?？蓺w結(jié)為三個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程：E1散射能量；E2吸收能量，包括真吸收轉(zhuǎn)變熱部分和光電效應(yīng)、俄歇效應(yīng)，E3透過物質(zhì)。一、 X射線的散射 X射線與原子核束縛不緊的和較緊的電子作用，會產(chǎn)生兩種散射。 1-5 X射線與物質(zhì)的相互作用（1）當(dāng)X射線通過物質(zhì)時(shí)，當(dāng)和物質(zhì)中的內(nèi)層電子相撞時(shí)，光子把能量全部轉(zhuǎn)給電子，電子受迫振動。振動的頻率與入射X射線的頻率相同。（2）被加速的電子變成了一個(gè)新的電磁波源，向四周各方向發(fā)射電磁波，即X射線散射波。（3）散射波之間符合：振動方向相同、頻率相同、位向差恒定，可發(fā)生干涉作用，故稱為相干散射。1、相

13、干散射（經(jīng)典散射，湯姆遜散射）（1）當(dāng)X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時(shí)，電子被撞出原來的軌道，成為反沖電子，入射光子自身也被撞偏了一個(gè)角度2（見圖19）。2、非相干散射（量子散射、康普頓吳有訓(xùn)效應(yīng)） （2）入射光子的能量=散射光子能量+反沖電子的能量。根據(jù)動量和能量守恒定律：=-=0.0243(1-cos2)()、分別為散射線和入射線的波長。二、二次特征輻射（熒光輻射） 1、二次特征輻射的概念當(dāng)X射線光子具有足夠高的能量時(shí)，將把物質(zhì)原子中的內(nèi)層電子打擊出來，從而產(chǎn)生新的特征輻射，稱為二次特征輻射。2、產(chǎn)生條件激發(fā)限 入射的X射線光子的能量必須等于或大于將K層電子擊出所需的能量。

14、hv激KeV激K 入激K產(chǎn)生K系激發(fā)的最長波長又稱為K系特征輻射的激發(fā)限。eV激KKch激l （） K激lKKVevhc激激4.12. =KKV激激4.12=l 當(dāng)激發(fā)二次特征輻射時(shí)，原入射X射線光子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥哪芰浚闺娮右莩鲈又?。這種電子稱為光電子，此時(shí)的吸收稱為真吸收。這一過程稱為光電效應(yīng)。三、吸收與光電效應(yīng) 四、俄歇效應(yīng)（見圖111） 原子中的一個(gè)K層電子被入射光量子擊出后，L層一個(gè)電子躍入K層填補(bǔ)空拉。其釋放的能量為E1 = L-K。如果這一能量不是以輻射X光量子的方式放出，而是把L層的另一電子擊出原子體系。這個(gè)被擊出的二次電子就稱為俄歇電子。俄歇電子的能量有固定值。從L層

15、逃出的電子稱KLL電子，當(dāng)然也有KMM電子。 E=E1E2 E2=0-L E=L-K-（0-L）。 E=L+L-K22242)(2npe-=Zhmen入射X射線散射相干散射非相干散射+反沖電子穿透吸收光電子+二次特征輻射二次電子+俄歇效應(yīng)熱能討論： 俄歇電子的能量只有幾百電子伏特（很低），只有金屬表層幾個(gè)原子層的俄歇電子才能逸出表面。 每種物質(zhì)俄歇電子能量的大小只取決于該物質(zhì)的原子能級結(jié)構(gòu)，是一種元素的固有特征。 利用俄歇效應(yīng)設(shè)計(jì)的俄歇譜儀可對固體表層元素進(jìn)行分析。 X射線穿過物質(zhì)時(shí)，由于經(jīng)典散射、量子散射、原子激發(fā)等現(xiàn)象而消耗入射X射線的能量。 因此，入射X射線的強(qiáng)度將顯著地衰減下來。五、X

16、射線的衰減 （1）實(shí)驗(yàn)規(guī)律：通過厚度為dx的無窮小薄層物質(zhì)時(shí)，X射線強(qiáng)度衰減量dI正比于入射線強(qiáng)度I和層厚dx.dI- Idx或dI = -lIdx （1）l單位為厘米-1，線吸收系數(shù),負(fù)號表示強(qiáng)度的變化由強(qiáng)變?nèi)酢?、衰減規(guī)律 （2）計(jì)算由（1）式得： lnI=-l x+C（2）當(dāng)x=0時(shí)，I=I0 C= lnI0，代入（2）式得lnIlnI0= -l x lnI/I0= -l x 或I = I0e-x I/I0稱為穿透系數(shù)或透射因數(shù)。（3）l的物理意義在X射線的傳播方向上，單位長度上X射線強(qiáng)度衰減程度。 dI=-l Idx（1）線吸收系數(shù)ll正比于物質(zhì)的密度，為什么？這時(shí)因?yàn)槲镔|(zhì)的密度越大，

17、X射線遇到的原子愈多，散射和吸收越強(qiáng)烈。（2）質(zhì)量吸收系數(shù)m 2、質(zhì)量吸收系數(shù)m1）定義： m與物質(zhì)的密度無關(guān)。2）m的物理意義 表示單位重量的物質(zhì)引起的X射線的相對衰減量。（3）m與入射X射線波長及元素的原子序數(shù)Z的關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)證明：m3Z3（見圖110）（4）K（吸收限） 當(dāng)波長減小到數(shù)值K時(shí)，m產(chǎn)生一個(gè)突變突然增大。這是由入射線光子能量h v達(dá)到了激發(fā)該元素K層電子的數(shù)值，從而大量地被吸收。 K KV激激412.=l （1）濾波片1）在X射線衍射分析中，大多數(shù)情況下都希望得到單一波長的X射線。然而，K系特征譜線包括K、K。2）吸收限為K的物質(zhì)，可強(qiáng)烈地吸收K這些波長的入射X射。而對K的入

18、射線吸收很少。3、吸收限的應(yīng)用3）可以選擇K剛好位于輻射X射線K、K之間的，并盡量靠近K的金屬薄片作為濾波片（見圖112）。4）濾波片放在X射線源與試樣之間。這時(shí)濾波片對K射線產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收，而對K卻吸收很少。只剩下K輻射。5）濾波片的厚度 : 濾波片太厚，對K線的吸收增加。 實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)K線的強(qiáng)度被吸收到原來的一半時(shí)， I / I將由原來的1/5提高到1/500左右。6）濾波片材料的選擇（見表11）由表11可總結(jié)如下規(guī)律：當(dāng)Z靶40時(shí)，則Z片=Z靶 1當(dāng)Z靶40時(shí)，則Z片=Z靶27）陽極靶的選擇為了避免在試樣上產(chǎn)生熒光輻射，增加衍射花樣的背底若試樣吸收限為K則靶的K波長應(yīng)大于試樣K，并盡量靠近K，為什么？ a）不產(chǎn)生熒光輻射；b