第一章X射线的性质

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1、1第一章第一章 X X射线的物理学基础射线的物理学基础2目目 录录什么是什么是X X射线（射线（X射线的本质）？射线的本质）？X X射线的产生及射线的产生及X射线管射线管X射线谱射线谱X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用31.1什么是X射线？-X X射线的本质和性质射线的本质和性质一、一、X X射线的本质射线的本质 X X射线和可见光一样，射线和可见光一样，都显示都显示波粒二象性波粒二象性，两者，两者的本质是相同的，都会产的本质是相同的，都会产生干涉、衍射、吸收和光生干涉、衍射、吸收和光电效应等现象，两者的主电效应等现象，两者的主要差别于要差别于波长不同波长不同。 X X射线：射线：

2、1010-8-8cmcm可见光：可见光：1010-4-4cmcm4X X射线的波长射线的波长nX X射线是一种波长较短的电磁辐射：射线是一种波长较短的电磁辐射： 波长：波长：0.0110nm 其短波段与其短波段与射线长波段相重叠，其长波射线长波段相重叠，其长波段则与真空紫外的短波段相重叠。段则与真空紫外的短波段相重叠。 g-raysX-raysUVVisual0.0010.010.11.010.0 100200 nm5 X X射线的能量射线的能量 量子理论将X射线看成由一种量子或光子组成的粒子流，每个光子具有的能量为： (依据X射线的波长即可计算出其能量)(24. 1)(nmchhkeVE公式

3、公式MgK CaK FeK PbL (nm) =1.24/ EE(keV)1.2533.697.05710.55 (nm)0.98950.33600.17570.11756AI2X X射线的强度射线的强度7二、二、X X射线的性质射线的性质1.不可见2.直线转播3.穿透力强4.能激发荧光5.穿透物质时可被物质吸收6.杀伤生物细胞7.具有波粒二象性8 1.X射线产生的原理 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。1.2X射线产生的条件及机理9 2.X射线产生的条件 n产生自由电子

4、；产生自由电子；n使电子作定向的高速运动使电子作定向的高速运动; ;n在其运动的路径上设置一个障碍物使电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。子突然减速或停止。10接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X射线管剖面示意图过程演示113.X射线管的结构：12 X射线管的结构 n封闭式X射线管实质上就是一个大的真空（ ）二极管。基本组成包括： (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 (2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。mmHg75101013(3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。 (4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从

5、这块面积上发射出X射线。 144.X射线产生的机理n连续辐射 根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。 我们假设管电流强度为10mA，即0.01C/s，电子电荷为1.6X10-19C，则一秒钟时间内到达阳极靶上的电子数目为：n=0.01/1.6X10-19=6.25X1016 这么大数目的电子到达靶上的时间和条件不会相同，并且大多数电子要经过多次碰撞，能量逐步损失掉，因此其波长必然覆盖一个很大的范围，这种辐射称为连续辐射。 154.X射线产生的机理n特征辐射 当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的

6、电当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量子在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量增高，原子处于激发状态。能量增高，原子处于激发状态。 处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此处于激发状态的原子有自发回到稳定状态的倾向，此时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。时外层电子将填充内层空位，相应伴随着原子能量的降低。原子从高能态变成低能态时，

7、多出的能量以原子从高能态变成低能态时，多出的能量以X X射线形式辐射线形式辐射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能射出来。因物质一定，原子结构一定，两特定能级间的能量差一定，故辐射出的特征量差一定，故辐射出的特征X X射波长一定。射波长一定。16 根据量子力学理论，原子系统中的电子按泡利不相容原理不根据量子力学理论，原子系统中的电子按泡利不相容原理不连续地分布在连续地分布在K、L、M、N等不同能级的轨道（壳层）上，等不同能级的轨道（壳层）上，而且按能量最低原理首先填充最靠近原子核的第而且按能量最低原理首先填充最靠近原子核的第K层，再依次层，再依次填填L、M、N等。能量大小：等。能量

8、大小：KLMNeg：当：当K电子被打出电子被打出K层时，如层时，如L层电子来填充层电子来填充K空位时，则产空位时，则产生生K辐射。此辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差，即即KLKLEEhgKLKLEEhccg17 各种元素的各种元素的同名谱系同名谱系（如同为（如同为K K系）激发电位和系）激发电位和同名特征光谱的波长，随同名特征光谱的波长，随原子序数的大小原子序数的大小而发生而发生变化变化，与与管电压和管电流管电压和管电流的大小的大小无关无关。 对于不同元素的同名谱线，随着原子序数的增对于不同元素的同名谱线，随着原子序数的增加，波长变短。加

9、，波长变短。 特征光谱的这些物理现象和特点，由各种元素特征光谱的这些物理现象和特点，由各种元素的原子结构决定的。的原子结构决定的。181.3 X射线谱- 连续连续X X射线谱射线谱nX X射线强度与波长的射线强度与波长的关系曲线，称之关系曲线，称之X X射射线谱。线谱。n一、连续一、连续X X射线谱射线谱 在管压很低时，在管压很低时，小于小于20kv20kv的曲线是的曲线是连续变化的，故称连续变化的，故称之连续之连续X X射线谱，即射线谱，即连续谱。连续谱。191 1、连续、连续X X射线谱的产生机理射线谱的产生机理 极大数量的电子与靶材随机碰撞极大数量的电子与靶材随机碰撞 产生波长产生波长不

10、同且连续的不同且连续的X X射线射线2 2、短波限、短波限0 极限情况下，能量为ev的电子在碰撞中一下子把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短波长，即短波限0。强度的最大值在0的1.5倍处。 eV = hvmax = hc/0 0 = 1.24/V （nm）20nX射线管的效率，是指电子流能量中用于产生X射线的百分数，即n随着原子序数Z的增加，X射线管的效率提高，但即使用原子序数大的钨靶，在管压高达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1左右，99的能量都转变为热能。 3、连续谱的强度 20)(KiZVdII连续4、X射线管的效率 KZViZiZVKXX2射线管功率射线总强度连

11、续215、连续谱的实验规律 n连续谱的强度连续谱的强度I I从从0 0开始连续分布开始连续分布n每一条连续谱都存在强度最大的波长每一条连续谱都存在强度最大的波长m m，一般一般m m =1.5 =1.5 0 0n当管电压一定时，管电流增大，则：当管电压一定时，管电流增大，则：I I增大，但增大，但0 0 m m不变不变n管电压增大，则管电压增大，则I I增大，但增大，但0 0 m m减小，谱线变宽减小，谱线变宽n管电压和管电流一定时，原子序数管电压和管电流一定时，原子序数Z Z增大，则增大，则I I增大，增大， 0 0 m m不变不变22二、特征二、特征X X射线谱射线谱1 1、产生机理、产生