上海交通大学：《物理实验》精品课程教学资源（讲义）X射线的初步研究.pdf

X射线的初步研究 X射线是德国科学家伦琴(W.C.Rontgen)于1895年在研究阴极射线管时发现的，是人类揭开研究微观世界序幕的“三大发现”之一，给医学和物质结构的研究带来了新的希望.就在伦琴宜布发现X射线的第四天，一位美国医生就用X射线照相发现了伤员脚上的子弹.从此，对于医学来说，X射线就成了神奇的医疗手段.因为这一具有划时代意义的重大发现，伦琴于1901年被授予第一届诺贝尔物理学奖. X射线可用来帮助人们进行医学诊断和治疗；也可用于工业上的非破坏性材料的检查；在基础科学和应用科学领域内，则被广泛用于晶体结构分析、化学分析和原子结构的研究.有关X射线的实验非常丰富，其内容十分广泛而深刻.本实验用德国莱宝公司生产的 X射线实验仪及附件，对X射线影像、X射线在材料中的衰减进行研究，从而对X射线的产生、特点和应用有初步的认识. 【实验目的】 1.初步了解X射线的产生、基本性质； 2.观察X射线影像； 3.研究X射线的衰减与吸收体厚度的关系； 4. 研究X射线的衰减与吸收体物质的关系· 5.布拉格反射【实验原理】 1.X射线的产生、基本性质 X射线和可见光线一样，也是电磁波的一种，不同的是较之可见光，它的波长更短，介于紫外线和y射线之间，约10nm~0.001nm(注：1nm=109m).波长小于0.01nm的称为超硬X射线，在0.01~0.1nm范围内的称为硬X射线，0.1~10nm范围内的称为软X 射线.其中，波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析；波长较长的软X 射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属的分析.医学上采用 ④热沉的X射线波长为1nm~10nm。 X射线的产生有多种方式。高速运动的电子流、Y射线、 ③铜块中子流等高能辐射流在突然减速时均能产生X射线。目前最 ②钼靶常用的方式是通过高速运动的电子流轰击金属靶来获得的。在实验室中X射线由X射线管产生，X射线管是具有阴 ①接地阴极极和阳极的真空石英管，其结构如图1所示：①是接地阴极，即电子发射极，用钨丝构成，通电加热后可发射电子；②是阳极靶材，本实验中采用钼靶，工作时加以几万伏的高压.电子在高压作用下轰击钼原子而产生X光.③铜块和④螺旋状热 ⑤管脚沉用以散热.⑤是管脚. 高速运动的电子轰击阳极靶时，其能量的绝大部分图1X光管结构图

- 1 - X 射线的初步研究 X 射线是德国科学家伦琴（W.C.Röntgen）于 1895 年在研究阴极射线管时发现的，是人类揭开研究微观世界序幕的“三大发现”之一，给医学和物质结构的研究带来了新的希望．就在伦琴宣布发现 X 射线的第四天，一位美国医生就用 X 射线照相发现了伤员脚上的子弹．从此，对于医学来说，X 射线就成了神奇的医疗手段．因为这一具有划时代意义的重大发现，伦琴于 1901 年被授予第一届诺贝尔物理学奖． X 射线可用来帮助人们进行医学诊断和治疗；也可用于工业上的非破坏性材料的检查；在基础科学和应用科学领域内，则被广泛用于晶体结构分析、化学分析和原子结构的研究．有关 X 射线的实验非常丰富，其内容十分广泛而深刻．本实验用德国莱宝公司生产的 X 射线实验仪及附件，对 X 射线影像、X 射线在材料中的衰减进行研究，从而对 X 射线的产生、特点和应用有初步的认识．【实验目的】 1. 初步了解 X 射线的产生、基本性质； 2. 观察 X 射线影像； 3. 研究 X 射线的衰减与吸收体厚度的关系； 4. 研究 X 射线的衰减与吸收体物质的关系． 5. 布拉格反射【实验原理】 1． X 射线的产生、基本性质 X 射线和可见光线一样，也是电磁波的一种，不同的是较之可见光，它的波长更短，介于紫外线和 γ 射线之间，约 10 nm ~ 0.001 nm（注：1 nm = 10-9 m）．波长小于 0.01 nm 的称为超硬 X 射线，在 0.01 ~ 0.1 nm 范围内的称为硬 X 射线，0.1 ~ 10 nm 范围内的称为软 X 射线．其中，波长较短的硬 X 射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析；波长较长的软 X 射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属的分析．医学上采用的 X 射线波长为 1 nm ~ 10 nm。 X 射线的产生有多种方式。高速运动的电子流、γ射线、中子流等高能辐射流在突然减速时均能产生 X 射线。目前最常用的方式是通过高速运动的电子流轰击金属靶来获得的。在实验室中 X 射线由 X 射线管产生，X 射线管是具有阴极和阳极的真空石英管，其结构如图 1 所示：①是接地阴极，即电子发射极，用钨丝构成，通电加热后可发射电子；②是阳极靶材，本实验中采用钼靶，工作时加以几万伏的高压．电子在高压作用下轰击钼原子而产生 X 光．③铜块和④螺旋状热沉用以散热．⑤是管脚．高速运动的电子轰击阳极靶时，其能量的绝大部分图 1 X 光管结构图

(~99%)转化为热能而损失，只有极少部分的能量转化为X射线。所以X射线管工作时靶极必须散热冷却. 经过X射线管发射出的X射线分为两种：连续光谱和标识光谱.能量为U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.因为连续光谱是由于高速电子受靶极阻挡而产生的轫致辐射，所以其短波极限入由加速电压U决定：o=hc/eU,其中h为普朗克常数，e为电子电量，c为真空中的光速.连续光谱又称为“白色”X射线，包含了从短波限开始的全部波长，其强度随波长变化连续地改变。从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向于零（图2）。当增加管压时，电子动能增加，电子与靶的碰撞次数和辐射出来的X射线光量子的能量都增高，因此连续谱各波长的强度都相应增高，入，减小。当管压不变，增加管流时，X 射线光量子数目增加，连续谱各波长的强度都相应增高，但光量子能量不变，短波极限也不变。标识光谱的产生则与阳极靶材的原子内部结构紧密相关的.原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级.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标识X射线谱.每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构的特征. K系激发与辐射是将原子系统的K层电子击走，原子系统的能量由基态升高至K激发态，这个过程称为K系激发。K层能级被高能级电子填充时产生的辐射称为K系辐射。K 系辐射分K.辐射和KB辐射。其中 K辐射：在K系辐射中，由M层电子填充K层能级时产生的辐射 K.辐射：在K系辐射中，由L层电子填充K层能级时产生的辐射 L层电子填充K层能级的几率远大于M 层电子填充K层能级的几率，故K辐射产生的光量子数目远大于K辐射，因此K.辐射的特征光谱强度远大于K辐射的强度。除去不需要的K线，使用过滤片是最简单的单色化方法，使X射线管产生的X射线 Mo 单色化，同时使用K滤波片还可以吸收掉大部分的“白色”射线。本实验采用锆滤片。 X射线的强度是指单位时间内通过与X 连续光谱射线传播方向垂直的单位面积上的所有光量子的能量总和。经验公式表明连续X射线谱的总强度与X射线管电流()、阳极靶材的原 0.5 0.7 0.0 波长(A) 子序数(Z)及管电压(V)的平方成正比。图2X射线管产生的X射线的波长谱 2.X射线的探测因人的肉眼看不见X射线，故利用它与物质相 -2

- 2 - 图 2 X 射线管产生的 X 射线的波长谱（~99%）转化为热能而损失，只有极少部分的能量转化为 X 射线。所以 X 射线管工作时靶极必须散热冷却．经过 X 射线管发射出的 X 射线分为两种：连续光谱和标识光谱．能量为 eU 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 hν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．因为连续光谱是由于高速电子受靶极阻挡而产生的轫致辐射，所以其短波极限 λ0 由加速电压 U 决定： λ0 = hc/eU，其中 h 为普朗克常数，e 为电子电量，c 为真空中的光速．连续光谱又称为“白色”X 射线，包含了从短波限 λ0开始的全部波长，其强度随波长变化连续地改变。从短波限开始随着波长的增加强度迅速达到一个极大值，之后逐渐减弱，趋向于零（图 2）。当增加管压时，电子动能增加，电子与靶的碰撞次数和辐射出来的 X 射线光量子的能量都增高，因此连续谱各波长的强度都相应增高，λ0 减小。当管压不变，增加管流时，X 射线光量子数目增加，连续谱各波长的强度都相应增高，但光量子能量不变，短波极限也不变。标识光谱的产生则与阳极靶材的原子内部结构紧密相关的．原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级．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标识 X 射线谱．每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构的特征． K 系激发与辐射是将原子系统的 K 层电子击走，原子系统的能量由基态升高至 K 激发态，这个过程称为 K 系激发。K 层能级被高能级电子填充时产生的辐射称为 K 系辐射。K 系辐射分 Kα辐射和 Kβ辐射。其中 Kβ辐射：在 K 系辐射中，由 M 层电子填充 K 层能级时产生的辐射 Kα辐射：在 K 系辐射中，由 L 层电子填充 K 层能级时产生的辐射 L 层电子填充 K 层能级的几率远大于 M 层电子填充 K 层能级的几率，故 Kα辐射产生的光量子数目远大于 Kβ辐射，因此 Kα辐射的强度远大于 Kβ辐射的强度。除去不需要的 Kβ线，使用过滤片是最简单的单色化方法，使 X 射线管产生的 X 射线单色化，同时使用 Kβ滤波片还可以吸收掉大部分的“白色” 射线。本实验采用锆滤片。 X 射线的强度是指单位时间内通过与 X 射线传播方向垂直的单位面积上的所有光量子的能量总和。经验公式表明连续 X 射线谱的总强度与 X 射线管电流（i）、阳极靶材的原子序数（Z）及管电压（V）的平方成正比。 2． X 射线的探测因人的肉眼看不见 X 射线，故利用它与物质相

透射率T= R ，则得： Ro T=e-ux (3) 或 InT=-ux (4) 式中“称为线衰减系数，x为试样厚度。我们知道，衰减至少应被视为物质对入射线的散射和吸收的结果，系数4应该是这两部分作用之和。但由于因散射而引起的衰减远小于因吸收而引起的衰减，故通常直接称4为线吸收系数，而忽略散射的部分。本实验研究X射线的衰减与吸收体厚度的关系，以及吸收体物质种类（原子序数）的关系。 4.布拉格反射光波经过狭缝将产生衍射现象，为此，狭缝的大小必须与光波的波长同数量级或更小.对X射线，由于它的波长在0.2nm的数量级，要造出相应大小的狭缝以观察X射线的衍射，就相当困难.冯劳厄(Max Theodor Felix Von Laue)首先建议用晶体这个天然的光栅来研究X射线的衍射，因为晶格正好与X射线的波长同数量级.图4显示的是NaCl 晶体中氯离子与钠离子的排列结构.现在讨论X射线打在这样晶格上所产生的结果. 由图5可知，当入射X射线与晶面相交角时，假定晶面就是镜面（即布拉格面，入射角与出射角相等)，那么容易看出，图中两条射线1和2的程差是图4NaCI晶体中氯离子与钠离子 4C+DC,即2dsin0.当它为波长的整数倍时（假定的排列结构，其中d为晶面间距，入射光为单色的，只有一种波长)： ao为晶格常数 2dsin0=nz,n=l,2,… (5) 在方向射出的X射线即得到衍射加强，上式就是X射线在晶体中的衍射公式，称之为布拉格公式.在上述假定下，d是晶格之间距离，也是相邻两布拉格面之间的距离.是入射X射线的波长，是入射角（注意此入射角是入射X射线与布拉格面之间的夹角）和反射角.n是一个整数，为衍射级次. 需要说明的是，图5()仅表示了一组晶面，但事实上，晶格中的原子可以构成很多组方向不同且具有不同晶面间距d的平行面，从图5(b)中可以清楚的看出，在不同的平行面上，原子数的密度也不一样，故测得的反射线的强度就有差异. -4-

- 4 - 透射率 0 R T R = ，则得： x T e−μ = （3）或 lnT=-μx （4）式中 μ 称为线衰减系数，x 为试样厚度。我们知道，衰减至少应被视为物质对入射线的散射和吸收的结果，系数 μ 应该是这两部分作用之和。但由于因散射而引起的衰减远小于因吸收而引起的衰减，故通常直接称 μ 为线吸收系数，而忽略散射的部分。本实验研究 X 射线的衰减与吸收体厚度的关系，以及吸收体物质种类（原子序数）的关系。 4.布拉格反射光波经过狭缝将产生衍射现象，为此，狭缝的大小必须与光波的波长同数量级或更小．对 X 射线，由于它的波长在 0.2 nm 的数量级，要造出相应大小的狭缝以观察 X 射线的衍射，就相当困难．冯⋅劳厄（Max Theodor Felix Von Laue）首先建议用晶体这个天然的光栅来研究 X 射线的衍射，因为晶格正好与 X 射线的波长同数量级．图 4 显示的是 NaCl 晶体中氯离子与钠离子的排列结构．现在讨论 X 射线打在这样晶格上所产生的结果．由图 5 可知，当入射 X 射线与晶面相交θ角时，假定晶面就是镜面（即布拉格面，入射角与出射角相等），那么容易看出，图中两条射线 1 和 2 的程差是 AC DC + ，即2 sin d θ ．当它为波长的整数倍时（假定入射光为单色的，只有一种波长）： 2 sin , 1,2, d nn θ = = λ " （5）在θ方向射出的 X 射线即得到衍射加强，上式就是 X 射线在晶体中的衍射公式，称之为布拉格公式．在上述假定下，d 是晶格之间距离，也是相邻两布拉格面之间的距离．λ是入射 X 射线的波长，θ是入射角（注意此入射角是入射 X 射线与布拉格面之间的夹角）和反射角．n 是一个整数，为衍射级次．需要说明的是，图 5(a)仅表示了一组晶面，但事实上，晶格中的原子可以构成很多组方向不同且具有不同晶面间距 d 的平行面，从图 5(b)中可以清楚的看出，在不同的平行面上，原子数的密度也不一样，故测得的反射线的强度就有差异． d a0 图 4 NaCl 晶体中氯离子与钠离子的排列结构，其中 d 为晶面间距， a0为晶格常数