土壤保水剂
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；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．
【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，Array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
（~99%）转化为热能而损失，只有极少部分的能量转化为X
- 1 -
- 2 -
图2 X 射线管产生的X 射线的波长谱
射线。所以X 射线管工作时靶极必须散热冷却．
单兵作战系统经过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h 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”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K α辐射和K β辐射。其中
K β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 α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 α辐射产生
的光量子数目远大于K β辐射，因此K α辐射的
强度远大于K β辐射的强度。
除去不需要的K β线，使用过滤片是最简
单的单化方法，使X 射线管产生的X 射线
单化，同时使用K β滤波片还可以吸收掉大
部分的“白” 射线。本实验采用锆滤片。
冬笋探测仪有用吗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
汽结构
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
互作用发生的现象来判断其有无和强度，主要有以下几种方法：
- 3 -
(1) 荧光屏法
当X 射线照射到荧光物质上时，荧光物质受激发而发出可见的荧光，由此确定X 射线的有无和强弱．例如把计算器放在荧光屏前，用不同的管高压和管电流来照射，发现：当管电流一定时（一般取I = 1.00 mA ），高压越大，透射象的强度越强，清晰程度越好；同样，当高压一定时（一般取U = 32 KV ），电流越大，透射象的强度越强，清晰程度越好．
(2) X 射线照相法
X 射线对照相底片的作用与普通可见光很相似．因此在记录衍射花样时广泛使用照相底片．例如：把胶片放在胶片架上，用不同的管电流和照射时间来照射，发现：在相同的时间照射下，管电流越大，即X 射线强度越强，胶片越黑；在X 射线的强度一样下，照射时间越长，胶片也越黑．也就是说X 射线照射剂量越大，胶片越黑．
(3) 电离法
X 射线光子和高速电子一样，也能引起气体电离，即从气体分子中打出电子，同时产生一个正离子．电离现象可以作为测量X 射线强度的基础．
3．X 射线的衰减
X 射线穿过物质之后，强度会衰减。这是因为X 射线同物质相互作用时经历各种复杂的物理、化学过程，从而引起各种效应转化了入射线的部分能量。如下图所示：
图3 X 射线的衰减
假设入射线的强度为R 0，通过厚度dx 的吸收体后 ，由于在吸收体内受到“毁灭性”
光标跟随
的相互作用，强度必然会减少，减少量dR 显然正比于吸收体的厚度dx ，也正比于束流的强度R ，若定义μ为X 射线通过单位厚度时被吸收的比率，则有（图3）：
dR Rdx μ-= （1）
考虑边界条件并进行积分，则得：
0x R R e
μ-= （2）
- 4 -
透射率 0
R T R = ，则得： x T e μ-= （3）
x μ 或 lnT=- （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。
【实验仪器】
1、X 射线实验仪
图4为X 射线实验装臵示意图，其正面装有两扇铅玻璃门，既可看清楚X 光管和实验装臵的工作状况，又保证了人身不受到X 射线的危害．为保护操作者的安全，一旦打开玻璃门，X 光管上的高压会立即断开．该装臵分为三个工作区：中间是X 光管，右边是实验区，左边是监控区．X 光管的结构在实验原理中已介绍，这里不重复．
右边的实验区可安排各种实验．
A1：准直器——准直器前后端面各开有一条狭缝，使得从准直器出射X 光形成一束平行的片状光束．准直器前端可套上各种滤波器；
A2：安放晶体样品的靶台；
A3：装有G - M 计数管的传感器，它用来探测X 光的强度．G - M 计数管是一种用来测量X 射线强度的探测器，其计数率与所测X 射线的强度成正比．由于本装臵的X 射线强度不大，因此计数管的计数率较低，计数的相对不确定度较大；（根据放射性的统计规律，
射线的强度可表示为N 故计数率N 越大相对不确定度越小．）延长计数管每次测量的持续时间，从而增大总强度计数N ，有利于减少计数的相对不确定度．
A4：荧光屏，它是一块表面内涂有荧光物质的圆形铅玻璃平板，平时外面有一块盖板遮住，以免环境光太亮而损害荧光物质；让X光打在荧光屏上，打开盖板，即可在荧光屏的右侧外面直接看到X光的荧光，但因荧光较弱，此观察应在较暗的环境中进行．左边的监控区包括电源和各种控制装臵．
B1：液晶显示区，分上下两行，上行显示G - M计数管的计数率N（正比与X光光强R），下行显示工作参数．
B2：大转盘，用来调节和设臵各参数．转动时应缓慢。
B3含五个设臵按键，确定B2所调节和设臵的对象，这五个按键从上至下依次是：
1)U：设臵X光管上所加的高压值（通常取35 KV）；
2)I：设臵X光管内的电流值（通常取1.00 mA）；
3)∆t：设臵每次测量的持续时间（通常取5 s ~ 10 s）；
4)∆β：设臵自动测量时测角器每次转动的角度，即角步幅（通常取0.1 ︒）；
5)β - LIMIT：在选定扫描模式后，设臵自动测量时测角器的扫描范围，即上限角与
下限角．（第一次按此键时，显示器上出现“↓”符号，此时利用B2选择下限角；
第二次按此键时，显示器上出现“↑”符号，此时利用B2选择上限角．）B4有三个扫描模式选择按键和一个归零按键．三个扫描模式按键从左至右依次是：
1)SENSOR：传感器扫描模式，按下此键时，可利用B2手动旋转传感器的角位臵，
也可用β - LIMIT设臵自动扫描时传感器的上限角和下限角，显示器的下行此时显
示传感器的角位臵；
2)TARGET：靶台扫描模式，按下此键时，可利用B2手动旋转靶台的位臵，也可β-
LIMIT设臵自动扫描时传感器的上限角和下限角，显示器的下行此时显示靶台的
角位臵；
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