第一部分 X射线衍射
1. X射线的本质是什么？谁首先发现了X射线，谁揭示了X射线的本质？
2. X射线学有几个分支？每个分支的研究对象是什么？
答：X射线学分为三大分支：X射线透射学、X射线衍射学、X射线光谱学。
X射线透射学的研究对象有人体，工件等，用它的强透射性为人体诊断伤病、用于探测工件内部的缺陷等。
X射线衍射学是根据衍射花样，在波长已知的情况下测定晶体结构，研究与结构和结构变化的相关的各种问题。
X射线光谱学是根据衍射花样，在分光晶体结构已知的情况下，测定各种物质发出的X射线的波长和强度，从而研究物质的原子结构和成分。
3．为什么特征X射线的产生存在一个临界激发电压？X射线管的工作电压与其靶材的临界激发电压有什么关系？为什么？
4. 产生X射线需具备什么条件？
答：实验证实:在高真空中，凡高速运动的电子碰到任何障碍物时，均能产生X射线，对于其他带电的基本粒子也有类似现象发生。
电子式X射线管中产生X射线的条件可归纳为：1，以某种方式得到一定量的自由电子；2，在高真空中，在高压电场的作用下迫使这些电子作定向高速运动；3，在电子运动路径上设障碍物以急剧改变电子的运动速度。
5. X射线具有波粒二象性，其微粒性和波动性分别表现在哪些现象中？
答：波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播，反映了物质运动的连续性；微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量，能量和动量，反映了物质运动的分立性。
6．什么是光电效应？光电效应在材料分析中有哪些用途？
光电效应是指以光子激发电子所发生的激发和辐射过程称为光电效应。光电效应在材料分析可用于光电子能谱分析与荧光光谱分析。
1
7. 分析下列荧光辐射产生的可能性，为什么？ （1）用CuKαX射线激发CuKα荧光辐射； （2）用CuKβX射线激发CuKα荧光辐射； （3）用CuKαX射线激发CuLα荧光辐射。
答：根据经典原子模型，原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上，在稳定状态下，每个壳层有一定数量的电子，他们有一定的能量。最内层能量最低，向外能量依次增加。
根据能量关系，M、K层之间的能量差大于L、K成之间的能量差，K、L层之间的能量差大于M、L层能量差。由于释放的特征谱线的能量等于壳层间的能量差，所以K?的能量大于Ka的能量，Ka能量大于La的能量。
因此在不考虑能量损失的情况下： （1） CuKa能激发CuKa荧光辐射；（能量相同） （2） CuK?能激发CuKa荧光辐射；（K?>Ka） （3） CuKa能激发CuLa荧光辐射；（Ka>la）
8. 计算当管电压为50 kv时，电子在与靶碰撞时的速度与动能以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大动能。
解：
已知条件：U=50kv
-31
电子静止质量：m0=9.1×10kg
8
光速：c=2.998×10m/s
-19
电子电量：e=1.602×10C
-34
普朗克常数：h=6.626×10J.s
电子从阴极飞出到达靶的过程中所获得的总动能为
-19-18
E=eU=1.602×10C×50kv=8.01×10kJ
2
由于E=1/2m0v0
所以电子与靶碰撞时的速度为
1/26
v0=(2E/m0)=4.2×10m/s
所发射连续谱的短波限λ0的大小仅取决于加速电压 λ0（?）＝12400/v(伏) ＝0.248? 辐射出来的光子的最大动能为
-15
E0＝h?0＝hc/λ0＝1.99×10J
9. 特征X射线与荧光X射线的产生机理有何异同？某物质的K系荧光X射线波长是否等于它的K系特征X射线波长？
答：
特征X射线与荧光X射线都是由激发态原子中的高能级电子向低能级跃迁时，多余能量以X射线的形式放出而形成的。不同的是：高能电子轰击使原子处于激发态，高能级电子回迁释放的是特征X射线；以 X射线轰击，使原子处于激发态，高能级电子回迁释放的是荧光X射线。某物质的K系特征X射线与其K系荧光X射线具有相同波长。
2
10. 连续谱是怎样产生的？其短波限?0?hc1.24?与某物质的吸收限eVV?k?hc1.24有何不同（V和VK以Kv为单位）？ ?eVkVk答 当ⅹ射线管两极间加高压时，大量电子在高压电场的作用下，以极高的速度向阳极轰击，由于阳极的阻碍作用，电子将产生极大的负加速度。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。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续ⅹ射线谱。
在极限情况下，极少数的电子在一次碰撞中将全部能量一次性转化为一个光量子，这个光量子便具有最高能量和最短的波长，即短波限。连续谱短波限只与管压有关，当固定管压，增加管电流或改变靶时短波限不变。
原子系统中的电子遵从泡利不相容原理不连续地分布在K,L,M,N等不同能级的壳层上，当外来的高速粒子（电子或光子）的动能足够大时，可以将壳层中某个电子击出原子系统之外，从而使原子处于激发态。这时所需的能量即为吸收限，它只与壳层能量有关。即吸收限只与靶的原子序数有关，与管电压无关。
11. 什么会出现吸收限？K吸收限为什么只有一个而L吸收限有三个？当激发K系荧光Ⅹ射线时，能否伴生L系？当L系激发时能否伴生K系？
答：
一束X射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果。并且吸收是造成强度衰减的主要原因。物质对X射线的吸收，是指X射线通过物质对光子的能量变成了其他形成的能量。X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射X射线强度被衰减，是物质对X射线的真吸收过程。光电效应是指物质在光子的作用下发出电子的物理过程。
因为L层有三个亚层，每个亚层的能量不同，所以有三个吸收限，而K只是一层，所以只有一个吸收限。
激发K系光电效应时，入射光子的能量要等于或大于将K电子从K层移到无穷远时所做的功Wk。从X射线被物质吸收的角度称入K为吸收限。当激发K系荧光X射线时，能伴生L系，因为L系跃迁到K系自身产生空位，可使外层电子迁入，而L系激发时不能伴生K系。
12．欲用Mo靶X射线管激发Cu的荧光X射线辐射，所需施加的最低管电压是多少？激发出的荧光辐射的波长是多少？
13. 已知钼的?k?＝0.71?，铁的?k?＝1.93?及钴的?k?＝1.79?，试求光子的频率和能量。试计算钼的K激发电压，已知钼的?k?＝0.619?。已知钴的K激发电压VK＝7.71Kv，试求其λK。
3
解：⑴由公式νKa=c/λKa 及E＝hν有：
8-1018
对钼，ν＝3×10/(0.71×10)＝4.23×10（Hz）
-3418-15
E=6.63×10×4.23×10＝2.80×10（J）
8-1018
对铁，ν＝3×10/（1.93×10）＝1.55×10（Hz）
-3418-15
E=6.63×10×1.55×10＝1.03×10（J）
8-1018
对钴，ν＝3×10/(1.79×10)＝1.68×10（Hz）
-3418-15
E=6.63×10×1.68×10＝1.11×10（J） ⑵ 由公式λK＝1.24/VK，
对钼VK＝1.24/λK＝1.24/0.0619=20(kv)
对钴λK＝1.24/VK＝1.24/7.71=0.161(nm)=1.61(à)。
14. X射线实验室用防护铅屏厚度通常至少为lmm，试计算这种铅屏对CuKα、MoKα辐射的透射系数各为多少？
解：穿透系数IH/IO=e，
2-1-3
其中μm：质量吸收系数/cmg，ρ：密度/gcm
-3
H：厚度/cm，本题ρPb=11.34gcm,H=0.1cm
2-1
对Cr Kα，查表得μm=585cmg， 其穿透系数IH/IO=e
-μmρH-μmρH
=e
-585×11.34×0.1
=7.82×e
-289
=1.13?10
?7 对Mo Kα，查表得μm=141cmg， 其穿透系数IH/IO=e
-μmρH
2-1
=e
-141×11.34×0.1
=3.62×e=1.352?10-70
?12
15. 厚度为1mm的铝片能把某单色X射线束的强度降低为原来的23.9％，试求这种X射线的波长。试计算含Wc＝0.8％，Wcr＝4％，Ww＝18％的高速钢对MoKα辐射的质量吸收系数。
解：?IH＝I0e-(μ/ρ) ρH＝I0e-μmρH ?式中μm＝μ/ρ称质量衷减系数， 其单位为cm2／g，ρ为密度，H为厚度。
-3
今查表Al的密度为2.70g/cm. H=1mm, IH=23.9% I0带入计算得μm＝5.30查表得：λ＝0.07107nm（MoKα）
μm=ω1μm1+ω2μm2+…ωiμmi
ω1, ω2 ωi为吸收体中的质量分数，而μm1，μm2 μmi 各组元在一定X射线衰减系数
μm=0.8％×0.70＋4％×30.4＋18％×105.4＋（1－0.8％－4％－18％）×38.3=49.7612（cm2／g）
16. 欲使钼靶X射线管发射的X射线能激发放置在光束中的铜样品发射K系荧光辐射，问需加的最低的管压值是多少？所发射的荧光辐射波长是多少？
解：eVk=hc/λ
4
Vk=6.626×10×2.998×10/(1.602×10×0.71×10)=17.46(kv) λ0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm)
-34
其中 h为普郎克常数，其值等于6.626×10
-19
e为电子电荷，等于1.602×10c
故需加的最低管电压应≥17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。
-348-19-10
17. 什么厚度的镍滤波片可将CuKα辐射的强度降低至入射时的70％？如果入射X射线束中Kα和Kβ强度之比是5：1，滤波后的强度比是多少？已知μmα＝49.03cm2/g，μmβ＝290cm2/g。
解：
-umm-uρt
有公式I=I0e =I0e
32
查表得：ρ=8.90g/cm umα=49.03cm/g 因为 I=I0*70%
-umαρt=㏑0.7 解得 t=0.008mm
所以滤波片的厚度为0.008mm 又因为：
-μmαρt
Iα=5Ι0e
-μmβρt
Ιβ=Ι0e
带入数据解得Iα /Ιβ=28.8
滤波之后的强度之比为29：1
18. 如果Co的Kα、Kβ辐射的强度比为5：1，当通过涂有15mg/cm2的Fe2O3滤波片后，强度比是多少？已知Fe2O3的ρ=5.24g/cm3，铁对CoKβ的μm＝371cm2/g，氧对CoKβ的μm＝15cm2/g。
解：设滤波片的厚度为t
-3
t=15×10/5.24=0.00286cm
-Umρt-UmaFet-Umρot
由公式I=I0e得：Ia=5Ioe ，Iβ=Ioe；查表得铁对CoKα的μm＝59.5, 氧对CoKα的μm＝20.2；μm（Kα）=0.7×59.5+0.3×20.2=47.71；μm（Kβ）=0.7×371+0.3×15=264.2
-Umαρt-Umβρt
Iα/Iβ=5e/e=5×exp(-μmFe2O3Kα×5.24×0.00286)/ exp(-μmFe2O3Kβ×5.24 ×0.00286)= 5×exp(-47.71×5.24×0.00286)/ exp(-264.2×5.24 ×0.00286)=5×exp（3.24）=128
答：滤波后的强度比为128：1。
19. 计算0.071 nm（MoKα）和0.154 nm（CuKα）的X射线的振动频率和能量。
解：对于某物质X射线的振动频率??C?；能量W=h??
8 其中：C为X射线的速度 2.998?10m/s;
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