《影像物理学》课程教学资源（PPT课件）第二章 X射线与物质的相互作用

第二章:X射线与物质的相互作用

第二章：X射线与物质的相互作用

1概述 1)X射线与物质相互作用的宏观效应 (波)相干散射、衍射,界面的反射、折射,衰减 (粒子)不相干散射,光电吸收及其二次效应 (荧光、俄歇电子), 电子对的产生物质的变化热效应改性辐射损伤 (结构变化) 2)微观本质:X射线与物质中电子的相互作用 3)理论处理方法:经典电磁理论,量子力学

1.概述 1)X射线与物质相互作用的宏观效应 （波） 相干散射、衍射，界面的反射、折射，衰减 （粒子）不相干散射，光电吸收及其二次效应 （荧光、俄歇电子）， 电子对的产生物质的变化热效应 改性 辐射损伤 （结构变化） 2)微观本质 ：X射线与物质中电子的相互作用 3)理论处理方法：经典电磁理论，量子力学

2X射线的相干散射 相干散射(λ不变、远场光学)弹性散射 (不变) Raleigh散射 不相干散射(λ改变) 非弹性散射(改 变) Compton散射, Raman散射

2.X射线的相干散射 相干散射 （λ不变、远场光学） 弹性散射 （不变） Ryleigh散射 不相干散射（λ改变） 非弹性散射 （改 变） Compton散射, Raman散射

1)自由电子的相干散射 电子在入射Ⅹ射线的交变电场作用下作受迫振 动,成为具有交变电矩的电偶极子。从这电偶 极子辐射出来的次级辐射,即是散射X射线。 由于电子受迫振动的频率与入射波的振动频率 致(不考虑阻尼),故散射波的频率与入射 波一致,也即散射波的波长与入射波相同。因 此,对入射X射线(原级)来说,这种散射只 是改变方向而波长不变的一种次级辐射

1)自由电子的相干散射 电子在入射X射线的交变电场作用下作受迫振 动，成为具有交变电矩的电偶极子。从这电偶 极子辐射出来的次级辐射，即是散射X射线。 由于电子受迫振动的频率与入射波的振动频率 一致（不考虑阻尼），故散射波的频率与入射 波一致，也即散射波的波长与入射波相同。因 此，对入射X射线（原级）来说，这种散射只 是改变方向而波长不变的一种次级辐射

由电动力学,一个电子作加速运动时,电磁辐射为 e E(R,1)= 4IE cR ) 式中n为辐射方向,R为观察点与电子之间的距 离,t R

由电动力学，一个电子作加速运动时，电磁辐射为 式中 为辐射方向，R为观察点与电子之间的距 离， 2 0 ( , ) ( ( )) 4 e e E R t n n a t  c R − = −    n R t t c  = −

(1)入射X射线为线偏振光 令电场为Ee",则a)=2Eem,设a为与 的来角,则 e-E R Eo(R,t) sIn ae 4T8c Rm

(1)入射 X射线为线偏振光 令电场为 ，则 ，设 α 为 与 的夹角，则 0 iwt E e− 0 ( ) eE iwt a t e m − = − E0 n 2 ( ) 0 0 2 0 ( , ) sin 4 R iw t c e E E R t e c Rm   − − = −

式中负号表示在入射波前进方向上,散射波与入 射波位相差,散射波的强度为 2 sin a I sina 16丌2En2cRm R r为电子经典半径,"=28×0°m

式中负号表示在入射波前进方向上，散射波与入 射波位相差，散射波的强度为 为电子经典半径， 2 4 2 2 2 0 0 2 2 4 2 2 0 sin sin 16 e e e r I I I c R m R     = = e r 15 2.8 10 e r m − = 

0z PX PZ 8-P Y E OX 图6单个电子的X射线相干散射

图6 单个电子的X射线相干散射

(2)入射波为非偏振情况 令入射方向为OY,P为观察点,散射方向m(OP)与 O确定的平面为散射面YOZ令散射方向与入射方 向夹角为0。 可将任一偏振方向的E的入射波,分解 为E、E,E=E1Cs(,En= Eo sin p

(2)入射波为非偏振情况 令入射方向为 ，P为观察点，散射方向 与 确定的平面为散射面 ,令散射方向与入射方 向夹角为θ。 可将任一偏振方向的 的入射波，分解 为 、 ， ， OY n OP ( ) OY YOZ E0 E ox E oz 0 cos E E ox =  0 sin E E oz = 

分别计算它们的散射波电场Em、b,然后矢量 相加求出散射波总的电场及相散射强度。计算 可得散射波强度为 he=n2(coso+sin cos O)lo(2. 4)

分别计算它们的散射波电场 、 ，然后矢量 相加求出散射波总的电场及相散射强度。计算 可得散射波强度为 （2.4） E px E pz 2 0 2 2 2 2 0 (cos sin cos ) e r I I R = +   