X射线的产生及其物理作用.ppt

第一章 X射线衍射分析 v材料研究方法的研究对象是材料的组织、 成分及结构； v采用的手段及方法是基于检测对象对电磁 波及特征射线的反应； v基础是材料的结构及电磁辐射。 n1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现X射线，至今因应用X 射线研究取得成果而获诺贝尔奖的高达22个之多，其中物理奖6个，化 学奖12个，生物医学奖4个。 p19081911年，巴克拉发现物质被X射线照射时会产生次级X射线。次 级X射线除与初级X射线有关，还与被照射物质组成的元素有关。 p1912年，劳厄等提出X射线是电磁波的假设，并推测波长与晶面间距相 近的X射线通过晶体时，必定会发生衍射现象，该假设被弗里德利希 (W. Friedrich)实验证实X射线衍射学 。 p英国物理学家布拉格(Bragg)父子提出了X射线“选择反射”的观点， 导出了著名的布拉格方程。1913年据此制作出了X射线分光计； p1914年，莫塞莱实验发现不同材料同名特征谱线的波长与原子序数间 存在定量对应关系，提出了著名的莫塞莱定律，诞生了材料物相快速 无损检测分析方法x射线光谱学。 伟大的发现 一、电磁辐射基础 二、X射线谱 三、X射线与物质的相互作用 四、X射线的探测与防护 第一节 X射线的产生及其物理作用 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 1.1.原子的组成原子的组成 原子原子 (Atom) 原子核+核外电子 电子电子 波-粒二象性 轨道非固定，几率最大的 分布构成电子云层，近似 认为核外电子在各自的轨 道(称原子轨道)上运动并 用“电子(壳)层”形象化描 述电子的分布状况 2.2.电子运动状态电子运动状态 （1）每一运动状态具有确 定的能量，不同状态能 量数值不同，变化呈不 连续（量子化）。 能级图：能级图：把不同的能量 数值（按一定比例）用 一定高度的水平线代表， 并将其按大小顺序排列 （由下至上能量增大） 而构成的梯级图形。 一般最底层值为0。 （2）为清晰准确清晰准确表征核外电子的运动（能量）状态，提 出五个参量：主量子数主量子数n n、角量子数、角量子数l l、磁量子数、磁量子数m m、自旋量子数、自旋量子数s s及 自旋磁量子数自旋磁量子数m m s s ，5量子数也相应表征了电子的能量状态(能级)。 原原 子子 中中 的的 电电 子子 能能 级级 示示 意意 图图 2.2.电子运动状态电子运动状态 量 子 数 原子轨道 电子（壳） 层 电子能级 n 电子离 核的平 均距离 原子轨道 离核的平 均距离， n越大距 离越远 电子层离核的 平均距离，n相 同的电子分布 在同一亚层 电子主能级，n越 大能级越高 l 电子轨 道运动 角动量 大小 原子轨 道形状 电子亚层（电子 支壳层），同一 电子层对应于l的 n个取值分为n个 亚层 亚能级，同一主能 级对应l取值分为n 个亚能级j越大， 亚能级越高 m 轨道角动 量在外磁 场方向分 量的大小 原子轨道 在空间的 伸展方向 电子亚层含有不 同伸展方向的轨 道数 亚能级的分裂，当有 外磁场存在时，同一 亚能级对应于m的取 值分裂为2l1个间 隔更小的能级 表1. n、l、m对核外电子状态的表征意义 2.2.电子运动状态电子运动状态 3. 3. 原子的激发原子的激发 (1)1)基态：基态：原子核外电子按照能量最低原理、泡利不相容原理、洪特 规则，分布于各能级上，处于能量最低状态，称为基态。（参见无 机化学） 泡利不相容原理：泡利不相容原理： 原子中每个电子必须有独自一组四个量子数， 一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子； 能量最低原则能量最低原则：电子总是按能量最低的状态分布。 洪特规则：洪特规则：由原子光谱的事实总结出的多条规则。其基本原则是： 基态多电子原子的电子总是首先自旋平行地、单独地填入简并轨道 。 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 (2)激发态、激发 原子由基态转变为高能态（激发态）的过程。激发条件： ：较高能级是空的或未填满，由泡利不相容原理决定 ：吸收能量等于两能级能量差。 愈接近原子核，电子能级愈低，电子愈稳定； 愈远离， 愈高， 不稳定。 电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道高能级轨道（吸收能量） 各层的轨道数为n2 电子层电子亚层（s.p.d.f.g） 不同轨道 s亚层 1个轨道 p亚层 3个，px,py,pz d亚层5个， dxy,dyz,dzx,dz2,dx2-y2 f亚层 7个， g亚层 9个 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 （3）激发能电子激发前后所处能级（能量）之差。不稳 定，存在1081010s后返回基态。 （4）电子（能级）跃迁原子中电子受激向高能级跃迁或 由高向低能级的跃迁。分为： 辐射跃迁多余能量以电磁辐射形式放出； 无辐射跃迁多余能量转化为内能。 （5）电离能使原子中电子脱离原子核束缚的能量（eV） 分为一次电离、二次电离等。 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 4 4辐射的吸收与发射辐射的吸收与发射 电磁波通过某物质时，从能量角度说分为：部分被散射， 部分被吸收，部分被透过。 （1 1）辐射的吸收）辐射的吸收 实质实质：吸收辐射光子能量发生粒子的能级 跃迁， h=E=E2E1 不同物质因能级跃迁类型不同不同物质因能级跃迁类型不同对辐射的吸收不同对辐射的吸收不同能级跃迁能级跃迁 不同不同辐射被被吸收程度对或的分布吸收光谱不同吸收光谱不同 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 热能 透射I0 散射X射线 荧光X射线（能级差），产生光电效应， X射线波长必须小于吸收限k。 能级差为周围某壳层上电子吸收受激逸 出成为二次电子俄歇电子 吸收X 光子 失去内 层电子 外层电子 填充放能 能级 跃 迁 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 （2 2）辐射的发射）辐射的发射 物质吸收能量后产生电磁辐射的现象，实质是辐射跃迁。 物质粒子发射辐射的强度对或的分布称为发射光谱发射光谱，光致 发光粒子则称为荧（磷）光光谱荧（磷）光光谱。不同物质具有特定的特征发射光 谱；荧光吸收一次光子与发射二次光子的时间短（108104）， 而磷光的时间长，在10410s间。 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 （3 3）光谱的分类）光谱的分类 吸收、发射、散射（拉曼散射谱）。 吸收与发射光谱按发生作用的物质微粒不同，可分为原子光谱 与分子光谱。 由于物质微粒能级跃迁的类型不同能级差不同吸收与发射 光谱波长范围不同红外、紫外、可见光、X射线谱 按强度对波长的分布分为： 故除单晶衍射外，尽量扣除连续谱，以减轻对分析的干扰。故除单晶衍射外，尽量扣除连续谱，以减轻对分析的干扰。 一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础 1 1X X射线的产生原理射线的产生原理 阴极发射并在管电压作用下高速运动电子与物质碰 撞产生（1能量），其余99转为热能。 2 2X X射线产生条件射线产生条件 1）产生自由电子 2）使电子做定向高速运动 3）运动路径设置使其突然减速的障碍物 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 3 3X X射线管射线管 相当于一个真空度为105107mmHg的大真空二极管 （1 1）基本组成）基本组成 1 1）阴极）阴极：W丝制成，发射热电子。 2 2）阳极）阳极：亦称靶使电子突然减速，发射X射线。 常用靶材：Cr、Co、Ni、Cu、Ag、W等 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 3 3）窗口）窗口X射线从阳极向外射出区，铍制，高真空，对X 射线吸收小。 4 4）焦点）焦点阳极靶被电子轰击发射出X射线处。 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 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 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 （2 2）分类）分类 1）细聚焦X射线管 2）旋转阳极X射线管 按灯丝： 1）密封式灯丝管 2）可折式灯丝X射线管 4 4X X射线分类射线分类（0.010.01100100 ） （1 1）硬）硬X X射线射线波长较短，能量较 高，穿透力强，用于无损探伤（0.05 1 ）及金属的物相分析（0.5 2.5 ）。 （2 2）软）软X X射线射线（10100）：穿透力 弱，主要用于医学。 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 5 5X X射线谱射线谱 指X射线强度随波长变化的关系曲线，分为： （1 1）连续）连续X X射线谱射线谱 1）定义：具有连续波长， 亦称多色X射线。为高速运动 的电子被靶突然阻止而产生， 绝大多数电子经历多次碰撞， 产生能量各不相同的辐射， 形成连续谱。 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 K K态（击走态（击走K K电子电子 ） L L态（击走态（击走L L电子）电子） MM态（击走态（击走MM电子）电子） N N态（击走态（击走N N电子）电子） 击走价电子击走价电子 中性原子中性原子 WkWk WlWl WmWm WnWn 0 原原 子子 的的 能能 量量 连续连续X X射线产生过程射线产生过程 电子冲击阳级靶电子冲击阳级靶 X X射线射出射线射出 演示过程演示过程 （ 回车键） 2 2）短波限）短波限 连续波在短波方向上有一波长极限短波限短波限（0），是指光子 一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。只与管电压有关只与管电压有关。 eU=hmax=hc/0 0=hc/eU=1.24/v(nm) e电子电荷，等于1.61019 C； U电子通过两极时的电压降； h普朗克常数，等于6.6261034 Js 实际必有部分电子能消耗于阳极靶的激发，且一个电子能量也可实际必有部分电子能消耗于阳极靶的激发，且一个电子能量也可 能转化为能转化为n n个光子或分次转化，故实际个光子或分次转化，故实际 0 0 , ,即即1.24/v1.24/v且连续分布且连续分布 。 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 3 3）X X射线强度射线强度 指垂直于X射线传播方向的单位面积在单位时间内所通过的光 子数目的能量总和。用I表示，单位 J/cm2.s 。 I由光子能量h及其数目n共同决定: Inh Imax在1.50处，此时波长记为m。 连续X射线谱中每条曲线下的面积 表示连续X射线的总强度，也是阳极 靶射出X射线的总能量： I连iZUm i电流；U电压；m2； Z原子序数；（1.11.4）10-9 阳极靶只能影响连续谱的强度，阳极靶只能影响连续谱的强度， 不能影响其波长分布。不能影响其波长分布。 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 4 4）连续）连续X X射线的效率射线的效率（射线管效率） nI连/功率iiZU2/iViZU i（1.11.4）10-9 可见效率低，多发热，故要用高熔点金属做阳极且水冷。 小结（连续小结（连续X X射线谱）射线谱）： a、同一阳极靶，管电压U不变，提高管电流I，各波长射线的强度I 提高，但0和m不变； b、提高管电压（i、Z不变），各波长射线的I增大，但短波限0 和强度最大时对应的m减小； c、U与i相同时，原子序数Z越高，连续谱的I越大，但0和m不变。 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 (2)(2)特征（标识）特征（标识）X X射线射线 1 1）定义）定义：在连续谱基础上 叠加若干条具有一定波长的 谱线，这些谱线强度峰的波 长反应了物质原子序数的特 征，所以叫特征特征X X射线射线；由 特征射线组成的谱线叫特征特征 X X射线谱射线谱。 激发电压激发电压：产生特征X射线 的最低电压UK临界电压。 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 2 2）特征）特征： 电压达到V临界时，特征谱 线的不变，强度按n次方的 规律增大。即：波长反映了波长反映了 原子序数的特征。原子序数的特征。如: 钼靶K系特征X射线有两个强度高 峰K和K，波长分为0.71和 0.63. I特征Ki（U-U临界）n n=1.52 I I特 特/I /I连 连在 在U/UU/U临界 临界 3 35 5 时最大。时最大。 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 3 3）机理：能级跃迁）机理：能级跃迁 如：K层电子被击出 时，系统能量由基态 升高到K激发态，高 能层电子向K层空位 填充时，产生K系辐 射；把其中L层电子 填充空位称为K辐射 M层电子填充空位产 生K辐射。 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 K态（击走K电子） L态（击走L电子） M态（击走M电子） N态（击走N电子） 击走价电子 中性原子 Wk Wl Wm Wn 0 原 子 的 能 量 标识标识X X射线产生过程射线产生过程 K K激发激发 L L激发激发 KaKa辐射辐射 K K辐射辐射 L L辐射辐射 过程演示过程演示 （任意键） 由能级知K辐射光子能量大于K光子，但因K层与L层为相邻能 级，L填充几率大，故实际实际K K 强度约为 强度约为K K 强度的 强度的5 5倍倍。 同理，L层电子被激发而产生的特征X射线称为L L系辐射系辐射或L系 射线，L层内不同亚能级电子向K层跃迁所发射的K1和K2的关系是 K1 K1 K2 K2， ， I IK1 K12I 2IK2 K2 对于多重线系，如L2及L3层电子向K层跃迁，形成的K有如下 关系 K K 2/32/3K1 K1+1/3 +1/3K2 K2 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 4 4）莫塞莱定律）莫塞莱定律 标识X射线谱的频率和波长只取 决于阳极靶物质的原子能级结构， 是物质的固有特性。 莫塞莱定律莫塞莱定律：标识X射线谱的波长与原子序数Z的关 系为： C及为与线系有关的常数。 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 5 5）X X射线管工作电压的选择射线管工作电压的选择 在多晶材料的衍射分析中，总是希望应用以特征谱为主的单 色光源，即I特I连尽可能高。为了使K系谱线突出，x射线管 适宜的工作电压一般比K系激发电 压高35倍，即：V工作=（3 5）V临界（即VK）；下表给出常用x射线管的适宜工作电压及特 征谱波长等数据。 6 6）标识谱的强度）标识谱的强度(I(I特 特) )随管电压 随管电压(V)(V)和管电流和管电流i i的提高而增大的提高而增大 其关系的实验公式为： I特Ki（V工作Vn）m K常数 m常数，K系m1.5，L系m2 Vn标识谱的激发电压，对K系，VnVK 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 二、二、X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 X射线与物质发生相互作用后，内容和过程复杂，然就 其能量转换而言，一束X光通过物质时，分为三部分：散射 、吸收、透过。 俄歇电子 热能 透射X射线衰减后的强度 I0 散射X射线 电子 荧光X射线 相干的 非相干 的 反冲电子 光电子 康普顿效应 俄歇效应 光电效应 三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 1 1X X射线的散射射线的散射 X射线被物质散射时，产生相干散射和非相干散射。 （1 1）相干散射）相干散射：物质中电子在X射线作用下振动，产生的新电磁波 波长和频率相同，位相差恒定，产生干涉现象，发生相干散射。 （2 2）非相干散射特征）非相干散射特征： X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子发生非弹 性碰撞使波长增大； 电子获得能量成为反冲电子； 位向差不恒定，无干涉发生。 三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 2 2X X射线的吸收射线的吸收 X射线通过物质时发生能量损失，吸收的能量引发物质中原 子内部的电子跃迁，发生X射线的光电效应光电效应和俄歇效应俄歇效应。 （1 1）二次特征辐射）二次特征辐射 当入射x射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层电子时，产 生光电效应形成二次特征辐射。与此能量阈值相应的波长称为物质 的吸收限吸收限, 亦称为K系特征辐射的激发限 激发限，用 K K 代表。 产生光电效应的条件：产生光电效应的条件：X射线光子波长必须小于吸收限吸收限kk。 辐射条件：激发限K1.24/VK （nm） VK把原子中K壳层电子击出原轨道所需要的最小激发电压； 三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 K在讨论光电效应产生的条件时叫做K K系激发限系激发限；若讨论x射线被 物质吸收(光电吸收)时，又可把K叫吸收限吸收限。 推倒推倒: : 为产生K系荧光辐射，入射光子的能量h必须大于或等于K层 电子的逸出功WK，即hhc/eVK hc/eVK=1.24/VK=K 说明说明：当入射x射线波长刚好小于等于K时，可发生此种物质对波 长为k的X射线的强烈吸收，而且正好在K124VK时吸收最 为严重，形成所谓的吸收边，此时荧光散射也最严重。 三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 吸收限的应用：吸收限的应用： 可利用K = 1.24/VK计算激发电压计算激发电压 滤波片的选择 a、使滤片吸收限位于辐射源的K和K间尽量靠近K，强烈吸收K ； b、因滤片厚对K吸收增大，K强度减小到一半时，K/K将由滤前 1/51/500,故尽量将K吸收一半； c、实验确定：Z靶40时，Z片Z靶1 Z靶40时，Z片Z靶2 三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 阳极靶的选择：阳极靶波长稍大于试样的K吸收限，Z靶Z试样1 此时：入射X射线不在试样上产生荧光X射线，吸收又最小，减轻衍 射花样的背底强度。 三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 （2 2）X X射线的吸收射线的吸收 X射线透过物质时，因散射和吸收作用，透射方向强度必定减弱。 1 1）朗伯定律）朗伯