材料分析方法-第一章-X射线物理学原理.ppt

1,第一章 X射线物理学原理,The Nobel Prize in Physics 1901,Wilhelm Conrad Roentgen Germany Munich University Munich, Germany 1845 - 1923,威廉.康拉德.伦琴,伦琴,1845年3月27日生于德国莱茵省勒奈普市。 1865年 迁居瑞士苏黎，伦琴进入苏黎世联邦工业大学机械工程系。 1869年在苏黎世大学获哲学博士学位，并留校任教。 1872年1879年先后在斯特拉斯堡大学，霍恩海姆农学院、吉森大学等校任教。 1888年起任维尔茨堡大学教授及物理所所长，后任校长。 1896年成为柏林和慕尼黑科学院通讯院士， 19001920年任慕尼黑物理所所长， 1923年2月10日逝世。,一、X射线的发现,1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究真空管的高压放电时，偶然发现镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。经仔细分析，认为这是真空管中发出的一种射线引起的。由于当时对这种射线不了解，故称之为X射线。后来也称伦琴射线。,伦琴发现，不同物质对X射线的穿透能力是不同的。他用X射线拍了一张其夫人手的照片。很快，X射线发现仅半年时间就在医学上得到了应用。,1896年，伦琴将他的发现和初步的研究结果发表在英国的Nature杂志上。 1910年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。,二、X射线的产生,X射线产生原理：高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中99%的能量转换为热量，而1%的能量转换为X射线。,X射线管,二、X射线的产生,X射线产生的基本条件 产生自由电子 加热钨丝产生热电子 使电子作定向的高速运动 施加在阳极和阴极（钨丝）间的电压 在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止 真空 把阴极和阳极密封在真空度高于10-3Pa 的真空中，保持两极洁净并使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。,X射线产生装置,接变压器,玻璃,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,40KV高压,X射线的产生过程演示,钨灯丝,三、X射线的本质,X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已，用肉眼不能观察到。 X射线的波长比可见光短得多，介于紫外线与射线之间，约为0.0110nm的范围。,X射线的本质,硬X射线：0.05-0.25nm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，晶体结构分析。 软X射线：1-10nm波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析，医学。,X射线的本质,布喇格 W.L.,对X射线本质的争论：粒子流？电磁波？ 认为X射线是物质粒子流的科学家中有W. H. 布拉格。 他的儿子W. L. 布拉格 则对X射线的波动性进行的研究，并给出了著名的布拉格方程。,X射线本质的揭示,物理,依托学科,究基地,对X射线波动性最完美的研究是德国物理学家劳厄（Laue）。 1912年，劳厄是德国慕尼黑大学非正式聘请的教授。一天著名物理学家索末菲的一名研究生厄瓦耳向他请教关于光在晶体中散射的数学分析问题。在讨论中劳厄想到了一个问题，就问厄瓦耳，如波长比晶体中原子的间距比小，会发生什么情形？厄瓦耳说，他的公式应当包括这种情形，并将公式抄了一份给劳厄。讨论时，劳厄若有所思,X射线本质的揭示,物理,依托学科,究基地,爱因期坦称，劳厄的实验“ 物理学最美的实验”。它一箭双雕地解决了X射线的波动性和晶体的结构的周期性。,1912年，德国物理学劳厄等人利用晶体光栅观察到X射线的衍射现象，证实X射线的本质是电磁波,X射线的本质,劳厄在实验中用晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。 X射线的本质为电磁波，其磁场分量在与物质相互作用中效应很弱，所以只考虑电场分量A。一束沿y方向传播的波长为的X射线波方程表示为：,波动性,特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量. 表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；二次电子等. X射线的频率、波长以及其光子的能量、动量p之间存在如下关系：,粒子性,X射线的本质,式中h普朗克常数，等于6.62510-34J.s cX射线的速度，等于2.998108m/s.,波长短，粒子性表现突出,课堂习题,试计算波长0.71 （Mo-K）的X射线束，其频率和每个量子的能量。,课堂习题,试计算波长0.71 （Mo-K）的X射线束，其频率和每个量子的能量。,Mo靶X射线:,四、X射线谱,X射线管,X射线谱,X射线谱指的是X射线的强度随波长变化的关系曲线。X射线强度大小由单位面积上的光量子数决定。,X射线谱的类型,由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型： (1)连续（白色）X射线谱 (2)特征（标识）X射线谱,X射线谱,连续谱,连续谱随管电流、管电压、阳极靶的原子序数的变化关系,连续谱产生的机理,能量为eV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hv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很多的，绝大多数电子要经历多次碰撞，逐渐地损耗自身的能力，即产生多次辐射，由于多次辐射中光子的能量不同，因此出现连续X射线谱。,连续谱的产生,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,连续X射线产生过程,电子冲击阳极靶,X射线射出,短波限,连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0（ SWL ）。它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。 相互关系为：,或者,式中 e 电子电荷，等于 （库仑） V管电压 h普朗克常数，等于,短波限,将所有常数代入上式，可得： 上式计算结果单位为（1nm=10 ) 上式表明：短波限只与管电压有关,课堂习题,试计算用50千伏操作时，X射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的X射线短波限为多少？,连续X射线谱的强度,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。常用的单位是J/cms2。即X射线的强度（I）是由光量子的能量（h）及它的数目（n） 决定，I= n h。 实验表明，连续X射线谱中最大强度Imax 对应的波长 max 1.5 0,连续X射线谱的强度,连续X射线谱的总强度（X光管发射出的X射线的总能量）即测得的谱线与横坐标围起来的面积，写成积分的形式为：,式中：K1和m都是常数，m 2， K1 1.11.410-9；Z为阳极靶材料的原子序数。,X射线管的效率,X射线管的效率定义为：,例如，当采用钨靶（Z=74），管电压为100KV时，X射线管的效率1%。这是由于在X射线管中，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射线。所以X射线管工作时必须有良好的循环水冷却，以防止阳极靶熔化。,特征X射线谱,对钼靶X射线管，保持管电流（i）不变，逐渐增加管电压（V），记录不同管电压下X射线强度（I）随波长（）的变化规律。 实验结果特征： （1）V20KV，在连续X射线谱上某几个波长一定的位置的强度突然明显增大： K辐射=0.63， K辐射=0.71。 （3）出现标识谱线后，增加管电压只增加标识谱线的强度，不改变标识谱线的波长。,特征X射线谱的产生机理,标识X射线谱的产生机理与阳极物质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。,特征X射线谱的产生机理,K系激发机理 K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生K辐射；M层电子填充空位时产生K辐射,特征X射线谱的产生机理,K辐射可细分为 K1(=0.70926)及K2(=0.71354)两条谱线， K1与K2的强度比为2:1。,辐射机理,由能级可知K辐射的光子能量大于K的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率大，所以K的强度约为K的5倍 产生K系激发必须阴极电子的能量eVk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk就是激发电压即产生特征谱线的临界电压。,莫赛来定律,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。标识X射线谱的波长与原子序数Z存在如下关系,C，为常数,特征谱的强度,K系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为 当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压的3-5倍时，连续谱造成的衍射背影最小 不同的阳极材料使用的适宜工作电压不同,在X射线多晶体衍射工作中主要利用K系辐射。X射线谱的连续谱部分只能增加衍射花样的背景。,五、X射线与物质的相互作用,X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分 一部分被吸收 一部分被散射 一部分透过物质继续沿原来的方向传播,X射线的衰减,当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。,X射线的衰减规律,X射线衰减的程度与所经过物质中的距离成正比,负号表示dIx与dx符号相反,为常数，称为线性吸收系数,X射线的衰减规律,质量吸收系数,l的物理意义为X射线通过单位体积物质时强度的相对衰减量。 对于同一物质，线吸收系数正比于它的密度。,引入质量吸收系数m， m= l /,质量吸收系数,m= l /,m= t，为单位面积厚度为t 的体积中的物质的质量。,m的物理意义：密度为的单位物质单位面积上所引起的强度的相对衰减量。是反映物质本质的吸收特性的物理量。,复杂化合物的质量吸收系数,如果吸收体是多元素的化合物、固溶体或混合物，其质量吸收系数取决于个组元的质量吸收系数mi 和各组元的质量分数wi,经验公式,Z为吸收物质的原子序数，l为X射线的波长，K为常数,例题,化合物CaSiO3中，含Ca34.5%，含Si24.1%，含O41.4%，该化合物的密度是2.72g/cm3，用CuK射线照射样品，求此物质线吸收系数？ 已知: m（Ca）=162cm2/g, m（Si）=60.6cm2/g，m（O）=11.5cm2/g；,例题解答,解： m （CaSiO3 ，CuK） = mCaWCa+ mSiWSi+ mOWO =16234.5%60.624.1%11.541.4% 75.25cm2/g； l（CaSiO3 ，CuK）= m =75.252.72 =205cm-1,吸收谱,每种物质都有本身确定的吸收限。 带有特征吸收限的吸收系数曲线称为该物质的吸收谱。 吸收限对应的光子能量等于或者略大于原子某壳层电子的结合能。,光电效应荧光辐射,当一个具有足够能量的X射线光子碰撞到物质的原子时，也可以击出原子内层(如K层)的电子而产生电子空位，且高能级的电子填充该空位发生电子跃迁时，同样会产生辐射，即产生特征X射线。,光电效应,这种以X射线光子激发物质原子所发生的激发和辐射的过程称为光电效应。被击出的电子被称为X射线光电子，所辐射的特征X射线称为次级（或二次）X射线，或称为荧光X射线。,光电效应,俄歇效应,原子在入射X射线光子或电子的作用下失掉K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位时，放出EL-EK能量，产生两种效应： (1) 荧光X射线； (2) 产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子俄歇电子。,俄歇效应,俄歇电子的能量与激发源（光子或电子）的能量无关，只取决于物质原子的能级结构，每种元素都有自己的特征俄歇电子能谱。故可利用俄歇电子能谱做元素的成分分析。,X射线的真吸收,吸收限的应用滤波片,K的强度约为K的5倍 为了简化谱线，避免干扰，通常用滤波片把K线过滤掉，只留下K线。,滤波片的选择,(1)它的吸收限位于辐射源的K和K 之间，且尽量靠近K 。强烈吸收K，K 吸收很小； (2)滤波片将K强度降低一半最佳。 Z靶40时 Z滤片=Z靶-2,常用的滤波片,X射线的散射,X射线被物质散射时，传播方向发生偏离，产生两种现象 相干散射与原波长相同 非相干散射改变波长,相干散射,物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。由于散射线与入射线的频率和波长一致，位相固定，在相同的方向上各个散射波符合干涉条件，因此称为相干散射。,电子将入射X射线向其四周散射；或者说入射波将自身的能量传给电子，而电子又将该能量转化为与入射波长相同的散射X射线。,电子将入射X射线向其四周散射；或者说入射波将自身的能量传给电子，而电子又将该能量转化为与入射波长相同的散射X射线。,相干散射强度,由一个电子散射到相距R的P点的散射波强度只是入射波的强度的极小一部分。 散射因数 散射强度与距离的平方成反比。 各个方向上散射强度不同。