第四课 X射线物理学.pdf

X射线衍射晶体学X射线衍射晶体学 曹永革曹永革袁轩袁轩一一曹永革曹永革 袁轩袁轩 010 62513093010 62513093 d dcaoyonggecaoyongge ruc eruc ed X射线物理学射线物理学射线物理学射线物理学 第第2 2章章X X光的基本性质光的基本性质2 2学时学时第第2 2章章X X光的基本性质光的基本性质2 2学时学时 X光的产生 X光的本质和X光谱 X光的探测X光的产生 X光的本质和X光谱 X光的探测 与防护与防护X X射连续线谱的存在短谱极限理论射连续线谱的存在短谱极限理论质质与防护与防护 X X射连续线谱的存在短谱极限理论射连续线谱的存在短谱极限理论 质质 量吸收系数等 量吸收系数等 第3章X光的散射与干涉1学时第3章X光的散射与干涉1学时 X光与物质的作用自由电子的散射自由电子的散射讲解讲解X光与物质的作用 自由电子的散射自由电子的散射 讲解讲解 原子的散射 理解X光的散射与干涉原理及吸收原子的散射 理解X光的散射与干涉原理及吸收 过程过程过程过程 Page 2X射线物理学第二章第三章 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 Page 3第二章 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 Page 4第二章 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 Page 5第二章 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 Page 6第二章 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 Page 7第二章 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 X rayselectrons 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 2 2 X射线的产生 2 2 X射线的产生 X X射线管射线管一 一 X X射线管射线管 Page 12第二章 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 Page 14第二章 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 Page 15第二章 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 Page 16第二章 第二章 X射线的基本性质第二章 X射线的基本性质 2 3 X射线谱 2 3 X射线谱 所谓所谓 射线谱射线谱就是就是 射线强度随波长射线强度随波长变化的关系曲线变化的关系曲线所谓所谓X X射线谱射线谱 就是就是X X射线强度随波长射线强度随波长 变化的关系曲线变化的关系曲线 1 i 一定 v1 i 一定 v增加 I 增加 0 称增加 I 增加 0 称 为短波限为短波限 m 减小 m 减小 2 2 v v 一定 一定 I I 增加 I增加 I 增加 增加 但但不变不变但但 0 0 m m不变不变 3 3 i i v v 一定 z 靶的 原子序数 增 一定 z 靶的 原子序数 增 加加I I 增加增加加加 I I 增加增加 但 但 0 0 m 不变 m 不变 Page 17第二章 波长为波长为 的光子能量高的光子能量高但具有波长但具有波长 的光子的数目多的光子的数目多波长为波长为 0的光子能量高的光子能量高 但具有波长但具有波长 m的光子的数目多的光子的数目多 m 1 5 0 如果使用一只钼靶X射线管 当保持管电 流不变 而改变管电压 当管电压达 如果使用一只钼靶X射线管 当保持管电 流不变 而改变管电压 当管电压达 到到20 120 1千伏时千伏时在连续谱上出现波长在连续谱上出现波长到到2020 1 1千伏时千伏时 在连续谱上出现波长在连续谱上出现波长 恒定的谱线 这些谱线的波长只与靶 材料有关 恒定的谱线 这些谱线的波长只与靶 材料有关 特征谱的波长是原子的特征标志 而与这原特征谱的波长是原子的特征标志 而与这原 子所在物质是处在何种物理和化学状态无关子所在物质是处在何种物理和化学状态无关子所在物质是处在何种物理和化学状态无关子所在物质是处在何种物理和化学状态无关 2 一般情况下只有K系谱线用于衍射实验 2 一般情况下只有K系谱线用于衍射实验 K系中也包括好几条谱线 在衍射实验中观察到的 有 在一般情 K系中也包括好几条谱线 在衍射实验中观察到的 有 在一般情 1 k 2 k k 1 k 2 k 况下不能分开 统称为 且况下不能分开 统称为 且 1 1 k 2 1 21 2 3 kkk 3 激发靶材产生特征谱的最低电压称为3 激发靶材产生特征谱的最低电压称为激发电压激发电压 每一系列谱线的产生 每一系列谱线的产生 需要需要一一定的激发电压定的激发电压分别表示为分别表示为V VK KV VL LV VM M需要定的激发电压需要定的激发电压 分别表示为分别表示为V VK K V VL L V VM M 材料的原子序数越大 对于同一谱系 所需激发电压越高 材料的原子序数越大 对于同一谱系 所需激发电压越高 第三章 X光的散射 干涉与吸收第三章光的散射 干涉与吸收 3 1 X射线与物质的作用 3 1 X射线与物质的作用 Page 24第二章 一 X射X射线线的散射的散射线线 当X射线光子与物质中的原子相遇时 改变了原当X射线光子与物质中的原子相遇时 改变了原 来的传播方向来的传播方向在原来传播方向上的强度减弱的在原来传播方向上的强度减弱的来的传播方向来的传播方向 在原来传播方向上的强度减弱的在原来传播方向上的强度减弱的 现象称为现象称为散射散射 相干散射相干散射1 1 相干散射相干散射 按电磁波理论 物质中的内层电子 由于被原按电磁波理论 物质中的内层电子 由于被原 子核束缚得较紧 在X射线的作用下 只能在平衡 位置附近作受迫振动 这些受迫振动的电子便成 子核束缚得较紧 在X射线的作用下 只能在平衡 位置附近作受迫振动 这些受迫振动的电子便成 为新的电磁波源 向空间各个方向辐射出与入射 线相同频率的电磁波 这些新的电磁波之间可以 为新的电磁波源 向空间各个方向辐射出与入射 线相同频率的电磁波 这些新的电磁波之间可以 产生相互干涉作用 所以把这种散射称为产生相互干涉作用 所以把这种散射称为相干散 射 相干散 射 按量子理论 如果入射线光子与原子中位于内按量子理论 如果入射线光子与原子中位于内 的被缚得较的电相碰撞时的被缚得较的电相碰撞时能能层层的被的被束束缚得较缚得较紧紧的电的电子子相碰撞时相碰撞时 由于光子由于光子能能 量较小 还不足以使电子脱离该电子壳层 仅与量较小 还不足以使电子脱离该电子壳层 仅与 电子发生弹性碰撞电子发生弹性碰撞结果仅使光子的前进方向发结果仅使光子的前进方向发电子发生弹性碰撞电子发生弹性碰撞 结果仅使光子的前进方向发结果仅使光子的前进方向发 生了改变 而能量和频率均没有发生改变 生了改变 而能量和频率均没有发生改变 相干散射是相干散射是X X射线在晶体结构中产生衍射现象的射线在晶体结构中产生衍射现象的相干散射是相干散射是X X射线在晶体结构中产生衍射现象的射线在晶体结构中产生衍射现象的 基础 以后主要讨论这种散射基础 以后主要讨论这种散射 2 不相干散射 2 不相干散射 按照量子理论 当入射 X射线光子与物质原子中的 按照量子理论 当入射 X射线光子与物质原子中的 某些电子 例如外层电子 发生碰撞时 由于这些电子 某些电子 例如外层电子 发生碰撞时 由于这些电子 与原子核间的结合很松懈 可以近似地看成是自由电子 与原子核间的结合很松懈 可以近似地看成是自由电子 碰撞的结果 X射线光子将一部分能量传递给电子 碰撞的结果 X射线光子将一部分能量传递给电子 使电子脱离原子而成为反冲电子 同时光子本身也改变 了原来前进的方向 很显然 与入射线相比较 散射线 使电子脱离原子而成为反冲电子 同时光子本身也改变 了原来前进的方向 很显然 与入射线相比较 散射线 光子的能量必定有所减少 由于各个光子能量减小的程 度不相同 所以散射线的波长彼此不等 相互之间不会 光子的能量必定有所减少 由于各个光子能量减小的程 度不相同 所以散射线的波长彼此不等 相互之间不会 发生干涉 故称为发生干涉 故称为不相干散射不相干散射 不相干散射分布在各个方向不相干散射分布在各个方向上上 强度强度一一般很低般很低 它随它随不相干散射分布在各个方向不相干散射分布在各个方向 强度般很低强度般很低 它随它随 的增大而增大 它会使衍射图象背底发黑 对X射的增大而增大 它会使衍射图象背底发黑 对X射 线衍射工作是有害的线衍射工作是有害的但也是不可避免的但也是不可避免的 sin 线衍射工作是有害的线衍射工作是有害的 但也是不可避免的但也是不可避免的 对于轻元素 对于轻元素 由于它的原子对电子的束缚力较小由于它的原子对电子的束缚力较小 不不 相干散射现象特别显著 相干散射现象特别显著 二 X射线的吸收X射线的吸收 物质对X射线的吸收是指入射X射线通过物质时 物质对X射线的吸收是指入射X射线通过物质时 其一部分能量转变成其他形式的能量 导致透过其一部分能量转变成其他形式的能量 导致透过 物质的物质的X X射线的强度减弱的现象射线的强度减弱的现象它是由物质内部它是由物质内部物质的物质的X X射线的强度减弱的现象射线的强度减弱的现象 它是由物质内部它是由物质内部 的原子的电子跃迁所引起的 的原子的电子跃迁所引起的 在吸收过程中 发生光电效应和俄歇效应 X在吸收过程中 发生光电效应和俄歇效应 X 射线的部分能量转变为光电子 荧光X射线和俄歇射线的部分能量转变为光电子 荧光X射线和俄歇 电子的能量电子的能量电子的能量电子的能量 1 光电效应1 光电效应 当一个具有足够能量的光子从原子内部击出一个K当一个具有足够能量的光子从原子内部击出一个K 层层电子时电子时 同时会同时会发发生象电子激生象电子激发发原子时所原子时所发发生的生的层层 发发发发发发 激发和辐射过程 即产生特征X射线 把这种以光子 激发原子所产生的激发和辐射过程称为 激发和辐射过程 即产生特征X射线 把这种以光子 激发原子所产生的激发和辐射过程称为光电效应光电效应 被击出的电子称为被击出的电子称为光电子光电子 所辐射出来的X射线称为 所辐射出来的X射线称为 荧光X射线荧光X射线 二次特征X射线二次特征X射线 产生K系光电效应时 入射X射线光子的能量必须产生K系光电效应时 入射X射线光子的能量必须 大于至少等于为击出大于至少等于为击出一一个个K K层电子所作的功层电子所作的功 即即大于至少等于为击出个大于至少等于为击出个K K层电子所作的功层电子所作的功 即即 kk hc evW 把 把 k k称为K吸收限 因为只有当入射X射线的波长称为K吸收限 因为只有当入射X射线的波长 达到或小达到或小时时才能产生光电效应才能产生光电效应 k kk 达到或小达到或小于 于 k k时时 才能产生光电效应才能产生光电效应 2 俄歇效应2 俄歇效应 如果原子中的一个K层电子被X射线击出后 其处于如果原子中的一个K层电子被X射线击出后 其处于 激发状态激发状态L L层层一一个电子跃入个电子跃入K K层层填补空位填补空位此时多余此时多余激发状态激发状态 L L层个电子跃入层个电子跃入K K层层 填补空位填补空位 此时多余此时多余 的能量如果不是以辐射光子的形式放出 而是促使L层的能量如果不是以辐射光子的形式放出 而是促使L层 的另的另一一个电子跳到原子外部变成二次电子个电子跳到原子外部变成二次电子即即K K层的层的一一的另个电子跳到原子外部变成二次电子的另个电子跳到原子外部变成二次电子 即即K K层的层的 个空位被L层的两个空位所代替 这个过程称为个空位被L层的两个空位所代替 这个过程称为俄歇效俄歇效 应应从从L L层跳出来的二次电子被称为层跳出来的二次电子被称为KLLKLL俄歇电子俄歇电子应应 从从L L层跳出来的二次电子被称为层跳出来的二次电子被称为KLLKLL俄歇电子俄歇电子 KLL俄歇电子的能量与激发原子的能量无关 即与入 KLL俄歇电子的能量与激发原子的能量无关 即与入 射射X X射线的能量无关射线的能量无关它只取决于原子具有个它只取决于原子具有个K K层空位层空位射射X X射线的能量无关射线的能量无关 它只取决于原子具有它只取决于原子具有一一个个K K层空位层空位 的初始状态和L层具有两个空位的终结状态的能量之差的初始状态和L层具有两个空位的终结状态的能量之差 即只取决于原子的能级结构即只取决于原子的能级结构每种元素都具有自己的特每种元素都具有自己的特即只取决于原子的能级结构即只取决于原子的能级结构 每种元素都具有自己的特每种元素都具有自己的特 征俄歇电子能谱 它是元素的固有特性 可以利用来作征俄歇电子能谱 它是元素的固有特性 可以利用来作 物质的成分分析物质的成分分析物质的成分分析物质的成分分析 实践证明 轻元素的俄歇效应比重元素强烈 实践证明 轻元素的俄歇效应比重元素强烈 二 X射X射线线的衰减规律的衰减规律线线 1 1 衰减规律的衰减规律的推推导导衰减规律的导衰减规律的导 实践证明 当一束X射线通过物质时 由于散实践证明 当一束X射线通过物质时 由于散 射和吸收射和吸收使它在透射方向强度衰减的程度与其使它在透射方向强度衰减的程度与其射和吸收射和吸收 使它在透射方向强度衰减的程度与其使它在透射方向强度衰减的程度与其 在物质中所通过的距离成正比 在物质中所通过的距离成正比 假设一束强度为I假设一束强度为I0 0的X射线穿的X射线穿 过厚度为过厚度为H H的物质的物质强度变为强度变为过厚度为过厚度为H H的物质的物质 强度变为强度变为 I IH H X射线在深度为x处的强度 X射线在深度为x处的强度 为I 继续穿过薄层dx后 强度为I 继续穿过薄层dx后 强度 变为变为I I dIdI则相对变化率为则相对变化率为变为变为I I dIdI 则相对变化率为则相对变化率为 IdIIdI 式中式中为比例系数为比例系数称为称为线收系数线收系数将上式将上式 dx I IdII dx I dI 式中式中 为比例系数为比例系数 称为称为线线吸吸收系数收系数 将上式将上式两 边积分 得 两 边积分 得 dI H I H l HI I dx I dIH 0 0 H I H 0 ln X射线穿过整个试样H厚度后的强度为X射线穿过整个试样H厚度后的强度为 H eII H H I 上式给出了上式给出了X X射线的强度和穿过物质厚度间的关系射线的强度和穿过物质厚度间的关系 H eII 0 H H e I 0 上式给出了上式给出了X X射线的强度和穿过物质厚度间的关系射线的强度和穿过物质厚度间的关系 称为称为衰减定律衰减定律 2 2质量吸收系数质量吸收系数2 2 质量吸收系数质量吸收系数 如果将 除以物质密度 得如果将 除以物质密度 得 称为称为质量吸收系数质量吸收系数 它表示单位质量物质对它表示单位质量物质对X X射射 m m 称为称为质量吸收系数质量吸收系数它表示单位质量物质对它表示单位质量物质对 射射 线强度的衰减程度 它只与物质的原子属性和X射线线强度的衰减程度 它只与物质的原子属性和X射线 的波长有关的波长有关 而与该物质的物理状态无关而与该物质的物理状态无关 的波长有关的波长有关 而与该物质的物理状态无关而与该物质的物理状态无关 如果一个吸收体是由A如果一个吸收体是由A1 1 A A2 2 A Ap p种元素组成的化合种元素组成的化合 物物 混合物混合物 合金或溶液合金或溶液每种元素的重量百分数每种元素的重量百分数物物 混合物混合物 合金或溶液合金或溶液 每种元素的重量百分数每种元素的重量百分数 为 为 其 其质量吸收系数分别为质量吸收系数分别为 则该吸收体的总的质量吸收系数为则该吸收体的总的质量吸收系数为 1m 1 2 p 则该吸收体的总的质量吸收系数为则该吸收体的总的质量吸收系数为 mp 2m p ii2211 i miimppmmm 1 2211 3质量吸收系数与波长的关系质量吸收系数与波长的关系3 质量吸收系数与波长的关系质量吸收系数与波长的关系 X射X射线线强度的衰减是由于物质对它的吸收和散射所引强度的衰减是由于物质对它的吸收和散射所引线线 起的 因此质量吸收系数可以看成是物质的质量散射系起的 因此质量吸收系数可以看成是物质的质量散射系 数数 m m和物质的真质量吸收系数和物质的真质量吸收系数 m m的和的和 即即数数 m m和物质的真质量吸收系数和物质的真质量吸收系数 m m的和的和 即即 m m m m m m 般情况般情况物质的散射系数比真质量吸收系数小得物质的散射系数比真质量吸收系数小得一一般情况般情况下下 物质的散射系数比真质量吸收系数小得物质的散射系数比真质量吸收系数小得 多 所以将多 所以将 m m忽略不计 则忽略不计 则 m m m m 实践证明实践证明吸收体物质的质量吸收系数和吸收体物质的质量吸收系数和X X射线波长射线波长实践证明实践证明 吸收体物质的质量吸收系数和吸收体物质的质量吸收系数和X X射线波长射线波长 以及吸收体原子序数之间有如下关系 以及吸收体原子序数之间有如下关系 33 k 33 zk m 如图 让0 25nm以下各种波长如图 让0 25nm以下各种波长 的X射线通过一个Ni片 开始时 随着波长的减小 的X射线通过一个Ni片 开始时 随着波长的减小 m m也减小 当也减小 当 0 144nm时 0 144nm时 m m突然上升 这突然上升 这 个波长正好等于个波长正好等于NiNi的的K K吸收限波吸收限波个波长正好等于个波长正好等于的的 吸收限波吸收限波 长 长 Cr24 Fe26 Co27 Cu29 Mo42 Ag47 Page 36第二章 第三章 X光的散射 干涉与吸收第三章光的散射 干涉与吸收 Pag