X射线物理学基础

1、X射线物理学基础 第一章 X射线物理学基础 v第一节 X射线简介 v第二节 X射线谱 v第三节 X射线与物质的相互作用 X射线物理学基础 第一节 X射线简介 一、X射线发展史 二、X射线的应用 三、X射线的性质 四、X射线的产生 五、X射线管 X射线物理学基础 一、一、X射线发展史射线发展史 1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线 1895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透 力等大部分性质 1901年伦琴获诺贝尔奖 1912年，德国物理学家劳厄发现了X射线在晶体（硫酸 铜单晶）中的衍射现象，奠定了“X射线衍射学”基础 1912年，英国物理学家Brag父子利用X射线衍射测定了 N

2、aCl晶体的结构，开创了X射线晶体结构分析的历史 X射线物理学基础 与与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单 年 份学 科得奖者内 容 1901物理伦琴Wilhelm Conral RontgenX射线的发现 1914物理劳埃Max von Laue晶体的X射线衍射 亨利.布拉格Henry Bragg 劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg. 1917物理巴克拉Charles Glover Barkla元素的特征X射线 1924物理卡尔.西格班Karl Manne Georg SiegbahnX射线光谱学 戴维森Clinton Joseph

3、 Davisson 汤姆孙George Paget Thomson 1954化学鲍林Linus Carl Panling化学键的本质 肯德鲁John Charles Kendrew 帕鲁兹Max Ferdinand Perutz 1962生理医学 Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、 Maurice h.f.Wilkins 脱氧核糖核酸DNA测定 1964化学Dorothy Crowfoot Hodgkin青霉素、B12生物晶体测定 霍普特曼Herbert Hauptman 卡尔Jerome Karle 鲁斯卡E.Ruska电子显微镜 宾尼希G.Binnig扫描隧

4、道显微镜 罗雷尔H.Rohrer 布罗克豪斯 B.N.Brockhouse中子谱学 沙尔 C.G.Shull中子衍射 直接法解析结构 1915物理晶体结构的X射线分析 1937物理电子衍射 1986物理 1994物理 1962化学蛋白质的结构测定 1985化学 X射线物理学基础 v在X射线发现后几个月 医生就用它来为病人服务 v右图是纪念伦琴发现 X射线100周年发行的 纪念封 二、二、X射线的应用射线的应用 X射线物理学基础 v X射线透射学 通过X射线的透射情况来研究人体或物体的内部情况，包括 医学上的诊断和X射线工业探伤。 v X射线衍射学 又称“X射线晶体学”，是目前应用最广的一个方面

5、，根据 X射线照射晶体后所产生的衍射线方向和强度来确定晶体结 构，研究与结构和结构变化相关的各种问题。 v X射线光谱学 通过研究X射线光谱，可研究物质的原子构造，如电子能级 分布等；通过研究物质发出的X射线的波长可确定物质的元 素成分，这方面应用的例子是X射线荧光光谱分析和电子探 针。 X射线在工业和科学技术中的应用主要分三方面：射线在工业和科学技术中的应用主要分三方面： X射线物理学基础 三、三、X射线的性质射线的性质 1、本质：波长极短的电磁波（波长：、本质：波长极短的电磁波（波长：0.0110nm） 1912年劳厄指导的衍射实验证实 X射线物理学基础 2、分类：、分类： 硬硬X射线：射

6、线：波长短的X射线，如：X射线衍射分析常用波 长约，金属材料透视检验的波 长更短，约。 软软X射线：射线：波长长的X射线，如用于医学透射的X射线。 硬软程度表示穿透能力的强弱，波长越短，穿透力越强。 3、单位：、单位： 、 nm 、 kX（晶体学单位） 1nm=10=10-9m 1kX=1.00207720.000053 （1973年值） X射线物理学基础 4、波粒二象性、波粒二象性 X射线的客观属性 波动性波动性 场合：X射线之间相互作用时 表现：以一定的频率和波长在空间传播（干涉、衍射 等）。反映物质运动的连续性。 粒子性粒子性 （突出） 场合：X射线与电子、原子间相互作用时 表现：它是由

7、大量的不连续粒子流构成的，这些粒子 流称为光子。X射线以光子的形式辐射和吸收时具有质 量、能量和动量。在与物质相互作用时交换能量，如光 电效应等。反映物质运动的分立性。 X射线物理学基础 描述波动性参量：频率、波长 描述粒子性参量：能量、动量 关系： 普朗克常数h=6.62510-34 当X射线与其它元素的原子或电子交换能量时只能 一份一份地以最小能量单位（h）被原子或电子吸收。 hc h h p X射线物理学基础 四、四、X射线的产生射线的产生 1、产生原理、产生原理 X射线物理学基础 2、产生条件、产生条件 v产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子； v设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，

8、用以产生X射 线; v施加在阴极和阳极之间的高压，用以加速自由电子 朝阳极靶方向加速运动； v将阴、阳极封闭在10-3Pa的高真空中，保持两级 纯洁，促使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。 X射线物理学基础 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 3、过程演示、过程演示 X射线物理学基础 五、五、X射线管射线管 封闭电子式X射线管实物图 X射线物理学基础 结构示意图 X射线物理学基础 电子式电子式X射线管实质上是一个真空二极管（射线管实质上是一个真空二极管（10-310- 4Pa），其结构为： ），其结构为： v阴极：阴极：发射电子的灯丝，W丝 v阳极：阳

9、极：又称靶，使电子突然减速和发射X射线。 常用靶材： Cu 、Fe、Co、Ni、 Cr 、Mo、Ag、W等 高速运动电子的动能仅1左右转变成X射线，99转变成 热能，为避免烧熔靶面，常通水冷却。 v聚焦罩：聚焦罩：聚焦电子束，灯丝外设置，其电位较阴极低100 400V，用高熔点金属钼或钽制造。 v焦点：焦点：阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发 射出X射线。焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一。 焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点。 较小的焦点，可以提高分辩率。 X射线物理学基础 v窗口：窗口：X射线从管内出射的地方， 常开设2或4个。 窗口材料要有足够强度并尽可

10、能 少地吸收X射线，常用铍或硼酸 铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与 靶面常成6o的斜角。 X射线管中发出的X射线在各个方 向不同，越接近与电子束垂直的 方向，强度越高。对于直角靶面， 最好沿靶面方向接收。但靶面不 可能绝对光滑平整，大部分X射 线将被吸收而减弱，故常在与靶 面成6o的方向接收。 X射线接收方向 X射线物理学基础 l 上述常用X射线管的功率 为5003000W。目前还有旋 转阳极X射线管、细聚焦X射 线管和闪光X射线管。 l 因阳极不断旋转，电子束 轰击部位不断改变，故提高 功率也不会烧熔靶面。目前 有100kW的旋转阳极，其功 率比普通X射线管大数十倍。 旋转阳极靶示意图 X射线物

11、理学基础 第二节第二节 X射线谱射线谱 X射线谱：X射线的强度随波长变化的关系曲线 X射线有两种波谱： 一、连续一、连续X射线谱射线谱 二、特征二、特征X射线谱射线谱 钼靶X射线管发出的X射线谱 X射线物理学基础 一、连续一、连续X射线谱射线谱 由波长连续变化的X射线构 成，和白光相似，是多种波长 的混合体，故也称白色X射线 或多色X射线。 特点： l 每条曲线都有一强度最大 值和一个波长极限值（短波 限0）。 l 波长从短波限向长波方向 伸展，可达无穷大。 l 呈丘包状。 连续谱示意图 X射线物理学基础 1、实验规律、实验规律 v当提高管电压 U时(i、Z不变) ，各波长X射线的强 度都提高

12、，短波限0和强度最大值对应的m减小。 v当保持管电压一定，提高管电流i,各波长X射线强度 一致提高，但0 和m不变。 v在相同管电压和管电流下，阳极靶材的原子序数Z越 高，连续谱的强度越大，但0 和m相同。 管电压U、管电流i和阳极靶材原子序数对连续谱 影响： X射线物理学基础 X射线物理学基础 2、产生机理、产生机理 v能量为eU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h的光子，这样的光子流即为X 射线。 v单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的， 极大数量的电子射到阳极靶上的条件和时间不可能 是一样的，绝大多数电子要经历多次碰

13、撞，产生能 量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。 X射线物理学基础 3、短波限、短波限 相互关系： 式中，电子电荷e 1.602 10-19C; U电子通过两极时的电压降； 普朗克常数h6.62610-34JS；X射线传播速度c2.998108mS-1 0 max hc heU UeU hc24. 1 0 0：nm， U：千伏 X射线物理学基础 当固定管电压、增加管电流或增大阳极靶材原子序数时，0 不变，仅使各波长X射线强度增高。 U（KV）20304050 0（nm）0.0620.0410.0310.025 绝大多数到达阳极靶面的电子经多次碰撞消耗 其能量，每次碰撞产生一个光量子，故其能

14、量 均小于电子能量，而得波长大于0的不同波长 的辐射，构成连续谱。 X射线物理学基础 4、X射线的强度射线的强度 vX射线的强度是指垂直X射线传播方向的单位面积 上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。 常用的单位是J/cm2.s。 vX射线的强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因 素决定的,即I=nhv。 0附近。 X射线物理学基础 v连续谱中，每条曲线下的面积表示各种波长X射 线的强度总和，也就是阳极靶发射出的X射线的 总能量。 I连与管电压、管电流、阳极靶的原子序数存在如 下关系： Z为阳极靶的原子序数，U为管电压（千伏）， i 为管电流（毫安）， K=(1.11.5)10-9。 2

15、 0 KiZUdII 连 X射线物理学基础 5、X射线管的效率射线管的效率 vX射线管的效率，是指电子流能量中用于产生X 射线的百分数，即 v随着原子序数Z的增加，X射线管效率增加。 W：Z74，U100KV；则1 KZU iU iZUK X X 2 射线管功率 射线总强度连续 X射线物理学基础 二、特征二、特征X射线谱射线谱 钼靶X射线管发出的X射线谱 U35KV X射线物理学基础 特征X射线谱由 一定波长的若干X射 线叠加在连续X射线 谱上构成，它和单色 的可见光相似，具有 一定的波长，故称单 色X射线。每种元素 只能发出一定波长的 单色X射线，它是元 素的标志，故也称为 标识X射线。 1

16、、特征、特征X射线谱的特征射线谱的特征 2、产生机理、产生机理 3、莫塞莱定律、莫塞莱定律 4、特征、特征X射线的强度射线的强度 5、阳极靶的选择、阳极靶的选择 X射线物理学基础 1、特征、特征X射线谱的特征射线谱的特征 v当管电压超过某临界值时特征谱才会出现，该临界 电压称激发电压。 v不同的阳极靶，激发电压不同，产生的特征谱的波 长也不同。 v当管电压继续增加时，特征谱强度增加，但对应的 波长保持不变。 v特征谱的波长不受管电压、管电流的影响，只决定 于阳极靶材元素的原子序数。 X射线物理学基础 v特征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。 特征X射线的产生 2 22

17、 42 2 Z nh me n 2、产生机理、产生机理 X射线物理学基础 v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。 机理：机理： X射线物理学基础 v由不同外层上的电子跃迁至同一内层上来而辐射的 特征谱线属于同一线系，并按电子跃迁所跨越的电 子能级数目多少的顺序，将这同一线系的谱线分别 标以、等符号。 vK层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发 态，高

18、能级电子向K层空位跃迁时产生K系辐射。 LK填充空位时，产生K辐射；M K填充空位时 产生K辐射。L系辐射：M L,产生L辐射；N L, 产生L辐射。M系辐射。 X射线物理学基础 K系谱线：系谱线： KK II5 X射线物理学基础 l1；j0， 1 X射线物理学基础 K系谱线：系谱线： KK II5 21 2 KK II X射线物理学基础 K光子的能量大于K光子的能量；但K层与L层为 相邻能级，故L层电子向K层跃迁的几率远大于M层 跃迁的几率，所以K谱线的强度约为K的五倍。 电子跃迁选择定则：l l1 1；j j0 0， 1 1 K双线系电子分别由L和L两个亚层跃迁到K层 时产生的辐射， L亚

19、层上四个电子跃迁至K层几 率比L上二个电子跃迁几率大一倍，故K1谱线的 强度约为K2的两倍。 双线的波长相差很小，一般情况下分辨不开，统 称为K线。 nm 4 104 X射线物理学基础 3 3、莫塞莱定律、莫塞莱定律 v特征X射线谱的波长只与阳极靶物质的原子结构有 关，与其它外界因素无关，是物质的固有特性。 v莫塞莱定律特征谱波长与阳极靶原子序数的关 系： K，为常数 X射线光谱分析的基本依据 )( 1 ZK X射线物理学基础 4 4、特征谱的强度、特征谱的强度 v特征谱强度与管电压（特征谱强度与管电压（U）、管电流（）、管电流（i）的关系）的关系： c为常数；n为常数，K系n1.5，L系n2

20、 U激为特征谱激发电压，K系：U激UK n UUciI 激特 KK WeU X射线物理学基础 v多晶材料的衍射分析中希望 应用以特征谱为主的单色光 源，即尽可能高的I特/I连。 U/UK=4时，时，I特 特/I连连最大 最大，此时 连续谱造成的衍射背影最小。 X射线管适宜的工作电压： U（35）UK X射线物理学基础 5 5、阳极靶选择、阳极靶选择 v由于L系、M系特征谱线波长较长，容易被物质吸收， 所以在晶体衍射分析中常用K系谱线。 v轻元素的K系辐射波长值大，容易被X射线管窗口， 甚至空气所吸收而不好利用。 v太重元素靶材所产生的K系谱线，其波长又太短，且 连续辐射所占比例又太大。 v所以

21、，采用单色辐射的衍射实验宜用Cr、Fe、Co、 Cu、Mo等靶材的X射线管。 X射线物理学基础 第三节第三节 X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 X X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复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，一束杂的过程。就其能量转换而言，一束X X射线通过物射线通过物 质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸质时，可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸 收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播; ;其强其强 度的衰减是被散射和吸收的结果，并且吸收是造成度的衰减是被散射和吸收的结果，并且吸

22、收是造成 强度衰减的主要原因。强度衰减的主要原因。 X射线物理学基础 一、一、X X射线的散射射线的散射 二、二、X X射线的吸收射线的吸收 三、吸收限的应用三、吸收限的应用 四、四、X X射线的衰减规律射线的衰减规律 五、五、X X射线与物质相互作用总结射线与物质相互作用总结 X射线物理学基础 一、一、X X射线的散射射线的散射 v当入射线与原子内受核束缚较紧的电子相遇时，光量子能量 不足以使原子电离，但电子可在X射线交变电磁场作用下发 生受迫振动，这样的电子就成为一个电磁波的发射源，向周 围辐射与X射线波长相同的辐射，因为各电子所散射的射线 波长相同，有可能相互干涉，故称相干散射。 v入射

23、波将自身的能量传给了电子，而电子又将该能量转化为 与入射线波长相同的散射X射线。 v相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。 1 1、相干散射（经典散射、汤姆逊散射）、相干散射（经典散射、汤姆逊散射） X射线物理学基础 2 2、非相干散射（量子散射）、非相干散射（量子散射） vX射线光量子与自由电子或受核束缚 较弱的电子碰撞，将一部分能量给 予电子，使其动量提高，成为反冲 电子，光子损失了能量，并且改变 了运动方向，能量减少，波长增加， 这就是非相干散射。 v散射线分布于各个方向，波长随散 射方向不同而改变，不能产生干涉 现象。 X射线物理学基础 v1923年康普顿发现并用量子理论解释这一

24、现象，故称康普 顿效应或量子散射。 v非相干散射的波长变化为： v非相干散射不能参与晶体对X射线的衍射，但也无法防止， 它分布于各个方向，强度随sin/的增加而增大。在衍射 分析中形成背底，给衍射图象带来不利影响，特别对轻元 素（电子受核的束缚弱）。 2 sin00486. 0)2cos1 (00243. 0)( X射线物理学基础 二、二、X X射线的吸收射线的吸收 物质对物质对X X射线的吸收指的是射线的吸收指的是X X射线能量在通过射线能量在通过 物质时转变为其它形式的能量，物质时转变为其它形式的能量，X X射线发生了能射线发生了能 量损耗。物质对量损耗。物质对X X射线的吸收主要是由原子

25、内部射线的吸收主要是由原子内部 的电子跃迁而引起的。这个过程中发生的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X X射线的射线的 光电效应和俄歇效应。光电效应和俄歇效应。 1 1、光电效应、光电效应 2 2、俄歇效应、俄歇效应 X射线物理学基础 1 1、光电效应光电子和荧光、光电效应光电子和荧光X X射线射线 v当入射光量子的能量等于或略大于吸收体原子某壳层电子的 结合能（即该层电子激发态能量）时，此光量子就很容易被 电子吸收，获得能量的电子从内层溢出，成为自由电子，称 光电子光电子，原子则处于相应的激发态，这种原子被入射辐射电 离的现象即光电效应。 v光电效应使被照物质处于激发态，这一激发态和由入射电

26、子 所引起的激发态完全相同，也要通过电子跃迁向较低能态转 化，同时辐射被照物质的特征X射线谱。 v由入射由入射X射线所激发出来的特征射线所激发出来的特征X射线称荧光射线称荧光X射线（二次特射线（二次特 征征X射线）射线）。 v利用荧光X射线进行成分分析X射线荧光光谱分析(Z20) X射线物理学基础 X射线物理学基础 v使K层电子变成自由电子需要的能量是K，亦即可引起激 发态的入射光量子能量必须达到此值。 v从X射线激发光电效应的角度，称K为激发限； 从X射线被物质吸收的角度，称K为吸收限为吸收限。 v产生光电效应条件：X射线波长必须小于吸收限射线波长必须小于吸收限K。 KK K K eU hc

27、 h K K U 24.1 K：nm ， UK：KV X射线物理学基础 2 2、俄歇效应、俄歇效应 X射线物理学基础 v原子中一个K层电子被入射光量子击出后，L层一个电子跃 入K层填补空位，此时多余的能量不以辐射X光量子的方式 放出，而是另一个L层电子获得能量跃出吸收体，这样一个 K层空位被两个L层空位代替的过程称俄歇效应，跃出的L层 电子称俄歇电子。 v每种原子的俄歇电子均具有一定的能量（EKLL），测定俄歇 电子的能量，即可确定该原子的种类，所以可利用俄歇电子 能谱作元素的成分分析。 v俄歇电子的能量很低，一般为几百电子伏，能够检测到的只 是表面两三个原子层发出的俄歇电子，因此，俄歇谱仪是

28、研俄歇谱仪是研 究物质表面微区成分的有力工具。究物质表面微区成分的有力工具。 X射线物理学基础 X射线的真吸收射线的真吸收 vX射线通过物质时造成的能量 损失称为X射线的真吸收。 v X射线穿过物质时会引起热效 应，一部分能量转变为热能。 v 光电子 光电效应光电效应 荧光X射线 俄歇电子 热效应 X射线物理学基础 三、吸收限的应用三、吸收限的应用 v通过滤波片后K减弱甚微，K 被强烈吸收 v滤波片厚度以K强度衰减到原 来的一半时为最佳。 IK/IK1/500 vZ靶 靶 40时，时，Z滤 滤 Z靶 靶 1 Z靶靶40时， 时，Z滤 滤 Z靶 靶 2 1 1、滤波片的选择、滤波片的选择 KKK

29、 红滤波片 黑靶 X射线物理学基础 铜辐射通过镍滤波片前后的强度比较铜辐射通过镍滤波片前后的强度比较 X射线物理学基础 2 2、根据样品成分选择阳极靶、根据样品成分选择阳极靶 Z靶Z试样1 Z靶Z试样 红试样 黑靶 原则：原则： Z靶靶Z试样试样1 或或 Z靶靶Z试样试样 X射线物理学基础 四、四、X X射线的衰减规律射线的衰减规律 X射线通过物质后的衰减射线通过物质后的衰减 X射线强度衰减量dI与入射线 强度I和层厚dx有关，即 IdxdI l dX I dI H l I I H 0 0 H H l eII 0 IH/I0称穿透系数或透射系数 HIIH l / )/ln( 0 X射线物理学基

30、础 为常数，与入射的波长及物质有关，称为物质对X射 线的线吸收系数（也称线衰减系数）。 物理意义：单位体积物质对单位体积物质对X射线的衰减程度。射线的衰减程度。 l l 与物质的密度成正比，即与物质的存在状态有 关。 线吸收系数线吸收系数 X射线物理学基础 质量吸收系数质量吸收系数 m l m 单位：cm2/g 质量吸收系数与密度无关。 物理意义：单位重量物质（1CM2穿透截面积）对X射线 的衰减程度。 若吸收体是多元素的化合物、固溶体或混合物时，其质 量吸收系数决定于各组元的质量吸收系数及各组元的质量 分数，即 i n i mim 1 X射线物理学基础 v质量吸收系数决定于吸收物质的原子序数和X射线的波长， 关系为： v物质的原子序数越大，对X射线的吸收能力越强；对一定 的吸收体，X射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸 收系数的下降。 v但随波长的降低，质量吸收系数并非呈连续变化，而是 在某些波长位置上突然升高，出现了吸收限吸收限。 33 ZK m K为常数 X射线物理学基础 质量吸收系数与波长的关系曲线质量吸收系数与波长的关