材料研究方法

1、任课教师任课教师卢志红卢志红 专业：专业：金属材料工程金属材料工程地址：地址：6358电话电话:E-Mail: 掌握掌握 基本原理和基础知识，掌握基本原理和基础知识，掌握x射线衍射法射线衍射法分析材料的方法。分析材料的方法。内容内容x射线衍射分析的基本原理及应用。射线衍射分析的基本原理及应用。1）X射线的产生、射线的产生、x射线衍射原理射线衍射原理2）x射线对材料结构、物相、应力以及织构射线对材料结构、物相、应力以及织构分析分析要求要求课程的内容与要求课程的内容与要求课时安排及课程进度课时安排及课程进度课 程 内容学时分配总学时讲授实习绪论+第 1 章44第 2 章第

2、 3 章第 4 章第 5 章第 6 章第 7 章第 8 章复习+习题课考试6444422222622223232合计3636授课方式课堂讨论课堂讨论 每节课前后每节课前后5-105-10分钟分钟课堂讲授（课堂讲授（3636学时）学时）课后作业和思考题课后作业和思考题考试与纪律总成绩笔试(80)平时(20)旷课、早退旷课、早退5 5次以上（含五次以上（含五次）取消考试次）取消考试资格资格作业作业考勤考勤x射线衍射技术可以对材料的晶体结构, 物相以及成分和应力织构等进行分析。材料的应用与性能紧密相连材料性能取决于：成分、结构、加工工艺等。l德国人伦琴 (Wilhelm Conrad Rntgen)

3、 发现x射线 1895.l1901 诺贝尔物理奖Wilhelm Conrad Rntgen (1845-1923) A modern radiograph of a hand Bertha Rntgens Hand 8 Nov, 1895 l劳埃 (Max von Laue) 第一个发现x射线在晶体上的衍射l1914年诺贝尔物理奖 l证实了x射线的波动性，晶体结构的周期性，奠定了x射线衍射的基础。Max von Laue (1897-1960) l布拉格父子 (William Henry Bragg 和 William Lawrence Bragg）推倒出著名的Bragg 公式l1915年诺贝

4、尔物理奖.l奠定了晶体结构分析的基础William LawrenceBragg (1890-1971) Sir William HenryBragg (1862-1942) l广泛应用于各领域 物理学、材料科学、生物医学 工业、农业 等l一百年来对人类影响最大的发现居首l与之相关的诺贝尔奖25次导论导论X射线大事记射线大事记l主要内容：主要内容： 1.1、X X射线的起源与性质射线的起源与性质 1.21.2、X-Ray X-Ray 的产生的产生 1.31.3、X-Ray X-Ray 谱谱1)1)连续连续X X射线谱及其产生机理射线谱及其产生机理 2) 2) 特征特征X X射线谱及其产生机理（重

5、点，难点）射线谱及其产生机理（重点，难点） 1.41.4、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用1.4.1.4. X X射线的散射射线的散射1.4.1.4. 射线的吸收射线的吸收1.4.1.4. 射线的衰减规律射线的衰减规律1.51.5 吸收限的应用吸收限的应用 1.6、X X射线的探测与防护射线的探测与防护X射线的物理基础射线的物理基础第一章第一章l1.1 X射线的性质射线的性质 1、X射线是一种射线是一种电磁波电磁波，具有，具有波粒二象性波粒二象性 2、 X射线的波长：射线的波长：1021023、X射线的射线的（ ）、）、振动频率振动频率和传播速度和传播速度C（ms-1）符合符合

6、C/X射线的物理基础射线的物理基础麦克斯韦方程麦克斯韦方程: :波动方程：波动方程：电场和磁场的本质及内在联系电场和磁场的本质及内在联系电荷电荷电流电流磁场磁场电场电场运动运动变化变化变化变化激激发发激激发发4、X射线可看成具有一定能量射线可看成具有一定能量E、动量、动量P、质量质量m的的X光子：光子： Eh = hc/ P=h/ h 普朗克常数普朗克常数 c 光的传播速度光的传播速度X射线的物理基础射线的物理基础图图11 电磁波波谱电磁波波谱思考：各种波的在本质上有没有不同?X X射线的波长范围：射线的波长范围：100- 0.01100- 0.01 或或 10-0.001nm 10-0.00

7、1nm 硬硬X X射线：射线：0.05-2.5 0.05-2.5 0.5-2.50.5-2.5主要用于主要用于晶体结构分析晶体结构分析 0.05-1 0.05-1 主要用于主要用于金属探伤金属探伤等等软软X X射线：射线： 10-100 10-100 主要用于主要用于医学医学 波长的单位：波长的单位： nm（纳米）（纳米） 国际单位国际单位 常用单位常用单位 KX 晶体学单位（不常用）晶体学单位（不常用）换算关系：换算关系： 1nm =10 =10-9m X射线的物理基础射线的物理基础固体靶源固体靶源同步辐射同步辐射同位素同位素核反应核反应其它其它l X射线的物理基础射线的物理基础 高高 速速

8、 运运 动动 的的 电电 子子 流在突然被减速能产生流在突然被减速能产生X射线射线射线射线射线射线 高能辐射流轰击原子或原子核高能辐射流轰击原子或原子核中子流中子流图图12 X-ray管剖面示意图管剖面示意图 X射线的物理基础射线的物理基础X射线管射线管电子枪：产生电子并将电子电子枪：产生电子并将电子束聚焦，钨丝成螺旋式，通束聚焦，钨丝成螺旋式，通以电流钨丝烧热放出自由电以电流钨丝烧热放出自由电子子金属靶：发射金属靶：发射X射线，阳极靶射线，阳极靶通常由传热性好熔点较高的金通常由传热性好熔点较高的金属材料制成，如铜、钴、镍、属材料制成，如铜、钴、镍、铁、铝等。铁、铝等。X射线的物理基础射线的物

9、理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X射线管剖面示意图（回车键演示）l整个整个X射线光管处于真空状态。当阴极射线光管处于真空状态。当阴极和阳极之间以数十千伏的高电压时，阴和阳极之间以数十千伏的高电压时，阴极极灯丝产生灯丝产生的的电子电子在电场的作用下被在电场的作用下被加加速并以高速射向阳极靶速并以高速射向阳极靶，经高速电子与，经高速电子与阳极靶碰撞，从阳极靶产生阳极靶碰撞，从阳极靶产生X射线射线，这，这些些X射线通过用金属铍（厚约射线通过用金属铍（厚约0.2mm)做做成的成的X射线管窗口射出，即可提供给实射线管窗口射出，即可提供给实验所用。验所用。X射线的物理基

10、础射线的物理基础图图13 X射线接收方向射线接收方向X射线的物理基础射线的物理基础通常与靶面成3-6 夹角图图14 不同方向的表观焦点不同方向的表观焦点l旋转阳极旋转阳极X射线管射线管提高提高X射射线管功率线管功率l细聚焦细聚焦X射线管射线管提高分辨本提高分辨本领领X射线仪射线仪X射线机主要线路图射线机主要线路图X射线的物理基础射线的物理基础连续谱连续谱：强度随波长连续变化的强度随波长连续变化的线谱线谱特征谱：特征谱：波长波长一定一定、强度很大的特征、强度很大的特征谱谱特征谱线又称为标识谱，即特征谱线又称为标识谱，即可以来标识物质元素。可以来标识物质元素。X射线的物理基础射线的物理基础X射线谱

11、图图16 连续连续x-ray谱谱 各管电压下各管电压下W的连的连续谱续谱1）强度随波长而连续变化，每条曲）强度随波长而连续变化，每条曲线都对应有一个最短的波长（短波线都对应有一个最短的波长（短波限限0）和一个强度的最大值。最大）和一个强度的最大值。最大值一般在值一般在1.50地方。地方。X射线的物理基础射线的物理基础lX X射线的强度是指行垂直射线的强度是指行垂直X X射线传播方向射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光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。子数目的能量总和。 常用的单位是常用的单位是J/cm2.s.J/cm2.s.lX X射线的强度射线的强度I I是由光子

12、能量是由光子能量hvhv和它的数和它的数目目n n两个因素决定的两个因素决定的, ,即即I=nhv.I=nhv.连续连续X X射线射线强度最大值在强度最大值在1.51.50 0, ,而不在而不在0 0处。处。l连续连续X X射线谱中每条曲线下的面积表示连射线谱中每条曲线下的面积表示连续续X X射线的总强度射线的总强度I I 。也是阳极靶发射出。也是阳极靶发射出的的X X射线的总能量。射线的总能量。l2）0与与管流管流、靶的材料靶的材料无关，只与无关，只与管压有管压有关关，二者之间的关系：，二者之间的关系： 0=1.24/V(nm)随着管压的增大，随着管压的增大，0向短波方向移动。向短波方向移动

13、。X射线的物理基础射线的物理基础eVhc0短波限推导：短波限推导：在极限条件下，电子能量全部转化为光子能量：在极限条件下，电子能量全部转化为光子能量：0max22hcheVm 式中式中e为电子电荷，为电子电荷，V为电压降，为电压降，h为普朗克常数，为普朗克常数，c为光速。为光速。X射线的物理基础射线的物理基础将相关常数带入上式，将相关常数带入上式，V的单位为的单位为kV,则有则有 )(4 .120AVX射线的物理基础射线的物理基础l3）连续）连续X射线的射线的强度强度不仅与不仅与管压管压有关，还有关，还与与管流和靶材管流和靶材有关。有关。 I连连=iZVmli为电流强度，为电流强度，Z为靶材的

14、原子序数为靶材的原子序数 l m与与为常数分别为为常数分别为2 和和1.1-1.4)1.1-1.4)10109 9图图1.7 管流、管压和靶材的原子序数对连续谱的影响管流、管压和靶材的原子序数对连续谱的影响 当需要连续当需要连续X射线时，采用射线时，采用重元素的靶重元素的靶能得到较强的连续能得到较强的连续X射线。射线。X射线管的效率：射线管的效率：=连续连续X射线的总强度射线的总强度/X射线管的功射线管的功率率=ZV当用钨靶（当用钨靶（Z=74），管压为），管压为100KV。1%。可见。可见X射线管的效率很低。要提高射线管的效率很低。要提高效率，应采用高电压和重金属。效率，应采用高电压和重金属

15、。 X射线的物理基础射线的物理基础l 按量子理论，高速的电子按量子理论，高速的电子 撞击靶原撞击靶原子子每撞击一次就产生一个能量为每撞击一次就产生一个能量为hvhv的光子的光子（X X射线）射线）单位时间内到达靶表面的电子数单位时间内到达靶表面的电子数量很多量很多 部分电子一次碰撞就耗尽全部能部分电子一次碰撞就耗尽全部能量量大多数电子要经过大多数电子要经过多次碰撞多次碰撞 多次辐多次辐射射各个光子的能量是各不相同各个光子的能量是各不相同构成构成连续的连续的X X射线谱射线谱。lw连续连续X射线谱产生机理射线谱产生机理X射线的物理基础射线的物理基础特征特征X射线射线谱谱X射线的物理基础射线的物理

16、基础l随着随着电压的增大电压的增大，其，其强度进一步增强强度进一步增强，但，但波长不变波长不变，也就是说，这些谱线的波长与，也就是说，这些谱线的波长与管压和管流无关。管压和管流无关。l它与它与靶材靶材有关有关, ,对给定的靶材，它们的这对给定的靶材，它们的这些谱线是特定的。因此，称之为特征些谱线是特定的。因此，称之为特征X射线射线谱或标识谱或标识X射线谱。产生特征射线谱。产生特征X射线的最低射线的最低电压称电压称激发电压激发电压。 X射线的物理基础射线的物理基础lK K系标识系标识X X射线的强度与管电压、管电流射线的强度与管电压、管电流的关系为：的关系为：nkVViKI2标表表1.1l 在在

17、X射线多晶衍射工作中，主要利射线多晶衍射工作中，主要利用用K系系辐射，而连续谱只能辐射，而连续谱只能增加衍射增加衍射花样的背影花样的背影，因此实际工作中总是希，因此实际工作中总是希望特征谱强度与连续谱强度的比越大望特征谱强度与连续谱强度的比越大越好，当越好，当V工作工作/Vk35 ，I特征特征/I连续连续最大。最大。莫塞来莫塞来19141914年总结了特征年总结了特征X X射线与靶材原子结构之间的射线与靶材原子结构之间的关系：关系：K K 为 常 数 ， 与 原 子 的 主 量 子 数 有 关为 常 数 ， 与 原 子 的 主 量 子 数 有 关 为屏蔽常数，与电子所在的壳层有为屏蔽常数，与电

18、子所在的壳层有关。关。或或KLMNOK系激发系激发KKKL系激发系激发LL特征特征X射线产生示意图射线产生示意图 2）核外电子的激发与跃迁）核外电子的激发与跃迁能能量量原子核原子核阴极电子，阴极电子，速度速度X射线的物理基础射线的物理基础lK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。wX射线管中，射线管中，w阴极发射的电子束阴极发射的电子束 轰击阳极轰击阳极 内层电子内层电子击出击出 低能级上出现低能级上出现空位空位 系统处于系统处于激发激发状态状态（不稳定）不稳定） 较高能级上的电子较

19、高能级上的电子向向低能低能级上的空位级上的空位跃迁跃迁（系统能量重新降低而趋于（系统能量重新降低而趋于稳定）稳定） 多余的能量多余的能量以以光子光子的形式向外辐射特征的形式向外辐射特征X射射线。辐射光子的能量为：线。辐射光子的能量为： hn2-n1En2-En1 En2和和En1 分别为高能级和低能级电子的能量分别为高能级和低能级电子的能量 特征特征x-ray谱产生的机理谱产生的机理X射线的物理基础射线的物理基础图1.10 特征X射线谱 （右图为横轴放大的Ka双重线）n=1n2（L层）（K层）n3（M层）K系L系K1K2K1L1L2K2LLLX射线的物理基础射线的物理基础 当原子当原子M电子层

20、及更外层没有电子时，就不能产生电子层及更外层没有电子时，就不能产生L系谱。实际上，系谱。实际上，X射线物相分析及结构分析射线物相分析及结构分析主要用主要用 K作为单色作为单色X射线源射线源 临界电压计算如下：临界电压计算如下： Vk是阴极电子击出是阴极电子击出K电子所需的临界激发电压，电子所需的临界激发电压，Wk是击是击出一个出一个K层电子需做的功层电子需做的功 K2/3 K1 +1/3 K 2kkkkkVhcWeV24.1X射线的物理基础射线的物理基础l思考题：思考题：l前面学习了连续谱与特征谱产生的前面学习了连续谱与特征谱产生的机理及各自特点，请同学们总结出机理及各自特点，请同学们总结出它

21、们的它们的不同点不同点。连续谱连续谱特征特征X射线谱射线谱1、强度随波长连续、强度随波长连续变化变化2、强度与管电压、强度与管电压、管电流、原子序数有管电流、原子序数有关关3、其产生：高能电、其产生：高能电子的能量损失频率有子的能量损失频率有关（电子能量关（电子能量X射线光子能量）射线光子能量）1、波长一定而强度很、波长一定而强度很强强2、与、与靶材有关靶材有关，有一，有一个激发电压有关，与管个激发电压有关，与管电流无管电流无管3、特征谱的产生与靶、特征谱的产生与靶材原子内部结构有关如材原子内部结构有关如K，K（核外不同能（核外不同能级之间能量差级之间能量差X射射线光子能量）线光子能量） X

22、X射线与物质相互作用时，就其射线与物质相互作用时，就其能量转换而言可分为三个部分能量转换而言可分为三个部分: 散射散射 透射透射 吸收吸收1.4、 X射线与物质的作用射线与物质的作用 相干散射相干散射: :（汤姆逊散射（汤姆逊散射/ /弹弹性散射）性散射） X射线与物质的作用射线与物质的作用相干散射是相干散射是X射线在晶体中射线在晶体中产生衍射的基产生衍射的基础。础。A、与物质原子中、与物质原子中束缚力较大束缚力较大的的电子（内层电子）的作用。电子（内层电子）的作用。X射线与物质的作用射线与物质的作用B、电子作、电子作受迫振动受迫振动发射电磁发射电磁波，称散射波。波，称散射波。C、各散射波之间

23、符合振动方向、各散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的相同、频率相同、位相差恒定的干涉条件，可干涉条件，可产生干涉作用产生干涉作用。入射入射X射线射线 束缚较弱的外层电束缚较弱的外层电子或自由电子子或自由电子 反冲电子反冲电子 散射散射X射线射线 的波长变长了。的波长变长了。 x射线非相干散射射线非相干散射 非相干散射不能参与晶体非相干散射不能参与晶体对对X射线的衍射，只会在射线的衍射，只会在衍射图上形成不利的衍射图上形成不利的背景背景。X射线与物质的作用射线与物质的作用l特点：特点：lA、X射线作用于束缚较小的外层电子射线作用于束缚较小的外层电子或自由电子。或自由电子。X射线与物

24、质的作用射线与物质的作用B、散射、散射X射线的波长变长了。射线的波长变长了。散射散射X射线波长的改变与传播方向存在如射线波长的改变与传播方向存在如下的关系：下的关系：=0.0024(1-cos2) C、由于散射、由于散射X射线的波长随散射方向而变，射线的波长随散射方向而变，不能产生干涉效应不能产生干涉效应。故这种。故这种X射线散射称射线散射称为非相干散射。为非相干散射。我国著名的物理学家吴有训与美国物理学家康普顿一我国著名的物理学家吴有训与美国物理学家康普顿一起在起在1924年发现的此效应。故亦称康普顿吴有训效应年发现的此效应。故亦称康普顿吴有训效应 l在非弹性散射中，除康普顿散射外，在非弹性

25、散射中，除康普顿散射外，l还有还有拉曼散射、热漫散射、黄昆散射（拉曼散射、热漫散射、黄昆散射（了了解解）。l拉曼散射拉曼散射：是：是X X射线光子能量比壳层电子临射线光子能量比壳层电子临界激发能小得非常多时发生的共振散射。界激发能小得非常多时发生的共振散射。利用拉曼散射可以利用拉曼散射可以测量物质内的电子状态测量物质内的电子状态变化。变化。X射线与物质的作用射线与物质的作用l热漫散射热漫散射：是：是X射线光子与声子射线光子与声子（谐（谐振动的能量的量子化）碰撞造成的。振动的能量的量子化）碰撞造成的。光子的能量损失很少，可以把它看成光子的能量损失很少，可以把它看成晶格热振动造成的晶格畸变引起的漫

26、晶格热振动造成的晶格畸变引起的漫散射。利用热漫散射可以散射。利用热漫散射可以测定物质的测定物质的特征温度等热学性质，判断原子间结特征温度等热学性质，判断原子间结合力。合力。X射线与物质的作用射线与物质的作用l黄昆散射黄昆散射：是：是晶格静畸变晶格静畸变 引起的漫引起的漫散射，这种散射引起的散射，这种散射引起的X X射线能量损射线能量损失也很少。利用黄昆散射可以失也很少。利用黄昆散射可以测定测定晶体缺陷及其附近的应力场、原子晶体缺陷及其附近的应力场、原子偏聚、短程有序等偏聚、短程有序等。l弹性散射 汤姆逊散射、l非弹性散射 康普顿散射68 完全非弹性碰撞（好比经典中的碰后粘在一起）完全非弹性碰撞

27、（好比经典中的碰后粘在一起）：光子被电子完全吸收（光子被电子完全吸收（“粘在一起粘在一起”），电子能量），电子能量增加增加, 电子能量足够大时成为光电子逸出。电子能量足够大时成为光电子逸出。即光电效应即光电效应经典力学典型情况经典力学典型情况完全非弹性碰撞完全非弹性碰撞弹性碰撞弹性碰撞非弹性碰撞非弹性碰撞* 光子、电子均视为光子、电子均视为“点粒子点粒子”，所以不考虑一般，所以不考虑一般 非弹性碰撞非弹性碰撞非弹性碰撞就是在经典理论中的碰后有形变，比如碰扁、变非弹性碰撞就是在经典理论中的碰后有形变，比如碰扁、变形。既然是点粒子，自然没有大小，也就无所谓形变了，故形。既然是点粒子，自然没有大小，

28、也就无所谓形变了，故不考虑该种类型的碰撞。不考虑该种类型的碰撞。69 弹性弹性碰撞碰撞原子量越小物质发生第二种碰撞概率越大，原子量越小物质发生第二种碰撞概率越大，康普顿效应显著。康普顿效应显著。光子光子内层电子内层电子束缚强束缚强光子光子原子原子mM光子能量不变光子能量不变0弹性散射弹性散射相当于相当于光子光子外层电子外层电子束缚弱束缚弱光子光子自由电子自由电子光子能量减少光子能量减少电子获得能电子获得能量反冲量反冲 ,康普顿散射康普顿散射相当于相当于1 1）波长的改变（）波长的改变（ - - 0 0）与物质无关，只）与物质无关，只与角度有关。与角度有关。2 2）原子量越小的物质，康普顿效应越

29、显著）原子量越小的物质，康普顿效应越显著一一定定，轻轻元元素素散散射射一一定定，较较大大0II3 3）入射波波长越短康普顿效应越显著。）入射波波长越短康普顿效应越显著。71时康普顿散射的情况入射，和紫光（光（比较用 )A4000)A5 . 0o2o1X解：波长改变量相同，均为解：波长改变量相同，均为oA048. 02sin22c光光对对X%6 . 95 . 0048. 01对紫光对紫光%0012. 04000048. 02入射光能量较低入射光能量较低)(c时，康普顿效应不显著，将主要时，康普顿效应不显著，将主要观察到光电效应观察到光电效应)(o观察到光电效应。普顿效应不明显，主要或紫外光入射）

30、，康能量较低时（如可见光是显著的。在入射光子才可比拟时，康普顿效应子的康普顿波长只有在入射光波长与电c X射线通过物质时，射线通过物质时，X射线的强射线的强度会衰减。度会衰减。 其中，因其中，因散射散射引起的衰减引起的衰减远远小远远小于于因因吸收吸收导致的衰减量。因此，导致的衰减量。因此，可以近似地认为，可以近似地认为，X射线通过物射线通过物质后其强度的衰减是由于物质对质后其强度的衰减是由于物质对它的吸收所造成的。它的吸收所造成的。X射线与物质的作用射线与物质的作用uxXeII0I0和和Ix分别为入射和透过物分别为入射和透过物质后质后X射线的强度，射线的强度，X为厚为厚度。度。 衰减的程度可以

31、用吸收系数来表征衰减的程度可以用吸收系数来表征：X射线与物质的作用射线与物质的作用u为物质的线吸收系数为物质的线吸收系数 意义意义：当：当X射线通过物质时，在射线通过物质时，在X射线传播方向上，射线传播方向上，单位长度上单位长度上X射线强度的衰减程度射线强度的衰减程度（cm-1)。它。它与物质的与物质的种类、密度和种类、密度和X射线的射线的波长波长有关。有关。X射线与物质的作用射线与物质的作用 单位为单位为cm2/g, 则：则： 实际中最常用的是物质的实际中最常用的是物质的质量吸收系数质量吸收系数um为物质的密度。质量吸收系数的为物质的密度。质量吸收系数的意义意义是是单位质量物质对单位质量物质

32、对X射线的衰减程度。射线的衰减程度。 mxmxeII0X射线与物质的作用射线与物质的作用 质量吸收系数与物质的密度和状态质量吸收系数与物质的密度和状态无关无关，而与物质的原子序数（即原，而与物质的原子序数（即原子的种类）和入射子的种类）和入射X X射线的波长射线的波长有有关关。它们的关系为：。它们的关系为： K K为常数。为常数。质量质量吸收系数反映了不同物质对吸收系数反映了不同物质对X X射线的吸收程度。射线的吸收程度。 33ZKmX射线与物质的作用射线与物质的作用 1）吸收系数随）吸收系数随波长的增大而增波长的增大而增大大, 且在一定区间内是连续变化且在一定区间内是连续变化的。这是因为的。

33、这是因为X射线的波长越长射线的波长越长越容易被物质所吸收。越容易被物质所吸收。X射线与物质的作用射线与物质的作用2）在某些波长的位置上产生跳跃式的）在某些波长的位置上产生跳跃式的突变。即突变。即吸收限吸收限或或激发限激发限的存在。的存在。如果吸收体中是由两种以上的元素如果吸收体中是由两种以上的元素组成的化合物或混合物、或溶液，其组成的化合物或混合物、或溶液，其总的质量吸收系数为：总的质量吸收系数为： um=w1um1+ w2um2+ + wpump w1 , w2 和和wp 为该吸收体中各组分的质量分为该吸收体中各组分的质量分数数 um1 , um2 和和ump为该吸收体中各组分的质量为该吸收

34、体中各组分的质量吸收系数吸收系数 X射线与物质的作用射线与物质的作用 计算计算SiO2对对Cu的的K辐射的质量吸收辐射的质量吸收系数（系数（1.5418 ）已知原子量）已知原子量Si=28.08, O=16.0。AX射线与物质的作用射线与物质的作用例题例题：则则SiO2的质量吸收系数为：的质量吸收系数为： 解：查附表解：查附表2得得Si、O对对Cu的的K辐辐射的质量吸收系数射的质量吸收系数m（Si）=60.3, m（O）12.7).(09.350 .16209.287 .120 .1623 .6009.282)(2gcmSiOm光电效应光电效应 以光子以光子激发原子所发生的激发和激发原子所发生

35、的激发和辐射过程。辐射过程。 当一个具有足够能量的当一个具有足够能量的X射线光射线光子与物质中的原子相互碰撞时，从原子与物质中的原子相互碰撞时，从原子内部（子内部（ 例如例如K层）击出一个电子，层）击出一个电子，同时发生辐射而产生特征同时发生辐射而产生特征X射线。被射线。被击出的电子称为击出的电子称为光电子光电子；所辐射的；所辐射的次次级级X射线射线称为标识称为标识X射线或射线或荧光荧光X射线射线。X射线与物质的作用射线与物质的作用hchWKX射线与物质的作用射线与物质的作用hchWeVKK)(4 .12nmVeVhcKKKX射线与物质的作用射线与物质的作用lk k 从激发光电效应的角度说，从

36、激发光电效应的角度说，称为称为激发限波长激发限波长，意义是只有入，意义是只有入射的射的X X射线波长达到或小于它时，射线波长达到或小于它时，才能激发物质的二次特征才能激发物质的二次特征X X射线。射线。从从X射线被吸收的角度看，称为射线被吸收的角度看，称为吸收吸收限波长限波长。意义是当入射的。意义是当入射的X射线的波长达射线的波长达到它时，入射到它时，入射X射线将被该物质强烈吸收，射线将被该物质强烈吸收，并产生光电效应。并产生光电效应。 在不同的场合，对于在不同的场合，对于K K 有不同的要求：有不同的要求：衍射分析中衍射分析中，荧光，荧光X X射线增加衍射花样的射线增加衍射花样的背底，因此要

37、尽量避免。背底，因此要尽量避免。( (阳极材料的阳极材料的K K 大于样品物质的大于样品物质的K K) ) X X射线荧光分析中射线荧光分析中，希望得到尽可能强的，希望得到尽可能强的荧光荧光X X射线，因此，激发源的射线，因此，激发源的K K 应小于应小于样品物质的样品物质的K KX射线与物质的作用射线与物质的作用 处于电离态的原子中的电子发生处于电离态的原子中的电子发生能级跃迁（退激）时，所释放的能能级跃迁（退激）时，所释放的能量使另一核外电子被电离，此电子量使另一核外电子被电离，此电子即为俄歇电子。即为俄歇电子。 即：当特征即：当特征X-RayX-Ray光子的能量足够大光子的能量足够大时，

38、可以再次激发原子的外层电子，时，可以再次激发原子的外层电子，使之成为自由电子，并勉出样品。使之成为自由电子，并勉出样品。 俄歇电子的能量范围：俄歇电子的能量范围：501500eV501500eV。 X射线与物质的作用射线与物质的作用l特征X射线与荧光X射线（二次特征X射线）的区别是什么？ X射线衍射分析中，在大多数情况下都射线衍射分析中，在大多数情况下都希望所使用的希望所使用的X射线波长单一，即射线波长单一，即“单单色色”X射线。射线。 利用材料的利用材料的K系吸收限，选择合适的滤系吸收限，选择合适的滤波材料，使吸收限波材料，使吸收限k刚好位于特征刚好位于特征x射线射线的的K及及K辐射之间，能

39、够辐射之间，能够滤掉滤掉K而而K辐辐射强度损失较小射强度损失较小，从而，从而得到单色的得到单色的K Ni 的吸收限的吸收限: 0.14869nm，它对它对0.14869nm波长及稍短波长的波长及稍短波长的X射线有射线有强烈的吸收。而对比强烈的吸收。而对比0.14869稍长的稍长的X射线吸收很小。射线吸收很小。Cu靶靶X射线射线:K=0.15418nm K=0.13922nm l滤波片的选用原则滤波片的选用原则 滤波片的材料依靶的材料而定滤波片的材料依靶的材料而定。 当当Z Z靶靶4040时，时， Z Z滤滤=Z=Z靶靶-1 -1 当当Z Z靶靶4040时，时， Z Z滤滤=Z=Z靶靶- -2

40、2阳极靶的选择：阳极靶的选择：为避免样品强烈吸收入射为避免样品强烈吸收入射X射线产射线产生荧光幅射，对分析结果产生干扰。生荧光幅射，对分析结果产生干扰。必须根据所测样品的化学成分选用不必须根据所测样品的化学成分选用不同靶材的同靶材的X射线管。射线管。原则是：原则是：Z靶靶Z样品样品+1 l应当避免使用比样品中的主元素的原子序应当避免使用比样品中的主元素的原子序数大数大26（尤其是（尤其是2）的材料作靶材。）的材料作靶材。l例如例如: 铁为主的样品，选用铁为主的样品，选用Co或或Fe靶靶,不选不选用用Ni或或Cu靶。靶。l实际工作中最常用的是实际工作中最常用的是Cu及及Fe和和Co靶。靶。Cu靶

41、适用于除靶适用于除Co、Fe、Mn、Cr等元素为等元素为主的样品。主的样品。xxx 气体探测器X射线射入气体，在离子增殖过程中，受激原子退激，发射紫外光子，这些光子射到阴极上产生光电子，光电子向阳极漂移，又引起离子增殖，于是在管中形成自激放电。为了使之能够计数，计数器中充有有机气体或卤素蒸气，能吸收光子，起到猝熄作用 正比计数器盖革计数器闪烁计数器它是由闪烁体(也称荧光体)和光电倍增管构成它的工作原理是：射线在闪烁体中产生的光子，打到光电倍增管的阴极上产生光电子，光电子的电子流通过倍增管放大并被阳极接收，形成了一个电脉冲l由辐射源发出的高能粒子流l射线l 射线l中子流既电磁辐射也是电离辐射l最

42、初的物理阶段：只持续很短的时间（10-16秒），在这一瞬间能量沉积在细胞内并引起电离。l物理化学阶段：大约持续10-16秒。在这段时间中，离子与其他水分子相互作用形成一些新产物。l化学阶段：持续几秒钟，在此期间，反应产物与细胞的重要有机分子相互作用。自由基和氧化剂可能破坏构成染色体的复杂分子。l生物阶段：在这个阶段，时间长短从几十分钟变化到几十年，这要看特定的症状而定。可能导致：细胞早期死亡；阻止细胞分裂或延迟细胞分裂；细胞永久性的变形，一直可持续到子代细胞。110继发反应DNA分子受损伤DNA分子修复错误基因突变细胞变异细胞死亡生殖细胞体细胞致癌效应临床可见损伤生物体死亡遗传效应与DNA分子

43、反应电离辐射DNA分子吸收能量水分子吸收能量DNA分子被激发电离水分子被激发电离可扩散的自由基DNA分子的原发损伤辐射诱发损伤形成过程示意图113l定义：在质量为dm的某体积元空气中放出的全部电子完全被空气阻止时，若所形成的同一种符号的离子总电荷的绝对值为dQ，则dQ/dm称为该射线的照射量。用X表示。 则：X dQ/dml单位（SI）：库/千克，C/kg， 或X射线在1千克干燥的、标准状态下的空气中产生电离电荷为1库伦的正离子和等量负离子的照射量，称为1库/千克。l照射量是用电离电荷的数量来衡量的。因为在空气中产生一对离子所需吸收射线的能量是一定的，所以照射量与空气对射线的能量吸收密度有对应

44、的关系。l照射量是专对或X射线而言的物理量。l 或X射线通过物质时，由光电效应、康普顿效应、或电子对效应等产生电子，从而使射线的能量有所损失。所产生的电子还可使物质产生次级电离。l或X射线的照射量就是根据光子所引起的电离的能力来定义的。l照射量的老的专用单位是伦琴（R）， 1伦琴（R）2.58 10-4库/千克l照射量率：单位时间内的照射量 单位：库/千克. 秒，C/kg.s 老的专用单位：伦琴/时，微伦/秒l定义：设致电离辐射给予某物质质量元dm的平均能量为d ，则称 D d / dm 为吸收剂量。l单位（SI）：戈瑞（Gy），每千克物质吸收辐射能量为1焦耳的吸收剂量为1戈瑞。 1Gy1J/

45、kgl吸收剂量老的单位为拉德（rad），每千克物质吸收辐射能量为0.01焦耳的吸收剂量为1拉德。 1rad0.01Gyl与照射量的概念相比，生物效应与吸收剂量的概念联系的更紧密一些。l吸收剂量率：单位时间的吸收剂量称为吸收剂量率 单位：戈瑞/秒，Gy/s 老的单位：拉德（rad）/秒，毫拉德/小时，等。Dl因为不同种类或能量的辐照下，不同机体组织、器官即使吸收剂量相同辐射所生的有害影响并不相同， 例如：在1伦琴照射量的照射下，每千克人体组织、骨骼及水所吸收的能量分别为9.6510-3J，1.610-2J ，1.010-2 J 。所以在未加说明的情况下单用吸收剂量D并不能对辐射引起的健康方面的有

46、害效应作出正确估计。l定义：设机体组织中某一点的剂量当量为H， 则：HDQN D为吸收剂量，Q为品质因数，N为其他修正因数的乘积l单位（SI）：希沃特，Sv 剂量当量（Sv）吸收剂量（Gy）Q Nl老的单位：雷姆，rem 剂量当量（rem）吸收剂量（rad）Q 1 Sv=1J/kg=100 rem （ICRP指定N为1）l分倍数：在原来单位之前加上词头毫（m）（千分之一），及加上微（）（百万分之一）l剂量当量率：单位时间的剂量当量。l单位：Sv/s，rem/m辐射类型Q 值X、射线1热中子2.3快中子和质子10粒子20l隐蔽不一察觉l损伤性非常大l与辐射的剂量以及部位有很大关系l对分裂的细胞的

47、杀伤尤为严重l充分认识其危害l要有良好的安全意识l采用适当的方法131电离辐射标志电离辐射标志132警告标志的含义是警告标志的含义是使人们注意可能发使人们注意可能发生的危险。生的危险。133 国际原子能机构（国际原子能机构（IAEA）和国际标准化组织）和国际标准化组织(ISO)2007年年2月月15日宣布启用一个新的放射性物质危险警告标志日宣布启用一个新的放射性物质危险警告标志（ISO 21482: 2006）。）。 新标志将是对传统辐射警告标志的补充，但无意取代新标志将是对传统辐射警告标志的补充，但无意取代基本的电离辐射标志（基本的电离辐射标志（ISO 361）。）。 新标志用以识别可导致死

48、亡或严重损伤的危险源，即新标志用以识别可导致死亡或严重损伤的危险源，即类、类、类和类和类放射源，例如辐照装置、远距放射类放射源，例如辐照装置、远距放射治疗源、工业治疗源、工业射线探伤源等。将该标志设置在贮源装射线探伤源等。将该标志设置在贮源装置的表面，以警告人们不要试图拆卸装置或靠近该装置的表面，以警告人们不要试图拆卸装置或靠近该装置。这个标识在正常使用的情况下是不可见的，但是置。这个标识在正常使用的情况下是不可见的，但是如果有人试图拆卸含有放射性物质的设备，它就会显如果有人试图拆卸含有放射性物质的设备，它就会显露出来。露出来。 该标志不应设置在建筑物入口的门上，也不应设置在该标志不应设置在建

49、筑物入口的门上，也不应设置在运输货包或集装箱表面。运输货包或集装箱表面。 134l P16 习题习题 5、6l补充补充： 一、在一、在X X射线衍射分析实验中选射线衍射分析实验中选择择靶材靶材以及滤波片的原则是什以及滤波片的原则是什么？已知一个以么？已知一个以Fe为主要成分为主要成分的样品，试选择合适的的样品，试选择合适的靶材靶材和和合适的滤波片。合适的滤波片。lare dependent upon:Total energy depositedDistribution of deposited energyLow dose, low-dose rate radiation exposure.

50、The effects are in great dispute. It is thought that the effects of a protracted dose of radiation are not as great as with an acute dose because of biological repair mechanisms.lSensitivity of the unbornRapidly dividing cells are radiosensitivelPotential effectsLow birth weight - (most common)Menta

51、l retardationChance of childhood cancer lMost radiation overexposures from analytical x-ray equipment are to the extremities. lFor x-rays of about 5-30 keV, irradiation of the fingers or hands does not result in significant damage to blood-forming tissue.lAt high exposures some general somatic effec

52、ts to the skin can occur. Very high exposures may necessitate skin grafting or amputation of the affected extremity. lBiological effects can be observed at 10 rem in special blood studies. Typically effects are visually observed at 50 to 100 rem.lMost nerve endings are near the surface of the skinlH

53、igh energy x-rays penetrate the outer layer of the skin that contains most of the nerve endings so one does not feel an X-Ray burn until the damage has been donelX-rays penetrate to the deeper, basal skin layer, damaging or killing the rapidly dividing germinal cells, that are destined to replace th

54、e outer layers141 2、修复。当吸收的辐射剂量达到一定水平时，细胞核内的DNA即可由于辐射的直接作用或者间接作用而受到损伤，但在某些剂量下机体能通过自身的代谢过程对受损伤的细胞或局部组织（器官）进行修复。这种修复作用程度的大小，既与原初损伤的程度有关，又可能因个体间的差异而有所不同。近年来的实验表明，某些抗放药物对于加强和促进细胞损伤的修复有着明显的作用。142 如果细胞变异出现在体细胞，就有可如果细胞变异出现在体细胞，就有可能使细胞变得具有肿瘤（癌）细胞的性质能使细胞变得具有肿瘤（癌）细胞的性质，即辐射的致癌作用。，即辐射的致癌作用。 如果出现变异的细胞是生殖细胞（精如果出现

55、变异的细胞是生殖细胞（精细胞或卵细胞、或两者），则变异的影响细胞或卵细胞、或两者），则变异的影响将会在由这种生殖细胞产生的胚胎以及其将会在由这种生殖细胞产生的胚胎以及其繁衍的所有的后代中表现出来，这就是辐繁衍的所有的后代中表现出来，这就是辐射的遗传效应。射的遗传效应。143三、三、 造成辐射损伤的类型造成辐射损伤的类型 射线对人体的危害，通常按照射方式可分为大剂量急射线对人体的危害，通常按照射方式可分为大剂量急性照射和小剂量慢性照射。性照射和小剂量慢性照射。 1、大剂量急性放射损伤、大剂量急性放射损伤 大剂量急性外照射辐射损伤是指人体一次或数次接受大剂量急性外照射辐射损伤是指人体一次或数次接受到总剂量超过到总剂量超过1Gy的急性照射所引起的损伤。当人体全身的急性照射所引起的损伤。当人体全身受到均匀性或者不均匀性照射后可引起全身性辐射损伤，受到均匀性或者不均匀性照射后可引起全身性辐射损伤，而在人体的某一器官和组织（如在肿瘤病人接受放射治疗而在人体的某一器官和组织（如在肿瘤病人接受放射治疗时）受到急性照射后可引起局部性辐射损伤。大剂量照射