X射线的产生及其物理作用实用教案

1、 18951895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现X X射线，至今因应射线，至今因应用用X X射线研究取得成果而获诺贝尔奖的高达射线研究取得成果而获诺贝尔奖的高达2222个之多，其中物理奖个之多，其中物理奖6 6个，化学奖个，化学奖1212个，生物医学奖个，生物医学奖4 4个。个。 1908190819111911年，巴克拉发现物质被年，巴克拉发现物质被X X射线照射时会产生次级射线照射时会产生次级X X射线。射线。次级次级X X射线除与初级射线除与初级X X射线有关，还与被照射物质组成的元素有关。射线有关，还与被照射物质组成的元素有关。 19121

2、912年，劳厄等提出年，劳厄等提出X X射线是电磁波的假设，并推测波长与晶面间射线是电磁波的假设，并推测波长与晶面间距相近的距相近的X X射线通过晶体时，必定会发生衍射现象，该假设被弗里射线通过晶体时，必定会发生衍射现象，该假设被弗里德利希德利希(W. Friedrich)(W. Friedrich)实验证实实验证实XX射线衍射学射线衍射学 。 英国物理学家布拉格英国物理学家布拉格(Bragg)(Bragg)父子提出了父子提出了X X射线射线“选择反射选择反射”的观的观点，导出了著名的布拉格方程。点，导出了著名的布拉格方程。19131913年据此制作出了年据此制作出了X X射线分光计；射线分光

3、计； 19141914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数(yunz xsh)(yunz xsh)间存在定量对应关系，提出了著名的莫塞莱定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律，诞生了材料物相快速无损检测分析方法xx射线光谱学。射线光谱学。 伟大伟大(wid)的的发现发现第1页/共42页第一页，共43页。一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础二、二、X X射线谱射线谱三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用四、四、X X射线的探测射线的探测(tnc)(tnc)与防护与防护第

4、一节第一节 X X射线的产生射线的产生(chnshng)(chnshng)及其物理作用及其物理作用第2页/共42页第二页，共43页。第3页/共42页第三页，共43页。（1 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：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(zn d)(zn d)）而构成的梯级图形。一般最底层值为0 0。第4页/共42页第四页，共43页。（ 2 2 ） 为 清 晰 准 确 表 征 核 外 电 子 的 运 动 （ 能 量(nngling)(nngling)）状态，提出五个参量：主量子数n

5、 n、角量子数l l、磁量子数m m、自旋量子数s s及自旋磁量子数msms，5 5量子数也相应表征了电子的能量(nngling)(nngling)状态( (能级) )。第5页/共42页第五页，共43页。量量子子数数原子轨道原子轨道电子（壳）电子（壳）层层电子能级电子能级n n电 子 离电 子 离核 的 平核 的 平均距离均距离原子轨道原子轨道离核的平离核的平均距离，均距离，n n越大距越大距离越远离越远电子层离核的电子层离核的平均距离，平均距离，n n相相同的电子分布同的电子分布在同一亚层在同一亚层电子主能级，电子主能级，n n越越大能级越高大能级越高l l电 子 轨电 子 轨道 运 动道

6、运 动角 动 量角 动 量大小大小原子轨原子轨道形状道形状电子亚层（电子电子亚层（电子支壳层），同一支壳层），同一电子层对应于电子层对应于l l的的n n个取值分为个取值分为n n个亚层个亚层亚能级，同一主能亚能级，同一主能级对应级对应l l取值分为取值分为n n个亚能级个亚能级j j越大，越大，亚能级越高亚能级越高m m轨道角动轨道角动量在外磁量在外磁场方向分场方向分量的大小量的大小原子轨道原子轨道在空间的在空间的伸展方向伸展方向电子亚层含有不电子亚层含有不同伸展方向的轨同伸展方向的轨道数道数亚能级的分裂，当有亚能级的分裂，当有外磁场存在时，同一外磁场存在时，同一亚能级对应于亚能级对应于m

7、m的取的取值分裂为值分裂为2l2l1 1个间个间隔更小的能级隔更小的能级表表1. n1. n、l l、m m对核外电子状态的表征对核外电子状态的表征(bio zhn)(bio zhn)意义意义第6页/共42页第六页，共43页。 3. 3. 原子的激发原子的激发 (1) (1)基态：原子核外电子按照能量最低原理、泡基态：原子核外电子按照能量最低原理、泡利不相容原理、洪特利不相容原理、洪特 规则，分布于各能级上，处于规则，分布于各能级上，处于(chy)(chy)能量最低能量最低状态，称为基态。（参见无状态，称为基态。（参见无 机化学）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

8、独自一组四个量子原子中每个电子必须有独自一组四个量子数，数， 一个原子中不可能有运动状态完全相同的一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；两个电子； 能量最低原则：电子总是按能量最低的状态能量最低原则：电子总是按能量最低的状态分布。分布。 洪特规则：由原子光谱的事实总结出的多条规洪特规则：由原子光谱的事实总结出的多条规则。其基本原则是：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独地填入简并轨道 。第7页/共42页第七页，共43页。(2)(2)激发态、激发 原子(yunz)(yunz)由基态转变为高能态（激发态）的

9、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(yunz)(yunz)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） 各层的轨道数为各层的轨道数为n2电子层电子层电子亚层（电子亚层（s.p.d.f.g）不同轨道不同轨道 s亚层亚层 1个轨道个轨道 p亚层亚层 3个，个，px,py,pz d亚层亚层5个，个， dxy,dyz,dzx,dz2,dx2-y2f亚层亚层 7个，个，g亚层亚层 9个个第8页/共42页第八页，共43页。（3 3）激发能电子激发前后(qinhu)(

10、qinhu)所处能级（能量）之差。不稳 定，存在10108 8101010s10s后返回基态。（4 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 5）电离能使原子中电子脱离原子核束缚的能量（eVeV） 分为一次电离、二次电离等。第9页/共42页第九页，共43页。热能热能(rnng)透射透射I0散射散射X X射线射线第10页/共42页第十页，共43页。荧光荧光X X射线（能级差），产生光电效应，射线（能级差），产生光电效应，X X射线波长必须小于吸收限射线波长必须小于吸收限kk。能级差能级

11、差为为周围某壳层上电子吸收受激逸周围某壳层上电子吸收受激逸出成为二次电子出成为二次电子俄歇电子俄歇电子吸收吸收X X光子光子失去内失去内层电子层电子外 层 电 子外 层 电 子填充放能填充放能能级能级(nngj(nngj) )跃跃 迁迁第11页/共42页第十一页，共43页。而磷光的时间长，在而磷光的时间长，在10104 410s10s间。间。第12页/共42页第十二页，共43页。故除单晶衍射外，尽量扣除连续谱，以减轻对分析故除单晶衍射外，尽量扣除连续谱，以减轻对分析(fnx)(fnx)的干扰。的干扰。第13页/共42页第十三页，共43页。第14页/共42页第十四页，共43页。第15页/共42页

12、第十五页，共43页。第16页/共42页第十六页，共43页。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 X射线管剖面示意图射线管剖面示意图第17页/共42页第十七页，共43页。（2 2）软）软X X射线（射线（1010100100）：）：穿透力弱，主要用于医学。穿透力弱，主要用于医学。第18页/共42页第十八页，共43页。第19页/共42页第十九页，共43页。0（ 回车键）第20页/共42页第二十页，共43页。第21页/共42页第二十一页，共43页。第22页/共42页第二十二页，共43页。第23页/共42页第二十三页，共43页。第24页/共42页第二十四页，共43页。第25

13、页/共42页第二十五页，共43页。生K辐射。第26页/共42页第二十六页，共43页。K态（击走K电子(dinz)）L态（击走L电子(dinz)）M态（击走M电子(dinz)）N态（击走N电子）击走价电子中性原子WkWlWmWn0原子的能量（任意键）第27页/共42页第二十七页，共43页。 由能级知由能级知KK辐射光子辐射光子(gungz)(gungz)能量大于能量大于KK光子光子(gungz)(gungz)，但因，但因K K层层与与L L层为相邻能级，层为相邻能级，L L填充几率大，故实际填充几率大，故实际KK强度约为强度约为KK强度的强度的5 5倍。倍。 同理，同理，L L层电子被激发而产生

14、的特征层电子被激发而产生的特征X X射线称为射线称为L L系辐射或系辐射或L L系射线，系射线，L L层内不同亚能级电子向层内不同亚能级电子向K K层跃迁所发射的层跃迁所发射的K1K1和和K2K2的关系是的关系是 K1 K1K2K2， IK12IK2 IK12IK2 对于多重线系，如对于多重线系，如L2L2及及L3L3层电子向层电子向K K层跃迁，形成的层跃迁，形成的KK有如下关系有如下关系 K K2/3K1+1/3K22/3K1+1/3K2第28页/共42页第二十八页，共43页。第29页/共42页第二十九页，共43页。 6 6）标识）标识(biozh)(biozh)谱的强度谱的强度(I(I特

15、特) )随管电压随管电压(V)(V)和管电流和管电流i i的提高而的提高而增大增大 其关系的实验公式为：其关系的实验公式为： I I特特KiKi（V V工作工作VnVn）m m K K常数常数 m m常数，常数，K K系系m m，L L系系m m2 2 Vn Vn标识标识(biozh)(biozh)谱的激发电压，对谱的激发电压，对K K系，系，VnVnVKVK第30页/共42页第三十页，共43页。第31页/共42页第三十一页，共43页。 X X射线与物质发生射线与物质发生(fshng)(fshng)相互作用后，内容和过程复杂，相互作用后，内容和过程复杂，然就其能量转换而言，一束然就其能量转换而

16、言，一束X X光通过物质时，分为三部分：散射、光通过物质时，分为三部分：散射、吸收、透过。吸收、透过。俄歇电子热能热能透射透射X X射线衰减后的强度射线衰减后的强度I0散射散射X X射线射线电子电子荧光荧光X X射线射线相干的相干的非相干非相干 的的反冲电子反冲电子光电子光电子康普顿效应康普顿效应俄歇效应俄歇效应 光电效应光电效应第32页/共42页第三十二页，共43页。第33页/共42页第三十三页，共43页。第34页/共42页第三十四页，共43页。 K K在讨论光电效应产生的条件时叫做在讨论光电效应产生的条件时叫做K K系激发限；若讨论系激发限；若讨论x x射线被射线被物质吸收物质吸收( (光

17、电吸收光电吸收) )时，又可把时，又可把KK叫吸收限。叫吸收限。推倒推倒: : 为产生为产生K K系荧光辐射，入射光子的能量系荧光辐射，入射光子的能量hh必须大于或等于必须大于或等于K K层层电子的逸出功电子的逸出功WKWK，即，即hhhc/eVK hc/eVKK=Khc/eVK hc/eVKK=K 说明：当入射说明：当入射x x射线波长刚好小于等于射线波长刚好小于等于KK时，可发生此种物质对波时，可发生此种物质对波长为长为kk的的X X射线的强烈吸收，而且正好在射线的强烈吸收，而且正好在KK1 12424VKVK时吸收最时吸收最为严重，形成所谓为严重，形成所谓(suwi)(suwi)的吸收边

18、，此时荧光散射也最严重。的吸收边，此时荧光散射也最严重。 第35页/共42页第三十五页，共43页。第36页/共42页第三十六页，共43页。阳极靶的选择：阳极靶波长稍大于试样的阳极靶的选择：阳极靶波长稍大于试样的K K吸收吸收(xshu)(xshu)限，限，Z Z靶靶ZZ试样试样1 1此时：入射此时：入射X X射线不在试样上产生荧光射线不在试样上产生荧光X X射线，吸收射线，吸收(xshu)(xshu)又最小，又最小，减轻衍减轻衍射花样的背底强度。射花样的背底强度。 第37页/共42页第三十七页，共43页。第38页/共42页第三十八页，共43页。第39页/共42页第三十九页，共43页。 吸收限与质量吸收的关系：吸收限与质量吸收的关系： 吸收限由光电效应吸收限由光电效应(un din xio yng)(un din xio yng)引起，由于存在引起，由于存在kk，使，使mm随随的变化不连的变化不连续，其间被尖锐的突变分开。续，其间被尖锐的突变分开。 吸收限与原子能级的精细结构对应。吸收限与原子能级的精细结构对应。3 3）复杂物质的质量吸收系数）复杂物质的质量吸收系数若由若由n n个元素组成，则个元素组成，则 （mm）jj元素元素j j的质量衰减系数；的质量衰减系数；wjwj元素元素j j的质量分数。的质量分数。 第40页/共42页第四十页，共43页。第41页