第一章X射线物理基础

1、第一篇材料第一篇材料X射线衍射分析射线衍射分析第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 X射线的性质射线的性质 X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 1. 1X射线的性质射线的性质 一、射线的本质一、射线的本质-电磁波电磁波 1. 波长波长 介于紫外线、射线之间,0.001-10nm或0.01- 100A0-晶体衍射: 0.52.5 A0,金属无损探伤:0.05-1 A0.短波长-硬X射线,反之-软X射线.二、二、 X射线的性质射线的性质 1. 不可见、强穿透性不可见、强穿透性 2. 波粒二象性波粒二象性波动性波动性:一定的波长或频率

2、在空间以光速直线传播.= c/.粒子性粒子性(微粒性微粒性): X射线是由大量以光速运动、且不连续的的粒子(光子)流组成,每个光子的能量为：=h c/ .(h:普朗克常数6.6251034J.S.)X射线强度射线强度:单位时间通过垂直X射线传播方向的单位面积的光子能量总和. I= n. A02 (n:单位时间穿过单位面积的光子数)1.21.2X X射线的产生及射线的产生及X X射线谱射线谱一、射线的产生及一、射线的产生及X X射线管射线管 1. X1. X射线管构造射线管构造 2.2.特殊结构的特殊结构的X射线管介绍射线管介绍 X射线管功率愈大, X射线强度愈大,分析精度愈高.但99%ev热能

3、靶座不易散出,故固定靶管功率不能无限提高(Wmax=3KW). (1) 旋转阳极旋转阳极X射线管射线管: 阳极靶以(2000-10000r/h)旋转, Wmax可提高.(2) 细聚集细聚集X射线管射线管: 阴、阳极间加静电透镜或磁透镜,使电子束聚集,焦斑尺寸下降, X射线截面减小,在单位时间射出的光子数不变时, X射线管强度提高.二、二、 X射线谱射线谱 仪器检测仪器检测X X射线管发出的射线管发出的X X射线波长及其强度射线波长及其强度, ,得得到到-I-I谱线谱线. .即即X X射线强度随波长而变化的关系曲线射线强度随波长而变化的关系曲线. . 阳极靶发射出来的阳极靶发射出来的X射线由两部

4、分组成：射线由两部分组成： 连续连续X射线谱射线谱： 从某一短波限。开始，直至波长等于无穷大的一系列波长。 特征特征X射线：射线： 具有一定波长的特强X射线，叠加于连续X射线谱上。一一.连续连续X射线谱射线谱(多色多色X射线射线) 二特征（标积、单色）二特征（标积、单色）X射线谱射线谱 1定义定义：当管电压达到阳极材料某特征UK时，在某特定波长范围处，产生的强度特别大的谱线。此波长反映了阳极靶的特性，与U、I无关，仅取决于阳极靶Z. 2.2.产生机理：产生机理： h=wn2 - - wn1= (- - En2)-(-(-En1 ) =En1 -E-En2n2原子n壳层电子能量 En= me4(

5、Z)2/80h2n2. . 当(n2壳层n1壳层跃迁),辐射的特征X射线能量为: 莫塞莱定律莫塞莱定律: h=En1En2 = 212222204118nnzhme= = = 121223204118nnchmezZK2= 注：注：特征特征X射线波长取决于阳极射线波长取决于阳极Z、何激发、何激发 态、原子跃迁层态、原子跃迁层 3.特征特征X射线谱的类型射线谱的类型 K系系: LK, K 其中： LK1 ，LK2 K1K2, IK1=2IK2 3221KK K= M MK, K。 K K IK=5IKL L系：系：MLML，；，；NLNL，等，等4特征特征X射线谱强度射线谱强度 mnUUiKI3

6、特 :阳极原子n层的特征激发电压。m常数(K系，m=1.5,L系，m=2). 注：多晶衍射分析利用K系特征X射线谱，连续X射线谱产生背影。希望。当=3-5时，获最大值。 nU1.3 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 X射线与物质相遇射线与物质相遇,发生透射、吸收、散射发生透射、吸收、散射.因吸因吸收、散射使穿过物质的收、散射使穿过物质的X射线强度减弱射线强度减弱. 1.3.1 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 一一. X射线的散射射线的散射相干散射相干散射-衍射基础衍射基础X射线与物质原子内层电子相撞射线与物质原子内层电子相撞,入射光子的能量入射光子的能量全部转给相撞电子全

7、部转给相撞电子,在在X射线电场作用下射线电场作用下,产生强迫产生强迫振动振动,电子电子成为新电磁波源成为新电磁波源,向四周辐射与入射光子向四周辐射与入射光子等波长的电磁波等波长的电磁波. 由于电子间间距恒定由于电子间间距恒定,即同一方向即同一方向各电子辐射的等波长各电子辐射的等波长X射线位相差恒定射线位相差恒定.这样在任这样在任一方向一方向,各电子辐射的各电子辐射的X射线符合光学干涉条件射线符合光学干涉条件.在在一些方向干涉波相互减弱一些方向干涉波相互减弱 ，或抵消或抵消,有些方向相互有些方向相互加强加强.当入射当入射X射线为非偏振时射线为非偏振时,在离电子在离电子R的空间的空间P点处点处,一

8、个电子的相干散射一个电子的相干散射X射线强度为射线强度为： 1. 1. 其中： 一个电子的散射因数( 2=7.941030m2). -偏振因子. 时, 1, 可见相干散射使透射强度减弱. 2122cos142202222020COSRIfmeuRIIeeefef2cos12000IIe二、二、X射线的真吸收射线的真吸收 1.光电效应光电效应. 当入射光子的能量等于或大于碰撞体原子某壳层电子的结合能时,光子被电子吸收,获得能量的电子从内层溢出,成为自由电子,即光电子,高能量层电子填补激发态空位,能量差以X射线形式辐射,称为荧光或二次标识X射线,该现象称为光电效应. 产生条件产生条件-入射入射X射

9、线的波长要求（短射线的波长要求（短波限）波限）： )(24. 1nmVeVhcKKK2.俄歇效应俄歇效应 高能量层电子填补激发态空位,能量差被空位层邻近电子或较外层电子吸收，使该电子受激发逸出原子成为自由电子，即俄歇电子。 光电子发射 荧光射线 俄歇效应三三X射线的衰减规律射线的衰减规律 X射线通过物质时，因散射、光电俄歇效应、热效应，使沿入射线方向强度减弱。 XlXXduIdItuleII0tumeII01.3.21.3.2吸收限的应用吸收限的应用 一、滤波片的选择一、滤波片的选择 作用：滤去作用：滤去 线线滤波材料滤波材料k:k: KKK且 尽量靠近 KK K滤波片厚度滤波片厚度: :KKII