《现代分析测试》课件02-03 X射线的物理基础

1、第一章 X射线的性质X射线于1895年由德国物理学家伦琴（Rontgen）在研究真空管高压放电现象时无意发现。X射线或者伦琴射线伦琴第一位诺贝尔奖获得者（1901）发现三个月后就得到了应用维也纳医院第一张人手X光照片（伦琴夫人，1895年）Wilhelm C. Rntgen德国物理学家(18451923） 1.1 X射线的发现W. C. Rntgen（18451923）Wilhelm Conrad Rntgen discovered the X-rays in 1895. In 1901 he was honoured with the Nobel prize for physics. In

2、1995 the German Federal Mail edited a stamp dedicated to W. C. Rntgen. X射线的物理学基础X射线的本质 X射线是一种本质与可见光完全相同的电磁波或电磁辐射，只不过X射线是由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作用而产生的，因此能量大，波长短（0.1-10 nm），穿透物质的能力强。1029 104 106 107 108 1012 1013 1015 波长，米 晶体衍射用X射线（0.050.2 nm）：硬X射线 金属探伤X射线（ 0.0050.1 nm ）：硬X射线 医用X射线（0.5 nm）：软X射线 无线电波 红外线 可见

3、光 紫外线 X射线 射线 宇宙射线 X射线的物理学基础德国维尔茨堡大学W.C伦琴教授1895.12.281896.3.9发表三篇论文，论述它的性质：1，像可见光一样直线传播，经电场不发生偏转。2，有很强的穿透能力，基本上所有物质它都能够透过。3，使萤光物质发光，使气体电离。4，使照相底片感光，而人的肉眼无法直接观察到它。X射线的性质X射线为研究材料的微观特性开辟了一个新的途径瑞典皇家科学院院长奥得纳(C.T.Odher)在伦琴获诺贝尔奖的致词中说：对于这种能量辐射的真实组成，目前尚不清楚，然而，伦琴本人和后来从事这方面研究的其他科学家已发现了它的若干特殊性质。毫无疑问，当人们充分研究这种奇异的

4、能量形式并全面探索它的广阔应用领域时，物理科学将取得许多成就。X射线的性质X射线医用成像 X射线的发现和研究历程1895年，伦琴发现X射线(1901年)1907年，亨利布拉格（1915）和巴克拉（1917）争论X射线 的波粒二象性。1912年，劳厄（1914）发现X射线衍射，由此确定了X射线的 波动性。1913年，劳伦斯布拉格（1915）提出X射线衍射公式，亨利. 布拉格创建X射线分光仪。1913年，莫塞莱确定X射线标识谱线的规律性。1917年，康普顿（1927）研究X射线散射，发现康普顿效应。1921年，凯西格班（1924）发表X射线光电子能谱学成果。 与X射线有关的诺贝尔奖 晶体结构分析

5、X射线衍射学 物相分析 精细结构(EXAFS) 晶体取向与织构 X射线影像学 无损检测 X射线能谱学 化学成分分析X射线在材料科学中的应用 波粒二象性是X射线的客观属性1.2 X射线的物理性质1）X射线具有波动性，有一定的频率和波长，反映物质的连续性。 现象表现为晶体衍射。2）X射线具有粒子性，是具有一定能量光子组成的粒子流，反映物质运动的分立性。 现象表现为光电效应和荧光辐射。已出现的设想：晶体中呈有规律、周期性排列，组成三维原子网络，以上未能得到实验证实。证明X射线的波动性Laue根椐理论分析预测提出：晶体中原子间距与X射线波长相近，应当可以作为使X射线发生衍射的立体光栅。晶体的晶面间距是

6、10-10 m,与X射线的波长（ 210-10 m ）相当。一箭双雕的实验：X射线的本质是短波电磁辐射； 晶体结构中点阵的假设是正确的。劳厄（Laue）实验（1912） ZnS 的劳厄衍射照片显示其四重对称轴显示其三重对称轴ZnS 的劳厄衍射结果解析光电效应：入射X射线产生光电效应和荧光辐射的条件与频率(波长)有关，而与强度和照射时间无关。实验证明X射线的粒子性康普敦效应：在光的散射过程中,有些散射波的波长比入射波的波长略大。 X射线的频率、波长以及其光子的能量、动量p之间存在如下关系： = h=hc/ p=h/ 式中h普朗克常数，等于6.62510-34 J.s; cX射线的速度，等于2.9

7、981010 cm/s.相关习题1.试计算波长0.71 （Mo-K）和1.54 （Cu- K）的X射线束，其频率和每个量子的能量？=c/ = h=hc/ 1.3 X射线的产生及X射线管 产生原理： 高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99左右）能量转变成热能使物体温度升高。X射线产生的几个基本条件 产生自由电子； 使电子作定向的高速运动; 在其运动的路径上设置一个障碍物 使电子突然减速或停止。 X射线管的结构阴极：又称灯丝(钨丝)，通电加热后便能释放出热辐射电子。阳极：又称靶，通常由纯金属制成(Cr,Fe,Co,

8、Ni,Cu,Mo,Ag,W等)，使电子突然减速并发射X射线。阳极需要水强制冷却。窗口：是X射线射出的通道，维持管内高真空，对X射线吸收较少，如金属铍、含铍玻璃、薄云母片。 封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管。真空度不低于1.310-3paX射线管 1）旋转阳极的X射线管 充分散热，提高X射线管的功率（3KW 90KW ）。2）细聚焦X射线管 利用电磁透镜聚焦电子束，制成细焦点的X射线（最小 几个微米），提高X射线管的比功率和实验分辨率。3) 同步辐射光源特殊结构的X射线管X射线管中的焦点焦点是阳极靶表面被电子束轰击的一块面积，X射线从中发出。在X射线衍射中，希望有:1.较小的焦点,提高

9、分辨率.2.较强的X射线强度,缩短爆光时间。靶的焦点形状及接收方向一般采用在与靶面成一定角度的位置（36度）接受X射线，这样可以达到焦点缩小，相应增强X射线的目的。1.4 X射线谱X射线谱：在不同管电压下所测得的X射线强度随波长而变化的关系曲线。它由两部分组成。连续X射线谱：特征是各种波长连续变化，与可见光类似，也称白色X射线。特征X射线谱：也称标识谱，特征是某些特定波长，其强度较高并叠加在连续X射线谱上。特征X射线谱线的波长决定于靶料，每个元素有一套一定波长的X射线谱，成为这个元素的标识。X射线谱0.01.02.03.0l in X-ray intensity (arb. units)012

10、3456KaKb5 kV10 kV20 kV25 kVCharacteristicradiationContinuous radiationor bremsstrahlunglmin15 kV 连续X射线谱的产生机理1）经典动力学解释 高速运动的电子到达靶材，导致周围电磁场的急剧变化，产生电磁波。2）量子理论的解释高速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出去，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射线。绝大多数到达靶上的电子时间和条件不一样，并且电子要经过多次碰撞，逐步把能量释放到零，产生能量各不相同的辐射，因此形成连续X射线谱。假设电子在一次碰

11、撞中将全部能量一次转换为一个光量子，这个光量子具有最高能量和最短波长。将各常数代入上式：连续谱短波限0只与管电压有关，与管电流和靶材无关。连续X射线谱短波限相关习题1.试计算用50千伏操作时，X射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的X射线短波限为多少？ X射线的强度 X射线的强度是指垂直X射线传播方向的单位面积上单位时间内所通过的所有光子能量总和。常用的单位是J/cm2s。 X射线的强度（I）是由单个光子能量h和数目n两个因素决定的，即I=nh。 连续X射线强度最大值在1.50，而不在0处。连续谱强度分布曲线下所包络的面积与在一定条件下单位时间发射的连续X射线总强度成正比.其中,i是管

12、电流,V是管电压,Z为阳极靶的原子序数,其余为常数,mi=2X射线管发射连续X射线的效率:当用钨阳极(Z=74),管电压为100 kV, 约为（1.11.4）10-9,此时, =1%.为获得强的连续X射线谱,常选用原子序数较大的元素和较高的电压值。如选用W靶，在60-80kV管电压下工作。 X射线的强度管流、管压及阳极物质对连续谱的影响特征（标识）X射线谱0.01.02.03.0l in X-ray intensity (arb. units)0123456KaKb5 kV10 kV20 kV25 kVCharacteristicradiationContinuous radiationor

13、bremsstrahlunglmin15 kV特征（标识）X射线谱的产生机理标识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。特征X射线产生的示意图如 L层电子跃迁到K层,此时能量降低为:以一个光量子的形式辐射出来变成光子的能量:对于原子序数为Z的物质而言,各原子能级所具有的能量是固定的,所以,kL变为固定值.也随之固定。这就是特征X射线波长为定值的原因。特征（标识）X射线谱的产生机理 K系激发原理 核外电子分层排布 K L M N O P 层 低 各层电子的能量 高 高 原子对各层电子的结合能 低X光量子的能量仅与原子内各层能态有关，它标识着原子的特征。一般选用K作为辐射源，因为L和M

14、系射线由于波长太长，容易被吸收。辐射源的选择1) 需要最低的管电压V激（激发电压），它由阳极靶的原子序数Z决定。2) 阳极靶不同，特征X射线谱的波长也不同。3) 连续谱只增加衍射花样的背底，不利于衍射分析，因此希望特征谱线强度与连续谱线强度之比越大越好。一般工作管电压为K系激发电压的35倍，I特/I连最大。特征X射线谱的几个特点Mo靶X射线管的X射线强度曲线莫塞莱定律特征X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。特征X射线谱的频率与原子序数Z关系可以通过莫塞莱定律描述：K 和是两个常数。莫塞莱定律是X射线荧光光谱和电子探针微区成分分析的理论基础。通过未知物质的特征

15、X射线进行晶体衍射，算出特征X射线的波长，再根据上式算出原子序数Z。Ce和Hf两元素由此得到验证，同时，镍元素（28）与钴元素（27）的排列位置相互对易。原子序数与标识X射线谱波长的关系 Moseleys Law莫塞莱定律1.5 X射线与物质相互作用 X射线与物质相互作用时，产生各种不同和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，可分为三部分：一部分被散射（相干散射和非相干散射）一部分被吸收（真吸收光电效应、俄歇效 应、正电子吸收、荧光X射线、热散能量）一部分透过物质继续沿原来的方向传播 （波长改变和不改变部分）X射线与物质相互作用 相干散射原子中的内层电子在入射X射线的作用下，围绕

16、其平衡位置发生受迫振动。此时电子向四周辐射X射线散射波。如果出射X射线振动方向相同，频率相同、位相差恒定,可以发生干涉现象，称为相干散射。相干散射是晶体衍射的物理基础非相干散射（康普顿散射） X射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞时电子获得一部分动能成为反冲电子，X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。准直系统入射光 0 散射光探测器石墨散射体2康普顿研究X射线在石墨上的散射波长的改变值（nm）：非相干散射会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。又称为量子散射非相干散射（康普顿-吴有训效应） X射线的吸收X射线通过均匀物质,其强度的衰减符合下式:其中为线吸收系数,

17、它的意义是在X射线的传播方向上,单位长度上的X射线强度衰减程度。它与物质种类，密度和X射线波长有关。为便于处理,令:m为质量吸收系数,它的物理意义是单位重量物质对X 射线的衰减量.由于不同物质的吸收系数（）和Ix不同，由此可以进行生物体透射和工业探伤研究。对于多种元素以上的物质的吸收系数,可以通过下式得到:I0 是入射X射线强度，Ix是入射X射线在穿过厚度为X的物质后的强度。 X射线的吸收课题练习例：CuO，计算其对Mo K,=0.711埃的质量吸收系数解：由附录2查知 ，Cu及O的原子量 分别为63.54和16，故Cu在CuO的重量比为80，O 在CuO的重量比为20，因此： X射线的吸收

18、物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗，它分为两类：1）原子对X射线的漫散射（小部分能量损失）。2）真吸收（大部分能量损失）。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。 二次特征辐射 俄歇(Auger)效应 X射线的吸收 二次特征辐射（荧光辐射）以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程成为光电效应。被击出的电子称为光电子，辐射出的次级标识X射线称为二次特征X射线或荧光X射线 。一次特征X射线的部分能量转变为所照射物质的二次特征辐射，体现出物质对入射X射线的吸收。产生荧光辐射的 条件入射光子需满足一定的能量条件，hn=Wk因Wk=eUk

19、，n=c/lhc/l=eUk，所以l=hc/eUk=1.24/Uk=lk此处lk称为激发限或吸收限电子从高能级跃迁到低能级而被电离出来的电子称为俄歇电子。也就是说K层的一个空位被L层的两个空位所代替。俄歇电子具有很低的固有能量，固体内部的俄歇电子很难跑到表面来，因此特别适合做表面分析（23层原子）。俄歇效应Auger 电子X-ray 光子Auger 电子和X-ray 光子的激发过程X射线衍射分析中，需要接近单色或者波长较单一的射线。而一般K系特征谱包括两条Ka、Kb，产生两套衍射花样，相互干扰，必须滤掉一条。研究表面质量吸收系数为m、吸收限为K的物质可以强烈吸收=K的入射X射线。吸收限的应用：滤波片KaKb1.21.41.61.8l in (a) No filterKbKaK absorpti