材料分析方法第一章X射线物理基础课件

第一章X射线物理学基础内容提要：第一节X射线的性质第二节X射线的产生第三节X射线谱第四节X射线与物质的相互作用第五节X射线的衰减规律第六节吸收限的应用第一章X射线物理学基础X射线物理学基础X射线学的分支X射线透射学X射线衍射学X射线光谱学第一章X射线物理学基础X射线物理学基础第一节X射线的性质

X射线的波长范围：10-3～10nm。一、X射线的性质①不可见，但它能使一些气体或其他物质电离，使照相底片感光，使荧光物质发光。②穿透性强，并可被物质吸收和散射。软X常用于晶体的X射线衍射分析。硬X射线常用于金属零件的探伤和医学上的透视分析。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础二、X射线的本质1、X射线的本质也是电磁波，即也是一种无静止质量并以光速运动的光子。

第一章X射线物理学基础X射线物理学基础2、X射线的波粒二象性波动性的表现：以一定的频率和波长在空间传播，例如以晶体作衍射光栅时观察到的X射线的衍射现象；描述波动性的物理量：频率ν、波长λ粒子性的表现：以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量，如光电效应等。描述粒子性的物理量：能量E、动量P第一章X射线物理学基础X射线物理学基础波动性和粒子性之间存在下述关系：0.05~0.25nm范围适于

结构分析0.005~0.1nm范围适于

探伤分析第一章X射线物理学基础X射线物理学基础电子式X射线管产生X射线的条件：(1)

产生电子的电子源；(2)

使电子作定向高速运动；(3)

在高速电子流的运动路径上设置障碍物，使电子突然受阻。(4)

封闭在高真空中，真空度高于10-3Pa。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础二、X射线管1、封闭电子式X射线管的结构封闭电子式X射线管与其结构示意图第一章X射线物理学基础X射线物理学基础(1)

阴极：钨丝；加热钨丝发射热电子；(2)

阳极/靶：使电子突然减速并发射X射线的地方。不同的靶面材料用于获得不同波长的X射线。

(3)

阴极和阳极之间的高压使电子作定向高速运动；(4)

阴、阳极都密封在高真空管中，真空度>10-3Pa。其他组成部分：金属聚焦罩、冷却水、铍窗口。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础由热阴极X射线管发出的X射线分为两种类型：(1)连续X射线谱；(2)特征X射线谱（又称标识X射线谱）。它们对应两种X射线辐射的物理过程。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础一、连续X射线谱1、定义X射线谱中，强度随波长连续变化的部分，称为连续X射线谱，简称连续谱。2、连续谱的特点①不同管压下，连续谱在短波方向都有一个突然截止的波长极限值，称为短波限，用λ0表示。②X射线波长由大于λ0的所有辐射组成；③强度存在一最大值（约1.5λ0处，用λm表示）。④对同一靶材，不同管压、管流下的连续谱的变化规律。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础3、连续X射线谱的解释①连续谱的产生量子理论：当能量为eV的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子。由于大量电子射到阳极上的时间和条件不尽相同，仅有一少部分电子能产生极限能量交换，绝大多数电子经多次碰撞完成能量交换，而辐射出波长大于λ0的不同波长的X射线，形成连续谱。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础③强度最大值位于1.5λ0附近X射线强度由每个光子的能量hv和单位时间通过单位面积的光子数目n两个因素决定,即I=nhv。在碰撞过程中，能产生极限能量交换的电子仅占一少部分，而其他大量电子会产生多次碰撞完成能量交换，因此虽然短波限对应的光子能量最大，但光子数目不多，故强度的极大值不在λ0处，而位于1.5λ0附近。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础④对同一靶材，不同管压、管流下的连续谱的变化规律。U管升高，各辐射强度升高，λ0和λmax

（最大辐射时的波长）均减小；解释：当加大管压时，击靶电子的动能、电子与靶材原子的碰撞次数和辐射出来的X射线光子的能量都会增加，因此随管压的增加，各波长X射线的强度均增加。管电压不变时，随管电流的升高，各辐射强度均升高，但λ0和λmax保持不变。不同的靶面物质发射的连续谱具有相似的特征第一章X射线物理学基础X射线物理学基础二、特征X射线谱1、定义当U管超过某临界值后，叠加在连续谱上的强度很高且具有一定波长的X射线谱，称为特征X射线谱，简称特征谱。如钼靶X射线管，当管电压等于或高于20kV时，则除连续谱外，位于一定波长处（0.063nm和0.071nm）,叠加有少数强谱线。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础3、对特征谱的解释①特征谱的产生以及特征X射线波长为一定值的原因从原子结构观点解释。原子系统中的电子不连续地分布在K、L、M、N…等不同能级的壳层上，各壳层的能量由里到外逐渐增加：EK<EL<EM…。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础特征X射线的命名：同一辐射线系还有区别。对跨越1、2、3个能级所引起的辐射分别以下角标α、β、γ等表示。例如：Kα、Kβ谱线；Lα、Lβ谱线。K系激发：K层电子被击出的过程叫K系激发，随之的电子跃迁所引起的辐射叫K系辐射（辐射出特征X射线）。依此类推，有L系激发、L系辐射等。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础例如，产生K辐射时，特征X射线光子的能量为电子跃迁前后两能级的能量差：辐射的能量为多少？物质一定，辐射出的X射线波长一定，代表了该元素的特征，故称之为特征X射线。特征X射线的波长仅与靶材的原子序数有关；改变管电压、管电流，只改变特征X射线的强度而波长不变。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础第一章X射线物理学基础X射线物理学基础③，且K系特征X射线一般由Kα、Kβ二谱线构成。Kα辐射是由L→K层电子跃迁产生，Kβ辐射是由M→K层电子跃迁产生，后者两能级之差大于前者，故

；特征X射线强度还与光子的数目有关，根据量子跃迁几率，相邻电子壳层跃迁几率(L→K层跃迁)大于非相邻电子壳层跃迁几率(M→K跃迁),且前者比后者大五倍左右，故

。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础第四节X射线与物质的相互作用一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：

(1)一部分被散射;(2)一部分被吸收;(3)一部分透过物质继续沿原来的方向传播。透过物质后的X射线束由于散射和吸收的影响，强度被衰减，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础一、X射线的散射入射X射线与物质作用，使一部分X射线穿过物质后偏离原来的入射方向，即发生了X射线的散射。两种散射现象：第一章X射线物理学基础X射线物理学基础1、相干散射(弹性散射、经典散射)相干散射：散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，这种散射称为相干散射。经典物理学理论解释：入射X射线光子与原子内受核束缚较紧的电子(如原子内层电子)发生碰撞，入射光子的能量不足以使电子摆脱原子核的束缚，但电子在入射X射线交变电场作用下产生与入射波频率相同的受迫振动，向周围辐射与入射X射线波长相同的电磁波；第一章X射线物理学基础X射线物理学基础发生上述散射时，光子的方向改变了，但能量几乎没有损失，散射线波长与入射波相同，有可能相互干涉。晶体中的原子，在入射X射线的作用下都产生这种散射，且原子的规则排列使散射线之间有确定的相位关系，于是在空间形成了相干散射。相干散射的意义：相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的物理基础。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础2、非相干散射（康普顿散射、非弹性散射）

在偏离原射束方向上，不仅有与原射线波长相同的相干散射波，还有波长变长的的非相干散射波。非相干散射：散射X射线的波长随散射方向不同而改变，分布于各个方向的散射线，波长各不相等，不能产生干涉现象。这种散射称为非相干散射。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础量子理论解释：X射线光子与原子中受核束缚较弱的电子或自由电子发生碰撞时，X射线光子把部分能量给予电子，使其动量提高，成为反冲电子，而X射线朝着散射角为α的方向被散射，且能量减少，即波长变长。

第一章X射线物理学基础X射线物理学基础上式表明：①非相干散射波长的变化与入射波长和原子序数无关，只随散射角而变化；②不同方向上散射线波长各不相同，这种散射线位相与入射线无确定关系。非相干散射的结果:散射线之间不能发生干涉作用，在衍射花样中形成背底。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础二、X射线的吸收

X射线的吸收：指X射线穿过物质时，其能量被转化成其他形式的能量，X射线的强度随之衰减。物质对X射线的吸收主要是物质对入射X射线产生的热效应、光电效应和俄歇效应，使入射X射线的能量分别转变成热量、光电子、荧光X射线和俄歇电子的能量，从而使X射线强度被衰减。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础1、光电效应X射线与物质相互作用可以看作是X射线光子和物质中的原子相互碰撞。当一个具有足够能量的X射线光子从原子内部击出一个K层电子时，同样也会发生象电子激发原子时类似的辐射过程。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础光电效应：由X射线光子激发原子所发生的辐射过程，称为光电效应；光电子：光电效应中，被X射线光子击出的电子称为光电子；（光电子具有元素的特征能量，是X射线光电子能谱仪的检测信号）荧光X射线：由入射X射线激发原子所辐射出的次级特征X射线称荧光X射线(或二次特征X射线)。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础产生光电效应的条件：

欲激发原子产生K、L、M等线系的荧光辐射，入射X射线光量子的能量hν必须等于或略大于K、L、M层电子的结合能EK、EL、EM。如产生K系荧光辐射，入射光子的波长等于或略小于λK（或频率等于或略大于νK）。λK—激发物质产生K系荧光辐射，入射X射线须具有的临界波长值，称为激发限。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础一旦产生光电效应，入射X射线光子能量被大量吸收，表现为吸收系数突增。荧光X射线在不同分析方法中的作用：①在X射线衍射分析中，X射线荧光辐射是有害的，它增加衍射花样的背底；②在元素分析中，它又是X射线荧光分析的基础。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础2、俄歇效应俄歇效应：原子的内层电子被激发后，随之发生的一个空位被两个空位所代替的现象称为俄歇效应。俄歇效应是一种无辐射的跃迁过程。电子跃迁释放的能量被电子吸收而激发出原子的电子称为俄歇电子（Auger电子）。如KLL俄歇电子。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础俄歇电子的特点：①具有元素的特征能量。俄歇电子的能量能反映电子所属原子和原子的结构状态特征，所以，可以利用俄歇电子能谱作样品的成分分析。俄歇电子是俄歇电子能谱仪的检测信号。②俄歇电子的能量很低，一般为几百eV，平均自由程短，因此，检测到的俄歇电子只来源于表面2～3个原子层。用途：俄歇电子能谱仪是研究物质表面微区成分的有力工具之一。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础第一章X射线物理学基础X射线物理学基础第五节X射线的衰减规律

一、X射线在物质中的衰减规律与线吸收系数1、透射X射线的强度衰减规律透射X射线的强度第一章X射线物理学基础X射线物理学基础上式中，μ称为物质的线吸收系数（或线衰减系数），单位为cm-1。2、线吸收系数μ的物理意义：μ＝－1n（IH/I0）/H，表示沿穿越方向上，厚度为1cm的物质对X射线强度的吸收程度。特点：①对于一定波长和一定状态下的物质，μ为常数。②μ与物质的密度ρ成正比，即与物质的物理状态有关。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础二、

质量吸收系数1、质量吸收系数μm＝μ/ρ，称为质量吸收系数，单位为cm2／g。

μm的物理意义：表示单位质量物质对X射线的衰减程度。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础μm的特点：①对一定波长的X射线和一定的物质来说，μm为固定值。②μm与物质的物理状态无关。即与物质的气态、液态、粉末、块样、化合物、混合物等均无关。2、复杂物质的质量吸收系数ωi、μmi分别为各组元的质量百分数和质量吸收系数。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础3、μm与波长λ和原子序数Z的关系一般X射线强度减弱主要由吸收作用造成，而散射作用极小。物质对X射线的吸收可以近似用质量吸收系数μm的大小来表示。μm与λ和Z存在如下函数关系：系数K在两个吸收限之间为常数，不同吸收限之间的K值不同，且每一元素都有一组K。公式讨论：①物质的原子序越大，对x射线的吸收能力越强；②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μm的下降。但随波长的降低，在某些波长位置上出现吸收限。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础4、吸收限μm～λ关系曲线：当波长减小到某几个值时，μm骤增，将曲线分割为几个明显不同的连续部分。吸收限：在μm～λ关系曲线中，质量吸收系数随着入射X射线波长的变化产生突变，突变处对应的波长称为吸收限。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础为什么存在吸收限？入射光子能量大于吸收体某层电子结合能时，很容易被电子吸收，内层电子溢出而产生光电效应。此效应消耗大量能量，表现为吸收系数突变。如存在λK、λL等

。λK值决定于吸收物质的原子结构。不同元素的吸收限值不同。原子序数愈大，同名吸收限波长值愈短。对同一物质而言，第一章X射线物理学基础X射线物理学基础利用阳极靶材的吸收限（激发限）λK，可以计算的靶材的激发电压UK：式中，UK以V为单位。第一章X射线物理学基础X射线物理学基础第一章X射线物理学基础X射线物理学基础第六节吸收限的应用

吸收限的应用主要有两个：选滤波片