x射线新课件2014第一章性质

第一章X射线的性质一、X射线的发展史1895年，著名的德国物理学家伦琴发现了X射线；M.K.RÖntgen(1845-1923)

伦琴是德国维尔茨堡大学校长，第一届诺贝尔奖获得者。1895年他发现一种穿透力很强的一种射线。后来很快在医学上得到应用，也引起各方面重视。伦琴夫人的手X照片戒指1912年，德国物理学家劳厄等人发现了X射线在晶体中的衍射现象，确证了X射线是一种电磁波。劳厄M.von.Laue德国物理学家(1879-1960)X射线的衍射

1912年，英国物理学家Bragg父子利用X射线衍射测定了NaCI晶体的结构，从此开创了X射线晶体结构分析的历史。布拉格父子：因他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献，共同荣获1915年诺贝尔物理学奖。W.H(布拉格（WilliamHenryBragg1862～1942）W.L(布拉格（WilliamLawrenceBragg1890～1971）§1.2X射线的本质X射线的本质与可见光、红外线、以及宇宙射线基本相同均是电磁波或电磁辐射。无线电波红外线可见光紫外线γ射线可见光X射线硬X射线（波长小于0.5nm）：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。用于衍射分析的波长0.05～0.25nm。

软X射线（波长大于0.5nm）：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于非金属的分析。X射线波长的度量单位常用埃（Å）表示；通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为：1nm=10Å软x射线和硬x射线X射线的性质①波动性②粒子性以一定的频率和波长在空间传播。由大量的不连续粒子流构成。一、波动性X射线沿着y方向传播时，同时具有电场强度E和磁场强度H，这两个矢量总是以相同的周相，在两个相互垂直的平面内作周期振动且于y方向相垂直。传播速度等于光速。如果用数学式子表示波函数：y——所研究的位置离光源的距离t——时间λ——波长T——周期φ——初位相角c——光速ε0——真空介电常数在X射线分析中我们记录的是电场强度矢量E引起的物理效应，因此只讨论E的变化，不考虑磁场强度矢量H的影响。

电场强度E随X射线传播时间或传播距离的变化呈周期性波动。波动振幅为A。

X射线的强度用波动的观点描述：E的变化

单位时间内通过垂直于X射线传播方向的单位截面上的能量的大小。

强度与振幅A的平方成正比。I∝A2二、粒子性X射线是由粒子流构成，这些粒子流称为光量子或光子。每一个光量子均具有能量ε和动量p。（1－1）（1－2）式中：h为普朗克常数，6.625×10-34JSc为光速，2.998×108m/sλ为X射线的波长

ν为X射线的频率X射线的强度用粒子性的观点描述：

单位时间内通过垂直于传播方向单位面积光量子数与光量子能量的乘积。波粒二象性是X射线的客观属性：波动性反映在物质运动的连续性，在传播过程中可发生干涉、衍射等现象。粒子性特征突出表现在物质的相互作用和能量的相互交换。§1.3X射线的产生及X射线管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，绝大部分（99％左右）能量转变成热能使物体温度升高。一、产生原理a.产生自由电子；b.使电子作定向的高速运动;c.在其运动路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。二、产生条件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射线三、过程演示五、X射线管的剖面示意图四、X射线束的形状

焦点的形状和尺寸是X射线管的重要特性之一。①希望有较小的焦点，可提高分辨率。②希望有较强的X射线强度，可缩短曝光时间。靶的焦点形状及接收方向点焦点线焦点X射线谱是指X射线强度随波长变化的关系曲线。曲线均有一个最短波长限λ0和最大强度点所对应的波长λm.恒定管电流，逐渐升高电压，λ0和λm均向短波方向移动。当电压增加时，各个波长所对应的强度增加，曲线下所围的面积增加。一、

连续X射线谱§1.4X射线谱当电流为10mA，每一秒将发射6.25×1016个电子，每个电子到达阳极的条件、时间和速度均不相同，所得电子波的频率不同、波长也不相同，从而形成连续X射线。总有极少数电子在一次碰撞中将全部能量一次性转化为一个光量子，这个光量子便具有最高能量和最短波长，即λ0。则有：λ0－最短波长限U－所加管电压，伏h－普朗克常数

c－光速e－电子的电量e＝1.6×10－19库仑（1－3）（1－4）λ0只与管电压有关。增加U，电子动能增加，X射线

能量增加，谱强度增加，λ0

和λm向短波方向移动

I=nhv,X射线谱最大值不在λ0。连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。即阳极靶发射出X射线的总能量：α、mi为常数，mi≈2,α≈（1.1～1.4）×10－9V-1Z－原子序数i－电流U－加速电压（1－5）连续X射线的总强度X射线管发射连续X射线的效率若采用钨阳极（Z=74），管电压取100kV,即105V，则效率η

≈1%。提高X射线管发射连续X射线的效率措施：1.使用高原子序数的阳极靶材2.在高电压下工作当电压升高到一定值时，在某些特定的波长处，强度急剧增加；改变管电流、管电压，峰尖所对应的波长不变，强度改变；强度峰的波长反映了物质原子序数特征，称为特征X射线；由特征X射线构成的谱线叫特征X射线谱；产生特征X射线的最低电压叫激发电压。二、特征（标识）X射线谱M态（击走M电子）K态（击走K电子）L态（击走L电子）N态（击走N电子）击走价电子中性原子WkWlWmWn0壳层的能量K激发L激发Ka辐射Kβ辐射Lα辐射特征X射线的产生过程如果把K层电子电离，所产生的X射线为K系标识X射线：K层电子电离后，L层电子跃迁到K层所得的X射线为Kα射线，

M层电子跃迁到K层所得的X射线为Kβ射线，

N层电子跃迁到K层所得的X射线为Kγ射线，

……如果把L层电子电离，所产生的X射线为L系标识X射线：L层电子电离后，M层电子跃迁到M层所得的X射线为Lα射线，

N层电子跃迁到M层所得的X射线为Lβ射线，

O层电子跃迁到M层所得的X射线为Lγ射线，

……如果把M层电子电离，所产生的X射线为M系标识X射线：M层电子电离后，N层电子跃迁到M层所得的X射线为Mα射线，

O层电子跃迁到M层所得的X射线为Mβ射线，

P层电子跃迁到M层所得的X射线为Mγ射线，

……越靠近原子核，相邻能级间的能量差异就越大，同一靶材的K、L、M系谱线中，K系波长最短，L系短于M系。由能级可知，Kβ辐射的光子能量大于Kα的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率大，所以Kα强度约为Kβ5倍。K

是由L层内LⅢ亚能级上的4个电子和LⅡ上的3个电子向K层跃迁所时辐射出来的K

1和K

2两根谱线组成的。LⅢ→K的跃迁几率较LⅡ→K的大一倍，因此产生K系激发要阴极电子的能量eUk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Uk就是K层的临界激发电压。激发电压只与X射线管的阳极物质的原子结构有关，即与原子序数、原子中各壳层的能量状态有关。临界激发电压Uk靠近原子核的内层电子与核的结合能越大，激发电压越高。阳极靶材的原子序数越大，激发电压越高。L系及M系特征谱线波长较长，容易被物质吸收，晶体衍射分析中主要应用K系谱线。轻元素或重元素靶材都不适用，通常采用Cr、Fe、Co、Cu、Mo及Ag等。K系特征X射线的强度随管电压、管电流的增加而增加：K2和n

均为常数，对于K系，n=1.5,对于L系，n=2。当工作电压为K系激发电压的3～5倍时，I特/I连最大，连续谱造成的衍射背景最小。+1K2L3M∞对于K层对于L层R∞－里德伯常数，R∞＝1.0974×107m-1……X射线莫塞莱定律莫塞莱定律莫塞莱定律说明：特征X射线的波长取决于物质的原子序数。不同的物质原子序数不同，特征X射线的波长不同，一种物质有它自己的特征X射线波长。§1.5X射线与物质的相互作用X射线与物质相互作用是一个复杂的过程。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●一部分被吸收●一部分透过物质继续沿原来的方向传播§1.5X射线与物质的相互作用物质对X射线的散射主要是电子与X射线相互作用的结果。X射线的散射相干散射非相干散射入射X射线与物质中原子核束缚较紧的的电子相互作用所产生的衍射效应。入射X射线与物质中原子核束缚较松的的电子相互作用所产生的衍射效应。一、X射线的散射1.相干散射

当X射线与原子中束缚较紧的内层电子碰撞时，光子的能量全部转给电子，电子受迫振动，振动的频率与入射X射线的频率相同。一个加速的带电粒子可作为新的光源向四周辐射电磁波，叫做X射线散射波。这些散射波之间符合振动相同、频率相同、位相差恒定的光的干涉条件，在空间可以产生干涉，故称为相干散射。入射X射线散射线散射线散射线2.非相干散射

当X射线与原子中束缚较松的外层电子、价电子或金属晶体中的自由电子碰撞时，电子将被撞离原运动方向，同时带走一部分动能成为反冲电子。原来入射X射线因碰撞而损失掉部分能量，使其频率改变，波长变长，不符合相干波的条件，称为非相干散射。X射线非相干散射非相干散射形成背底，给衍射精度带来不利影响二、X射线的吸收X射线照射到物质表面之后，有一部分要通过物质，一部分要被物质吸收。实验证明，强度为I的入射X射线在均匀物质内通过时，强度的衰减与在物质内通过的距离成正比。

比例系数μ称为线吸收系数，表示在X射线的传播方向上，单位长度上的X射线强度衰减程度(cm-1)。1.X射线的吸收与吸收系数（1-11）I0IxxtdxIxIx-dI令：［cm2/g］质量吸收系数

线衰减系数与入射X射线的波长和被照射的物质有关，而且还和物质的密度有关，对同一种物质，不同的状态线吸收系数不同，在应用上很不方便。X射线质量吸收系数只与物质的原子特性有关，与物质的状态无关。在一定浓度下，它是一个常数。可以从有关手册上查到。当物质不是单一元素，而是由几种元素组成的化合物、混合物、合金等，物质的质量吸收系数为：w1、w2、…wn

—

该物质总铬元素的重量百分比μm1、μm2、…μmn

—各组成元素的质量吸收系数对（1－11）进行积分得：衰减方程式中：I0为入射X射线的强度，Ix为穿过厚度为x的物质后的强度，μm质量吸收系数，x为物质的厚度（1－13）式中：λ为入射X射线的波长；Z为被照射物质的原子序数；

K为常数。I0IxxtdxIxIx-dI伦琴夫人的手X照片戒指二次特征(标识)X射线（荧光辐射）入射X射线光电子当入射光量子的能量足够大时，可以从被照射物质的原子内部激发出一个电子，同时原子的外层高能态电子要向内层的K层空位跃迁，辐射出波长一定的特征X射线。为与入射特征X射线相区别，称为二次特征X射线。产生光电效应，X射线光子波长必须小于吸收限λk。2.二次特征辐射光电效应是入射X射线的光量子与物质原子中电子相互碰撞时产生的物理效应。当入射X射线波长由大减小时,光量子能量随之增加,穿透能力增加,吸收系数下降。当到达λk时吸收突然增加，λk称为吸收限。一个X射线光量子能量以及Ni的质量吸收系数随波长的变化关系注意吸收限与短波限的区别俄歇电子光电子二次特征X射线3.俄歇(Auger)效应

这种具有特征能量的电子是俄歇(M.P.Auger)于1925年发现的。故称为俄歇电子。每一种物质的俄歇电子能量大小只取决于该物质的原子能级结构，是原子序数的单值函数，是一种元素的固定特征。俄歇电子的能量很低，约几百电子伏特，在固体表面以内深处即使有这种电子很难逃逸表面。利用俄歇效应设计的俄歇谱仪是分析固体表面2～3层原子成分的最合适的仪器。轻元素俄歇电子的发射几率比荧光X射线发射几率大，所以轻元素的俄歇效应较重元素强烈。三、吸收限的应用滤波片材料是