1x射线性质课件

第一章

X射线的性质

本章主要学习的内容:1.X射线的性质,本质和产生2.X射线谱--连续谱,特征谱3.X射线与物质的相互作用

§1-1引言一、X射线的觉察X射线是1895年11月8日由德国物理学家伦琴〔W.C.Röntgen〕在争论真空管高压放电现象时偶然觉察的。1895-1897年伦琴搞清晰了X射线的产生、传播、穿透力等大局部性质.1901年伦琴获诺贝尔奖1912年劳埃进展了晶体的X射线衍射试验争论真空高压放电效应时，觉察凳子上的镀有氰亚铂酸钡的硬纸板发出荧光。分析认为可能是存在一种不同于可见光的射线，且可能是由真空管加上高电压时引起的，他试着用黑纸挡、用木块挡都挡不住，甚至可以透过人的骨骼！由于当时对这种射线的本质和特性尚无了解，故取名为X射线，后人也叫伦琴射线。二、应用在X射线觉察后几个月医生就用它来为病人效劳．右图是纪念伦琴觉察X射线100周年发行的纪念封．与X射线及晶体衍射有关的局部诺贝尔奖获得者名单物质的性质、材料的性能预备于它们的组成和微观构造。假设你有一双X射线的眼睛，就能把物质的微观构造看个清清晰楚明明白白！X射线衍射将会有助于你探究为何成份一样的材料，其性能有时会差异极大.X射线衍射将会有助于你找到获得预想性能的途径。钢铁中的碳化物、夹杂物、剩余奥氏体的定性分析与定量分析、化学热处理的外表相分析、外表堆焊、喷焊物相的分析。

三、X射线分析在金属材料领域的应用1、物相分析

可以确定固溶体的类型〔例如：体心立方〕、固溶体中溶质组元的含量〔如M体中的含碳量〕。2、固溶体分析测定粗晶粒的平均大小、微晶粒的平均晶粒度等。3、晶粒大小的测定可以测定材料的宏观、显微内应力.

4、应力测定半导体材料、激光材料、磁性材料单晶体，其取向可用X射线法测定5、晶体取向的测定

§1-2X射线的本质人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透亮的物体，还能使荧光物质发出荧光。X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅局部被散射。X射线对动物有机体〔其中包括对人体〕能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。X射线的本质

**电磁波的一种，波长约10－8cm左右

**X射线具有波粒二相性〔deBroglie〕(1)X射线是一种本质与可见光完全一样的电磁波〔或电磁辐射〕。(2)X射线以光速传播，传播速度2.998×1010厘米/秒。(3)X射线波长常用的单位是埃(Å)、1Å=10-8cm。1nm=10Å(4)X射线的波长范围为100～0.01Å。可见光的波长范围4000～7000Å。1、波动性

X射线两边分别与紫外线及γ射线相重叠。在电磁波谱中，其位置如图。##一般把短波长的X射线称为硬X射线，反之则为软X射线。硬软程度表示它的穿透力气的强弱。##用于金属探伤的X射线波长约为1～0.05Å。(1)X射线是波长较短的电磁波。波动理论对X射线光电效应、荧光辐射现象无法解释。说明波动性只是反映了X射线本性的一个方面。(2)在大量科学试验根底上，人们又生疏到X射线本性的另一个方面——粒子性〔或微粒性〕。X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续粒子流。这些粒子叫做光子〔或光量子〕，每个光子具有的能量为ε=hv。(硬X射线穿透力气强，还是软X射线穿透力气强？)2、X射线的粒子性

其中v—x射线的频率，h—普朗克常数。h=6.26×10-34焦·秒=6.26×10-27尔格·秒对不同频率的X射线，光子的能量是不同的。频率越高，光子的能量就越大。(3)波动性与粒子性相并存称为X射线的波粒二象性。那么，X射线的波长为什么会在那么一个范围之内，它的强度又与哪些因素有关呢？试验证明，X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。X射线产生的几个根本条件：§1-3X射线的产生及X射线管一、X射线产生的条件产生并放射自由电子〔加热钨灯丝〕。在真空中〔一般为10-6毫米汞柱〕迫使自由电子朝确定方向高速运动〔加一很高的管电压〕。在高速电子流的运动路程上设置一障碍物〔阳极靶〕，使高速运动的电子突然受阻。X射线管的构造阴极-放射电子。一般由钨丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。阳极-靶，使电子突然减速并发出X射线。窗口-X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6°的斜角，以削减靶面对出射X射线的阻碍。高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极.焦点--阳极靶外表被电子轰击的一块面积，X射线就是从这块面积上放射出来的。焦点的尺寸和外形是X射线管的重要特性之一。焦点的外形取决于灯丝的外形，螺形灯丝产生长方形焦点.X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高区分率；高强度则可缩短暴光时间.Go20旋转阳极X射线管、细聚焦X射线管和闪光X射线管。阳极不断旋转，电子束轰击部位不断转变，故提高功率也不会烧熔靶面。目前有100kW的旋转阳极，功率比一般X射线管大数十倍(常用X射线管的功率为500～3000W)。旋转阳极19.旋转阳极旋转阳极Go17X射线强度(Ⅰ)随波长(λ)而变化的关系曲线，称为X射线谱。X射线谱由两局部组成，即:§1-4X射线谱

一、X射线谱

连续X射线谱

X射线谱特征（标识）X射线谱从某一短波限〔λ。〕开头，直到波长等于无穷大λ∝的一系列波长所构成的X射线谱。二、连续X射线谱的定义三、连续X射线的产生及其规律1、(见图〕管压很低时，小于20kv的曲线是连续变化的，故称之连续X谱，即连续谱。2、当逐步增加X射线管的管电压时，连续X射线谱发生如下变化。管电压既影响连续X射线谱强度，也影响其波长范围,随管电压上升:各种波长的X射线的相对强度全都增高。具有最高强度射线的波长渐渐变小，曲线峰值向左方移动。短波限渐渐变小〔λ0向左方移动〕，波谱变宽。四、连续X射线的产生气理1、经典物理的电动力学理论一个带有负电荷的电子在受到这样一种加速度时〔指X射线管中高速运动着的电子到达阳极靶外表突然受到阻挡时，产生极大的负加速度〕，电子四周的电磁场将发生急剧的变化，此时必定要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不行能一样，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。

q=0.01库仑16191025.6106020.101.0×=×n=-〔个〕也就是说，1秒钟内有0.01库仑的电量到达阳极靶。电子的电荷e=1.6020×10-19库仑则1秒钟到达阳极上的电子数:2、假设管电流i=10毫安〔1秒钟内阳极靶上发出的电磁波有多少个？〕争论：如此大数量的电子射到阳极靶上的条件和时间不行能是一样的；因而电磁脉冲也各不一样，从而形成了具有各种波长的连续X射线谱。从灯丝放射出的电子经高压电场加速，使电场的位能转化为电子的动能。3、短波限λ0存在的缘由电子被阳极突然阻挡时，动能的一局部将转化为一个或几个X射线光子，其余转变为热能〔或光子逸出〕。当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一个X射线光子时，此光子的能量为：l0echhveVmυ====最大221eVhc=0l其中h—普朗克常数,c—X射线速度,e—电子电荷V4.120=l

（埃）

V—千伏争论：〔1〕当V=20、30、40、50千伏时，λ0=0.62、0.41、0.31、0.25Å。〔2〕短波限λ0与管电压成反比。〔3〕绝大多数高速电子与阳极靶撞击时，很大一局部能量P消耗转化为热能、光电子逸出等状况。即：peVhchvpmυ-===-l2210ll>-=peVhc那么，连续射线的强度与哪些因素有关呢？量子力学概念，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，其中一局部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，即“韧致辐射”。大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有屡次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。极限状况下，能量为ev的电子在碰撞中一下子把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短波长，即短波限λ0。都有一个最短波长，称之短波限λ0，强度的最大值在λ0的1.5倍.4.量子理论连续X射线谱的解释*垂直于X射线传播方向的单位面积上，在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。*常用单位是尔格/厘米2·秒*确定强度的测量比较困难，常承受照相底片的黑度作为相比照较标准。五、辐射强度Ⅰ1、定义：

α——常数z——阳级靶的原子序数i——管电流〔毫安〕V——管电压〔千伏〕?阳极靶可以影响连续谱的强度，能不能影响连续谱波长的分布?答案是不能。2、连续X射线谱的总强度(阅历公式)六、效率η连续X射线的效率η:指电子流能量中用于产生X射线的百分数，

ZViViZVXXaah===2射线管的功率射线总强度连续η=αZV争论：当承受钨阳极Z=74V=100千伏，α=1.1～1.5×10-6η≈1%$$管中电子与阳极撞击时，绝大局部生成热能而损失掉。##这就是为什么要承受高熔点的钨、钼作阳极，或导热性好的银、铜作阳极，并用冷却水猛烈地冷却阳极。

七特征X射线谱

1、特征X射线谱形成

**钼靶X射线管当管电压等于或高于20KV时，除连续X射线谱外，位于确定波特长还叠加有少数强谱线，反映了靶材料的特征，称之为特征X射线，并由它们构成特征X射线谱〔见图).**当管电压超过某临界值时，特征谱才会消逝，该临界电压称激发电压。**当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，特征谱对应的波长保持不变。钼靶特征x射线分别为Kα、Kβ,位于0.71Å和0.63Å处.Kα线又可细分为Kα1、Kα2λα1-λα2=0.004Å*X射线衍射中，一般承受强度高的Kα1:221»aaKKII1:5»baKKII八、试验规律1、产生特征X射线所需的最低管电压〔V激〕，对不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶的原子数Z所预备。(阳极靶不同，所产生的特征X射线谱的波长也不一样)。2、当管电压超过V激后，管电压进一步上升，特征X射线λ不变。强度按n次方的规律增大〔n=1.5～2〕。3、当V/V激=3～5时,连特II最大原子是由带正电的原子核和与绕核旋转的电子组成。电子分布在不同能级的电子壳层上。距核最近的第一层电子的能量最低，称为K层，其次层为L层，依次为M、N、O、P等层〔图〕，各层上电子的能量为:九、特征X射线产生气理1、特征X射线的产生

22242)(2σ

p--=znhmeEn当高速的阴极电子流冲击阳极靶时，可将阳极靶内层的某些电子击出，转移到能量较高的外部壳层上，或击出原子系统之外而使原子电离，原子处于激发状态，其能量高于正常状态，是不稳定的。假定K层电子被激发后，由L层跃迁来一个补充电子，其降低的能量这就是波长确定的特征X射线,KαX射线。lneechhKLKL==--KLhceel-=K层电子被激发，其它高能级的外层电子跃入而产生的特征X射线为K系X射线。2、K系X射线由L层→K层跃迁产生的X射线，称为Kα射线。由M层→K层跃迁产生的X射线，称为Kβ射线。3、Kα、Kβ

要获得K系射线，必需使高速电子的动能足以把原子中K层电子击出。即ev≥εx–εk,εx-未饱和的最外层能量4、激发电压V激

V激K是完全由阳极靶预备的，每种阳极靶有固定的激发电压。K最短KV激412.=l最短最大＝kkkxehceheVlnee=-³K层电子被激发后，L层电子向K层跃迁的几率要比M层→K层跃迁的几率大很多倍，所以Iα/Iβ≈4～5。5、IKα、IKβ

同一壳层上的电子并不处于同一能量状态，分属于假设干个亚能级。Kα1、Kα2是L层中的两个亚能级电子向K层跃迁，辐射出来的两根谱线。6、Kα1、Kα2：

7.当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层如M、N……层的电子将填充L层空位，产生L系辐射.8.当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M……等系的辐射。K系辐射因波长短而不被窗口完全吸取外，其余各系均因波长长被吸取。小结连续谱(软X射线)高速运动的粒子能量转换成电磁波谱图特征:强度随波长连续变化是衍射分析的背底;医学采用特征谱(硬X射线)高能级电子回跳到低能级多余能量转换成电磁波仅在特定波长处有特别强的强度峰衍射分析采用X射线照射到物质上与物质相互作用是个很简洁的过程。可归结为三个能量转换过程：E1：散射能量；E2：吸取能量，热和光电效应、俄歇效应等，E3：透过物质能量。

§1-5X射线与物质的相互作用入射X射线散射相干散射非相干散射+反冲电子穿透吸收光电子+二次特征辐射二次电子+俄歇效应热能(1)当X射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时,光子把能量全部转给电子，电子受迫振动,其振动的频率与入射X射线的频率一样。(2)任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，向四周辐射电磁波，频率与带电粒子的振动频率一样。(3)由于散射线与入射线的波长和频率全都，位相固定，在一样方向上各散射波符合相干条件，称为相干散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的根底。1、相干散射〔经典散射，汤姆逊散射〕一、X射线的散射2.不相干散射X射线经束缚力不大的电子〔如轻原子中的电子〕或自由电子散射后，可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而转变。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿一吴有训散射,也称之为不相干散射，是因散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干预现象。入射X射线遇到束缚力不大的电子时，将电子撞至一方，成为反冲电子。入射线的能量对电子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射线向外辐射。散射X射线的波长〔λ‘〕比入射x射线的波长〔λ〕长，其差值与角度α之间存在如右关系：Δλ=λ´-λ=0.0024(1-cos2θ)不相干散射在衍射图相上成为连续的背底，其强度随〔sinθ/λ〕的增加而增大，在底片中心处〔λ射线与底片相交处〕强度最小，α越大，强度越大。二X射线的吸取物质对X射线的吸取，是指X射线通过物质时间子的能量变成了其他形式时能量。有时将X射线通过物质时造成的能量损失称为真吸取。X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射X射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光X射线的能量，使X射线强度被衰减，是物质对X射线的真吸取过程。2.1光电效应当激发二次特征辐射时，原入射X射线光子的能量转变为电子的能量，使电子逸出原子之外。这种电子称为光电子，这一过程称为光电效应。产生条件--激发限

入射的X射线光子的能量必需等于或大于将K层电子击出所需的能量。hv激K≥eV激K入激K——产生K系激发的最长波长,又称为K系特征辐射的激发限。从X射线激发光电效应的角度，称λK为激发限；从X射线被物质吸取的角度，则称λK为吸取限。≥eV激KKch激l≤（Å）ÅK激lKKVevhc激激4.12=KKV激激4.12=l2.２荧光X射线＊＊当入射光量子能量足够大时,击出原子内部电子(如K层电子〕，所击出的电子即为光电子．同时原子的外层电子要向内层的空位跃迁，辐射出波长确定的特征X射线，这种由X射线激发所产生的特征X射线即为二次特征X射线或荧光X射线．俄歇〔Auger，M.P.〕在1925年觉察，原子中K层的一个电子被打出后处于K激发态，能量为EK。假设一个L层电子来填充这个空位，K电离就变成L电离，能量由EK变成EL，此时将释放EK-EL的能量。释放出的能量，可能产生荧光X射线，也可能赐予L层的电子，使其脱离原子产生二次电离。即K层的一个空位被L层的两个空位所代替，这种现象称俄歇效应.２.３俄歇效应从L层跳出原子的电子称KLL俄歇电子。每种原子的俄歇电子均具有确定的能量，测定俄歇电子的能量，即可确定该种原子的种类，可以利用俄歇电子能谱作元素的成分分析。俄歇电子的能量很低，一般为几百eV，平均自由程特殊短，能够检测到的只是外表两三个原子层发出的俄歇电子，因此，俄歇谱仪是争论物质外表微区成分的有力工具。光电效应小结光电子被X射线击出壳层的电子即光电子,它带有壳层的特征能量,所以可用来进行成分分析(XPS)．俄歇电子高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另一个电子送出去,这个被送出去的电子就是俄歇电子带，有壳层的特征能量(AES)．二次荧光高能级的电子回跳,多余能量以X射线形式发出.这个二次X射线就是二次荧光，也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量．小结散射散射无能量损失或损失相对较小．相干散射是X射线衍射基础,只有相干散射才能产生衍射.散射是进行材料晶体结构分析的工具吸收吸收是能量的大幅度转换,多数在原子壳层上进行,从而带有壳层的特征能量,是揭示材料成分的因素．吸收是进行材料成分分析的工具，可以在分析成分的同时告诉我们元素价态．X射线穿过物质时，由于经典散射、量子散射、原子激发等现象而消耗入射X射线的能量。因此，入射X射线的强度将显著地衰减下来。§1-６X射线的衰减

〔1〕试验规律：通过厚度为dx的无穷小薄层物质时，X射线强度衰减量dI正比于入射线强度I和层厚dx.dI∝-Idx或dI=-μlIdx……〔1〕μl－单位为厘米-1，线吸取系数,负号表示强度的变化由强变弱。1、衰减规律

积分得到：Ix=I0e-μxμl=－1n〔Ix/I0〕/x**μl物理意义:在X射线的传播方向上，单位长度上X射线强度衰减程度。**μl与物质的密度ρ成正比，即与物质的存在状态有关。由于物质的密度越大，X射线遇到的原子愈多，散射和吸取越猛烈。(2)质量吸取系数μm1)定义μm＝μ/ρ称质量衷减系数，单位cm2／g.2〕μm的物理意义：表示单位重量的物质引起的X射线的衰减量。3)μm与入射X射线波长及元素的原子序数Z的关系。试验证明：μm≈Kλ3Z3,K为常数．4)工作中有时需要计算i个元素组成的化合物、混合物、合金和溶液等的质量衰减系数μm。由于μm与物质的存在状态无关，衰减系数可按下式计算：μm=ω1μm1+ω2μm2+…ωiμmi２.X射线的吸取曲线X射线通过物质时的衰减，吸取和散射的结果。假设用σm仍表示散射系数τm表示吸取系数。大多数状况下吸取系数比散射系数大得多，故μm≈τm。典型吸取曲线从荧光X射线的产生气理，可以解释图中的吸取突变。当入射波长特殊短时，它能够打出K电子，形成K吸取。但因其波长太短，K电子不易吸取这样的光子能量，因此衰减系数小。典型吸取曲线随着波长的渐渐增加，K电子也越来越简洁吸取这样的光子能量，因此衰减系数也渐渐增大，直到K吸取限波长为止。假设入射X射线的波长比λK稍大一点，此时入射光子的能量已无法打出K电子，不产生K吸取。对L层电子来说，入射光子的能量又过大，也不易被吸取，因此，入射X射线的波长比λK稍大一点时，衰减系数有最小值。同理，可以解释K吸取限至L吸取限之间曲线的变化规律。典型吸取曲线X射线的衰减小结宏观表现强度衰减与穿过物质的质量和厚度有关，是X射线透射学的基础，这就是质厚衬度．微观机制散射和吸收消耗了入射线的能量，这与吸波原理是一样．3、吸取限的应用－滤波片的选择在衍射分析工作中，我们只希望是kα辐射的衍射线条，但X射线管中发出的X射线，还含有Kβ辐射和连续谱，会使衍射把戏简洁化。获得单色光的方法之一是在X射线出射的路径上放置确定厚度的滤波片，可以简便地将Kβ和连续谱衰减到可以无视的程度。滤波片的选择原则1)吸取限为λK的物质，可猛烈地吸取λ≤λK的入射X射。对λ＞λK的入射线吸取很少。2)选择λK刚好位于辐射X射线