第二章 X射线物理学基础.ppt

1、前一章内容回顾,空间点阵 晶（向）面指数 倒易点阵定义和倒易矢量的基本性质 晶带定律,2-1 x射线的发现及x射线学发展过程 2-2 x射线与电磁波谱 2-3 x射线的产生及x射线谱（连续谱和标识谱） 2-4 x射线与物质的相互作用 2-5 x射线的探测、防护及应用 画线部分为重点。,第二章 X射线的物理学基础,2-1 x射线的发现及x射线学发展过程,X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1895年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。,对x射线的发现和应用有巨大贡献的科学家,德国物理学家伦琴（1895年）（发现了未知射线） 德国物理学家

2、劳厄（1912年）（证明x射线的波动性） 英国布拉格父子（1912年）（简洁形式描述晶体对x射线的衍射现象，推动了x射线的应用）,1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当开启放电线圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用一本厚书，23厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力。他一连许多天将自己关在实验室里

3、，集中全部精力进行彻底研究。6个星期后，伦琴确认这的确是一种新的射线。,1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。1895年12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯一种新射线初步研究。 伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时无法确定这一新射线的本质。伦琴发现X射线从而获得诺贝尔奖。 1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了X射线的干涉现象一文。,劳厄的文章发表不久，就引起英国布拉格父子的关注，年轻的小布拉格经过反复研究，成功地解释了劳厄的实验事实。他以更简洁的方式，清

4、楚地解释了X射线晶体衍射的形成，并提出了著名的布拉格公式：2dsinn 。这一结果不仅证明了小布拉格解释的正确性，更重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息。1912年11月，年仅22岁的小布位格以晶体对短波长电磁波衍射为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格则于1913年元月设计出第一台X射线分光计，并利用这台仪器，发现了特征X射线。,X射线已被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工业等领域。对于促进20世纪的物理学以至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。,X射线衍射分析的特点： 反映出的信息是大量原子散射行为的统计结果，结果与材料的宏观性能有良好的对应关系。 不足之处：

5、不可能给出材料实际存在的微观成分和结构的不均匀性的资料。,2-2 x射线与电磁波谱,X射线的本质是电磁辐射，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此具有波粒二象性。 (1)波动性; (2)粒子性。 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： 式中h普朗克常数，等于6.625 J.s; cX射线的速度，等于2.998 m/s. X射线 波长范围0.0110nm，在电磁波谱上位于紫外线和 射线之间。,无线电波,红外线,可见光,紫外线,射线,分为软x射线（波长大于0.5nm）和硬x射线（波长小于0.5nm）。 用于衍射分析的波长0.050.25nm。 硬X射线：波长较短的硬X射线能量

6、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。 软X射线：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（）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=10 ,2-3 x射线的产生及x射线谱,一、X射线的产生 (1)产生原理； (2)产生条件； (3)X射线管； 二、X射线谱 (1)连续X射线； (2)标识X射线。,一、x射线的产生,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。 （水冷）,（1）产

7、生原理,a.产生自由电子； b.使电子作定向的高速运动; c.在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。,（2）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,X射线管剖面示意图,封闭式X射线管实质上就是一个大的真空（ ）二极管。基本组成包括： (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 (2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。,（3）X射线管,二、X射线谱,由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型： (1)连续X射线； (2)标识X射线。,（1）连续X射线,具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。

8、,特性； 短波限； 产生机理； X射线的强度。,钨靶的连续X射线谱,相对强度,（1）每一种管电压下，存在一个短波极限；射线中含有大于短波极限的各个波长成分。 （2）随着管电压增大，短波极限和强度最大的波长朝短波方向移动。,连续谱特性,相对强度,短波限,连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0.它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。 相互关系为： 式中 e电子电荷，等于 库仑； V电子通过两极时的电压降； h普朗克常数，等于,短波限0随管压V的增大而减小。,产生机理,高能电子与阳极靶的原子碰撞时，受靶中原子核的库仑场作用而速度骤减，电子失去自

9、己的能量，其中部分以光子的形式辐射，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。高速电子进入靶内不同深度，损失的动能有各种数值，使射线(光子)波长连续变化,形成连续谱。,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在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。 常用的单位是J/(cm2s) . X射线的强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的,即I=nhv.连续X射线强度最大值在1.50 ,而不在0处。,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。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。 实验证明，I与管电流i、管电压V、阳极靶的原子序数Z存在如下关系： 且

10、X射线管的效率为:,由于K1是个很小的数，约为 ，如采用W阳极（z=74）,V=100kV时，效率仅为1%左右。碰撞阳极靶的电子束的大部分能量都耗费在使阳极靶发热上 。 水冷却,(2)标识X射线（特征x射线）,是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。,1.标识X射线的特征 ; 2.产生机理 ; 3.K系激发机理 ; 4.莫塞莱定律； 5.标识X射线的强度特征。,X射线谱,标识X射线的特征,当电压达到临界电压时，发出标识谱线； 随电压增加，标识谱线的波长不变化， 强度增强。 如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为K和K ，波长分别为0.71 和0.6

11、3 . 激发电压：发出标识x射线的最低电压或临界电压。,产生机理,标识X射线谱的产生机理与阳极靶物质的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。,K系激发机理及命名,K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。 L层电子填充空位时， 产生K辐射；M层电子 填充空位时产生K辐 射。,由能级可知，K辐射的光

12、子能量大于K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K的强度约为K的5倍。,产生K系激发要阴极电子的 能量eVk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk就是激发电压。L层内不同亚能级电子向K层跃迁所发射的K1和K2的关系,X射线谱,标识X射线的强度特征,K系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为： 当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压的35倍时，连续谱造成的衍射背影最小。,莫塞莱定律,标识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。且存在如下关系： 莫塞莱定律：标识X射线谱的波长与原子序数Z关系为：,标识X射线谱应用：化学元素的分析 上式是

13、元素分析的理论依据。,总结,1 x射线谱分为连续谱和标识谱（或特征谱） 2 短波限0是连续谱上的最小波长。由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线，它与管压的关系： 3 标识谱的产生机理 4 K系激发电压，K系标识谱线的命名。 5 莫塞莱定律,在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。,K层电子被击出时所需最低电压。 K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生K辐射；M层电子填充空位时产生K辐射

14、。,2-4 X射线与物质相互作用,X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。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， 一部分被吸收， 一部分透过物质继续沿原来的方向传播(透射或折射)。,X射线的散射 ； X射线的吸收 ； X射线的衰减规律； 吸收限的应用； X射线的折射； 总结 。,X射线的散射,X射线被物质散射时，产生两种现象： 相干散射； 非相干散射。,相干散射,物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉现象称为相干散射。 用于x射线衍射分析。,非相干散射,X射线光子与

15、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。 非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应。非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。 它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。,X射线的吸收,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。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。这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应。,X射线的衰减规律 光电效应 俄歇效应,X射线的衰减规

16、律,当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。式 m 为质量吸收系数，t为x射线穿透物质的厚度。,质量吸收系数m和吸收限,质量吸收系数表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。 复杂物质的质量吸收系数 质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系： K为常数. m随的变化是不连续的，其间被尖锐的突变分开。 m突变对应的波长为吸收限。吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有三个亚层，有三个吸收限。,质量吸收系数突变的现象或吸收限主要是由光电效应引起的：当入射X射线的波长等于或小于k时，光子的能量达到击出一个K层电子的功W，X射线光

17、子被吸收，激发光电效应获得能量的电子从内层逸出，成为光电子，使质量吸收系数m突变性增大。 m突变对应的波长为吸收限,对应吸收限的光子能量等于击出一个内层电子所需的功。,光电效应,以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子称为光电子，辐射出的次级标识X射线称为荧光X射线。 产生光电效应，X射线波长必须小于吸收限k 。,俄歇效应,原子在入射X射线光子或电子的作用下失掉K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位时，放出EL-Ek的能量，产生两种效应： (1) 荧光X射线； (2) 产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子俄歇电子。 光电子、俄歇电子和荧光x射线都是被照物质化学成分的讯号。

18、 相应元素分析手段：x射线光电子能谱（XPS）和荧光光谱（XFS）（能量色散谱（EDS）分析,1 滤波片的选择: (1)它的吸收限位于辐射源的K和K之间，且尽量靠近K。强烈吸收K， K吸收很小； (2)滤波片将K强度降低一半最佳。 Z靶40时 Z滤片=Z靶-2。,吸收限的应用,2 阳极靶的选择: （1）阳极靶K波长稍大于试样的K吸收限； （2）试样对X射线的吸收最小。 Z靶Z试样+1。 3 激发电压的计算,激发电压是发出标识x射线的最低电压或临界电压，对应电子能量等于击出一个内层电子所需的功。对应吸收限的光子能量等于击出一个内层电子所需的功。,为激发被照物体的k系荧光辐射，电子束的（或照射x射线光子的）能量至少等于 为被照物体的k系吸收限波长。 则靶的激发电压为 波长单位为nm，电压单位为V。 若电压为千伏，则激发电压公式为,4 利用吸收限作原子内层能级图 刚好击出原子k层电子的x射线光子能量等于K层电子束缚能 内层电子能级图据此得到。,X射线的折射,X射线从一种介质进入另一种介质产生折射，折射率M非常接近1,M约为0.999990.999999 。,X射线与物质相互作用 小结,热能