第04章X射线物理学基础课件.ppt
2022/12/20,第四章 X射线物理学基础,2022/12/20,X射线的发展史,1895年，德国物理学家伦琴（Rntgen,W.C.）发现 X射线，也称为伦琴射线。,伦琴(1845-1923)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。,2022/12/20,伦琴夫人的手,X射线的发展史,蛋白质螺旋结构,人体的X照片,2022/12/20,X射线的发展史,1912年，德国物理学家劳埃（Von.Laue,M）等人发现X射线在晶体中的衍射现象，确证X射线是一种电磁波。1912年，英国物理学家布喇格父子(Bragg,W.H; Bragg,V.L.) 用X射线测定NaCl晶体，开创X射线晶体结构分析的历史。,2022/12/20,X射线的发展史,2022/12/20,4.1 X射线的本质,1. X射线的本质是一种电磁波，与无线电波、可见光、紫外线、完全相同，仅是波长短而已。具有波粒二象性 波动性：以一定频率、波长在空间传播；,2022/12/20,1. X射线的本质,粒子性：以光子形式辐射和吸收时具有一定的能量和 动量，它们之间的关系为：,2022/12/20,1. X射线的本质,X射线的波长范围： 0.00110nm 波长短的X射线为硬X射线，反之为软X射线 X射线金属学常用波长在0.050.25nm之间，材料探伤波长在0.0050.1nm,2022/12/20,1. X射线的本质,x-ray的性质：不可见，极强的穿透能力沿直线传播使底片感光、荧光板发光、气体电离杀死（伤）生物细胞,2022/12/20,2. X射线的产生,（1）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。（2）产生条件 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。,2022/12/20,2. X射线的产生,（3）过程演示,X射线工作情况,2022/12/20,2. X射线的产生,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：是发射电子的地方。由钨丝制成，通电 后，钨丝发热释放自由电子。,X射线管,2022/12/20,2. X射线的产生,(2) 阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射 线的地方。良好的循环水冷却，防止靶熔化。 (3) 窗口：是X射线从阳极靶向外射出的地方。 2个或4个专门材料（Be）制成的。 (4) 焦点：是指阳极靶面被电子束轰击的地方， 正是从这块面积上发射出X射线。,2022/12/20,4.2 X射线谱,X射线谱可分为两部分： 1）连续X射线谱； 2）标识（特征）X射线谱。,X射线谱指的是X射线的强度I随波长变化的关系曲线。X射线强度大小由单位时间内通过与X射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数决定。,2022/12/20,1. 连续X射线谱,定义：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。产生机理 能量为eV的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，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。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。,2022/12/20,1. 连续X射线谱,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。,管电压越高， min越小。,2022/12/20,1. 连续X射线谱,连续X射线谱的总强度：,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。,2022/12/20,1. 连续X射线谱,当管压保持恒定、增加管流时，各种波长X射线的相对强度一致增高，但max和0数值大小不变,当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随靶元素的原子序数增加而增加,2022/12/20,2. 特征X射线谱,定义：具有特定波长的X射线，由于波长反映了靶材特征，所以称为特征X射线，也称单色X射线。特征X射线产生过程 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特征X射线谱。,2022/12/20,2. 特征X射线谱,特征X射线产生过程,K系激发机理 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。,2022/12/20,2. 特征X射线谱,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系激发必须要阴极电子的能量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。,2022/12/20,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。莫塞莱定律：特征X射线谱的波长与原子序数Z关系为：,2. 特征X射线谱,2022/12/20,2. 特征X射线谱,特征X射线的强度特征,当工作电压为K系激发电压的35倍时，I特/I连最大，连续谱造成的衍射背影最小。,K系特征X射线的强度与管电压、管电流的关系为：,2022/12/20,2. 特征X射线谱,表 几种阳极靶材及其特征谱参数,注：K= ( 2K1+ K2 ) / 3,2022/12/20,4.3 X射线与物质相互作用,X射线与物质相遇，会发生透射、散射、吸收。因散射、吸收使穿过物质的X射线强度减弱。,入射X射线,2022/12/20,4.3 X射线与物质相互作用,X射线与物质相遇，会发生透射、散射、吸收。因散射、吸收使穿过物质的X射线强度减弱。,入射X射线,27,1、衰减规律和吸收系数,如图1-6，强度为I0的X射线照射厚度为t 的均匀物质上，穿过深度为x处的dx厚度时的强度衰减量dIx/Ix与dx成正比， (1-11) 式中，l 是常数，称线吸收系数 (1-12) I / I0称为透射系数，l是X射线通过 单位厚度(即单位体积)物质的强度衰 减量，图1-7表示强度随透入深度的 指数衰减关系,图1-6 X射线通过物质后的衰减,28,单位体积内物质量随其密度而异，因此对于一确定的物质l 并不是常量，为表达物质本质的吸收特性，采用质量吸收系数m= l / ( 是吸收物质的密度)，代入式(1-12)可得 (1-14) m为单位面积厚度为 t 的体积中物质 的质量。因此 ，m 的物理意义是X射 线通过单位面积单位质量物质的强度 衰减量。 它避开了密度的影响，可以作为反映 物质本身对X射线吸收性质的物理量,图1-7 X射线强度随透入深度的变化,1、衰减规律和吸收系数,29,1、衰减规律和吸收系数,复杂物质的质量吸收系数 对于多元素组成的复杂物质，如固溶体、化合物和混合物等，其质量吸收系数仅取决于各组元的质量吸收系数mi及各组元的质量分数wi ，即 (1-15),30,1、衰减规律和吸收系数,质量吸收系数与波长 和原子序数 Z 的关系 质量吸收系数取决于X 射线的波长 和吸收物质的原子序数Z，其关系的经验式如下 m K43 Z3 (1-16)式中，K4为常数。上式表明，物质的原子序数越大，对X射线的吸收能力越强；对于一定的吸收体，X射线波越短，穿透能力越强，吸收系数下降。但随波长减小，m 并非单调下降，见图1-8,31,1、衰减规律和吸收系数,质量吸收系数与波长 和原子序数 Z 的关系 如图1-8所示， 吸收系数在某些波长位置突然升高， 所 对应的波长称为吸收限 每种物质都有其特定的一 系列吸收限，吸收限是吸 收元素的特征量，将这种 带有特征吸收限的吸收系 数曲线称该物质的吸收谱 为什么会存在吸收限？,图1-8 质量吸收系数与波长的关系曲线,32,2、X射线的真吸收,光电效应 当 入射X射线光量子能量等于或略大于吸收体原子某壳层电子的结合能时，电子易获得能量从内层逸出，成为自由电子，称为光电子，这种光子击出电子的现象称为光电效应。将消耗大量入射能量，导致吸收系数突增，对应的入射波长称为吸收限。光电效应引起的入射能量消耗为真吸收，真吸收还包括热效应,光电效应、荧光效应和俄歇效应过程示意图,33,2、X射线的真吸收,吸收体原子某壳层(如K层)电子的结合能Wk，也就是可引起原子该层激发态的入射光量子能量必须达到的数值。 WK = hK = hc /K (1-17)式中，K、K 是K系吸收限的频率和波长。同理， L、M 等为被照射物质的L、M系吸收限，L壳层包括三个能量差很小的亚能级（L、L、L），它们对应三个L吸收限吸收限L 、L 、L（图1-8）,34,2、X射线的真吸收,由于有 hK = WK WL = hK - hL hK = WK WM = hK - hM对于同一元素，有 K K K ，此为同一元素的X射线发射谱与其吸收谱的关系荧光效应 因光电效应处于相应的激发态的原子，将随之发生如前所述的外层电子向内层跃迁的过程，同时辐射出特征 X射线，称 X射线激发产生的特征辐射为二次特征辐射，称这种光致发光的现象为荧光效应,35,2、X射线的真吸收,俄歇效应 原子K层电子被击出后， L层一个电子跃入 K层填补空位，而另一个L层电子获得能量逸出原子成为俄歇电子，称这种一个K层空位被两个 L 层空位代替的过程为俄歇效应荧光X射线和俄歇电子均为物质的化学成分信号。荧光X射线用于重元素的成分分析，俄歇电子用于表面轻元素分析,光电效应、荧光效应和俄歇效应过程示意图,2022/12/20,3. 吸收限的应用,m与的吸收曲线关系如图所示,m随的变化是不连续的，其间被尖锐的突变分开。其中一些突变对应于相应的波长称吸收限，与K层电子对应的吸收称为K吸收限。 吸收限与光电吸收有关。 存在K、L、M系等吸收限。,2022/12/20,3. 吸收限的应用,吸收限主要是由光电效应引起的：当X射线的波长等于或小于时光子的能量E达到击出一个K层电子的功W，X射线被吸收，激发光电效应。使m突变性增大。吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有三个副层，有三个吸收限。,X射线滤波片,利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的特点，制作滤波片，以获得单色X射线。,3. 吸收限的应用,2022/12/20,如图1-9所示，可利用吸收限两侧吸收系数差别很大的现象选用滤波片，用以吸收不需要的辐射，而得到基本单色的X射线,图1-9 滤波片原理示意图,2022/12/20,3. 吸收限的应用,2022/12/20,3. 吸收限的应用,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) 滤波片厚度以K强度被吸收一半为最佳。 (3) 滤波片的材料是根据靶材元素确定的 Z靶40时: Z滤片=Z靶-2,41,表1-2 与几种常用的阳极靶及及配用的滤波片参数,3. 吸收限的应用,2022/12/20,3. 吸收限的应用,例如在研究纯铁时，最好选用钴钯或铁钯，而不能用镍钯，更不能用铜钯，因为铁的k0.17429nm，钴钯的Ka波长0.17902nm, 因此钴钯不能激发铁的K系荧光辐射，同样铁钯也不能激发自身的荧光辐射。,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+1,2022/12/20,4. X射线的散射,X射线被物质散射时，产生两种现象： 1)相干散射 物质原子中的电子在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。 2)非相干散射 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。,2022/12/20,4. X射线的散射,X射线穿过物质后强度产生衰减强度衰减主要是由于真吸收消耗于光电效应和热效应强度衰减还有一小部分是偏离了原来的入射方向，即散射X射线的散射包括 与原波长相同的相干散射 与原波长不同的不相干散射,2022/12/20,4. X射线的散射,（1）相干散射当入射 X射线与受原子核束缚较紧的电子相遇，使电子在X射线交变电场作用下发生受迫振动，像四周辐射与入射X射线波长相同的辐射因各电子散射的X射线波长相同，有可能相互干涉，因此称相干散射，亦称经典散射物质对X射线的散射可以认为只是电子的散射相干散射波仅占入射能量的极小部分相干散射是 X 射线衍射分析的基础,2022/12/20,4. X射线的散射,（1）相干散射X 射线是非偏振光，电子在空间P点的相干散射强度 (1-18) 式中，I0为入射线强度；Ie为一个电子的相干散射强度；R 为电子到空间一点P的距离；2为散射角；电子散射因数 fe2 =7.9410-30m2，说明一个电子的相干散射强度很小； (1+cos2 2)/2 称偏振因数，表明相干散射线是偏振的，强度随2而变化,2022/12/20,4. X射线的散射,（1）相干散射 定义原子散射因数( f )为一个原子中所有电子相干散射波合成振幅与一个电子相干散射波振幅的比，则有当 = 0时，f = z；当 0时， f z，且随sin/增大迅速 衰减,f,图1-13 f 随sin /的变化,2022/12/20,4. X射线的散射,（1）相干散射 原子的相干散射强度， Ia = f 2Ie 以上分析将电子看成是自由电子，忽略了原子核对电子的束缚和其它电子的排斥作用。因此对原子散射因数需进行修正 f有效= f0 + f + if (1-23)式中，f 和f 称色散修正项。虚数项f 通常可忽略不计；对于给定的散射体和波长， f 与散射角无关，它仅与( /K)值有关，此值越接近1， f有效与计算值f0差值越大,2022/12/20,4. X射线的散射,（2）不相干散射 当 X射线与自由电子或受核束缚较弱的电子碰撞时，使电子获得部分能量离开原子核而成为反冲电子，X 射线能量 损失，而发生波长变长的不相 干散射 不相干散射效应首先由康普顿 和吴有训发现，并用 X射线光 量子与自由电子碰撞的量子理 论解释这一现象，见图1-14 不相干散射亦称量子散射,图1-14 康普顿-吴有训效应,2022/12/20,4. X射线的散射,（2）不相干散射不相干散射引起的波长变化为 = = 0.00243(1 cos2 ) = 0.00468sin2 (1-24)不相干散射的波长与入射波不同，且随散射方向(2 ) 变化，不能发生衍射，而形成衍射图的背底不相干散射强 度随 sin / 增大而增大，入射波长愈短， 被照物质轻元素愈轻，康普顿-吴有训效应愈显著,
