材料分析方法第二章(第三节)课件.ppt

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1、第二章 电磁辐射与材料的相互作用,第三节 X射线的产生及其与物质的 相互作用 一、X射线的产生与X射线谱 二、X射线与物质的相互作用 三、X射线的衰减 四、X射线的防护,.,第二章 电磁辐射与材料的相互作用 第三节 X射线的产生及,X-射线： 一种波长介于紫外线和射线之间的具有较短波长的电磁波。,一、X射线的产生与X射线谱,.,X-射线： 一种波长介于紫外线和射线之间的具有较短波长的电,X射线波长1012108m. 可见光的波长: 41077107m，可见:X射线比可见光,波长要短得多。,.,X射线波长1012108m. 射线射线紫外线x射,X射线是一种电磁波，所以具有波粒二象性:波动性:以一

2、定的频率和波长在空间传播;粒子性: X射线是由粒子流构成。,.,X射线是一种电磁波，所以具有波粒二象性:波动性:以一定的频,X射线波动性与微粒性的关系： E = h = hc/式中 h 普朗克常数 h = 6.626181034Js； c 光速 c = 3 108m s1； E、 、 X射线光子的能量、 频率、波长。,.,X射线波动性与微粒性的关系：.,X射线的强度用波动的观点描述：,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。,.,X射线的强度用波动的观点描述： E2.,共性:波粒二象性不同： X射线波长短、能量大不同体现在： 穿透能力强。能穿透可见光不能穿透的物质，如生物的

3、软组织等。,X射线与可见光相比较：,.,共性:波粒二象性X射线与可见光相比较：.,X射线穿过不同媒质时折射和反射极小，仍可视为直线传播。通过晶体时发生衍射，因而可用X射线研究晶体的内部结构。,prism,window,.,X射线穿过不同媒质时折射和反射极小，仍可视为直线传播。pr,1. 源X射线的产生装置：在实验室里, 产生X射线是利用具有高真空度的X射线管。,.,1. 源X射线的产生.,问题：X射线衍射仪上，X射线管在那里？,.,问题：X射线衍射仪上，X射线管在那里？.,原理：把用一定材料(Cu等)制作的阳极（称为靶）和阴极（钨丝）密封在一个玻璃-金属管壳内。当钨丝被34A的电流加热后，发出

4、热电子。,.,原理：把用一定材料(Cu等)制作的阳极（称为靶）和阴极（钨丝,在阳极和阴极间加直流高压V，阴极产生的热电子将在电场作用下奔向阳极，并撞击金属靶。电子的突然减速或停止运动,使大部分（99）能量转变成热能,小部分（1）转变为X射线。,.,在阳极和阴极间加直流高压V，冷却水靶（阳极）铜X射线X射线真,为避免靶材熔解，加循环冷却水X射线在与靶面约成6角处的强度最大，按此角度在管上开一窗口，让X射线透过窗口材料：对X射线吸收少的Be,.,为避免靶材熔解，加循环冷却水冷却水靶（阳极）铜X射线X射线真,X射线谱分类,X射线管发出的X射线分为两类：（1）具有连续波长的X射线，称为连续谱；（2）波

5、长确定的X射线，称为特征谱。,.,X射线谱分类连续谱K1K2特征谱KX射线管发出的X射线,例：Mo靶，当管压=15kV，发出连续谱, 当管压= 25kV，则出现特征谱.,.,例：Mo靶，当管压=15kV，发出连续谱, Mo靶25kV2,2 .连续X射线谱,定义：由某一最短波长（0，称短波限）开始，强度（I）随波长连续变化的X射线谱。,.,2 .连续X射线谱0I定义：由某一最短波长（0，称短波限,产生的机理：当高速运动的电子击靶后，电子被减速。电子所减少的能量（E）转为所发射X射线光子能量（h），即h=E。由于击靶的电子数目极多，击靶时穿透的深浅不同、损失的动能不等，因此，由电子动能转换为X射线

6、光子的能量有多有少，从而形成一系列不同频率、不同波长的X射线，构成了连续谱。,电子初始动能为E0；击靶后电子的动能变为En ；则E0 - En = h为所发射X射线光子的能量,.,产生的机理：当高速运动的电子击靶后，电子被减速。电子所减少的,极端情况: 电子与靶材相撞，其能量（eV）全部转变为辐射光子能量，此时光子能量最大、波长最短，因此连续谱有一个下限波长0即 电子动能=电子由阴极至阳极时电场所做的功=X射线光子能量,短波限产生的原因：,可见：短波限0与管电压有关，而与阳极靶材(Z)无关.,.,极端情况: 电子与靶材相撞，其能量（eV）全部转变为辐射光子,当管电流不变时， V 0I() 曲线

7、上移,影响连续谱的因素：电压, 电流 , 靶材,.,当管电流不变时，影响连续谱的因素：电压, 电流 , 靶材,(2) 当管电压不变时， i I()曲线上移 (0不变）,.,(2) 当管电压不变时，nm24.1V (kV)0=l.,(3) 在相同的管电压和电流下, 靶材原子序数（Z） I()曲线上移 (0不变）,.,(3) 在相同的管电压和电流下,nm24.1V (kV)0=,连续谱的总强度决定于上述V、i、Z三因素，即,式中,为常数.,.,连续谱的总强度决定于上述V、i、Z三因素，即式中,为常数.,3 .特征X射线谱,定义：叠加在连续谱上的若干条具有一定波长的谱线。,.,3 .特征X射线谱连续

8、谱K1K2特征谱K定义：叠加在连,特征X射线的产生与靶物质的原子结构有关。 原子结构：原子由原子核及绕核运动的电子组成。电子分布在不同能级的壳层上，离核最近的K层能级最低，其次L、M、N等能级逐渐增高。,特征谱产生的机理,.,特征X射线的产生与靶物质的原子结构有关。 e-e-KLMe-,管电压增加到某一临界值(激发电压)，使撞击靶材的电子能量（eV)足够大，可使靶原子内层产生空位,较外层电子向内层跃迁,产生波长确定的X射线(特征X射线)。,.,e-KLMK管电压增加到某一临界值(激发电压)，.,特征X射线光子能量跃迁前后能级差例：若K层产生空位，L层电子向K层跃迁，则辐射的X射线光子能量： h

9、L K = hc/L K = EL EK,.,特征X射线光子能量跃迁前后能级差e-KLMK.,c 光速；R = 1.097107 m-1, 里德伯常数；Z 原子序数； 核外电子对核电荷的屏蔽常数；n 电子壳层数；可见：不同元素具有自己的特征谱线。,特征谱线的频率,.,c 光速；特征谱线的频率.,特征X射线的命名若K层产生空位，L层或M层或更外层电子向K层跃迁，产生的X射线统称为K系特征辐射，分别按顺序记为K，K，射线。,.,特征X射线的命名KLMKKL.,距K层越远的能级，电子向K层跃迁的几率越小，辐射光子数越少，常见K，K辐射（忽略其它）若M或N层电子L层（空位）跃迁， 谱线记为L，L，射线

10、， 称为L系特征辐射等。,.,距K层越远的能级，电子向K层跃迁的几率越小，辐射光子数越少，,实例:由近邻L层电子填充K层的空位后所产生的特征X射线，称K 辐射。例如， CuK= 1.5418; 由次近邻M层电子填充K层的空位后所产生的特征X射线，称K辐射。例如， CuK= 1.3922 。,.,实例:.,实际上，K是一个双重跃迁，以Cu为例， K1=1.5405， K2=1.5443;,.,实际上，K是一个双重跃迁，以Cu为例， K1=1.54,原因：这与原子能级的精细结构有关。L层分3个亚层，除L1层电子不符合选择定律（l=0），不能跃迁外，L2、L3层电子均可向K层跃迁，故形成了双线结构。

11、,.,原因：这与原子能级的精细结构有关。L层分3个亚层，除L1层电,莫赛莱（Moseley)定律,表明特征谱线波长与物质原子序数的关系,式中C、与线系有关的常数。,可见：原子序数 K线系波长例：Cu (Z=29) 靶X射线： K1 = 1.5406 Mo (Z=42) 靶X射线： K1 = 0.7093 ,结论：特征X射线波长仅决定于原子序数，与管电压、管电流无关。,.,莫赛莱（Moseley)定律表明特征谱线波长与物质原子序数的,莫赛莱（Moseley)定律的应用,应用：根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。它是X射线光谱

12、分析的基本依据,.,莫赛莱（Moseley)定律的应用)(sl-=ZC1应用：根,X射线与物质的作用可分为散射、吸收、透射 1、 散射 沿一定方向运动的X射线光子流与物质的电子相互碰撞后，向周围发散开来的过程。,X射线散射,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电子相互作用所产生的衍射效应,二、X射线与物质的相互作用,.,X射线与物质的作用可分为散射、吸收、透射 X射线散射入射X,（1）相干散射 当入射X射线光子与原子中束缚较紧的电子(内层电子)发生弹性碰撞时，其辐射出电磁波的波长和频率与入射波完全相同，新的散射

13、波之间将可以发生相互干涉-相干散射。,.,（1）相干散射.,(2）非相干散射(康普顿散射) 当入射X射线光子与原子中束缚较弱的电子(如外层电子)发生非弹性碰撞时，电子可能被X光子撞离原子成为反冲电子,并带走一部分能量，从而使得光子能量减少，散射波波长增加，称为非相干散射。,.,(2）非相干散射(康普顿散射).,2 吸收,除了被散射和透射掉一部分外，X射线能量将被物质吸收，转变为热能,光电效应、荧光效应、俄歇效应等,.,2 吸收除了被散射和透射掉一部分外，X射线能量将被物质吸收，,(1)光电效应,定义：入射X射线光子的能量足够大时，可将内层电子击出，使其成为自由光电子，产生光电效应。,.,(1)

14、光电效应 定义：入射X射线光子的能量足够大时，可将内层,激发限（吸收限）：,激发K系光电效应时，入射光子的能量必须大于或等于将K电子从K层移至无穷远时所作的功WK，即：,hK hc / K WK K hc / WK,称k为激发限，或吸收限，只有当入射X射线的波长 k 时，才能产生光电效应而被吸收。,.,激发限（吸收限）：激发K系光电效应时，入射光子的能量,定义：当X射线光子具有足够能量时，可以将原子内层电子击出，产生光电效应。 此时，原子处于激发态，外层电子将向内层空位跃迁，同时释放波长一定的特征X射线。称为二次特征X射线或荧光X射线，这种现象叫做荧光效应。,e-,(2)荧光效应(二次特征X射

15、线),.,定义：当X射线光子具有足够能量时，可以将原子内层电子击出,荧光X射线与一次特征X射线比较产生机理：相同。不同之处：产生一次特征X射线时，入射线是高速运动的电子(E=eV) ；荧光X射线的入射线是高能X射线光子(E= h )。,e-,.,荧光X射线与一次特征X射线比较KL荧光X射线入射X射线e-.,(3)俄歇效应 1925年由俄歇发现原理：如果原子K层电子被击出，L层电子向K层跃迁，其能量差不是以产生K系X射线光量子的形式释放，而是被邻近电子所吸收，使这个电子受激发而逸出原子成为自由电子,这种现象叫做俄歇效应。电离出的电子称俄歇电子。测定俄歇电子的能量 可以确定原子的种类 -俄歇电子能

16、谱。,.,(3)俄歇效应.,3 透射,X射线透过物质时，其透射线强度It按指数规律衰减：It = I0 exp(- m*t)，其中I0 入射光强， m 质量吸收系数， 物质密度，t 样品厚度。,.,3 透射 X射线透过物质时，其透射线强度It按指数规律衰减：,总结: X射线照射固体物质，可能发生的各种相互作用，如下图：,.,总结: X射线照射固体物质，可能发生的各种相互作用，如下图：,三、X射线的衰减（透射）,定义：X射线通过物质时，沿透射方向强度显著下降的现象,衰减遵从朗伯定律：,.,三、X射线的衰减（透射）tt 定义：X射线通过物质时，,设强度为I0的入射线透入样品厚度x处时强度为I(x)

17、, I(x)通过微厚度dx后,其相对变化dI(x)/I(x)与dx成正比，即:,式中： 比例系数，称线吸收系数 (cm-1).,朗伯定律的推导：,.,设强度为I0的入射线透入样品厚度x处时强度为I(x), 式中,设样品厚度t,透射强度It ,对式,积分，即：,得到：,.,设样品厚度t,透射强度It ,积分，即：得到：.,由式,有, 表示X射线通过单位长度物质时强度的衰减又 强度为（垂直于传播方向上）单位面积的能量， 亦为X射线通过单位体积物质时能量的衰减,线吸收系数 (cm-1)的含义：,.,由式有 表示X射线通过单位长度物质时强度的衰减线吸收,设 m= / （为物质密度）， 称m为质量吸收系

18、数，则： It = I0 exp(- *t) = I0 exp(- m*t) 定义为X射线通过单位体积物质时能量的衰减 m 为X射线通过单位质量物质时能量的衰减，亦称单位质量物质对X射线的吸收各元素的m 见书 P324。,质量吸收系数m (cm2.g-1)的含义：,.,设 m= / （为物质密度），质量吸收系数m (,不同元素的m不同,Be1.35 Si60.3C4.60 S89.1N7.52Cl106O12.7Br99.6F16.4Pb232,.,不同元素的m不同Be1.35 Si60.3.,例1.在实验室里,利用X射线管产生X射线, 其窗口材料由薄Be片（约0.2mm厚）制成。试计算0.2

19、mm厚Be片对CuK辐射的透射因子(I透射/I入射)为多少? (Be的密度= 1.85g.cm-3 ， m= 1.35 cm2.g-1） 解： It/I0 = exp(- m*t) = exp(-1.35 * 1.85 * 0.02) = 0.95,.,例1.在实验室里,利用X射线管产生X射线, 其窗口材料由薄B,四、X射线的防护,X射线等短波谱域的电磁波具有杀伤生物细胞的作用安全措施：（1）金属铅m很大，实验室常用铅屏或铅玻璃屏等屏蔽。（2） 操作人员需遵循射线防护规定，经常监测剂量。,.,四、X射线的防护X射线等短波谱域的电磁波具有杀伤生物细胞的作,10. 解释名词： K射线与K 射线、短

20、波限与吸收限、线吸收系数与质量吸收系数 11. 对于同种材料，有K K K，试证明此式成立并据此分析下列荧光辐射产生的可能性：(1) Cu K 辐射激发Cu K 荧光辐射；(2) Cu K 辐射激发Cu K 荧光辐射。 12. X射线实验室用防护铅屏，若其厚度为1mm，试计算其对Cu K、Mo K 辐射的透射因子 (I透射/I入射)各为多少? (Pb密度= 11.34g.cm-3),习题,.,10. 解释名词： 习题.,11.提示: 导致光电效应的X光子能量将物质 K电子移到原子引力范围以外所需作的功 hk = W k以k 为例:h k= EL Ek = Wk WL=h k h L h kh

21、k kk,.,11.提示: 导致光电效应的X光子能量.,以k 为例:h k = EM Ek = WkWM=h k h M h kh k kkEL Ek EM Ekh k h kk k,.,以k 为例:h k = EM Ek,导致光电效应的X光子能量荧光光子具有的能量+光电子具有的能量h k=h k系荧光光电子即 h kh k系荧光，kk系荧光结论：当一次射线波长物质某标识谱波长时，将使该物质产生相应线系的标识谱荧光辐射。,.,导致光电效应的X光子能量KL荧光辐射入射X射线e-.,自学材料,.,自学材料.,二、X射线与物质的相互作用,X射线与物质相互作用时，会产生各种不同的和复杂的过程。但就其能

22、量转换而言，一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：其中一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。透过物质后的射线束由于散射和吸收的影响强度被衰减。 X射线与物质作用除散射、吸收和通过物质外，几乎不发生折射，一般情况下也不发生反射。,.,二、X射线与物质的相互作用 X射线与物质相互作用时，会产生,1、 X射线的散射,定义：X射线通过物质时，其部分光子将会改变它们的前进方向这就是散射现象。散射现象：包括相干散射和不相干散射,.,1、 X射线的散射定义：X射线通过物质时，其部分光子将会改变,相干散射,当入射X光子与物质中的某些电子（例如内层电子）发生碰撞时，由于这些电子受

23、到原子的强力束缚，光子的能量不足以使电子脱离所在能级的情况下，此种碰撞可以近似地看成是刚体间的弹性碰撞，其结果仅使光子的前进方向发生改变，即发生了散射，但光子的能量并未损耗，即散射线的波长等于入射线的波长。此时各散射线之间将相互发生干涉，故成为相干散射。相干散射是引起晶体产生衍射线的根源。,.,相干散射 当入射X光子与物质中的某些电子（例如内层电子）发生,不相干散射也称康普顿效应,当入射X射线光子与物质中的某些电子（例如外层电子）发生碰撞时，由于这些电子与原子间的结合松弛，可以近似地看成是自由电子，碰撞的结果，X射线光子将一部分能量传递给电子，使电子脱离原子而形成反冲电子，同时光子本身也改变了

24、原来的前进方向，发生了散射。这种散射由于各个光子能量减小的程度各不相同，即每个散射光子的波长彼此不等，因此相互不会发生干涉，故称为不相干散射。不相干散射线比入射X射线的能量小、波长大。在X射线衍射分析中只增加连续背景，给衍射图带来不利影响。,.,不相干散射也称康普顿效应 当入射X射线光子与物质中的某些电子,2、X射线的吸收,物质对X射线的吸收是指X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量。对X射线而言，即发生了能量损耗。有时把X射线的这种能量损耗称为吸收。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁引起的。在这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应，使X射线的部分能量转变成为光电子、荧光X射线及俄歇电子的能量。此外入射X射线的能量还消耗于产生热量。因此，X射线的强度被衰减。,.,2、X射线的吸收 物质对X射线的吸收是指X射线能量在通过物质,激发电压VKVL同系各谱线： K K 特征谱线位置（波长）与靶材（Z）有关与V无关若V V激发后，V 仅谱线强度,特征X射线的一些规律：,.,激发电压VKVL特征X射线的一些规律：25kV35k,