射线的物理学基础.ppt
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1、1,X射线的物理学基础,物理学院 邢晓东课件保存于:密码:xingxiaodong,2,X射线的物理学基础,一、X射线的性质二、X射线的产生三、X射线谱四、X射线与物质的相互作用,3,X射线的物理学基础,一、X射线的性质二、X射线的产生三、X射线谱四、X射线与物质的相互作用,4,一、X射线的性质,(1)引言,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。伦琴荣获1901年第一届诺贝尔物理奖;贝克勒尔,居里1903年;汤姆逊1906年;,5,一、X射线的性质,(2)发现X射线,1894年11月8日,德
2、国物理学家伦琴在研究阴极射线管的高压放电现象时,发现了能使荧光屏发光的 一种新射线。1895年12月22日,伦琴和他夫人拍下第一张X射线照片。1895年12月28日,伦琴第一篇研究通讯一种新射线初步研究。伦琴将当时无法确定本质的新射线称为X射线。,6,一、X射线的性质,(3)X射线的主要特征,肉眼不可见,但能使荧光物质发出荧光,能使照相底片感光呈直线传播,经过电场或磁场时不发生偏转具有自身的特点(很高的穿透能力、可被物质吸收和减弱、可使空气电离、对生物细胞有杀伤作用等),7,一、X射线的性质,(4)贡献,几个月后被用于医学诊断,后来又用于金属材料和机械零件的探伤。1901年获第一届诺贝尔物理奖
3、。1912年劳厄发现了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。(1914诺奖)1912年11月,布拉格利用X射线分析晶体结构,提出著名的布拉格方程,成功解释劳厄的实验。(1915诺奖),8,一、X射线的性质,(4)贡献,图为澳大利亚悉尼大学一名工作人员在审视手中的X射线照片,9,一、X射线的性质,(5)X射线的本质,1912年,德国物理学家劳厄(M.V.Laue)等根据理论预见到,并用实验证实:X射线照射晶体时,将产生干涉(即衍射)现象。证明了X射线的本质是电磁波。这是X射线衍射学的第一个里程碑。X射线的本质是波长极短的电磁波;同可见光、紫外线以及其它基本粒子
4、(电子、中子、质子等)都一样,都具有波粒二象性。既有波动性,又有粒子性,都会产生干涉、衍射、吸收和光电效应等。X射线的波长较短,X光子的能量就相对较高,因此它的微粒特性比较明显。,10,一、X射线的性质,(6)X射线的波长,度量单位:埃,纳米nmX射线的波长范围为100.001nm对应能量0.1241240KeV波长越长,波动性越明显;波长越短,粒子性越明显;,11,一、X射线的性质,(7)X射线的波粒二象性,波动性:X射线以一定的波长和频率在空间传播,反映了物质运动的连续性;X射线干涉、衍射;粒子性:X射线以光子形式辐射和吸收时,具有一定的质量、能量和动量,反映了物质运动的分立性。越小,p和
5、越大,X射线穿透能力越强。,12,一、X射线的性质,(8)X射线的分类,根据X射线波长的不同,可将X射线分为以下两种:硬X射线:波长短软X射线:波长较长 波长愈短穿透能力愈强,用于金属探伤的X射线波长为0.005 0.01nm或更短;适用于晶体结构分析的X射线,波长约为0.05 0.25nm。,13,一、X射线的性质,(9)X射线探测与防护,因X射线是人类肉眼看不见的射线,必须使用专门的设备和仪器进行间接探测。探测X射线的主要仪器设备是:荧光屏、照相底片和探测器等。过量的X射线对人体会产生有害影响,且影响程度取决于X射线的强度、波长和人体的受害部位。操作调试时,要严格遵守安全条例,注意采取防护
6、措施,要特别注意不要让身体直接暴露在X射线束照射之中。,14,X射线的物理学基础,一、X射线的性质二、X射线的产生三、X射线谱四、X射线与物质的相互作用,15,二、X射线的产生,(1)X射线的产生条件,X射线是由高速运动着的带电粒子(电子)与某种物质撞击突然被阻止时,伴随电子动能的消失或转化而产生的。要获得X射线,必须满足以下条件:(1)产生并发射自由电子的电子源,如加热钨丝发射热电子;(2)在真空中(一般为10-4Pa),使电子作定向的高速运动;(3)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而停止下来。,16,二、X射线的产生,(1)X射线的产生条件,X射线产
7、生的本质:电子在轰击激发材料时,实际就是电子从原子核附近穿过,受到原子核电磁场的作用(非弹性散射)而偏转减速时释放的多余能量以连续X射线形式释放;或者是高速电子将原子中的K层电子打出,L层电子跃迁到K层时释放多余的势能,以特征X射线形式释放。,17,二、X射线的产生,(2)X射线管,电子式X射线管实质上是一个真空二极管,阴极是发射电子的灯丝、而阳极是阻碍电子运动的金属靶面,阴极和阳极都密封在高真空(1.3*10-4Pa)的管内。,封闭电子式X射线管及其工作原理图,18,二、X射线的产生,(2)X射线管,阴极(灯丝):钨丝制成,通电加热至白热后放出热电子在30KV50KV高压电场作用下,电子高速
8、向阳极轰击而产生X射线。为了聚焦电子束,在灯丝外有金属聚焦罩,其电位较阴极低100V400V。金属聚焦罩用高熔点金属钼或钽制造。,X射线管结构图,19,二、X射线的产生,(2)X射线管,阳极(靶):使电子突然减速发射X射线;由熔点高、导热好的铜制成。为了获得各种波长的X射线,常在电子束轰击的阳极靶面镀一层Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag和W等元素。因高速电子的动能仅1%左右转变为X射线,99%都转变成热能,为避免烧熔靶面,需通水冷却。,20,二、X射线的产生,(2)X射线管,窗口:金属铍制成,是X射线射出的通道,要求既要由足够的强度维持高真空,又要对X射线吸收小。通常由四个或两个窗口。
9、X射线在各个方向上的强度不相同,与电子束垂直的方向,强度最大。由于靶面不是绝对光滑平整,因此常在与靶面成6度的方向接收X射线。,21,二、X射线的产生,(3)X射线管的焦点,焦点是阳极靶表面被电子束轰击的一块面积,X射线就从这块面积上发出。焦点的形状和尺寸是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝形状,螺线形灯丝产生长方形焦点。为提高X射线衍射的分辨本领,要求焦点小、强度高。,缩小焦点途径在与靶面成一定角度位置接受X射线。,22,二、X射线的产生,(4)其他结构的X射线管,旋转阳极X射线管:采用适当的方法使阳极高速旋转,这样,可使靶面受电子轰击的部位焦斑随之改变,有利于散热,可以提高X射线
10、管的额定功率几倍到几十倍。细聚焦X射线管:在X射线管阴阳极之间,添加一套静电透镜或电磁透镜,使阴极发射的电子束聚焦在阳极上,焦斑只有几个微米到几十微米。虽然电子束流减小,但因焦斑小,单位焦斑面积发射的X射线强度增加。这种X射线管,除了可以缩短拍摄照片得到极细的X射线束,有利于提高结构分析的精度。,23,X射线的物理学基础,一、X射线的性质二、X射线的产生三、X射线谱四、X射线与物质的相互作用,24,三、X射线谱,(1)X射线谱,X射线谱:用适当的方法测量X射线管发出的X射线的波长及其对应的强度,并在强度波长坐标上得到的X射线强度随波长的变化曲线。,两类X射线谱:连续X射线谱特征(标识)X射线谱
11、,25,三、X射线谱,(2)连续X射线谱,连续X射线谱:在一定的管电压U(如50KV)以下,X射线强度随波长连续变化,称这种谱线为连续X射线谱,即连续谱。,连续X射线谱的特点:在短波方向上有短波限0,波长的最小值每条谱线都有一个强度最大值,谱线最大强度对应的波长max,最大值出现在1.50处随管电压增大,强度相应增高,谱线的短波限和强度最大值均相短波方向移动。,图 钨靶连续X射线谱,26,三、X射线谱,(2)连续X射线谱,用经典物理学和量子理论可以解释连续谱的变化规律和产生机理:当X射线管两极间加高压时,大量电子(例如,当管电流为10mA时,也即每秒通过0.01C的电量时,1s内射向阳极的电子
12、数为6.25*1016个电子)在高压电场的作用下,以极高的速度向阳极靶面轰击;由于阳极的阻碍作用,电子将产生极大的负加速度。,27,三、X射线谱,(2)连续X射线谱,经典物理学:一个带负电荷的电子做加速运动时,电子周围的电磁场将发生急剧变化,此时必然要产生一个电磁波,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可能相同,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。,28,三、X射线谱,(2)连续X射线谱,量子理论:X射线光子的产生 当能量为eU的电子与靶原子碰撞时,电子失去能量,其中一部分以光子形式辐射出去。每碰撞一次,产生一个能量为h的光子。连续谱的形成 大量的
13、电子在到达靶面的时间、条件均不同,而且还有多次碰撞,因而产生不同能量不同强度的光子序列,即形成连续谱。,29,三、X射线谱,(2)连续X射线谱,关于短波限,极限情况下,能量为eU的电子在碰撞中一次把能量全部转给光子,那么该光子获得最高能量并具有最短波长,即短波限0 短波限只与管电压有关,并随管电压增大减小,30,三、X射线谱,(2)连续X射线谱,关于强度最大值,X射线的强度定义为单位时间内通垂直于传播方向的单位截面的能量大小,即通过单位面积的光量子流率,取决于光子能量h和光子数目n。强度最大值不出现在光子能量最大值0处,而是大约1.5 0处,31,三、X射线谱,(2)连续X射线谱,X射线的总强
14、度,连续X射线谱线下的面积表示连续X射线的总强度Ig,即阳极靶发射出的X射线的总能量:经验公式:i管电流,U管电压,Z阳极靶原子序数,K,m常数(m 2,K(1.11.4)10-9),32,三、X射线谱,(2)连续X射线谱,X射线管发射连续X射线的效率,对于W靶,Z=74,当U=100KV时,1%其余能量在靶上转化为热能。,33,三、X射线谱,(2)连续X射线谱,连续谱与电流、电压和靶材的关系,图 连续谱与电流、电压和靶材的关系,34,三、X射线谱,(3)特征 X射线谱,在连续X射线谱的基础上产生。当管电压继续升高,大于某个临界值时,在连续谱线的某个波长处出现强度峰,成为特征X射线。将这一临界
15、电压称为激发电压。,当电压加到25KV时,Mo靶的连续X射线谱上出现了二个尖锐的峰K(0.071nm)和K(0.063nm)。,图 Mo靶的连续X射线谱与特征X射线谱,35,三、X射线谱,(3)特征 X射线谱,特征X射线谱的特征,在连续谱上出现特征谱线,常见K,K两条K波长比K 长,K与K强度比约为5:1K还分为K1和K2两条线,K1和K2强度比约为2:1。,36,三、X射线谱,(3)特征 X射线谱,特征X射线谱的特征,图 Mo的 标识X射线谱,随着电压的增大,特征谱强度增强,但波长不变,也就是说,这些谱线的波长与管压和管流无关。它与靶材有关。对给定的靶材,它们的这些谱线是特定的。因此,称之为
16、特征X射线谱或标识X射线谱。产生特征X射线的最低电压称激发电压。,37,三、X射线谱,(3)特征 X射线谱,特征谱的产生机理,图 特征X射线的产生机理,38,三、X射线谱,(3)特征 X射线谱,特征谱的产生机理,特征X射线的产生主要与原子内部电子的激发与跃迁有关。原子中电子是按一定的规则(泡利不相容原理和能量最低原理)分布在核外不连续的轨道(壳层)上。这些轨道标识为K、L、M、N等,它们具有特定的能级,而且由内而外,能级逐渐升高;相邻两层的能量差随着主量子数的增加而减小,即K、L两层之间的能量差最大。当原子受到高速电子的撞击时,如果这些电子束的能量足够大,它们就会将原子内层的电子打出去,这一过
17、程称激发。K层电子的打出称K系激发,依次有L系、M系激发等。当内层电子被激发后,便在原有的位置上留下一个空位,外层电子就会跃入此空位,同时将多余的能量以X射线光子的形式释放出来,这一过程称跃迁。,39,三、X射线谱,(3)特征 X射线谱,特征谱的产生机理,辐射出的X光子能量由电子跃迁所跨越的两个能级的能量差来决定。比如n2 n1层电子的跃迁:,式中,n2,n1分别为电子跃迁前后所在的能级,En2,En1分别为电子跃迁前后的能量状态。原子内部电子轨道间的电子跃迁产生的射线波长在X射线的范围之内。各个原子中各电子层间的能量差是一定的,所以由此产生的X射线波长是一定的。这就是特征X射线产生的机理。,
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