X射線的物理基礎.pptVIP

第一章 X射線的性質,X射線于1895年由德國物理學家倫琴（Rontgen）在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時無意發(fā)現(xiàn)。 X射線或者倫琴射線 倫琴第一位諾貝爾獎獲得者（1901） 發(fā)現(xiàn)三個月后就得到了應用維也納醫(yī)院,W. C. Rntgen（18451923）,Wilhelm Conrad Rntgen discovered the X-rays in 1895. In 1901 he was honoured with the Nobel prize for physics. In 1995 the German Federal Mail edited a stamp dedicated to W. C. Rntgen.,1.1 X射線的物理學基礎,X射線的本質 X射線是一種本質與可見光完全相同的電磁波或電磁輻射，只不過X射線是 由高速帶電粒子與物質原子中的內層電子作用而產生的，因此能量大，波 長短（0.1-10 nm），穿透物質的能力強。,1029 104 106 107 108 1012 1013 1015 波長，米 晶體衍射用X射線（0.050.2 nm）：硬X射線 金屬探傷X射線（ 0.0050.1 nm ）：硬X射線 醫(yī)用X射線（0.5 nm）：軟X射線,無線電波 紅外線 可見光 紫外線 X射線 射線 宇宙射線,X射線的物理學基礎,德國維爾茨堡大學W.C倫琴教授 1895.12.281896.3.9發(fā)表三篇論文，論述它 的性質： 1，像可見光一樣直線傳播，經電場不發(fā)生偏轉。 2，有很強的穿透能力，所有物質多少它都能夠透過。 3，使螢光物質發(fā)光，使氣體電離。 4，使照相底片感光，而人的肉眼無法直接觀察到它。,1.2 X射線的性質,X射線為研究材料的微觀特性開辟了一個新的途徑,瑞典皇家科學院院長奧得納(C.T.Odher)在倫琴獲諾貝爾獎的致詞中說：,對于這種能量輻射的真實組成，目前尚不清楚，然而，倫琴本人和后來從事這方面研究的其他科學家已發(fā)現(xiàn)了它的若干特殊性質。毫無疑問，當人們充分研究這種奇異的能量形式并全面探索它的廣闊應用領域時，物理科學將取得許多成就。,X射線的性質,X射線的發(fā)現(xiàn)和研究歷程,1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線(1901年) 1907年，亨利布拉格（1915）和巴克拉（1917）爭論X射線 的波粒二象性。 1912年，勞厄（1917）發(fā)現(xiàn)X射線衍射，由此確定了X射線的 波動性。 1913年，勞倫斯布拉格（1915）提出X射線衍射公式，亨利. 布拉格創(chuàng)建X射線分光儀。 1913年，莫塞萊確定X射線標識譜線的規(guī)律性。 1917年，康普頓（1927）研究X射線散射，發(fā)現(xiàn)康普頓效應。 1921年，凱西格班（1924）發(fā)表X射線光電子能譜學成果。,晶體結構分析 X射線衍射學 物相分析 精細結構(EXAFS) 晶體取向與織構 X射線影像學 無損檢測 X射線能譜學 化學成分分析,X射線在材料科學中的應用,波粒二象性是X射線的客觀屬性 1） X射線具有波動的性質，有一定的頻率和波長， 反映物質的連續(xù)性。 現(xiàn)象表現(xiàn)為晶體衍射。 2） X射線具有粒子性，是具有一定能量光子的粒子 流，反映物質運動的分立性。 現(xiàn)象表現(xiàn)為光電效應和熒光輻射。,X射線的物理性質,已出現(xiàn)的設想：晶體中呈有規(guī)律、周期性排列，組成三維原子網絡，以上未能得到實驗證實。 Laue根椐理論分析預測提出：“晶體中原子間距與X射線波長相近，應當可以作為使X射線發(fā)生衍射的立體光柵。”晶體的晶面間距是10-10 m,與X射線的波長（ 210-10 m ）相當。 一箭雙雕的實驗：X射線的本質是短波電磁輻射；晶體結構中點陣的假設是正確的。,證明X射線的波動性,勞厄（Laue）實驗（1912）,ZnS 的勞厄衍射照片,顯示其四重對稱軸,顯示其三重對稱軸,ZnS 的勞厄衍射結果解析,光電效應：入射X射線產生光電效應和熒光輻射的條件與頻率(波長)有關，而與強度和照射時間無關。 康普敦效應：在光的散射過程中,有些散射波的波長比入射波的波長略大。,X射線的頻率、波長以及其光子的能量、動量p之間存在如下關系： = h.=h.c/ p=h/ 式中h普朗克常數(shù)，等于6.62610-34 J.s; cX射線的速度，等于2.998108 m/s.,實驗證明X射線的粒子性,1.3 X射線的產生及X射線管,產生原理： 高速運動的電子與物體碰撞時，發(fā)生能量轉換，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分（1左右）能量轉變?yōu)閄射線，而絕大部分（99左右）能量轉變成熱能使物體溫度升高。,X射線產生的幾個基本條件,產生自由電子； 使電子作定向的高速運動; 在其運動的路徑上設置一個障礙物 使電子突然減速或停止。,X射線管的結構,陰極：又稱燈絲(鎢絲)，通電加熱后便能釋放出熱輻射電子。 陽極：又稱靶，通常由純金屬制成(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag,W等)，使電子突然減速并發(fā)射X射線。陽極需要水強制冷卻。 窗口：是X射線射出的通道，維持管內高真空，對X射線吸收較少，如金屬鈹、含鈹玻璃、薄云母片。,封閉式X射線管實質上就是一個大的真空二極管。真空度不低于1.310-3pa,X射線管,1）旋轉陽極的X射線管 充分散熱，提高X射線管的功率（3KW 90KW ）。 2）細聚焦X射線管 利用電磁透鏡聚焦電子束，制成細焦點的X射線（最小 幾個微米），提高X射線管的比功率和實驗分辨率。 3) 同步輻射光源,特殊結構的X射線管,X射線管中的焦點,焦點是陽極靶表面被電子束轟擊的一塊面積，X射線從中發(fā)出。 在X射線衍射中，希望有: 1.較小的焦點,提高分辨率. 2.較強的X射線強度,縮短爆光時間。,靶的焦點形狀及接收方向,一般采用在與靶面成一定角度的位置（36度）接受X射線，這樣可以達到焦點縮小，相應增強X射線的目的。,1.4 X射線譜,X射線譜：在不同管電壓下所測得的X射線強度隨波長而變化的關系曲線。它由兩部分組成。 連續(xù)X射線譜：特征是各種波長連續(xù)變化，與可見光類似，也稱白色X射線。 特征X射線譜：也稱標識譜，特征是某些特定波長，其強度較高并疊加在連續(xù)X射線譜上。 特征X射線譜線的波長決定于靶料，每個元素有一套一定波長的X射線譜，成為這個元素的標識。,X射線譜,連續(xù)X射線譜的產生機理,1）經典動力學解釋 高速運動的電子到達靶材，導致周圍電磁場的急劇變化，產生電磁波。 2）量子理論的解釋 高速電子與陽極靶的原子碰撞時，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射出去，碰撞一次產生一個能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。 絕大多數(shù)到達靶上的電子時間和條件不一樣，并且電子要經過多次碰撞，逐步把能量釋放到零，產生能量各不相同的輻射，因此形成連續(xù)X射線譜。,假設電子在一次碰撞中將全部能量一次轉換為一個光量子，這個光量子具有最高能量和最短波長。,將各常數(shù)代入上式：,連續(xù)譜短波限0只與管電壓有關，與管電流和靶材無關。,連續(xù)X射線譜短波限,相關習題,2.試計算用50千伏操作時，X射線管中的電子在撞擊靶時的速度和動能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？,相關習題,1.試計算用50千伏操作時，X射線管中的電子在撞擊靶時的速度和動能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？,X射線的強度,X射線的強度是指垂直X射線傳播方向的單位面積上單位時間內所通過的所有光子能量總和。常用的單位是J/cm2s。 X射線的強度（I）是由單個光子能量h和數(shù)目n兩個因素決定的，即I=nh。 連續(xù)X射線強度最大值在1.50，而不在0處。,連續(xù)譜強度分布曲線下所包絡的面積與在一定條件下單位時間發(fā)射的連續(xù)X射線總強度成正比.,其中,i是管電流,V是管電壓,Z為陽極靶的原子序數(shù),其余為常數(shù),mi=2 X射線管發(fā)射連續(xù)X射線的效率:,當用鎢陽極(Z=74),管電壓為100 kV, 約為（1.11.4）10-9, 此時, =1%.,為獲得強的連續(xù)X射線譜,常選用原子序數(shù)較大的元素和較高的電壓值。如選用W靶，在60-80kV管電壓下工作。,X射線的強度,管流、管壓及陽極物質對連續(xù)譜的影響,特征（標識）X射線譜,特征（標識）X射線譜的產生機理,標識X射線譜的產生機理與陽極物質的原子內部結構緊密相關。,特征X射線產生的示意圖,如 L層電子躍遷到K層,此時能量降低為:,以一個光量子的形式輻射出來變成光子的能量:,對于原子序數(shù)為Z的物質而言,各原子能級所具有的能量是固定的,所以,kL變?yōu)楣潭ㄖ?也隨之固定。這就是特征X射線波長為定值的原因。,特征（標識）X射線譜的產生機理,K系激發(fā)原理,核外電子分層排布 K L M N O P 層 低 各層電子的能量 高 高 原子對各層電子的結合能 低 X光量子的能量僅與原子內各層能態(tài)有關，它標識著原子的特征。 一般選用K作為輻射源，因為L和M系射線由于波長太長，容易被吸收。,輻射源的選擇,1) 需要最低的管電壓V激（激發(fā)電壓），它由陽極靶的原子序數(shù)Z決定。 2) 陽極靶不同，特征X射線譜的波長也不同。 3) 連續(xù)譜只增加衍射花樣的背底，不利于衍射分析，因此希望特征譜線強度與連續(xù)譜線強度之比越大越好。一般工作管電壓為K系激發(fā)電壓的35倍，I特/I連最大。,特征X射線譜的幾個特點,Mo靶X射線管的X射線強度曲線,莫塞萊定律,特征X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質的原子能級結構，是物質的固有特性。特征X射線譜的頻率與原子序數(shù)Z關系可以通過莫塞萊定律描述：,K 和是兩個常數(shù)。,莫塞萊定律是X射線熒光光譜和電子探針微區(qū)成分分析的理論基礎。通過未知物質的特征X射線進行晶體衍射，算出特征X射線的波長，再根據(jù)上式算出原子序數(shù)Z。 Ce和Hf兩元素由此得到驗證。,原子序數(shù)與標識X 射線譜波長的關系 Moseleys Law,莫塞萊定律,1.5 X射線與物質相互作用,X射線與物質相互作用時，產生各種不同和復雜的過程。就其能量轉換而言，一束X射線通過物質時，可分為三部分： 一部分被散射（相干散射和非相干散射） 一部分被吸收（真吸收光電效應、俄歇效 應、正電子吸收、熒光X射線、熱散能量） 一部分透過物質繼續(xù)沿原來的方向傳播 （波長改變和不改變部分）,X射線與物質相互作用,相干散射,原子中的內層電子在入射X射線的作用下，圍繞其平衡位置發(fā)生受迫振動。此時電子向四周輻射X射線散射波。 如果出射X射線振動方向相同，頻率相同、位相差恒定,可以發(fā)生干涉現(xiàn)象，稱為相干散射。,相干散射是晶體衍射的物理基礎,非相干散射（康普頓散射）,X射線光子與束縛力不大的外層電子 或自由電子碰撞時電子獲得一部分動能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加。,康普頓研究X射線在石墨上的散射,波長的改變值（nm）：,非相干散射會增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。 又稱為量子散射,非相干散射（康普頓-吳有訓效應）,X射線的吸收,X射線通過均勻物質,其強度的衰減符合下式:,其中為線吸收系數(shù),它的意義是在X 射線的傳播方向上,單位長度上的X 射線強度衰減程度.它與物質種類,密度和X射線波長有關. 為便于處理,令: m為質量吸收系數(shù),它的物理意義是單位重量物質對X 射線的衰減量.,由于不同物質的吸收系數(shù)（）和Ix不同，由此可以進行生物體透射和工業(yè)探傷研究。,對于多種元素以上的物質的吸收系數(shù),可以通過下式得到:,I0 是入射X射線強度，Ix是入射X射線在穿過厚度為X的物質后的強度。,X射線的吸收,課題練習,例：CuO，計算其對Mo K,=0.711埃的質量吸收系數(shù),課題練習,例：CuO，計算其對Mo K,=0.711埃的質量吸收系數(shù) 解：由附錄2查知 ，Cu及O的原子量 分別為63.54和16，故Cu在CuO的重量比為80，O 在CuO的重量比為20，因此：,X射線的吸收,物質對X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質時轉變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗，它分為兩類： 1）原子對X射線的漫散射（小部分能量損失）。 2）真吸收（大部分能量損失）。 物質對X射線的吸收主要是由原子內部的電子躍遷而引起的。 二次特征輻射 俄歇(Auger)效應,X射線的吸收,二次特征輻射（熒光輻射）,以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程。被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級標識X射線稱為二次特征X射線或熒光X射線 。,一次特征X射線的部分能量轉變?yōu)樗丈湮镔|的二次特征輻射，體現(xiàn)出物質對入射X射線的吸收。,電子從高能級躍遷到低能級而被電離出來的電子稱為俄歇電子。也就是說K層的一個空位被L層的兩個空位所代替。俄歇電子具有固體的能量，特別適合做表面分析（23層原子）。,俄歇效應,Auger 電子,X-ray 光子,Auger 電子和X-ray 光子的激發(fā)過程,X射線衍射分析中，需要接近單色或者波長較單一的射線。而一般K系特征譜包括兩條Ka，Kb，產生兩套衍射花樣，相互干擾，必須濾掉一條。研究表面質量吸收系數(shù)為m、吸收限為K的物質可以強烈吸收=K的入射X射線。,吸收限的應用：濾波片,它的吸收限位于輻射源的K和K之間，且盡量靠近K 。強烈吸收K，K吸收很??； 選擇適當?shù)臑V波片厚度。 如果濾波片太厚，將強烈吸收K.當吸收為一半的時候，K和K的吸收比將變?yōu)?/500。 濾波片材料由陽極靶元素所確定： Z靶40時 Z濾片=Z靶-2；,濾波片的選擇原則,幾種元素的 K系射線波長及常用濾波片,濾波以后,K /K的強度比為1/600.,陽極靶的選擇（避免熒光X射線，產生背底）: （1）陽極靶K波長稍大于試樣的K吸收限； （2）試樣對X射線的吸收最小。 經驗公式： Z靶Z試樣+1。 對于試樣中含有多種元素，原則上應以其主要組元中原子序數(shù)的最小元素來選擇陽極靶。,陽極靶的選擇原則,X射線的