第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)gqf

1、Modern Analytical Instruments and Technology for MaterialsUnit 1Modern Analytical Instruments and Technology for MaterialsChapter 1Modern Analytical Instruments and Technology for Materials2o兩個(gè)重要人物：倫琴（W.C. Rntgen）勞埃（M. von Laue）1895年倫琴在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)了X射線。1912年勞埃發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象。Modern Analytical Instrumen

2、ts and Technology for Materials3 電磁波或電磁輻射，具有波粒二相性。 波動(dòng)性（圖1-2 ） 粒子性 (光子：能量E = h ） 將波動(dòng)和微粒兩種觀點(diǎn)連接起來將波動(dòng)和微粒兩種觀點(diǎn)連接起來 描述X射線波動(dòng)性的物理量，如頻率、波長(zhǎng)與描述其粒子特性的光量子能量E、動(dòng)量P之間，遵循的德布羅意關(guān)系式： E = h = hc / P = h / = h / cModern Analytical Instruments and Technology for Materials4X射線是載有能量的，其大小通常用I表示，I與振幅A2呈正比，絕對(duì)強(qiáng)度測(cè)量很困難，極少采用。相對(duì)強(qiáng)度通常

3、采用經(jīng)X射線曝光的底片發(fā)黑程度來確定。凡是加速的電荷均能輻射能量，因此，圍繞某個(gè)位置連續(xù)振動(dòng)的電荷就是一個(gè)電磁輻射源。無線電波：電荷在廣播天線中的往復(fù)振動(dòng)而產(chǎn)生，X射線：電子在發(fā)射X射線的物質(zhì)原子中的振動(dòng)而產(chǎn)生。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials5 用于晶體結(jié)構(gòu)分析的X射線波長(zhǎng)： 0.250.05nm （硬X射線） 金屬零件的無損探傷： 0.10.005nm 用于醫(yī)學(xué)透視及安檢的X射線波長(zhǎng)則很長(zhǎng)： 1100nm（軟X射線）Modern Analytical Instruments and Technology f

4、or Materials6X射線產(chǎn)生的幾個(gè)基本條件： 當(dāng)具有充分動(dòng)能的電荷被迅速減速時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生X射線 產(chǎn)生自由電子； 使電子作定向高速運(yùn)動(dòng)；（X射線管） 在電子運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置使其突然減速的障礙物。 主要構(gòu)造： 陰極：發(fā)射電子。 陽極：靶（target）。使電子突然減速并發(fā)射X射線。 窗口：是X射線射出的通道。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials7 1.4.1 兩種X射線輻射過程 關(guān)于高速電子擊靶產(chǎn)生X射線的機(jī)理，按量子理論的觀點(diǎn)，源于兩個(gè)物理過程： 韌致輻射（連續(xù)輻射） 陰極射出的高速電子與靶材原子碰撞，運(yùn)動(dòng)受

5、阻而減速，其損失的動(dòng)能便以X射線光子的形式輻射出來。 特征輻射（標(biāo)識(shí)輻射） 靶材原子處于高能激發(fā)態(tài)時(shí)，內(nèi)層電子躍遷輻射的X射線。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials81212nnnnh121212nnnnnnhcc 輻射出的X射線的波長(zhǎng)（頻率），由電子躍遷所跨越的兩個(gè)能級(jí)的能量差來決定：Modern Analytical Instruments and Technology for Materials91.4.2 兩種X射線譜 （連續(xù)，特征（標(biāo)識(shí)） X射線強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜。 連續(xù)譜受管電壓U，

6、管電流i和陽極靶材的原子序數(shù)Z的作用，其相互關(guān)系見圖： 連續(xù)譜的總強(qiáng)度決定于上述U、i、Z三因素： 21iZUKdIISWL連ZUKiUI1連圖1圖2 連續(xù)X射線譜Modern Analytical Instruments and Technology for Materials10 連續(xù)譜的形成及存在短波限的量子力學(xué)解釋：在管電壓U作用下，電子到達(dá)陽極靶時(shí)動(dòng)能為eU，若一個(gè)電子在與陽極靶碰撞時(shí)，把全部能量都給予一個(gè)光子，這就是一個(gè)光子所可能獲得的最大能量，即hmax = eU，此光量子的波長(zhǎng)即為短波限SWL，SWLcheUmaxnmUmUUCsmsJeUhcSWL1240104 .12106

7、02. 110998. 210626. 67191834Modern Analytical Instruments and Technology for Materials11 特征（標(biāo)識(shí)）X射線譜當(dāng)加于X射線管兩端的電壓增高到與陽極靶材相應(yīng)的某一特定值UK時(shí)，在連續(xù)譜的某些特定的波長(zhǎng)位置會(huì)出現(xiàn)一系列強(qiáng)度峰，峰窄而尖銳。它們的波長(zhǎng)對(duì)一定材料的陽極靶有嚴(yán)格恒定的數(shù)值，此波長(zhǎng)可作為陽極靶材的標(biāo)志或特征。故稱為特征譜或標(biāo)識(shí)譜。特征譜的波長(zhǎng)不受管電壓、管電流的影響，只決定于陽極靶材元素的原子序數(shù)。Mo靶35kVModern Analytical Instruments and Technology f

8、or Materials12 特征X射線產(chǎn)生的機(jī)理經(jīng)典原子模型原子內(nèi)的電子分布在一系列量子化的殼層上。最內(nèi)層（K層）能量最低。22242)(2ZnhmeEn)()(1212nnnnEEh圖Modern Analytical Instruments and Technology for Materials13 原子內(nèi)層電子被擊出而造成空位是產(chǎn)生特征輻射的前提。 而欲擊出靶材原子內(nèi)層電子，比如K層電子，由陰極射來的電子的動(dòng)能就必須大于（至少等于）K層電子與原子核的結(jié)合能EK，或K電子逸出所做的功WK，即eUK=-EK=WK，這個(gè)UK便是陰極電子擊出靶材原子K電子所需的臨界激發(fā)電壓。MgKLM入射電

9、子二次電子（自由電子）MgK光子MgK光子Modern Analytical Instruments and Technology for Materials14莫塞萊（Moseley H.G.J.）對(duì)特征譜進(jìn)行系統(tǒng)研究后，在1914年得出了特征譜波長(zhǎng)和陽極靶的原子序數(shù)Z之間的關(guān)系莫塞萊定律：)(12ZKModern Analytical Instruments and Technology for Materials15 特征譜的強(qiáng)度隨管電壓（U）和管電流（i）的提高而增大，其關(guān)系的實(shí)驗(yàn)公式如下：I特K3 i ( U - Un)m 另外，X射線連續(xù)譜只增加衍射花樣的背底，不利于衍射花樣分析，

10、因此總希望特征譜線強(qiáng)度與連續(xù)譜線強(qiáng)度之比越大越好。實(shí)踐和計(jì)算表明，當(dāng)工作電壓為K系激發(fā)電壓的35倍時(shí)，I特 / I連最大。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials16 照射到物質(zhì)上的X射線，除一部分可能沿原入射線束方向透過物質(zhì)繼續(xù)向前傳播外，其余的，在與物質(zhì)相互作用的復(fù)雜物理過程中被衰減吸收，其能量轉(zhuǎn)換和產(chǎn)物可歸納于后圖。圖Modern Analytical Instruments and Technology for Materials17 物質(zhì)對(duì)X射線的散射主要是電子與X射線相互作用的結(jié)果。物質(zhì)中的核外電子有兩大類

11、，相應(yīng)產(chǎn)生兩種散射效應(yīng)。 相干散射coherent scattering（彈性散射或湯姆遜散射） 經(jīng)典散射 當(dāng)X射線與原子中受核束縛較緊的內(nèi)層電子相撞時(shí)，電子受X射線電磁波的影響而繞其平衡位置發(fā)生受迫振動(dòng)，于是變加速振動(dòng)著的電子便以自身為中心，向四周輻射新的電磁波，其波長(zhǎng)與入射X射線波長(zhǎng)相同，且彼此間有確定的周相關(guān)系。可以發(fā)生相互干涉，故稱相干散射。 1.5.1 X射線的散射Modern Analytical Instruments and Technology for Materials18 非相干散射incoherent scattering （康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)） 量子散射 當(dāng)X射線光子

12、與原子中受束縛力弱的電子（如原子中的外層電子、自由電子等）發(fā)生碰撞時(shí)，電子被撞離原子并帶走光子的一部分能量而成為反沖電子。光子損失了能量波長(zhǎng)變長(zhǎng)并改變了2角，不能產(chǎn)生干涉效應(yīng)，故叫非相干散射。 根據(jù)能量和動(dòng)量守恒定律，推出Modern Analytical Instruments and Technology for Materials191.5.2 X射線的透射和吸收 一、 X射線的吸收與吸收系數(shù)1. 衰減規(guī)律與線吸收系數(shù)（散射吸收） 實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)一束單色X射線透過一層均勻物質(zhì)時(shí)，其強(qiáng)度將隨穿透深度的增加按指數(shù)規(guī)律減弱，即：tleII0tleII0或I / I0 為；稱（單位為cm-1）。M

13、odern Analytical Instruments and Technology for Materials202. 質(zhì)量吸收系數(shù) 為了避開線吸收系數(shù)隨吸收體物理狀態(tài)不同而改變的困難，可以用l /代替l，為吸收物質(zhì)的密度，這樣：ttmleIeII00稱（單位為cm2g-1），表示單位重量物質(zhì)對(duì)X射線的吸收程度。質(zhì)量吸收系數(shù)與波長(zhǎng)和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z存在函數(shù)關(guān)系：334ZKmModern Analytical Instruments and Technology for Materials21復(fù)雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù) 對(duì)于非單質(zhì)元素組成的復(fù)雜物質(zhì)，如固溶體、金屬間化對(duì)于非單質(zhì)元素組成的復(fù)雜

14、物質(zhì)，如固溶體、金屬間化合物等，其質(zhì)量吸收系數(shù)決定于各組元的質(zhì)量吸收系數(shù)合物等，其質(zhì)量吸收系數(shù)決定于各組元的質(zhì)量吸收系數(shù) mi及各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù) i 。niimim1連續(xù)譜的質(zhì)量吸收系數(shù) 實(shí)驗(yàn)證明，連續(xù)實(shí)驗(yàn)證明，連續(xù)X射線穿過物質(zhì)時(shí)的質(zhì)量吸收系數(shù)，射線穿過物質(zhì)時(shí)的質(zhì)量吸收系數(shù)，相當(dāng)于一個(gè)稱為有效波長(zhǎng)相當(dāng)于一個(gè)稱為有效波長(zhǎng)的波長(zhǎng)值所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量吸收的波長(zhǎng)值所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量吸收系數(shù)。系數(shù)。 。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials22注意，隨波長(zhǎng)的降低，m并非呈連續(xù)的變化，而是在某些波長(zhǎng)位置上突然升高，出現(xiàn)了

15、吸收限。（右圖）這種帶有特征吸收限的吸收系數(shù)曲線稱為該物質(zhì)的吸收譜。二、X射線的真吸收1. 光電效應(yīng) 當(dāng)入射X射線光量子的能量等于或略大于吸收體原子某殼層電子的結(jié)合能時(shí)，此光量子就很容易被電子吸收，獲得能量的電子從內(nèi)層逸出成為自由電子，稱光電子，原子則處于相應(yīng)的激發(fā)態(tài)。這種光子擊出電子的現(xiàn)象即為。此效應(yīng)消耗大量入射能量，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突增，對(duì)應(yīng)的入射波長(zhǎng)即為。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials232. 熒光X射線 （二次特征X射線）3. 俄歇（Auger）效應(yīng)一次特征X射線的一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗丈湮镔|(zhì)的二次特征輻

16、射，體現(xiàn)出物質(zhì)對(duì)入射X射線的吸收。該吸收非常強(qiáng)烈，吸收系數(shù)變化。010.swfModern Analytical Instruments and Technology for Materials24熒光輻射：當(dāng)入射X射線（光量子）的能量等于或略大于被照射物質(zhì)原子某殼層電子的結(jié)合能時(shí)，將該殼層電子擊出而使原子處于激發(fā)態(tài)，原子外層高能態(tài)電子向內(nèi)層空位躍遷，輻射出具有特定波長(zhǎng)值的X射線，這種由入射X射線所激發(fā)出來的特征X射線輻射稱為熒光輻射。俄歇效應(yīng)：原子中一個(gè)K層電子被入射光量子擊出后，L層一個(gè)電子躍入K層填補(bǔ)空位，此時(shí)多余的能量不以輻射X射線的方式放出，而是另一個(gè)L層電子獲得能量躍吸收體，這樣的

17、一個(gè)K層空位被兩個(gè)L層空位代替的過程稱為俄歇效應(yīng)，躍出的L層電子稱俄歇電子。 熒光效應(yīng)用于重元素（Z 20）的成分分析，俄歇效應(yīng)用于表層輕元素的分析。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials25物質(zhì)對(duì)X射線的吸收有兩類方式，一種是原子對(duì)X射線的漫散射，形成漫散射的X射線向四周發(fā)散，其能量只占吸收能量的極少部分。真正意義的吸收是電子在原子內(nèi)的遷移所引起的，這主要就包括了光電子發(fā)射、俄歇電子、熒光X射線輻射、正負(fù)電子對(duì)等個(gè)體的能量以及熱散能量，稱之為真吸收。漫散射式的吸收與真吸收構(gòu)成了由質(zhì)量吸收系數(shù)m 所表征的全吸收。Mo

18、dern Analytical Instruments and Technology for Materials26三、吸收限的應(yīng)用（）1. 濾波片（filter）的選擇濾波片選擇原則：2. 陽極靶的選擇Cu避免產(chǎn)生熒光X射線Modern Analytical Instruments and Technology for Materials27健康人的X射線照射安全劑量是每工作周不超過0.7710-4 C / kg。重金屬鉛可強(qiáng)烈吸收X射線Modern Analytical Instruments and Technology for Materials28本章小結(jié)l X射線本質(zhì)、產(chǎn)生條件l

19、兩種X射線輻射、兩種X射線譜l 莫塞萊定律，X射線管工作電壓選擇l X射線與物質(zhì)的相互作用l 幾個(gè)重要概念：l 相干（非相干）散射、光電效應(yīng)、熒光輻射、吸收限、俄歇效應(yīng)l 吸收限的應(yīng)用：l 濾波片的選擇l 陽極靶的選擇Modern Analytical Instruments and Technology for Materials29課后作業(yè)：2，6，7Modern Analytical Instruments and Technology for Materials30tyAE2cos0tAEcos0設(shè)單色X射線沿y方向前進(jìn)，在z方向上則有電場(chǎng)強(qiáng)度E，x方向有磁場(chǎng)強(qiáng)度HA：波的振幅，：波長(zhǎng)

20、，：頻率，=c/Modern Analytical Instruments and Technology for Materials31機(jī)場(chǎng)背散射X射線安檢Modern Analytical Instruments and Technology for Materials32Modern Analytical Instruments and Technology for Materials33X射線管剖面示意圖Modern Analytical Instruments and Technology for Materials34X射線輻射過程.swfModern Analytical Instruments and Technolog