第一章X射線的性質(zhì)

1、1第一章第一章 X X射線的物理學(xué)基礎(chǔ)射線的物理學(xué)基礎(chǔ)2目目 錄錄什么是什么是X X射線（射線（X射線的本質(zhì)）？射線的本質(zhì)）？X X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線管射線管X射線譜射線譜X X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用31.1什么是X射線？-X X射線射線的本質(zhì)和性質(zhì)的本質(zhì)和性質(zhì)一、一、X X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì) X X射線和可見(jiàn)光一樣，射線和可見(jiàn)光一樣，都顯示都顯示波粒二象性波粒二象性，兩者，兩者的本質(zhì)是相同的，都會(huì)產(chǎn)的本質(zhì)是相同的，都會(huì)產(chǎn)生干涉、衍射、吸收和光生干涉、衍射、吸收和光電效應(yīng)等現(xiàn)象，兩者的主電效應(yīng)等現(xiàn)象，兩者的主要差別于要差別于波長(zhǎng)不同波長(zhǎng)不同。 X X射線：射線：

2、1010-8-8cmcm可見(jiàn)光：可見(jiàn)光：1010-4-4cmcm4X X射線的波長(zhǎng)射線的波長(zhǎng)nX X射線是一種波長(zhǎng)較短的電磁輻射：射線是一種波長(zhǎng)較短的電磁輻射： 波長(zhǎng)：波長(zhǎng)：0.0110nm 其短波段與其短波段與射線長(zhǎng)波段相重疊，其長(zhǎng)波射線長(zhǎng)波段相重疊，其長(zhǎng)波段則與真空紫外的短波段相重疊。段則與真空紫外的短波段相重疊。 g-raysX-raysUVVisual0.0010.010.11.010.0 100200 nm5 X X射線的能量射線的能量 量子理論將X射線看成由一種量子或光子組成的粒子流，每個(gè)光子具有的能量為： (依據(jù)X射線的波長(zhǎng)即可計(jì)算出其能量)(24. 1)(nmchhkeVE公式

3、公式MgK CaK FeK PbL (nm) =1.24/ EE(keV)1.2533.697.05710.55 (nm)0.98950.33600.17570.11756AI2X X射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度7二、二、X X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)1.不可見(jiàn)2.直線轉(zhuǎn)播3.穿透力強(qiáng)4.能激發(fā)熒光5.穿透物質(zhì)時(shí)可被物質(zhì)吸收6.殺傷生物細(xì)胞7.具有波粒二象性8 1.X射線產(chǎn)生的原理 高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中一小部分（1左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。1.2X射線產(chǎn)生的條件及機(jī)理9 2.X射線產(chǎn)生的條件 n產(chǎn)生自由電子

4、；產(chǎn)生自由電子；n使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng)使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng); ;n在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物使電在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物使電子突然減速或停止。子突然減速或停止。10接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X(jué)射線X射線X射線管剖面示意圖過(guò)程演示113.X射線管的結(jié)構(gòu)：12 X射線管的結(jié)構(gòu) n封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空（ ）二極管?；窘M成包括： (1)陰極：陰極是發(fā)射電子的地方。 (2)陽(yáng)極：亦稱靶，是使電子突然減速和發(fā)射X射線的地方。mmHg75101013(3)窗口：窗口是X射線從陽(yáng)極靶向外射出的地方。 (4)焦點(diǎn)：焦點(diǎn)是指陽(yáng)極靶面被電子束轟擊的地方，正是從

5、這塊面積上發(fā)射出X射線。 144.X射線產(chǎn)生的機(jī)理n連續(xù)輻射 根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論，一個(gè)帶負(fù)電荷的電子作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，電子周圍的電磁場(chǎng)將發(fā)生急劇變化，此時(shí)必然要產(chǎn)生一個(gè)電磁波，或至少一個(gè)電磁脈沖。 我們假設(shè)管電流強(qiáng)度為10mA，即0.01C/s，電子電荷為1.6X10-19C，則一秒鐘時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)極靶上的電子數(shù)目為：n=0.01/1.6X10-19=6.25X1016 這么大數(shù)目的電子到達(dá)靶上的時(shí)間和條件不會(huì)相同，并且大多數(shù)電子要經(jīng)過(guò)多次碰撞，能量逐步損失掉，因此其波長(zhǎng)必然覆蓋一個(gè)很大的范圍，這種輻射稱為連續(xù)輻射。 154.X射線產(chǎn)生的機(jī)理n特征輻射 當(dāng)管電壓達(dá)到或超過(guò)某一臨界值時(shí)，則陰極發(fā)出的

6、電當(dāng)管電壓達(dá)到或超過(guò)某一臨界值時(shí)，則陰極發(fā)出的電子在電場(chǎng)加速下，可以將靶物質(zhì)原子深層的電子擊到能量子在電場(chǎng)加速下，可以將靶物質(zhì)原子深層的電子擊到能量較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。 陰極電子將自已的能量給予受激發(fā)的原子，而使它的陰極電子將自已的能量給予受激發(fā)的原子，而使它的能量增高，原子處于激發(fā)狀態(tài)。能量增高，原子處于激發(fā)狀態(tài)。 處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，此處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，此時(shí)外層電子將填充內(nèi)層空位，相應(yīng)伴隨著原子能量的降低。時(shí)外層電子將填充內(nèi)層空位，相應(yīng)伴隨著原子能量的降低。原子從高能態(tài)變成低能態(tài)時(shí)，

7、多出的能量以原子從高能態(tài)變成低能態(tài)時(shí)，多出的能量以X X射線形式輻射線形式輻射出來(lái)。因物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定，兩特定能級(jí)間的能射出來(lái)。因物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定，兩特定能級(jí)間的能量差一定，故輻射出的特征量差一定，故輻射出的特征X X射波長(zhǎng)一定。射波長(zhǎng)一定。16 根據(jù)量子力學(xué)理論，原子系統(tǒng)中的電子按泡利不相容原理不根據(jù)量子力學(xué)理論，原子系統(tǒng)中的電子按泡利不相容原理不連續(xù)地分布在連續(xù)地分布在K、L、M、N等不同能級(jí)的軌道（殼層）上，等不同能級(jí)的軌道（殼層）上，而且按能量最低原理首先填充最靠近原子核的第而且按能量最低原理首先填充最靠近原子核的第K層，再依次層，再依次填填L、M、N等。能量大?。旱?。能量

8、大?。篕LMNeg：當(dāng)：當(dāng)K電子被打出電子被打出K層時(shí)，如層時(shí)，如L層電子來(lái)填充層電子來(lái)填充K空位時(shí)，則產(chǎn)空位時(shí)，則產(chǎn)生生K輻射。此輻射。此X射線的能量為電子躍遷前后兩能級(jí)的能量差，射線的能量為電子躍遷前后兩能級(jí)的能量差，即即KLKLEEhgKLKLEEhccg17 各種元素的各種元素的同名譜系同名譜系（如同為（如同為K K系）激發(fā)電位和系）激發(fā)電位和同名特征光譜的波長(zhǎng)，隨同名特征光譜的波長(zhǎng)，隨原子序數(shù)的大小原子序數(shù)的大小而發(fā)生而發(fā)生變化變化，與與管電壓和管電流管電壓和管電流的大小的大小無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)。 對(duì)于不同元素的同名譜線，隨著原子序數(shù)的增對(duì)于不同元素的同名譜線，隨著原子序數(shù)的增加，波長(zhǎng)變短。加

9、，波長(zhǎng)變短。 特征光譜的這些物理現(xiàn)象和特點(diǎn)，由各種元素特征光譜的這些物理現(xiàn)象和特點(diǎn)，由各種元素的原子結(jié)構(gòu)決定的。的原子結(jié)構(gòu)決定的。181.3 X射線譜- 連續(xù)連續(xù)X X射線譜射線譜nX X射線強(qiáng)度與波長(zhǎng)的射線強(qiáng)度與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，稱之關(guān)系曲線，稱之X X射射線譜。線譜。n一、連續(xù)一、連續(xù)X X射線譜射線譜 在管壓很低時(shí)，在管壓很低時(shí)，小于小于20kv20kv的曲線是的曲線是連續(xù)變化的，故稱連續(xù)變化的，故稱之連續(xù)之連續(xù)X X射線譜，即射線譜，即連續(xù)譜。連續(xù)譜。191 1、連續(xù)、連續(xù)X X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理射線譜的產(chǎn)生機(jī)理 極大數(shù)量的電子與靶材隨機(jī)碰撞極大數(shù)量的電子與靶材隨機(jī)碰撞 產(chǎn)生波長(zhǎng)產(chǎn)生波長(zhǎng)不

10、同且連續(xù)的不同且連續(xù)的X X射線射線2 2、短波限、短波限0 極限情況下，能量為ev的電子在碰撞中一下子把能量全部轉(zhuǎn)給光子，那么該光子獲得最高能量和具有最短波長(zhǎng)，即短波限0。強(qiáng)度的最大值在0的1.5倍處。 eV = hvmax = hc/0 0 = 1.24/V （nm）20nX射線管的效率，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X射線的百分?jǐn)?shù)，即n隨著原子序數(shù)Z的增加，X射線管的效率提高，但即使用原子序數(shù)大的鎢靶，在管壓高達(dá)100kv的情況下，X射線管的效率也僅有1左右，99的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?3、連續(xù)譜的強(qiáng)度 20)(KiZVdII連續(xù)4、X射線管的效率 KZViZiZVKXX2射線管功率射線總強(qiáng)度連

11、續(xù)215、連續(xù)譜的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 n連續(xù)譜的強(qiáng)度連續(xù)譜的強(qiáng)度I I從從0 0開(kāi)始連續(xù)分布開(kāi)始連續(xù)分布n每一條連續(xù)譜都存在強(qiáng)度最大的波長(zhǎng)每一條連續(xù)譜都存在強(qiáng)度最大的波長(zhǎng)m m，一般一般m m =1.5 =1.5 0 0n當(dāng)管電壓一定時(shí)，管電流增大，則：當(dāng)管電壓一定時(shí)，管電流增大，則：I I增大，但增大，但0 0 m m不變不變n管電壓增大，則管電壓增大，則I I增大，但增大，但0 0 m m減小，譜線變寬減小，譜線變寬n管電壓和管電流一定時(shí)，原子序數(shù)管電壓和管電流一定時(shí)，原子序數(shù)Z Z增大，則增大，則I I增大，增大， 0 0 m m不變不變22二、特征二、特征X X射線譜射線譜1 1、產(chǎn)生機(jī)理、產(chǎn)生

12、機(jī)理2 2、限制條件（激發(fā)電壓）、限制條件（激發(fā)電壓） 當(dāng)原子受到高速電子的撞擊時(shí)，如果這些電子束的能量足夠當(dāng)原子受到高速電子的撞擊時(shí)，如果這些電子束的能量足夠大，它們就會(huì)將原子內(nèi)層的電子打出去，這一過(guò)程稱大，它們就會(huì)將原子內(nèi)層的電子打出去，這一過(guò)程稱激發(fā)激發(fā)。 K層電子的打出稱層電子的打出稱K系激發(fā)，依次有系激發(fā)，依次有L系、系、M系激發(fā)等。系激發(fā)等。 電子束要能激發(fā)內(nèi)層電子，如電子束要能激發(fā)內(nèi)層電子，如K層電子，其能量層電子，其能量eV必須大于必須大于K電子與原子核的結(jié)合能電子與原子核的結(jié)合能Ek或或K電子的逸出功電子的逸出功Wk。即。即 eV-Ek 或或 eVWk 最低的臨界狀態(tài)下最低的

13、臨界狀態(tài)下 eVk=Wk V管管VK注意：注意：V管管=（35）V激激231.3 X射線譜- 特征特征X X射線譜射線譜二、特征二、特征X X射線譜射線譜3 3、實(shí)驗(yàn)規(guī)律、實(shí)驗(yàn)規(guī)律（1）原子內(nèi)部的電子分布在不同的殼層上k、l每個(gè)殼層上的電子具有不同的能量Ek、El 光譜學(xué)定義，電子躍遷到k層產(chǎn)生的幅射稱為k系幅射，依次還有l(wèi)系、m系幅射等。 并按電子躍遷時(shí)所跨躍的能級(jí)數(shù)目不同，進(jìn)行進(jìn)一步的標(biāo)識(shí)?？畿S1個(gè)能級(jí)的標(biāo)記為，2個(gè)能級(jí)的標(biāo)記為等。lk為kmk為k 24EkmEkl ，所以k的波長(zhǎng)小于k。lk躍遷的幾率比mk大5倍左右，所以，k強(qiáng)度比k大5倍。同一殼層中電子能量實(shí)際上有微小的差別。于lii

14、i-k 的躍遷幾率比liik躍遷高1倍。I k1:I k22:125(2)莫塞萊定律n特征特征X射線譜的頻率（或波長(zhǎng)）只與陽(yáng)極靶物質(zhì)射線譜的頻率（或波長(zhǎng)）只與陽(yáng)極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是物物質(zhì)的固有特性質(zhì)的固有特性。19131914年莫塞萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)年莫塞萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長(zhǎng)與它本身的原子序數(shù)間存在以下出的特征譜波長(zhǎng)與它本身的原子序數(shù)間存在以下關(guān)系：關(guān)系：n n根據(jù)莫色萊定律，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的未知元素根據(jù)莫色萊定律，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的未知元素的特征的特征X射線譜線波長(zhǎng)，與已知的元素波長(zhǎng)相比射線譜線波長(zhǎng)，與已知的元素波長(zhǎng)相比較

15、，可以確定它是何元素。較，可以確定它是何元素。它是它是X射線光譜分析射線光譜分析的基本依據(jù)的基本依據(jù) ZK126說(shuō)明：1) 激發(fā)電壓對(duì)不同的陽(yáng)極靶是不同的，它由陽(yáng)極靶的原子序數(shù)z所決定。2) 陽(yáng)極靶不同產(chǎn)生的特征x射線的波長(zhǎng)不同。3）工作電壓一般是激發(fā)電壓的3-5倍。因?yàn)楫?dāng)工作電壓激發(fā)電壓的3-5倍時(shí)，i特/i連最大。4）實(shí)驗(yàn)中最常用的特征x射線是k。最常用的靶材是cu和fe。5） k= 2/3k1+1/3k2,有時(shí)需要注意區(qū)分k1和k2。 27比較內(nèi)容比較內(nèi)容連續(xù)譜連續(xù)譜(軟軟X射線射線)特征譜特征譜(硬硬X射線射線)產(chǎn)生機(jī)理產(chǎn)生機(jī)理高速運(yùn)動(dòng)的粒子能量高速運(yùn)動(dòng)的粒子能量轉(zhuǎn)換成電磁波轉(zhuǎn)換成電磁

16、波高能級(jí)電子回跳到低高能級(jí)電子回跳到低能級(jí)多余能量轉(zhuǎn)換成能級(jí)多余能量轉(zhuǎn)換成電磁波電磁波譜圖特征譜圖特征 強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化僅在特定波長(zhǎng)處有特僅在特定波長(zhǎng)處有特別強(qiáng)的強(qiáng)度峰別強(qiáng)的強(qiáng)度峰ZZ Z 則：則：I I管電壓管電壓管電流管電流應(yīng)用應(yīng)用是衍射分析的背底是衍射分析的背底; ;是醫(yī)學(xué)采用的是醫(yī)學(xué)采用的衍射分析采用衍射分析采用281.4 X1.4 X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用X X射線與物質(zhì)的相互作用，是一個(gè)比較復(fù)雜的物理過(guò)程。射線與物質(zhì)的相互作用，是一個(gè)比較復(fù)雜的物理過(guò)程。從能量的轉(zhuǎn)換角度來(lái)看：從能量的轉(zhuǎn)換角度來(lái)看： 一束一束X X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，其能量分為三個(gè)部

17、分：射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，其能量分為三個(gè)部分： 被散射，改變前進(jìn)方向被散射，改變前進(jìn)方向 被吸收，產(chǎn)生光電效應(yīng)被吸收，產(chǎn)生光電效應(yīng) 熱效應(yīng)熱效應(yīng) 透過(guò)物質(zhì)，強(qiáng)度發(fā)生衰減透過(guò)物質(zhì)，強(qiáng)度發(fā)生衰減。291.4 X1.4 X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 一束一束X X射線通過(guò)物體后，其強(qiáng)度將被衰減，它是被散射和吸收的結(jié)果，射線通過(guò)物體后，其強(qiáng)度將被衰減，它是被散射和吸收的結(jié)果，并且吸收是造成強(qiáng)度衰減的主要原因。并且吸收是造成強(qiáng)度衰減的主要原因。301 1、X X射線的散射射線的散射 X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，部分X射線將改變它們前進(jìn)的方向，即發(fā)生散射現(xiàn)象。X射線的散射包括兩種：相干散射和非相干散射。1）

18、相干散射（湯姆遜散射、彈性散射、經(jīng)典散射）束縛緊的電子入射X射線作用受迫振動(dòng)輻射出新的電磁波31a、產(chǎn)生原因：與物質(zhì)原子中束縛較緊的電子作用。b、特點(diǎn)：只改變方向，不改變能量。 散射波隨入射x射線的方向改變了，但頻率（波長(zhǎng)）相同。c、新的散射波之間符合振動(dòng)方向相同、頻率相同、位相差恒定的干涉條件，可產(chǎn)生干涉作用。 相干散射是x射線在晶體產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)。 32332）非相干散射（非彈性散射、量子散射、康普頓散射）亦稱康普頓吳有訓(xùn)效應(yīng) (1924)342）非相干散射（非彈性散射、量子散射、康普頓散射） =0.0024(1-cos2)入射X射線作用束縛小的電子反沖電子X(jué)射線波長(zhǎng)變長(zhǎng)a、x射線作用于束

19、縛較小的外層電子或自由電子。b、散射x射線的波長(zhǎng)變長(zhǎng)了，能量減小。c、由于散射x射線的波長(zhǎng)隨散射方向而變，不能產(chǎn)生干涉效應(yīng)。故這種x射線散射稱為非相干散射。 非相干散射不能參與晶體對(duì)x射線的衍射，只會(huì)在衍射圖上形成不利的背景。 亦稱康普頓吳有訓(xùn)效應(yīng) (1924)35小結(jié)相干散射相干散射因?yàn)槭窍喔刹ㄋ钥梢愿缮婕訌?qiáng)因?yàn)槭窍喔刹ㄋ钥梢愿缮婕訌?qiáng). .只有相干散射才能產(chǎn)生衍射只有相干散射才能產(chǎn)生衍射, ,所以相所以相干散射是干散射是X X射線衍射基礎(chǔ)射線衍射基礎(chǔ)不相干散射不相干散射因?yàn)椴幌喔缮⑸洳荒芨缮婕訌?qiáng)產(chǎn)生因?yàn)椴幌喔缮⑸洳荒芨缮婕訌?qiáng)產(chǎn)生衍射衍射, ,所以不相干散射只是衍射的背所以不相干散射只是衍

20、射的背底底362 2、X X射線的吸收射線的吸收 n物質(zhì)對(duì)X射線的吸收，是指X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)光子的能量變成了其他形式時(shí)能量。n有時(shí)將X射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)造成的能量損失稱為真吸收。nX射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，使入射X射線的能量變成光電子、俄歇電子和熒光X射線的能量，使X射線強(qiáng)度被衰減，是物質(zhì)對(duì)X射線的真吸收過(guò)程。n主要是原子內(nèi)部的電子躍遷引起的。37381）熒光效應(yīng) 與上述的特征X射線的產(chǎn)生相似，當(dāng)用X射線轟擊物質(zhì)時(shí)（不同的是用X光管產(chǎn)生X射線時(shí)用的是高速電子束） ，若X射線的能量大于物質(zhì)原子對(duì)其內(nèi)層電子的束縛力時(shí)，入射X射線光子的能量就會(huì)被吸收，從而也導(dǎo)致其內(nèi)層電子（如K層電子）被

21、激發(fā)，并使高能級(jí)上的電子產(chǎn)生躍遷，發(fā)射新的特征X射線。為與入射的X射線相區(qū)別，我們稱X射線激發(fā)的特征X射線為二次特征二次特征X X射線射線或熒光熒光X X射線射線。 與上述相同，產(chǎn)生的二次特征X射線的波長(zhǎng)與激發(fā)它們所需的能量取決于物質(zhì)的原子種類和結(jié)構(gòu)。39 要使k層電子產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射x射線的能量必須大于等于原子中k層電子的逸出功wk， hvwk wk= evk 將入射x射線的波長(zhǎng)與激發(fā)電壓聯(lián)系起來(lái)就有: hc/ev或 hc/evk40能引起光電效應(yīng)的入射能引起光電效應(yīng)的入射x x射線的最大波長(zhǎng)（單位：射線的最大波長(zhǎng)（單位：nm): nm): k k 從激發(fā)光電效應(yīng)的角度說(shuō)，稱為從激發(fā)光電效

22、應(yīng)的角度說(shuō)，稱為激發(fā)限波長(zhǎng)激發(fā)限波長(zhǎng)，意義是只，意義是只有入射的有入射的x x射線波長(zhǎng)達(dá)到或小于它時(shí)，才能激發(fā)物質(zhì)的二次特征射線波長(zhǎng)達(dá)到或小于它時(shí)，才能激發(fā)物質(zhì)的二次特征x x射線。射線。從從x x射線被吸收的角度看，稱為射線被吸收的角度看，稱為吸收限波長(zhǎng)吸收限波長(zhǎng)。意義是當(dāng)入射。意義是當(dāng)入射的的x x射線的波長(zhǎng)達(dá)到它時(shí)，入射射線的波長(zhǎng)達(dá)到它時(shí)，入射x x射線將被該物質(zhì)強(qiáng)烈吸收，并射線將被該物質(zhì)強(qiáng)烈吸收，并產(chǎn)生光電效應(yīng)。產(chǎn)生光電效應(yīng)。n與連續(xù)輻射中短波限公式形式上非常相似，但物理意與連續(xù)輻射中短波限公式形式上非常相似，但物理意義完全不同。前者說(shuō)明連續(xù)譜的短波限義完全不同。前者說(shuō)明連續(xù)譜的短波限

23、00隨管電壓的隨管電壓的增高而減小，而后者說(shuō)明每種物質(zhì)的增高而減小，而后者說(shuō)明每種物質(zhì)的K K激發(fā)限波長(zhǎng)都有激發(fā)限波長(zhǎng)都有它自己特定的值。它自己特定的值。41 已知，已知，K線和線和K線發(fā)射分線發(fā)射分別對(duì)應(yīng)于別對(duì)應(yīng)于L到到K和和M到到K能級(jí)之能級(jí)之間的電子躍遷，而間的電子躍遷，而K吸收限的吸收限的能量相當(dāng)于能量相當(dāng)于K層電子的結(jié)合能層電子的結(jié)合能或逸出功，即或逸出功，即K能級(jí)與原子第能級(jí)與原子第一個(gè)自由能級(jí)之間的能量差。一個(gè)自由能級(jí)之間的能量差。因此，對(duì)于一個(gè)給定的元素，因此，對(duì)于一個(gè)給定的元素，就有就有 k吸收吸收 k發(fā)射發(fā)射k發(fā)射發(fā)射422） 俄歇效應(yīng) 俄歇（俄歇（AugerAuger，M

24、.P.M.P.）在）在19251925年發(fā)現(xiàn)當(dāng)高能級(jí)的電子向低能級(jí)躍遷時(shí)，年發(fā)現(xiàn)當(dāng)高能級(jí)的電子向低能級(jí)躍遷時(shí)，能量不是產(chǎn)生二次能量不是產(chǎn)生二次x x射線，而是被周圍某個(gè)殼層上的電子所吸收，并促射線，而是被周圍某個(gè)殼層上的電子所吸收，并促使該電子受激發(fā)逸出原子成為二次電子。這種效應(yīng)稱俄歇效應(yīng)，產(chǎn)生使該電子受激發(fā)逸出原子成為二次電子。這種效應(yīng)稱俄歇效應(yīng)，產(chǎn)生的二次電子稱俄歇電子。的二次電子稱俄歇電子。 二次電子具有特定的能量值?？梢杂脕?lái)表征這些原子。利用該原二次電子具有特定的能量值。可以用來(lái)表征這些原子。利用該原理制造的俄歇能譜儀主要用于分析材料表面的成分。理制造的俄歇能譜儀主要用于分析材料表面的

25、成分。 4344X的吸收小結(jié)光電子光電子被被X X射線擊出殼層的電子即射線擊出殼層的電子即光電子光電子, ,它帶有它帶有殼層的特征能量殼層的特征能量, ,所以可用來(lái)進(jìn)行成分分析所以可用來(lái)進(jìn)行成分分析(XPS)(XPS)俄歇電子俄歇電子 高能級(jí)的電子回跳高能級(jí)的電子回跳, ,多余能量將同能級(jí)的另多余能量將同能級(jí)的另一個(gè)電子送出去一個(gè)電子送出去, ,這個(gè)被送出去的電子就是這個(gè)被送出去的電子就是俄歇電子俄歇電子帶有殼層的特征能量帶有殼層的特征能量(AES)(AES)二次熒光二次熒光 高能級(jí)的電子回跳高能級(jí)的電子回跳, ,多余能量以多余能量以X X射線形式射線形式發(fā)出發(fā)出. .這個(gè)二次這個(gè)二次X X射

26、線就是射線就是二次熒光二次熒光也稱熒也稱熒光輻射同樣帶有殼層的特征能量光輻射同樣帶有殼層的特征能量45小結(jié)散射散射散射無(wú)能力損失或損失相對(duì)較小散射無(wú)能力損失或損失相對(duì)較小相干散射是相干散射是X X射線衍射基礎(chǔ)射線衍射基礎(chǔ), ,只有相干散射才只有相干散射才能產(chǎn)生衍射能產(chǎn)生衍射. .散射是進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)分析的工具散射是進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)分析的工具吸收吸收吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)換吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)換, ,多數(shù)在原子殼層多數(shù)在原子殼層上進(jìn)行上進(jìn)行, ,從而帶有殼層的特征能量從而帶有殼層的特征能量, ,因此是揭因此是揭示材料成分的因素示材料成分的因素吸收是進(jìn)行材料成分分析的工具吸收是進(jìn)行材料成分分析的工

27、具可以在分析可以在分析成分成分的同時(shí)告訴你的同時(shí)告訴你元素價(jià)態(tài)元素價(jià)態(tài)463 3、X X射線的衰減規(guī)律射線的衰減規(guī)律 x x射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，x x射線強(qiáng)度衰減了。其中，因散射引起的衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)射線強(qiáng)度衰減了。其中，因散射引起的衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于因吸收導(dǎo)致的衰減量。因此，可以近似地認(rèn)為，小于因吸收導(dǎo)致的衰減量。因此，可以近似地認(rèn)為，x x射線通過(guò)物質(zhì)后其強(qiáng)射線通過(guò)物質(zhì)后其強(qiáng)度的衰減是由于物質(zhì)對(duì)它的吸收所造成的。度的衰減是由于物質(zhì)對(duì)它的吸收所造成的。 47衰減的程度可以用衰減的程度可以用吸收系數(shù)吸收系數(shù)來(lái)表征：來(lái)表征： I0和和Ix分別是入射和透過(guò)物質(zhì)后分別是入射和透過(guò)物質(zhì)后x射線的強(qiáng)度射線

28、的強(qiáng)度x 為厚度。為厚度。u為物質(zhì)的為物質(zhì)的線吸收系數(shù)線吸收系數(shù)， 其意義是當(dāng)其意義是當(dāng)x射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，在射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，在x射線傳播方向上，單射線傳播方向上，單 位長(zhǎng)度上位長(zhǎng)度上x(chóng)射線強(qiáng)度的衰減程度（射線強(qiáng)度的衰減程度（ ）。它與物質(zhì)的種類、）。它與物質(zhì)的種類、密度和密度和x射線波長(zhǎng)有關(guān)。射線波長(zhǎng)有關(guān)。48由于線吸收系數(shù)與物質(zhì)的密度有關(guān)，計(jì)算起來(lái)不方便。由于線吸收系數(shù)與物質(zhì)的密度有關(guān)，計(jì)算起來(lái)不方便。因此，實(shí)際中最常用的是物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)因此，實(shí)際中最常用的是物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù) um: um: 為物質(zhì)的密度。質(zhì)量吸收系數(shù)的意義是單位為物質(zhì)的密度。質(zhì)量吸收系數(shù)的意義是單位質(zhì)量物質(zhì)對(duì)質(zhì)量物質(zhì)

29、對(duì)x x射線的衰減程度射線的衰減程度49如果吸收體中是由兩種以上的元素組成的化合物或混合如果吸收體中是由兩種以上的元素組成的化合物或混合物、或溶液，其總體的質(zhì)量吸收系數(shù)為：物、或溶液，其總體的質(zhì)量吸收系數(shù)為：um=w1um1+ w2um2+ w3um3+ wpump w1 , w2 , w3 和和wp 為該吸收體中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為該吸收體中各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) um1 , um2 , um3和和ump為該吸收體中各組分的質(zhì)量吸收系數(shù)為該吸收體中各組分的質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)與物質(zhì)的密度和狀態(tài)無(wú)關(guān)，而與物質(zhì)的原子質(zhì)量吸收系數(shù)與物質(zhì)的密度和狀態(tài)無(wú)關(guān)，而與物質(zhì)的原子序數(shù)（即原子的種類）和入射序數(shù)（即

30、原子的種類）和入射x x射線的波長(zhǎng)有關(guān)。它們的關(guān)射線的波長(zhǎng)有關(guān)。它們的關(guān)系為：系為： k為常數(shù)。吸收系數(shù)反映了不同物質(zhì)對(duì)為常數(shù)。吸收系數(shù)反映了不同物質(zhì)對(duì)x射線的吸收程度。射線的吸收程度。501 1）吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的增大而增大）吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)的增大而增大, , 且在一定區(qū)間內(nèi)是連續(xù)變化的。這且在一定區(qū)間內(nèi)是連續(xù)變化的。這是因?yàn)槭且驗(yàn)閤 x射線的波長(zhǎng)越長(zhǎng)越容易被物質(zhì)所吸收。射線的波長(zhǎng)越長(zhǎng)越容易被物質(zhì)所吸收。2 2）在某些波長(zhǎng)的位置上產(chǎn)生跳躍式的突變。即吸收限（吸收邊）或激）在某些波長(zhǎng)的位置上產(chǎn)生跳躍式的突變。即吸收限（吸收邊）或激發(fā)限的存在。發(fā)限的存在。51 對(duì)一定波長(zhǎng)的對(duì)一定波長(zhǎng)的x x射線在某

31、些原子序數(shù)的位置上也產(chǎn)生射線在某些原子序數(shù)的位置上也產(chǎn)生跳躍式的突變。跳躍式的突變。52X X射線的衰減小結(jié)射線的衰減小結(jié)宏觀表現(xiàn)宏觀表現(xiàn)強(qiáng)度衰減與穿過(guò)物質(zhì)的質(zhì)量和厚度有關(guān)強(qiáng)度衰減與穿過(guò)物質(zhì)的質(zhì)量和厚度有關(guān)是是X X射線透射學(xué)的基礎(chǔ)射線透射學(xué)的基礎(chǔ)這就是質(zhì)厚襯度這就是質(zhì)厚襯度微觀機(jī)制微觀機(jī)制散射和吸收消耗了入射線的能量散射和吸收消耗了入射線的能量這與吸波原理是一樣的這與吸波原理是一樣的531）濾波片的選用）濾波片的選用在在x射線分析中，在大多數(shù)情況下射線分析中，在大多數(shù)情況下都希望所使用的都希望所使用的x射線波長(zhǎng)單一，即射線波長(zhǎng)單一，即“單色單色”x射線。射線。但實(shí)際上，如上所述，但實(shí)際上，如

32、上所述，k系特征譜線包系特征譜線包括兩條譜線。在括兩條譜線。在x射線分析時(shí)，它們之射線分析時(shí)，它們之間會(huì)相互干擾。我們可以應(yīng)用某些材料間會(huì)相互干擾。我們可以應(yīng)用某些材料對(duì)對(duì)x射線吸收的特性，將其中的射線吸收的特性，將其中的k線過(guò)線過(guò)濾掉。濾掉。4、吸收限的應(yīng)用、吸收限的應(yīng)用541）濾波片的選用）濾波片的選用 如上所述，任何材料對(duì)如上所述，任何材料對(duì)x射射線的吸收都有一個(gè)線的吸收都有一個(gè)k線和線和k線。線。如如ni的吸收限為的吸收限為0.14869 nm。 也就是說(shuō)它對(duì)也就是說(shuō)它對(duì)0.14869nm波波長(zhǎng)及稍短波長(zhǎng)的長(zhǎng)及稍短波長(zhǎng)的x射線有強(qiáng)烈的射線有強(qiáng)烈的吸收。而對(duì)比吸收。而對(duì)比0.14869稍

33、長(zhǎng)的稍長(zhǎng)的x射線吸收很小。射線吸收很小。55ni 的吸收限: 0.14869nmcu靶x射線:k=0.15418nm k=0.13922nm 561）濾波片的選用）濾波片的選用x射線分析中，在射線分析中，在x射線管與樣品之間放一個(gè)濾波片，以濾射線管與樣品之間放一個(gè)濾波片，以濾掉掉k線。濾波片的材料依靶的材料而定。線。濾波片的材料依靶的材料而定。一般采用比靶材的原子序數(shù)小一般采用比靶材的原子序數(shù)小1或或2的材料。的材料。當(dāng)當(dāng)z靶靶40時(shí)，時(shí)， z濾濾=z靶靶-1 當(dāng)當(dāng)z靶靶40時(shí)，時(shí)， z濾濾=z靶靶-2幾種元素k系射線波長(zhǎng)和常用的濾波片及其吸收限57濾波片 n常用靶材及其匹配的濾波片的數(shù)據(jù)列入

34、表常用靶材及其匹配的濾波片的數(shù)據(jù)列入表1-11-1。按。按表中厚度制作的波濾片，表中厚度制作的波濾片，濾波后濾波后K/KK/K的強(qiáng)度比的強(qiáng)度比為為1/6001/600。如果濾波片太厚，雖然如果濾波片太厚，雖然KK可以進(jìn)一步可以進(jìn)一步衰減，但衰減，但kk也相應(yīng)衰減。實(shí)踐表明，當(dāng)也相應(yīng)衰減。實(shí)踐表明，當(dāng)KK強(qiáng)度強(qiáng)度被衰減到原來(lái)的一半時(shí)，被衰減到原來(lái)的一半時(shí)，K/KK/K的強(qiáng)度比將由原的強(qiáng)度比將由原來(lái)的來(lái)的1/51/5降為濾波后的降為濾波后的1/5001/500左右左右，這對(duì)大多數(shù)衍，這對(duì)大多數(shù)衍射分析工作已經(jīng)滿意。在濾波片材料選定之后，射分析工作已經(jīng)滿意。在濾波片材料選定之后，可按需要的衰減比用公式計(jì)算濾波片的厚度?？砂葱枰乃p比用公式計(jì)算濾波片的厚度。 58吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用 -陽(yáng)極靶材料的選擇 n在在X X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析工作中，我們不希望入射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析工作中，我們不希望入射的射的X X射線激發(fā)出樣品的大量熒光輻射。大量的熒射線激發(fā)出樣品的大量熒光輻射。大量的熒光輻射會(huì)增加衍射花樣的背底，使圖象不清晰。光輻射會(huì)增加衍射花樣的背底，使圖象不清晰。避免出現(xiàn)大量熒光輻射的原則就是選擇入射避免出現(xiàn)大量熒光輻射的原則就是選擇入射X X射線射線的波長(zhǎng)，使其不被樣品強(qiáng)烈吸收，也就是選擇陽(yáng)的波長(zhǎng)，使其不被樣品強(qiáng)烈吸收，也就是選擇陽(yáng)極靶材料，讓靶材產(chǎn)