X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

X射線物理學(xué)基礎(chǔ)材料學(xué)院汪靜材料分析測(cè)試技術(shù)之一本章主要內(nèi)容第一節(jié)X射線的本質(zhì)第二節(jié)X射線譜第三節(jié)X射線與物質(zhì)相互作用第一節(jié)X射線的本質(zhì)X射線的歷史X射線的性質(zhì)X射線的特征X射線范圍X射線的產(chǎn)生X射線管X射線儀X射線的影響1895年，德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線1912年，德國(guó)物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，確證了X射線是一種電磁波1912年，英國(guó)物理學(xué)家Brag父子利用X射線衍射測(cè)定了NaCl晶體的結(jié)構(gòu)，開(kāi)創(chuàng)了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史1、X射線的歷史與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎(jiǎng)獲得者名單

2、X射線的性質(zhì)

X射線是一種電磁波，具有波粒二象性波動(dòng)性波長(zhǎng)：10－2～102?規(guī)律：

=c/粒子性

X射線由具有能量E、動(dòng)量P、質(zhì)量m的X光子組成E=hv

P=h/h為普朗克常數(shù)，6.62617610-27爾格硬X射線：波長(zhǎng)較短、能量較高、穿透性較強(qiáng)。適用于金屬部件的無(wú)損探傷及金屬物相分析。軟X射線：波長(zhǎng)較長(zhǎng)、能量較低、穿透性弱。用于分析非金屬的分析。度量單位：?、kX、nm1nm=10?=10-9m1kX=1.0020772±0.000053?3、X射線的特征X射線具有很高的穿透能力，可以穿過(guò)黑紙及許多對(duì)于可見(jiàn)光不透明的物質(zhì)X射線肉眼不能觀察到，但可以使照相底片感光X射線能夠殺死生物細(xì)胞和組織，人體組織在受到X射線的輻射時(shí)，生理上會(huì)產(chǎn)生一定的反應(yīng)4、X射線的范圍5、X射線的產(chǎn)生

高速運(yùn)動(dòng)的電子流

射線X射線中子流

高能輻射流突然減速,產(chǎn)生X射線

5.1X射線產(chǎn)生條件產(chǎn)生自由電子的電子源電子作定向的高速運(yùn)動(dòng)在電子運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物如陽(yáng)極靶使電子突然減速或停止陰陽(yáng)極封閉在10-3Pa的高真空中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5.2過(guò)程演示6、X射線管

X射線管

電子槍?zhuān)寒a(chǎn)生電子并將電子束聚焦。鎢絲螺旋式，通電流放出自由電子。

金屬靶：發(fā)射X射線。通常由傳熱性好熔點(diǎn)較高的金屬材料制成。如銅、鉆、鎳、鐵、鋁等。

X射線管剖面圖

結(jié)構(gòu)陰極：發(fā)射電子陽(yáng)極：亦稱(chēng)靶，使電子突然減速和發(fā)射X射線窗口：X射線從陽(yáng)極靶向外射出的地方焦點(diǎn)：陽(yáng)極靶面被電子束轟擊的地方X射線管實(shí)物圖7、X射線儀

8、X射線的影響

使一些物質(zhì)發(fā)出可見(jiàn)的熒光使離子固體發(fā)出黃褐色或紫色的光促進(jìn)物質(zhì)的合成引起生物效應(yīng)，導(dǎo)致新陳代謝發(fā)生變化；x射線與物質(zhì)之間的物理作用，可分為X射線散射和吸收。X射線的強(qiáng)度連續(xù)X射線特征X射線第二節(jié)X射線譜1、連續(xù)譜：強(qiáng)度隨波長(zhǎng)連續(xù)變化2、特征譜：波長(zhǎng)一定、強(qiáng)度很大又稱(chēng)為標(biāo)識(shí)譜X射線譜

1、X射線的強(qiáng)度

定義

垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所通過(guò)的光子數(shù)目的能量總和。單位是J/cm2·s決定因素

光子能量hv、光子數(shù)目nI=nhv

最大值出現(xiàn)在1.5λ0處2、連續(xù)X射線譜

連續(xù)譜示意圖2.1連續(xù)譜產(chǎn)生機(jī)理電子與陽(yáng)極靶碰撞，電子失去能量，其中部分以光子的形式輻射，這樣的光子流即為X射線單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽(yáng)極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M(jìn)電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價(jià)電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量電子沖擊陽(yáng)級(jí)靶X射線射出過(guò)程演示2.2連續(xù)X射線譜的規(guī)律

X射線強(qiáng)度與管壓的關(guān)系X射線強(qiáng)度與管流的關(guān)系X射線強(qiáng)度元素的原子序數(shù)的關(guān)系2.3短波限

定義連續(xù)X射線譜在短波方向有一個(gè)波長(zhǎng)極限。只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。數(shù)量關(guān)系

e電子電荷，4.803×10-10V電子通過(guò)兩極時(shí)的電壓降

h普朗克常數(shù)，6.625×10-34j·s2.4連續(xù)譜的X射線強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)公式C為常數(shù)，Z為陽(yáng)極材料的原子序數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式

K為常數(shù),1.1-1.5×10-9Z為陽(yáng)極靶元素的原子序數(shù)

I為X射線管的電流強(qiáng)度，V為管電壓X射線管的效率3、特征X射線

特征譜示意圖3.1特征X射線產(chǎn)生機(jī)理與陽(yáng)極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)電子按泡利不相容原理和能量最低原理排布。在轟擊陽(yáng)極的過(guò)程中，具有足夠能量的電子將陽(yáng)極靶原子的內(nèi)層電子擊出，在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出特征X射線M態(tài)（擊走M(jìn)電子）N態(tài)（擊走N電子）K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）擊走價(jià)電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量K激發(fā)L激發(fā)Ka輻射Kβ輻射L輻射過(guò)程演示3.3K系激發(fā)示意圖管電壓超過(guò)激發(fā)電壓時(shí)才能產(chǎn)生特征譜線靶元素的原子序數(shù)越大，激發(fā)電壓越高Kα的強(qiáng)度約為Kβ的5倍激發(fā)限K系激發(fā)的特點(diǎn)3.4

莫塞萊定律

表征特征X射線譜的波長(zhǎng)λ與原子序數(shù)Z關(guān)系C，σ都是常數(shù)3.5特征X射線的強(qiáng)度c為比例常數(shù)，V激為陽(yáng)極靶元素特征X射線的激發(fā)電壓，I為管電流，V為管電壓當(dāng)I特/I連最大，工作電壓為激發(fā)電壓的3-5倍時(shí)，連續(xù)譜造成的衍射背影最小。X射線的散射

X射線的衰減吸收限X射線的折射總結(jié)X射線的安全防護(hù)第三節(jié)

X射線與物質(zhì)相互作用1.1相干散射電子在X射線作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。每個(gè)電子在各方向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干涉現(xiàn)象1、X射線的散射相干散射,非相干散射一、湯姆遜公式Ie：散射X射線的強(qiáng)度;I0：入射X射線強(qiáng)度e：電子電荷;m：電子質(zhì)量;c:光速2θ：電場(chǎng)中任一點(diǎn)到原點(diǎn)連線與入射X射線方向的夾角R：電場(chǎng)中任一點(diǎn)到發(fā)生散射的電子的距離fe=e2/mc2:電子的散射因子(1+cos22θ)/2:為極化因子或偏振因子在各個(gè)方向上散射強(qiáng)度不同，2θ＝0°處強(qiáng)度最強(qiáng)，2θ＝90°強(qiáng)度最弱散射波強(qiáng)度與入射波頻率無(wú)關(guān)散射強(qiáng)度與入射強(qiáng)度相比，強(qiáng)度很弱二、X射線散射的特點(diǎn)1.2非相干散射

X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子碰撞時(shí)，電子獲得一部分動(dòng)能成為反沖電子，X射線光子離開(kāi)原來(lái)方向，能量減小，波長(zhǎng)增加?？灯疹D效應(yīng)：用量子理論描述，亦稱(chēng)量子散射。增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來(lái)不利的影響，特別對(duì)輕元素。1.3二次特征輻射二次特征輻射：熒光輻射，激發(fā)限光電效應(yīng)俄歇效應(yīng)2、X射線的衰減X射線衰減圖示

設(shè)入射X射線強(qiáng)度為I0，透過(guò)厚度為P的物質(zhì)后強(qiáng)度為I，I＜I0；在被照射的物質(zhì)中取一深度為X處的小厚度元dX，照到此小厚度元上的X射線強(qiáng)度為Ix，透過(guò)此厚度元的X射線強(qiáng)度為Ix+dx，則強(qiáng)度的改變?yōu)椋篸Ix

＝Ix+dx－Ix

＝＝－μL·dx

當(dāng)x＝0時(shí)，Ix＝I0，I/I0=

2.1衰減公式推導(dǎo)2.2相關(guān)概念及物理意義線衰減系數(shù)，L線吸收系數(shù)，τ

散射系數(shù)，σ質(zhì)量吸收系數(shù)m2.3質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)的加和性μmi為第i種元素的質(zhì)量吸收系數(shù)Wi為各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3、吸收限吸收限主要是由光電效應(yīng)引起的：當(dāng)X射線的波長(zhǎng)等于或小于λk時(shí)，光子的能量達(dá)到擊出一個(gè)K層電子的功W，X射線被電子吸收，激發(fā)光電效應(yīng)，使μm突變性增大。吸收限與原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。如L系有二個(gè)副層，有二個(gè)吸收限。濾波片的選擇

吸收限位于Kα和Kβ之間，盡量靠近Kα，強(qiáng)烈吸收Kβ，Kα吸收很??；Z靶<40時(shí)Z濾片=Z靶-1；Z靶>40時(shí)Z濾片=Z靶-2；濾波片的厚度以將Kα強(qiáng)度降低一半最佳陽(yáng)極靶的選擇陽(yáng)極靶K波長(zhǎng)稍大于試樣的K吸收限；試樣對(duì)X射線的吸收最小。Z靶≤Z試樣+1吸收限的應(yīng)用4、X射線的折射折射率約為0.99999-0.9999995、X射線與物質(zhì)相互作用的總結(jié)熱能透射X射線衰減后的強(qiáng)度I0散射X射線電子熒光X射線相干的非相干的反沖電子