X射线的产生及其物理作用.ppt

n18951895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现X X射线，至今因应用射线，至今因应用X X射线研究取得成果而获射线研究取得成果而获诺贝尔奖诺贝尔奖的高达的高达2222个之多，其中个之多，其中物理奖物理奖6 6个，个，化化学奖学奖1212个，个，生物医学奖生物医学奖4 4个。个。p1908190819111911年，巴克拉发现物质被年，巴克拉发现物质被X X射线照射时会产生次级射线照射时会产生次级X X射线。次射线。次级级X X射线除与初级射线除与初级X X射线有关，还与被照射物质组成的元素有关。射线有关，还与被照射物质组成的元素有关。 p19121912年，劳厄等提出年，劳厄等提出X X射线是电磁波的假设，并推测波长与晶面间距相射线是电磁波的假设，并推测波长与晶面间距相近的近的X X射线通过晶体时，必定会发生衍射现象，该假设被弗里德利希射线通过晶体时，必定会发生衍射现象，该假设被弗里德利希(W. (W. Friedrich)Friedrich)实验证实实验证实X X射线衍射学射线衍射学 。p英国物理学家布拉格英国物理学家布拉格(Bragg)(Bragg)父子提出了父子提出了X X射线射线“选择反射选择反射”的观点，的观点，导出了著名的布拉格方程。导出了著名的布拉格方程。19131913年据此制作出了年据此制作出了X X射线分光计；射线分光计；p19141914年，莫塞莱实验发现不同材料同名特征谱线的波长与原子序数间年，莫塞莱实验发现不同材料同名特征谱线的波长与原子序数间存在定量对应关系，提出了著名的莫塞莱定律，诞生了材料物相快速存在定量对应关系，提出了著名的莫塞莱定律，诞生了材料物相快速无损检测分析方法无损检测分析方法x x射线光谱学射线光谱学。 伟大的发现伟大的发现一、电磁辐射基础一、电磁辐射基础二、二、X X射线谱射线谱三、三、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用四、四、X X射线的探测与防护射线的探测与防护第一节第一节 X X射线的产生及其物理作用射线的产生及其物理作用 (Atom) 原子核原子核+核外电子核外电子 波波-粒二象性粒二象性 轨道非固定，几率最大的轨道非固定，几率最大的 分布构成电子云层，分布构成电子云层，近似近似 认为核外电子在各自的轨认为核外电子在各自的轨 道道( (称原子轨道称原子轨道) )上运动并上运动并 用用“电子电子( (壳壳) )层层”形象化描形象化描 述电子的分布状况述电子的分布状况 （1 1）每一运动状态具有确每一运动状态具有确定的能量，不同状态能定的能量，不同状态能量数值不同，变化呈不量数值不同，变化呈不连续（量子化）。连续（量子化）。把不同的能量把不同的能量数值（按一定比例）用数值（按一定比例）用一定高度的水平线代表，一定高度的水平线代表，并将其按大小顺序排列并将其按大小顺序排列（由下至上能量增大）（由下至上能量增大）而构成的梯级图形。而构成的梯级图形。一般最底层值为一般最底层值为0 0。（2 2）为为表征核外电子的运动（能量）状态，提表征核外电子的运动（能量）状态，提出五个参量：出五个参量：及及，5 5量子数也相应表征了电子的能量状态量子数也相应表征了电子的能量状态( (能级能级) )。 量量子子数数原子轨道原子轨道电子（壳）电子（壳）层层电子能级电子能级n n电 子 离电 子 离核 的 平核 的 平均距离均距离原子轨道原子轨道离核的平离核的平均距离，均距离，n n越大距越大距离越远离越远电子层离核的电子层离核的平均距离，平均距离，n n相相同的电子分布同的电子分布在同一亚层在同一亚层电子主能级，电子主能级，n n越越大能级越高大能级越高l l电 子 轨电 子 轨道 运 动道 运 动角 动 量角 动 量大小大小原子轨原子轨道形状道形状电子亚层（电子电子亚层（电子支壳层），同一支壳层），同一电子层对应于电子层对应于l l的的n n个取值分为个取值分为n n个亚层个亚层亚能级，同一主能亚能级，同一主能级对应级对应l l取值分为取值分为n n个亚能级个亚能级j j越大，越大，亚能级越高亚能级越高m m轨道角动轨道角动量在外磁量在外磁场方向分场方向分量的大小量的大小原子轨道原子轨道在空间的在空间的伸展方向伸展方向电子亚层含有不电子亚层含有不同伸展方向的轨同伸展方向的轨道数道数亚能级的分裂，当有亚能级的分裂，当有外磁场存在时，同一外磁场存在时，同一亚能级对应于亚能级对应于m m的取的取值分裂为值分裂为2l2l1 1个间个间隔更小的能级隔更小的能级表表1. n1. n、l l、m m对核外电子状态的表征意义对核外电子状态的表征意义 ( (原子核外电子按照能量最低原理、泡利不相容原理、洪特原子核外电子按照能量最低原理、泡利不相容原理、洪特 规则，分布于各能级上，处于能量最低状态，称为基态。（参见规则，分布于各能级上，处于能量最低状态，称为基态。（参见无无 机化学）机化学） 原子中每个电子必须有独自一组四个量子数，原子中每个电子必须有独自一组四个量子数， 一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；：电子总是按能量最低的状态分布。：电子总是按能量最低的状态分布。由原子光谱的事实总结出的多条规则。其基本原则是：由原子光谱的事实总结出的多条规则。其基本原则是：基态多电子原子的电子总是首先自旋平行地、单独地填入简并轨道基态多电子原子的电子总是首先自旋平行地、单独地填入简并轨道 。(2)(2)激发态、激发激发态、激发 原子由基态转变为高能态（激发态）的过程。原子由基态转变为高能态（激发态）的过程。激发条件激发条件： ：较高能级是空的或未填满，由泡利不相容原理决定：较高能级是空的或未填满，由泡利不相容原理决定 ：吸收能量等于两能级能量差。：吸收能量等于两能级能量差。 愈接近愈接近原子核，电子能级原子核，电子能级愈低愈低，电子，电子愈稳定愈稳定； 愈远离愈远离， 愈高愈高， 不稳定不稳定。 电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道高能级轨道（吸收能量）高能级轨道（吸收能量） 各层的轨道数为各层的轨道数为n2电子层电子层电子亚层（电子亚层（s.p.d.f.g）不同轨道不同轨道 s亚层亚层 1个轨道个轨道 p亚层亚层 3个，个，px,py,pz d亚层亚层5个，个， dxy,dyz,dzx,dz2,dx2-y2f亚层亚层 7个，个，g亚层亚层 9个个（3 3）激发能）激发能电子激发前后所处能级（能量）之差。不稳电子激发前后所处能级（能量）之差。不稳 定，存在定，存在10108 810101010s s后返回基态。后返回基态。（4 4）电子（能级）跃迁）电子（能级）跃迁原子中电子受激向高能级跃迁或原子中电子受激向高能级跃迁或 由高向低能级的跃迁。分为：由高向低能级的跃迁。分为： 辐射跃迁辐射跃迁多余能量以电磁辐射形式放出；多余能量以电磁辐射形式放出； 无辐射跃迁无辐射跃迁多余能量转化为内能。多余能量转化为内能。 （5）电离能）电离能使原子中电子脱离原子核束缚的能量（使原子中电子脱离原子核束缚的能量（eV） 分为分为一次电离、二次电离一次电离、二次电离等。 电磁波通过某物质时，从能量角度说分为：部分被散射，电磁波通过某物质时，从能量角度说分为：部分被散射，部分被吸收，部分被透过。部分被吸收，部分被透过。 ：吸收辐射光子能量发生粒子的能级吸收辐射光子能量发生粒子的能级跃迁，跃迁， h=E=E2E1辐射辐射吸收程度对吸收程度对或或的分布的分布热能热能透射透射I0散射散射X X射线射线荧光荧光X X射线（能级差），产生光电效应，射线（能级差），产生光电效应，X X射线波长必须小于吸收限射线波长必须小于吸收限kk。能级差能级差为为周围某壳层上电子吸收受激逸周围某壳层上电子吸收受激逸出成为二次电子出成为二次电子俄歇电子俄歇电子吸收吸收X X光子光子失去内失去内层电子层电子外 层 电 子外 层 电 子填充放能填充放能能级能级跃跃 迁迁 物质吸收能量后产生电磁辐射的现象，实质是辐射跃迁。物质吸收能量后产生电磁辐射的现象，实质是辐射跃迁。 物质粒子发射辐射的强度对物质粒子发射辐射的强度对或或的分布称为的分布称为，光致，光致发光粒子则称为发光粒子则称为。不同物质具有特定的特征发射光。不同物质具有特定的特征发射光谱；荧光吸收一次光子与发射二次光子的时间短（谱；荧光吸收一次光子与发射二次光子的时间短（10108 810104 4），），而磷光的时间长，在而磷光的时间长，在10104 410s10s间。间。 吸收、发射、散射（拉曼散射谱）。吸收、发射、散射（拉曼散射谱）。 吸收与发射光谱按发生作用的物质微粒不同，可分为吸收与发射光谱按发生作用的物质微粒不同，可分为原子光谱原子光谱与与分子光谱分子光谱。 由于物质微粒能级跃迁的类型不同由于物质微粒能级跃迁的类型不同能级差不同能级差不同吸收与发射吸收与发射光谱波长范围不同光谱波长范围不同红外、紫外、可见光、红外、紫外、可见光、X X射线谱射线谱 按强度对波长的分布分为：按强度对波长的分布分为： 阴极发射并在管电压作用下高速运动电子与物质碰阴极发射并在管电压作用下高速运动电子与物质碰撞产生（撞产生（1 1能量），其余能量），其余9999转为热能。转为热能。 1 1）产生自由电子）产生自由电子 2 2）使电子做定向高速运动）使电子做定向高速运动 3 3）运动路径设置使其突然减速的障碍物）运动路径设置使其突然减速的障碍物 相当于一个真空度为相当于一个真空度为10105 510107 7mmHgmmHg的大真空二极管的大真空二极管：W W丝制成，发射热电子。丝制成，发射热电子。：亦称靶：亦称靶使电子突然减速，发射使电子突然减速，发射X X射线。射线。 常用靶材：常用靶材：CrCr、CoCo、NiNi、CuCu、AgAg、W W等等XX射线从阳极向外射出区，铍制，高真空，对射线从阳极向外射出区，铍制，高真空，对X X 射线吸收小。射线吸收小。阳极靶被电子轰击发射出阳极靶被电子轰击发射出X X射线处。射线处。 接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X X射线管剖面示意图射线管剖面示意图 1 1）细聚焦）细聚焦X X射线管射线管 2 2）旋转阳极）旋转阳极X X射线管射线管 按灯丝：按灯丝： 1 1）密封式灯丝管）密封式灯丝管 2 2）可折式灯丝）可折式灯丝X X射线管射线管波长较短，能量较波长较短，能量较高 ， 穿 透 力 强 ， 用 于 无 损 探 伤高 ， 穿 透 力 强 ， 用 于 无 损 探 伤（0.051 ）及金属的物相分析及金属的物相分析（0.52.5 ）。1010100100）：穿透力）：穿透力弱，主要用于医学。弱，主要用于医学。 指指X X射线强度随波长变化的关系曲线，分为：射线强度随波长变化的关系曲线，分为： 1 1）定义：具有连续波长，）定义：具有连续波长，亦称多色亦称多色X X射线。为高速运动射线。为高速运动的电子被靶突然阻止而产生，的电子被靶突然阻止而产生，绝大多数电子经历多次碰撞，绝大多数电子经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，产生能量各不相同的辐射，形成连续谱。形成连续谱。0（ 回车键）连续波在短波方向上有一波长极限连续波在短波方向上有一波长极限（0 0），是指光子），是指光子一次碰撞就耗尽能量所产生的一次碰撞就耗尽能量所产生的X X射线。射线。 eU=heU=hmaxmax=hc/=hc/0 0 0 0=hc/eU=1.24/v(nm)=hc/eU=1.24/v(nm) e e电子电荷，等于电子电荷，等于1.61.610101919 C C； UU电子通过两极时的电压降；电子通过两极时的电压降； hh普朗克常数，等于普朗克常数，等于6.6266.62610103434 Js Js 指垂直于指垂直于X X射线传播方向的单位面积在单位时间内所通过的光射线传播方向的单位面积在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。用子数目的能量总和。用I I表示，单位表示，单位 J/cmJ/cm2 2.s .s 。I I由光子能量由光子能量hh及其数目及其数目n n共同决定共同决定: : I Inh Inh Imaxmax在在1.51.50 0处，此时波长记为处，此时波长记为m m。 连续连续X X射线谱中每条曲线下的面积射线谱中每条曲线下的面积表示连续表示连续X X射线的总强度，也是阳极射线的总强度，也是阳极靶射出靶射出X X射线的总能量：射线的总能量： I I连连iZUiZUm m i i电流；电流；UU电压；电压；m2m2； ZZ原子序数；原子序数；（1.11.11.41.4）1010-9-9（射线管效率）（射线管效率） n nI I连连/ /功率功率i iiZUiZU2 2/iV/iVi iZU ZU i i（1.11.11.41.4）1010-9-9 可见效率低，多发热，故要用高熔点金属做阳极且水冷。可见效率低，多发热，故要用高熔点金属做阳极且水冷。 ： a a、同一阳极靶，管电压、同一阳极靶，管电压U U不变，提高管电流不变，提高管电流I I，各波长射线的强度，各波长射线的强度I I提高，但提高，但0 0和和m m不变；不变； b b、提高管电压（、提高管电压（i i、Z Z不变），各波长射线的不变），各波长射线的I I增大，但短波限增大，但短波限0 0和强度最大时对应的和强度最大时对应的m m减小；减小； c c、U U与与i i相同时，原子序数相同时，原子序数Z Z越高，连续谱的越高，连续谱的I I越大，但越大，但0 0和和m m不变。不变。 ：在连续谱基础上：在连续谱基础上叠加若干条具有一定波长的叠加若干条具有一定波长的谱线，这些谱线谱线，这些谱线强度峰的波强度峰的波长反应了物质原子序数的特长反应了物质原子序数的特征，所以叫征，所以叫；由；由特征射线组成的谱线叫特征射线组成的谱线叫。：产生特征：产生特征X X射线射线的最低电压的最低电压U UK K临界电压。临界电压。： 电压达到电压达到V V临界临界时，特征谱时，特征谱 线的线的不变，强度按不变，强度按n n次方的次方的 规律增大。即：规律增大。即：如如: :钼靶钼靶K K系特征系特征X X射线有两个强度射线有两个强度高峰高峰K K和和K K，波长分为，波长分为0.710.71和和0.630.63. . I I特征特征KiKi（U-UU-U临界临界）n n n=1.5 n=1.52 2 如：K层电子被击出时，系统能量由基态升高到K激发态，高能层电子向K层空位填充时，产生K系辐射；把其中L层电子填充空位称为K辐射M层电子填充空位产生K辐射。K态（击走K电子）L态（击走L电子）M态（击走M电子）N态（击走N电子）击走价电子中性原子WkWlWmWn0原子的能量（任意键） 由能级知由能级知K K辐射光子能量大于辐射光子能量大于K K光子，但因光子，但因K K层与层与L L层为相邻能层为相邻能级，级，L L填充几率大，故填充几率大，故。 同理，同理，L L层电子被激发而产生的特征层电子被激发而产生的特征X X射线称为射线称为或或L L系系射线，射线，L L层内不同亚能级电子向层内不同亚能级电子向K K层跃迁所发射的层跃迁所发射的K K11和和K K22的关系是的关系是 对于多重线系，如对于多重线系，如L L2 2及及L L3 3层电子向层电子向K K层跃迁，形成的层跃迁，形成的KK有如下有如下关系关系 标识标识X X射线谱的频率和波长只取射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。是物质的固有特性。标识标识X X射线谱的波长射线谱的波长与原子序数与原子序数Z Z的关的关系为：系为： C C及及为与线系有关的常数。为与线系有关的常数。)(/1 ZC2221111RZnn 在多晶材料的衍射分析中，总是希望应用以特征谱为主的单在多晶材料的衍射分析中，总是希望应用以特征谱为主的单 色光源，即色光源，即I I特特I I连连尽可能高。为了使尽可能高。为了使K K系谱线突出，系谱线突出，x x射线管射线管 适宜的工作电压一般比适宜的工作电压一般比K K系激发电系激发电 压高压高3 35 5倍，即：倍，即：V V工作工作= =（3 3 5 5）V V临界临界（即（即V VK K）；下表给出常用）；下表给出常用x x射线管的适宜工作电压及特射线管的适宜工作电压及特 征谱波长等数据。征谱波长等数据。 其关系的实验公式为：其关系的实验公式为： I I特特KiKi（V V工作工作V Vn n）m m KK常数常数 mm常数，常数，K K系系m m1.51.5，L L系系m m2 2 V Vn n标识谱的激发电压，对标识谱的激发电压，对K K系，系，V Vn nV VK K X X射线与物质发生相互作用后，内容和过程复杂，然就射线与物质发生相互作用后，内容和过程复杂，然就其能量转换而言，一束其能量转换而言，一束X X光通过物质时，分为三部分：散射、光通过物质时，分为三部分：散射、吸收、透过。吸收、透过。俄歇电子热能热能透射透射X X射线衰减后的强度射线衰减后的强度I0散射散射X X射线射线电子电子荧光荧光X X射线射线相干的相干的非相干非相干 的的反冲电子反冲电子光电子光电子康普顿效应康普顿效应俄歇效应俄歇效应 光电效应光电效应 X X射线被物质散射时，产生相干散射和非相干散射。射线被物质散射时，产生相干散射和非相干散射。：物质中电子在物质中电子在X X射线作用下振动，产生的新电磁波射线作用下振动，产生的新电磁波 波长和频率相同，位相差恒定，产生干涉现象，发生相干散射。波长和频率相同，位相差恒定，产生干涉现象，发生相干散射。： X X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子发生非弹射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子发生非弹 性碰撞使波长增大；性碰撞使波长增大； 电子获得能量成为反冲电子；电子获得能量成为反冲电子； 位向差不恒定，无干涉发生。位向差不恒定，无干涉发生。 X X射线通过物质时发生能量损失，吸收的能量引发物质中原射线通过物质时发生能量损失，吸收的能量引发物质中原子内部的电子跃迁，发生子内部的电子跃迁，发生X X射线的射线的和和。当入射当入射x x射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层电子时，产射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层电子时，产生光电效应形成二次特征辐射。与此能量阈值相应的波长称为物质生光电效应形成二次特征辐射。与此能量阈值相应的波长称为物质的的, , 亦称为亦称为K K系特征辐射的系特征辐射的，用，用代表。代表。X X射线光子波长必须小于射线光子波长必须小于。 辐射条件：激发限辐射条件：激发限K K1.24/V1.24/VK K （nmnm） V VK K把原子中把原子中K K壳层电子击出原轨道所需要的最小激发电压；壳层电子击出原轨道所需要的最小激发电压； K K在讨论光电效应产生的条件时叫做在讨论光电效应产生的条件时叫做；若讨论；若讨论x x射线被射线被物质吸收物质吸收( (光电吸收光电吸收) )时，又可把时，又可把K K叫叫。 为产生为产生K K系荧光辐射，入射光子的能量系荧光辐射，入射光子的能量hh必须大于或等于必须大于或等于K K层层电子的逸出功电子的逸出功W WK K，即，即hhhc/hc/eVeVK K hc/eV hc/eVK K=1.24/V=1.24/VK K=K K ：当入射：当入射x x射线波长刚好小于等于射线波长刚好小于等于K K时，可发生此种物质对波时，可发生此种物质对波长为长为k k的的X X射线的强烈吸收，而且正好在射线的强烈吸收，而且正好在K K1 12424V VK K时吸收最时吸收最为严重，形成所谓的吸收边，此时荧光散射也最严重。为严重，形成所谓的吸收边，此时荧光散射也最严重。 可利用可利用K K = 1.24/V = 1.24/VK K 滤波片的选择滤波片的选择 a a、使滤片吸收限位于辐射源的、使滤片吸收限位于辐射源的K K和和K K间尽量靠近间尽量靠近K K，强烈吸收，强烈吸收K K； b b、因滤片厚对、因滤片厚对K K吸收增大，吸收增大，K K强度减小到一半时，强度减小到一半时，K K/K/K将由滤前将由滤前1/51/500,1/51/500,故尽量将故尽量将K K吸收一半；吸收一半； c c、实验确定：、实验确定：Z Z靶靶4040时，时，Z Z片片Z Z靶靶1 Z1 Z靶靶4040时，时，Z Z片片Z Z靶靶2 2阳极靶的选择：阳极靶波长稍大于试样的阳极靶的选择：阳极靶波长稍大于试样的K K吸收限，吸收限，Z Z靶靶Z Z试样试样1 1此时：入射此时：入射X X射线不在试样上产生荧光射线不在试样上产生荧光X X射线，吸收又最小，减轻衍射线，吸收又最小，减轻衍射花样的背底强度。射花样的背底强度。 X X射线透过物质时，因散射和吸收作用，透射方向强度必定减弱。射线透过物质时，因散射和吸收作用，透射方向强度必定减弱。 ：单色光照射到均匀介质上，均匀介质对光强的衰减：单色光照射到均匀介质上，均匀介质对光强的衰减 程度，即介质原子对入射光子的吸收几率，与介质的厚度（程度，即介质原子对入射光子的吸收几率，与介质的厚度（t t）成）成 正比。正比。 d dI It t/ /I It t=-dt =-dt 比例常数，与入射线波长及物质有关，称为该物质对入射比例常数，与入射线波长及物质有关，称为该物质对入射X X射线的射线的，亦称为，亦称为。 上式积分得：上式积分得：I It t= = I I0 0e-e-tt t t为介质厚度；为介质厚度；I/II/I0 0称为称为 I It t投射强度；投射强度； I I0 0入射线的强度入射线的强度：单位体积物质引起的相对衰减量。：单位体积物质引起的相对衰减量。 若若为物质的密度，为物质的密度，表示表示X X射线通过单位长度物质时强度的射线通过单位长度物质时强度的衰减。设衰减。设m m/，称，称m m为质量吸收系数；则：为质量吸收系数；则： I It t= = I I0 0e-e-tmtm：X X射线通过单位面积，单位质量物质后强度射线通过单位面积，单位质量物质后强度的相对衰减量。的相对衰减量。 各元素有各自确定的质量吸收系数；对单元素物质，有各元素有各自确定的质量吸收系数；对单元素物质，有m m KK3 3Z Z 3 3 K K常数常数 入射波长入射波长 Z Z原子序数原子序数 吸收限由光电效应引起，由于存在吸收限由光电效应引起，由于存在k k，使，使m m随随的变化不连的变化不连续，其间被尖锐的突变分开。续，其间被尖锐的突变分开。 吸收限与原子能级的精细结构对应。吸收限与原子能级的精细结构对应。若由若由n n个元素组成，则个元素组成，则 （m m）j j元素元素j j的质量衰减系数；的质量衰减系数；w wj j元素元素j j的质量分数。的质量分数。 jnjjmw1)(1 1照相法照相法利用利用X X射线透过后在底片上还原成银的数量导致的黑射线透过后在底片上还原成银的数量导致的黑度不同来探测。度不同来探测。2 2辐射探测器法辐射探测器法XX射线光子对气体和某些固态物质的电离作用检射线光子对气体和某些固态物质的电离作用检测。测。1 1用铅屏蔽；用铅屏蔽； 2 2不能把器官暴露在射线下；不能把器官暴露在射线下；3 3正常工作后，立即离开；正常工作后，立即离开； 4 4铅手套，眼镜，围裙。铅手套，眼镜，围裙。不防护后果：组织坏死，神经衰弱，头晕，脱发，血液及生育问题不防护后果：组织坏死，神经衰弱，头晕，脱发，血液及生育问题结束结束