1x射线性质课件.ppt

第一章第一章X射线的性质射线的性质本章主要学习的内容本章主要学习的内容:1.X1.X射线的性质射线的性质,本质和产生本质和产生2.X2.X射线谱射线谱-连续谱连续谱,特征谱特征谱3.X3.X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用1-1 1-1 引引 言言一、一、X射线的发现射线的发现lX X射射线线是是18951895年年1111月月8 8日日由由德德国国物物理理学学家家伦伦琴琴（W.C.W.C.R Rntgenntgen）在在研研究究真真空空管管高高压压放放电电现现象象时时偶偶然发现的然发现的。1895-1897年年伦伦琴琴搞搞清清楚楚了了X射射线线的的产产生生、传传播播、穿透力等大部分性质穿透力等大部分性质.1901年伦琴获诺贝尔奖年伦琴获诺贝尔奖1912年年劳劳埃埃进进行行了了晶晶体体的的X射线衍射实验射线衍射实验研究真空高压放电效应时，发现凳子上的研究真空高压放电效应时，发现凳子上的镀有氰亚镀有氰亚铂酸钡铂酸钡的硬纸板发出荧光。分析认为可能是存在一的硬纸板发出荧光。分析认为可能是存在一种不同于可见光的射线，且可能是由真空管加上高种不同于可见光的射线，且可能是由真空管加上高电压时引起的，他试着用电压时引起的，他试着用黑纸挡、用木块挡都挡不黑纸挡、用木块挡都挡不住，甚至可以透过人的骨骼！住，甚至可以透过人的骨骼！由于当时对这种射线的本质和特性尚无了解，故取由于当时对这种射线的本质和特性尚无了解，故取名为名为X X射线射线，后人也叫，后人也叫伦琴射线。伦琴射线。二、应用二、应用在在X X射线发现后几个月射线发现后几个月医生就用它来为病人医生就用它来为病人服务服务右图是纪念伦琴发现右图是纪念伦琴发现X X射线射线100100周年发行的纪周年发行的纪念封念封与与X X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单物质的性质、材料的性能决定于它们的组成和微观物质的性质、材料的性能决定于它们的组成和微观结构。结构。如果你有一双如果你有一双X X射线的眼睛，就能把物质的微观结构射线的眼睛，就能把物质的微观结构看个清清楚楚明明白白！看个清清楚楚明明白白！X X射线衍射将会有助于你探究为何成份相同的材料，射线衍射将会有助于你探究为何成份相同的材料，其性能有时会差异极大其性能有时会差异极大.X X射线衍射将会有助于你找到获得预想性能的途径。射线衍射将会有助于你找到获得预想性能的途径。钢钢铁铁中中的的碳碳化化物物、夹夹杂杂物物、残残余余奥奥氏氏体体的的定定性性分分析析与与定定量量分分析析、化化学学热热处处理理的的表表面面相相分分析析、表表面面堆堆焊焊、喷喷焊物相的分析。焊物相的分析。三、三、三、三、X X射线分析在金属材料领域的应用射线分析在金属材料领域的应用射线分析在金属材料领域的应用射线分析在金属材料领域的应用1、物相分析、物相分析可可以以确确定定固固溶溶体体的的类类型型（例例如如：体体心心立立方方）、固固溶溶体体中中溶质组元的含量溶质组元的含量（如（如M体中的含碳量）。体中的含碳量）。2、固溶体分析、固溶体分析测定粗晶粒的平均大小、微晶粒的平均晶粒度等。测定粗晶粒的平均大小、微晶粒的平均晶粒度等。3、晶粒大小的测定、晶粒大小的测定可以测定材料的宏观、显微内应力可以测定材料的宏观、显微内应力.4、应力测定、应力测定半半导导体体材材料料、激激光光材材料料、磁磁性性材材料料单单晶晶体体，其其取取向可用向可用X射线法测定射线法测定5、晶体取向的测定、晶体取向的测定1-2 X1-2 X射线的本质射线的本质人的肉眼看不见人的肉眼看不见X X射线，但射线，但X X射线能使气体电离，使射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。物质发出荧光。X X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。当穿过物体时仅部分被散射。X X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。X射线的本质射线的本质*电磁波的一种，波电磁波的一种，波长约长约10108 8cmcm左右左右*X X射线具有波粒射线具有波粒二相性二相性（de Broglie）(1)X射射线线是是一一种种本本质质与与可可见见光光完完全全相相同同的的电电磁磁波波（或电磁辐射）。（或电磁辐射）。(2)X射线以光速传播，传播速度射线以光速传播，传播速度2.9981010厘米厘米/秒。秒。(3)X射线波长常用的单位是埃射线波长常用的单位是埃()、1=10-8cm。1nm=10(4)X射射线线的的波波长长范范围围为为1000.01。可可见见光光的的波波长长范围范围40007000。1 1、波动性、波动性 X X射射线线两两边边分分别别与与紫紫外外线线及及射射线线相相重重叠叠。在在电电磁磁波波谱谱中，其位置如图。中，其位置如图。#一一般般把把短短波波长长的的X射射线线称称为为硬硬X射射线线，反反之之则则为为软软X射射线线。硬硬软软程程度度表表示示它的穿透能力的强弱。它的穿透能力的强弱。#用用于于金金属属探探伤伤的的X射射线线波长约为波长约为10.05。(1)(1)X X射射线线是是波波长长较较短短的的电电磁磁波波。波波动动理理论论对对X X射射线线光光电电效效应应、荧荧光光辐辐射射现现象象无无法法解解释释。说说明明波波动动性性只只是是反反映了映了X X射线本性的一个方面。射线本性的一个方面。(2)(2)在在大大量量科科学学实实验验基基础础上上，人人们们又又认认识识到到X X射射线线本本性性的的另另一一个个方方面面粒粒子子性性（或或微微粒粒性性）。X X射射线线是是由由大大量量以以光光速速运运动动的的粒粒子子组组成成的的不不连连续续粒粒子子流流。这这些些粒粒子子叫叫做做光光子子（或或光光量量子子），每每个个光光子子具具有有的的能能量量为为=h=hv v。(硬硬X X射线穿透能力强，还是软射线穿透能力强，还是软X X射线穿透能力强？射线穿透能力强？)2 2、X X射线的粒子性射线的粒子性 其中其中vx射线的频率，射线的频率，h普朗克常数。普朗克常数。h=6.2610-34焦焦秒秒=6.2610-27尔格尔格秒秒对对不不同同频频率率的的X射射线线，光光子子的的能能量量是是不不同同的的。频频率率越越高，光子的能量就越大。高，光子的能量就越大。(3)波动性与粒子性相并存称为波动性与粒子性相并存称为X射线的波粒二象性。射线的波粒二象性。那那么么，X射射线线的的波波长长为为什什么么会会在在那那么么一一个个范范围围之之内内，它的强度又与哪些因素有关呢？它的强度又与哪些因素有关呢？实实验验证证明明，X X射射线线是是高高速速运运动动的的粒粒子子与与某某种种物物质质相相撞撞击击后后猝猝然然减减速速，且且与与该该物物质质中中的的内内层层电电子子相相互作用而产生的。互作用而产生的。X射线产生的几个射线产生的几个基本条件：基本条件：1-3 X1-3 X射线的产生及射线的产生及X X射线管射线管一、一、一、一、X X射线产生的条件射线产生的条件射线产生的条件射线产生的条件 产生并发射自由电子（加热钨灯丝）。产生并发射自由电子（加热钨灯丝）。在在真真空空中中（一一般般为为1010-6-6毫毫米米汞汞柱柱）迫迫使使自自由由电电子子朝朝一定方向高速运动（加一很高的管电压）。一定方向高速运动（加一很高的管电压）。在在高高速速电电子子流流的的运运动动路路程程上上设设置置一一障障碍碍物物（阳阳极极靶），使高速运动的电子突然受阻。靶），使高速运动的电子突然受阻。X X射线管的结构射线管的结构阴极阴极-发射电子。发射电子。一般由钨一般由钨丝制成，通电加热后释放丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。出热辐射电子。阳极阳极-靶，靶，使电子突然减速使电子突然减速并发出并发出X X射线。射线。窗窗口口-X射射线线出出射射通通道道。既既能能让让X射射线线出出射射，又又能能使使管管密密封封。窗窗口口材材料料用用金金属属铍铍或或硼硼酸酸铍铍锂锂构构成成的的林林德德曼曼玻玻璃璃。窗窗口口与与靶靶面面常常成成3-6的的斜斜角角，以以减减少少靶靶面面对对出出射射X射线的阻碍。射线的阻碍。高速电子转换成高速电子转换成X X射线的效率只有射线的效率只有1%1%，其余，其余99%99%都作都作为热而散发。所以为热而散发。所以靶材料靶材料要导热性能好，常用黄铜要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X X射线管的射线管的功率有限，大功率需要用功率有限，大功率需要用旋转阳极旋转阳极.焦点焦点-阳极靶表面被电子轰击的一块面积，阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X X射线射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是是X X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点.X X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分辨率；高强度则可缩短暴光时间提高分辨率；高强度则可缩短暴光时间.Go20旋转阳极旋转阳极X X射线管、细聚射线管、细聚焦焦X X射线管和闪光射线管和闪光X X射线射线管。管。阳极不断旋转，电子束阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶提高功率也不会烧熔靶面。目前有面。目前有100kW100kW的旋转的旋转阳极，功率比普通阳极，功率比普通X X射线射线管大数十倍管大数十倍(常用常用X X射线射线管的功率为管的功率为5005003000W)3000W)。旋转阳极旋转阳极19.19.旋转阳极旋转阳极旋转阳极旋转阳极旋转阳极旋转阳极Go17X X射射线线强强度度()()随随波波长长()()而而变变化化的的关关系系曲曲线线，称为称为X X射线谱。射线谱。X X射线谱由两部分组成，即射线谱由两部分组成，即:1-4 X1-4 X射线谱射线谱 一、一、X射线谱射线谱连续连续X X射线谱射线谱 X X射线谱射线谱 特征（标识）特征（标识）X X射线谱射线谱l从从某某一一短短波波限限（。）开开始始，直直到到波波长长等等于于无无穷穷大大的的一一系系列列波波长长所所构构成成的的X射线谱。射线谱。二、连续二、连续X射线谱的定义射线谱的定义三、连续三、连续X射线的产生及其规律射线的产生及其规律1 1、(见见图图）管管压压很很低低时时，小小于于20kv20kv的的曲曲线线是是连连续续变变化化的的，故故称称之之连连续续X X谱谱，即即连续谱连续谱。2 2、当当逐逐步步增增加加X X射射线线管管的的管管电电压压时时，连连续续X X射射线线谱谱发发生生如如下变化。下变化。l管电压既影响连续管电压既影响连续X射线射线谱强度，也影响其波长范谱强度，也影响其波长范围围,随管电压升高随管电压升高:各种波长的各种波长的X射线的相对射线的相对强度一致增高。强度一致增高。具有最高强度射线的波长具有最高强度射线的波长逐渐变小，曲线峰值向左逐渐变小，曲线峰值向左方移动。方移动。短波限逐渐变小（短波限逐渐变小（0向左向左方移动），波谱变宽方移动），波谱变宽。四、连续四、连续X射线的产生机理射线的产生机理1 1、经典物理的电动力学理论、经典物理的电动力学理论一一个个带带有有负负电电荷荷的的电电子子在在受受到到这这样样一一种种加加速速度度时时（指指X X射射线线管管中中高高速速运运动动着着的的电电子子到到达达阳阳极极靶靶表表面面突突然然受受到到阻阻止止时时，产产生生极极大大的的负负加加速速度度），电电子子周周围围的的电电磁磁场场将将发发生生急急剧剧的的变变化化，此此时时必必然然要要产产生生一一个个电电磁磁波波，或或至至少少一一个个电电磁磁脉脉冲冲。由由于于极极大大数数量量的的电电子子射射到到阳阳极极上上的的时时间间和和条条件件不不可可能能相相同同，因因而而得得到到的的电电磁磁波波将将具具有有连连续续的的各各种种波波长，形成连续长，形成连续X X射线谱射线谱。q=0.01库仑库仑16191025.6106020.101.0=n=-（个）（个）也就是说，也就是说，1 1秒钟内有秒钟内有0.010.01库仑的电量到达阳极靶。库仑的电量到达阳极靶。电子的电荷电子的电荷e=1.6020e=1.60201010-19-19库仑库仑则则1 1秒钟到达阳极上的电子数秒钟到达阳极上的电子数:2 2 2 2、若若若若管管管管电电电电流流流流i i i i=10=10=10=10毫毫毫毫安安安安（1 1 1 1秒秒秒秒钟钟钟钟内内内内阳阳阳阳极极极极靶靶靶靶上上上上发发发发出出出出的的的的电电电电磁波有多少个？）磁波有多少个？）磁波有多少个？）磁波有多少个？）讨论：讨论：l如如此此大大数数量量的的电电子子射射到到阳阳极极靶靶上上的的条条件和时间不可能是一样的；件和时间不可能是一样的；l因因而而电电磁磁脉脉冲冲也也各各不不相相同同，从从而而形形成成了具有各种波长的连续了具有各种波长的连续X射线谱。射线谱。从从灯灯丝丝发发射射出出的的电电子子经经高高压压电电场场加加速速，使使电电场场的的位位能能转化为电子的动能。转化为电子的动能。3 3、短波限、短波限0 0存在的原因存在的原因 电电子子被被阳阳极极突突然然阻阻止止时时，动动能能的的一一部部分分将将转转化化为为一一个个或或几个几个X X射线光子，其余转变为热能（或光子逸出）。射线光子，其余转变为热能（或光子逸出）。当当一一个个电电子子的的动动能能毫毫无无损损失失地地全全部部转转化化为为一一个个X X射射线线光光子子时，此光子的能量为：时，此光子的能量为：l l0 0e echhveV m=最大最大221eVhc=0l l其中其中h h普朗克常数普朗克常数,c,cX X射线速度射线速度,e,e电子电荷电子电荷V4.120=l l（埃）（埃）V千伏千伏讨论：讨论：（1 1）当当 V=20V=20、3030、4040、5050千千 伏伏 时时，0 0=0.62=0.62、0.410.41、0.310.31、0.250.25。（2 2）短波限）短波限0 0与管电压成反比。与管电压成反比。（3 3）绝绝大大多多数数高高速速电电子子与与阳阳极极靶靶撞撞击击时时，很很大大一一部部分能量分能量P P消耗转化为热能、光电子逸出等情况。即：消耗转化为热能、光电子逸出等情况。即：peVhchvpm-=-l l2210l ll l-=peVhcl那么，连续射线的强度与哪些因素有关呢？那么，连续射线的强度与哪些因素有关呢？量子力学概念，当能量为量子力学概念，当能量为evev的电子与靶的原子整体碰的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hvhv的光子，的光子，即即“韧致辐射韧致辐射”。大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。即形成连续谱。极限情况下，能量为极限情况下，能量为evev的电子在碰撞中一下子把能量的电子在碰撞中一下子把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短波长，即短波限波长，即短波限00。都有一个最短波长，称之短波。都有一个最短波长，称之短波限限00，强度的最大值在，强度的最大值在00的的1.51.5倍倍.4.4.量子理论连续量子理论连续X X射线谱的解释射线谱的解释*垂垂直直于于X X射射线线传传播播方方向向的的单单位位面面积积上上，在在单单位位时时间间内所通过的光子数目的能量总和。内所通过的光子数目的能量总和。*常用单位是常用单位是尔格尔格/厘米厘米2 2秒秒*绝绝对对强强度度的的测测量量比比较较困困难难，常常采采用用照照相相底底片片的的黑黑度作为相对比较标准。度作为相对比较标准。五、辐射强度五、辐射强度1 1、定义：、定义：常数常数z阳级靶的原子序数阳级靶的原子序数 i管电流（毫安）管电流（毫安）V管电压（千伏）管电压（千伏）?阳阳极极靶靶可可以以影影响响连连续续谱谱的的强强度度，能能不不能能影影响响连连续续谱谱波波长的分布长的分布?答案是不能。答案是不能。2 2、连续、连续X X射线谱的总强度射线谱的总强度(经验公式经验公式)六、效率六、效率连连续续X X射射线线的的效效率率:指电子流能量中用于产生X射线的百分数，ZViViZVXXa aa ah h=2射线管的功率射线管的功率射线总强度射线总强度连续连续=ZV=ZV讨论：讨论：当采用钨阳极当采用钨阳极Z=74Z=74 V=100 V=100千伏，千伏，=1.1=1.11.51.51010-6-61%1%$管管中中电电子子与与阳阳极极撞撞击击时时，绝绝大大部部分分生生成成热热能能而而损失掉。损失掉。#这这就就是是为为什什么么要要采采用用高高熔熔点点的的钨钨、钼钼作作阳阳极极，或或导导热热性性好好的的银银、铜铜作作阳阳极极，并并用用冷冷却却水水强强烈烈地地冷却阳极。冷却阳极。七七 特征特征X X射线谱射线谱1 1、特征、特征X X射线谱形成射线谱形成*钼钼靶靶X射射线线管管当当管管电电压压等等于于或或高高于于20KV时时，除除连连续续X射射线线谱谱外外，位位于于一一定定波波长长处处还还叠叠加加有有少少数数强强谱谱线线，反反映映了了靶靶材材料料的的特特征征，称称之之为为特特征征X射射线线，并并由由它它们们构构成特征成特征X射线谱（见图射线谱（见图).*当当管管电电压压超超过过某某临临界界值值时时，特特征征谱谱才才会会出出现现，该临界电压称该临界电压称激发电压激发电压。*当当管管电电压压增增加加时时，连连续续谱谱和和特特征征谱谱强强度度都都增增加，特征谱对应的波长保持不变。加，特征谱对应的波长保持不变。钼钼靶靶特特征征x x射射线线分分别别为为KKKK、K,K,K,K,位位 于于 0.710.71 和和和和0.630.63 处处.KK线线又又可可细细分分为为K1K1、K2K21-2=0.0041-2=0.004*X*X射射线线衍衍射射中中，一一般般采用强度高的采用强度高的KK1:221 a aa aKKII1:5 b ba aKKII八、实验规律八、实验规律1 1、产产生生特特征征X X射射线线所所需需的的最最低低管管电电压压（V V激激），对对不不同同的的阳阳极极靶靶是是不不同同的的，它它由由阳阳极极靶靶的的原原子子数数Z Z所所决决定定。(阳阳极极靶靶不不同同，所所产产生生的的特特征征X X射射线线谱谱的的波波长长也也不不相相同同)。2 2、当当管管电电压压超超过过V V激激后后，管管电电压压进进一一步步升升高高，特特征征X X射射线线不不变变。强强度度按按n n次次方方的的规规律律增增大大（n n=1.51.52 2）。）。3 3、当、当V/VV/V激激=3=35 5时时,连连特特II最大最大原原子子是是由由带带正正电电的的原原子子核核和和与与绕绕核核旋旋转转的的电电子子组组成成。电电子子分分布布在在不不同同能能级级的的电电子子壳壳层层上上。距距核核最最近近的的第第一一层层电电子子的的能能量量最最低低，称称为为K K层层，第第二二层为层为L L层，依次为层，依次为M M、N N、O O、P P等层（图），各层上电子的能量为等层（图），各层上电子的能量为:九、特征九、特征X射线产生机理射线产生机理1、特征、特征X射线的产生射线的产生22242)(2 p p-=znhmeEn当当高高速速的的阴阴极极电电子子流流冲冲击击阳阳极极靶靶时时，可可将将阳阳极极靶靶内内层层的的某某些些电电子子击击出出，转转移移到到能能量量较较高高的的外外部部壳壳层层上上，或或击击出出原原子子系系统统之之外外而而使使原原子子电电离离，原原子子处处于于激激发发状状态，其能量高于正常状态，是不稳定的。态，其能量高于正常状态，是不稳定的。假假定定K K层层电电子子被被激激发发后后，由由L L层层跃跃迁迁来来一一个个补补充充电电子子，其降低的能量其降低的能量 这就是波长一定的特征这就是波长一定的特征X X射线射线,K,K X X射线。射线。l ln ne ee echhKLKL=-KLhce ee el l-=K层层电电子子被被激激发发，其其它它高高能能级级的的外外层层电电子子跃跃入入而而产产生的特征生的特征X射线为射线为K系系X射线。射线。2、K系系X射线射线由由L层层K层层跃跃迁迁产产生生的的X射线，称为射线，称为K射线。射线。由由M层层K层层跃跃迁迁产产生生的的X射线，称为射线，称为K射线。射线。3、K、K要要获获得得K系系射射线线，必必须须使使高高速速电电子子的的动动能能足足以以把把原原子中子中K层电子击出。层电子击出。即即evx x k k,x-未饱和的最外层能量未饱和的最外层能量4 4、激发电压、激发电压V V激激 V激激K是是完完全全由由阳阳极极靶靶决决定定的的，每每种种阳阳极极靶靶有有固固定定的的激发电压。激发电压。K最短最短KV激激412.=l l最短最短最大最大kkkxehceheVl ln ne ee e=-K K层层电电子子被被激激发发后后，L L层层电电子子向向K K层层跃跃迁迁的的几几率率要要比比M M层层K K层层跃跃迁迁的的几几率率大大很很多多倍倍，所所以以I I /I I 4 45 5。5、IK、IK同同一一壳壳层层上上的的电电子子并并不不处处于于同同一一能能量量状状态态，分分属属于于若若干干个个亚亚能能级级。K K11、K K 2 2 是是L L层层中中的的两两个亚能级电子向个亚能级电子向K K层跃迁，辐射出来的两根谱线。层跃迁，辐射出来的两根谱线。6、K1、K2：7.7.当当L L层电子填充层电子填充K K层后，原子由层后，原子由K K激发状态变成激发状态变成L L激激发状态，此时更外层如发状态，此时更外层如M M、N N层的电子将填充层的电子将填充L L层空位，产生层空位，产生L L系辐射系辐射.8.8.当原子受到当原子受到K K激发时，除产生激发时，除产生K K系辐射外，还将伴系辐射外，还将伴生生L L、M M等系的辐射。等系的辐射。K K系辐射因波长短而不被系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长被吸收。窗口完全吸收外，其余各系均因波长长被吸收。小结小结连续谱连续谱(软软X射线射线)高速运动的高速运动的粒子能量转粒子能量转换成电磁波换成电磁波谱图特征谱图特征:强度随波长强度随波长连续变化连续变化是衍射分析的是衍射分析的背底背底;医学采用医学采用特征谱特征谱(硬硬X射线射线)高能级电子高能级电子回跳到低能回跳到低能级多余能量级多余能量转换成电磁转换成电磁波波仅在特定波仅在特定波长处有特别长处有特别强的强度峰强的强度峰 衍射分析采用衍射分析采用lX X射射线线照照射射到到物物质质上上与与物物质质相相互互作作用用是是个个很很复复杂的过程。可归结为三个能量转换过程：杂的过程。可归结为三个能量转换过程：E E1 1：散射能量；：散射能量；E E2 2：吸收能量，热和光电效应、俄歇效应等，：吸收能量，热和光电效应、俄歇效应等，E E3 3：透过物质能量。：透过物质能量。1-5 X1-5 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用入射入射X射线射线散射散射相干散射相干散射非相干散射非相干散射+反冲电子反冲电子穿透穿透吸收吸收光电子光电子+二次特征辐射二次特征辐射二次电子二次电子+俄歇效应俄歇效应热能热能(1)(1)当当X X射射线线与与原原子子中中束束缚缚较较紧紧的的内内层层电电子子相相撞撞时时,光光子子把把能能量量全全部部转转给给电电子子，电电子子受受迫迫振振动动,其其振振动动的的频频率率与与入入射射X X射线的频率相同。射线的频率相同。(2)(2)任任何何带带电电粒粒子子作作受受迫迫振振动动时时将将产产生生交交变变电电磁磁场场，向向四四周辐射电磁波，频率与带电粒子的振动频率相同。周辐射电磁波，频率与带电粒子的振动频率相同。(3)(3)由由于于散散射射线线与与入入射射线线的的波波长长和和频频率率一一致致，位位相相固固定定，在在相相同同方方向向上上各各散散射射波波符符合合相相干干条条件件，称称为为相相干干散散射射。相相干散射是干散射是X X射线在晶体中产生衍射现象的基础。射线在晶体中产生衍射现象的基础。1 1、相干散射（经典散射，汤姆逊散射）、相干散射（经典散射，汤姆逊散射）一、一、X射线的散射射线的散射2.2.不相干散射不相干散射X X射线经束缚力不大的电子（如轻原子中的电子）射线经束缚力不大的电子（如轻原子中的电子）或自由电子散射后，可以得到波长比入射或自由电子散射后，可以得到波长比入射X X射线射线长的长的X X射线，且波长随散射方向不同而改变。射线，且波长随散射方向不同而改变。这种散射现象称为这种散射现象称为康普顿散射或康普顿一吴有训康普顿散射或康普顿一吴有训散射散射,也称之为也称之为不相干散射不相干散射，是因散射线分布于，是因散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。入射入射X射线遇到射线遇到束缚力束缚力不大不大的电子时，将电子撞至一方，的电子时，将电子撞至一方，成为反冲电子。入射线的能成为反冲电子。入射线的能量对电子作功而消耗一部份量对电子作功而消耗一部份后，剩余部份以后，剩余部份以X射线向外射线向外辐射。散射辐射。散射X射线的波长（射线的波长（）比入射）比入射x射线的波长（射线的波长（）长，其差值与角度长，其差值与角度之间存之间存在如右关系：在如右关系：=-=0.0024(1-cos2)不不相相干干散散射射在在衍衍射射图图相相上上成成为为连连续续的的背背底底，其其强强度度随随（sin/）的的增增加加而而增增大大，在在底底片片中中心心处处（射射线线与与底底片片相相交处）强度最小，交处）强度最小，越大，强度越大。越大，强度越大。二二 X X射线的吸收射线的吸收物质对物质对X X射线的吸收，是指射线的吸收，是指X X射线通过物质时光子射线通过物质时光子的能量变成了其他形式时能量。有时将的能量变成了其他形式时能量。有时将X X射线通射线通过物质时造成的能量损失称为真吸收。过物质时造成的能量损失称为真吸收。X X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射使入射X X射线的能量变成射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光电子、俄歇电子和荧光光X X射线射线的能量，使的能量，使X X射线强度被衰减，是物质对射线强度被衰减，是物质对X X射线的真吸收过程。射线的真吸收过程。2.1 2.1 光电效应光电效应当当激激发发二二次次特特征征辐辐射射时时，原原入入射射X射射线线光光子子的的能能量量转转变变为为电电子子的的能能量量，使使电电子子逸逸出出原原子子之之外外。这这种种电电子子称称为为光光电电子子，这这一一过过程程称为称为光电效应。光电效应。产生条件产生条件-激发限激发限 入入射射的的X射射线线光光子子的的能能量量必必须须等等于于或或大大于于将将K层层电电子子击出所需的能量。击出所需的能量。hv激激KeV激激K 入入激激K产产生生K系系激激发发的的最最长长波波长长,又又称称为为K系系特特征征辐辐射射的的激激发发限限。从从X射射线线激激发发光光电电效效应应的的角角度度，称称K为为激激发发限限；从从X射线被物质吸收的角度，则称射线被物质吸收的角度，则称K为吸收限为吸收限。eV激激KKch激激l l （）K激激l lKKVevhc激激激激4.12=KKV激激激激4.12=l l2.2.荧光荧光X射线射线当当入入射射光光量量子子能能量量足足够够大大时时,击击出出原原子子内内部部电电子子(如如K K层层电电子子），所所击击出出的的电电子子即即为为光光电电子子同同时时原原子子的的外外层层电电子子要要向向内内层层的的空空位位跃跃迁迁，辐辐射射出出波波长长一一定定的的特特征征X射射线线，这这种种由由X射射线线激激发发所所产产生生的的特特征征X射射线线即即为为二二次次特特征征X射线或荧光射线或荧光X射线射线俄歇（俄歇（AugerAuger，M.P.M.P.）在）在19251925年年发现，原子中发现，原子中K K层层的一个电子被打出后处于的一个电子被打出后处于K K激发态，能量为激发态，能量为E EK K。如。如果一个果一个L L层电子来填充这层电子来填充这个空位，个空位，K K电离就变成电离就变成L L电电离，能量由离，能量由E EK K变成变成E EL L，此，此时将释放时将释放E EK K-E-EL L的能量。的能量。释放出的能量，可能产生释放出的能量，可能产生荧光荧光X X射线射线，也可能给予，也可能给予L L层的电子，使其脱离原子层的电子，使其脱离原子产生二次电离。即产生二次电离。即K K层的层的一个空位被一个空位被L L层的两个空层的两个空位所代替，这种现象称位所代替，这种现象称俄俄歇效应歇效应.俄歇效应俄歇效应从从L L层跳出原子的电子称层跳出原子的电子称KLLKLL俄歇电子。每种原子俄歇电子。每种原子的俄歇电子均具有一定的能量，测定俄歇电子的的俄歇电子均具有一定的能量，测定俄歇电子的能量，即可确定该种原子的种类，可以利用俄歇能量，即可确定该种原子的种类，可以利用俄歇电子能谱作元素的成分分析。电子能谱作元素的成分分析。俄歇电子的能量很低，一般为几百俄歇电子的能量很低，一般为几百eVeV，平均自由，平均自由程非常短，能够检测到的只是表面两三个原子层程非常短，能够检测到的只是表面两三个原子层发出的俄歇电子，因此，俄歇谱仪是研究物质表发出的俄歇电子，因此，俄歇谱仪是研究物质表面微区成分的有力工具。面微区成分的有力工具。光电效应小结光电效应小结光电子光电子被被X X射线击出壳层的电子即射线击出壳层的电子即光电子光电子,它带有它带有壳层的特征能量壳层的特征能量,所以可用来进行成分分所以可用来进行成分分析析(XPS)(XPS)俄歇电子俄歇电子 高能级的电子回跳高能级的电子回跳,多余能量将同能级的多余能量将同能级的另一个电子送出去另一个电子送出去,这个被送出去的电子这个被送出去的电子就是就是俄歇电子俄歇电子带，有壳层的特征能量带，有壳层的特征能量(AES)(AES)二次荧光二次荧光 高能级的电子回跳高能级的电子回跳,多余能量以多余能量以X X射线形式射线形式发出发出.这个二次这个二次X X射线就是射线就是二次荧光，二次荧光，也称也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量荧光辐射同样带有壳层的特征能量小结小结散射散射散射无能量损失或损失相对较小散射无能量损失或损失相对较小相干散射是相干散射是X X射线衍射基础射线衍射基础,只有相干散射才只有相干散射才能产生衍射能产生衍射.散射是进行材料晶体结构分析的工具散射是进行材料晶体结构分析的工具吸收吸收吸收是能量的大幅度转换吸收是能量的大幅度转换,多数在原子壳层上多数在原子壳层上进行进行,从而带有壳层的特征能量从而带有壳层的特征能量,是揭示材料是揭示材料成分的因素成分的因素吸收是进行材料成分分析的工具，吸收是进行材料成分分析的工具，可以在分可以在分析析成分成分的同时告诉我们的同时告诉我们元素价态元素价态X X射射线线穿穿过过物物质质时时，由由于于经经典典散散射射、量量子子散散射射、原原子子激激发发等等现现象象而而消消耗耗入入射射X X射射线线的的能能量量。因因此，入射此，入射X X射线的强度将显著地衰减下来。射线的强度将显著地衰减下来。1-1-X X射线的衰减射线的衰减（1 1）实验规律）实验规律：通过厚度为通过厚度为dxdx的无穷小薄层物的无穷小薄层物质时，质时，X X射线强度衰减量射线强度衰减量dIdI正正比于入射线强度比于入射线强度I I和层厚和层厚dx.dx.dIdI-Id-Idx x或或dI dI=-l lIdIdx x （1 1）l l单单位位为为厘厘米米-1-1，线线吸收系数吸收系数,负号表示强度的变化由强变弱。负号表示强度的变化由强变弱。1 1、衰减规律、衰减规律 积分得到：积分得到：I Ix x=I=I0 0e e-x xl l=1n1n（I Ix x/I/I0 0）/x/x *l物物理理意意义义:在在X X射射线线的的传传播播方方向向上上，单单位位长长度度上上X X射线强度衰减程度。射线强度衰减程度。*l与与物物质质的的密密度度成成正正比比，即即与与物物质质的的存存在在状状态态有有关关。因因为为物物质质的的密密度度越越大大，X射射线线遇遇到到的的原原子子愈愈多，散射和吸收越强烈。多，散射和吸收越强烈。(2)(2)质量吸收系数质量吸收系数m1)1)定义定义mm/称质量衷减系数，单位称质量衷减系数，单位cmcm2 2g g.2 2）m m的的物物理理意意义义：表表示示单单位位重重量量的的物物质质引引起起的的X X射射线线的的衰衰减量。减量。3)m与与入入射射X射射线线波波长长及及元元素素的的原原子子序序数数Z的的关关系系。实实验验证证明：明：mK3Z3,K为常数为常数4)工工作作中中有有时时需需要要计计算算i个个元元素素组组成成的的化化合合物物、混混合合物物、合合金金和和溶溶液液等等的的质质量量衰衰减减系系数数m。由由于于m与与物物质质的的存存在在状状态无关，衰减系数可按下式计算：态无关，衰减系数可按下式计算：m=1m1+2m2+imi.X.X射线的吸收曲线射线的吸收曲线X X射线通过物质时的衰射线通过物质时的衰减，吸收和散射的结果减，吸收和散射的结果。如果用如果用mm仍表示散射仍表示散射系数系数mm表示吸收系数。表示吸收系数。大多数情况下吸收系数大多数情况下吸收系数比散射系数大得多，故比散射系数大得多，故mmmm。典型吸收曲线典型吸收曲线从荧光从荧光X X射线的产生机射线的产生机理，可以解释图中的吸理，可以解释图中的吸收突变。收突变。当入射波长非常短时，当入射波长非常短时，它能够打出它能够打出K K电子，形电子，形成成K K吸收。但因其波长吸收。但因其波长太短，太短，K K电子不易吸收电子不易吸收这样的光子能量，因此这样的光子能量，因此衰减系数小。衰减系数小。典型吸收曲线典型吸收曲线随着波长的逐渐增加，随着波长的逐渐增加，K电子也越来越容易吸收这电子也越来越容易吸收这样的光子能量，因此衰减系数也逐渐增大，直到样的光子能量，因此衰减系数也逐渐增大，直到K吸收限波长为止。吸收限波长为止。如果入射如果入射X X射线的波长射线的波长比比K K稍大一点，此稍大一点，此时入射光子的能量已时入射光子的能量已无法打出无法打出K K电子，不产电子，不产生生K K吸收。吸收。对对L L层层电电子子来来说说，入入射射光光子子的的能能量量又又过过大大，也也不不易易被被吸吸收收，因因此此，入入射射X X射射线线的的波波长长比比K K稍稍大大一一点点时时，衰衰减减系系数数有有最最小小值值。同同理理，可可以以解解释释K K吸吸收收限限至至L L吸吸收收限限之之间间曲曲线线的的变变化化规规律律。典型吸收曲线典型吸收曲线X X射线的衰减小结射线的衰减小结宏观表现宏观表现强度衰减与穿过物质的质量和厚度有强度衰减与穿过物质的质量和厚度有关，是关，是X X射线透射学的基础，这就是质射线透射学的基础，这就是质厚衬度厚衬度微观机制微观机制散射和吸收消耗了入射线的能量，这散射和吸收消耗了入射线的能量，这与吸波原理是一样与吸波原理是一样3 3、吸收限的应用、吸收限的应用滤波片的选择滤波片的选择在衍射分析工作中，我们只希望是在衍射分析工作中，我们只希望是kk辐射的衍射线辐射的衍射线条，但条，但X X射线管中发出的射线管中发出的X X射线，还含有射线，还含有KK辐射和连辐射