材料分析测试方法黄新民版第一章X射线物理基础.ppt

第一章第一章 X X射线物理学基础射线物理学基础内容提要：内容提要：第一节第一节 X X射线的性质射线的性质第二节第二节 X X射线的产生射线的产生第三节第三节 X X射线谱射线谱第四节第四节 X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第五节第五节 X X射线的衰减规律射线的衰减规律第六节第六节 吸收限的应用吸收限的应用第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础引言引言X射线学的发展射线学的发展及分支及分支 1895年德国物理学家年德国物理学家“伦琴伦琴”发现发现X射线射线。1901年，伦琴获诺贝尔物理学奖。年，伦琴获诺贝尔物理学奖。之后建立了之后建立了“X射线透射学射线透射学”，最早应用于医学，后应用于工业无损探伤。，最早应用于医学，后应用于工业无损探伤。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础 1912年，年，德国物理学家德国物理学家“劳埃劳埃”发现了发现了X射线在晶体中射线在晶体中的衍射现象。的衍射现象。肯定了肯定了X X射线的本质；射线的本质；证实了晶体结构证实了晶体结构的猜想。的猜想。两方面意义：两方面意义：获获1914年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础获获1915年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。之后发展了之后发展了X X射线学的另一分支：射线学的另一分支：“X X射线衍射学射线衍射学”（或（或“X X射线晶体学射线晶体学”）。）。1913年，年，英国物理学英国物理学家家“布拉格布拉格”父子提出父子提出了著名的布拉格方程，了著名的布拉格方程，是是X射线的衍射学的理射线的衍射学的理论基础。论基础。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础1914年，年，莫塞莱发现不同元素的同名特征莫塞莱发现不同元素的同名特征X谱谱线的波长和原子序数有定量的对应关系线的波长和原子序数有定量的对应关系，即莫塞，即莫塞莱定律。莱定律。发展了第三个发展了第三个分支分支“X射线光谱学射线光谱学”。（。（即即根据根据X X射线光谱，研究物质的原子结构和成分。）射线光谱，研究物质的原子结构和成分。）第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础X射线学的分支射线学的分支X射线透射学射线透射学X射线衍射学射线衍射学X射线光谱学射线光谱学第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础第一节第一节 X X射线的性质射线的性质 一、一、X X射线的波长及本质射线的波长及本质X X射线的射线的波长范围波长范围：10-310nm。本质是本质是电磁波，电磁波，即也是一种无静止质量并以光速运动的光子。即也是一种无静止质量并以光速运动的光子。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础二、二、X射线的性质射线的性质不可见不可见，但它能使一些气体或其他物质电离，但它能使一些气体或其他物质电离，使照相底片感光，使荧光物质发光。使照相底片感光，使荧光物质发光。穿透性强穿透性强，并，并可被物质吸收和散射可被物质吸收和散射。软软X X常用于晶体的常用于晶体的X X射线衍射分析。射线衍射分析。硬硬X X射线常用于金属零件的探伤和医学上的透视分射线常用于金属零件的探伤和医学上的透视分析。析。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础折射率折射率1X射线穿过不同媒质时，呈直线传播，在电场和磁射线穿过不同媒质时，呈直线传播，在电场和磁场中也不发生偏转，因此不能用常规方法使场中也不发生偏转，因此不能用常规方法使X射线射线会聚或发散。会聚或发散。对生物细胞有很强的杀伤作用。对生物细胞有很强的杀伤作用。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础三、三、X X射线的波粒二象性射线的波粒二象性波动性波动性的表现：的表现：以一定的频率和波长在空间传播，以一定的频率和波长在空间传播，例如以晶体作衍射光栅时观察到的例如以晶体作衍射光栅时观察到的X X射线的衍射现射线的衍射现象；象；描述波动性的物理量：描述波动性的物理量：波长波长 、频率频率和位相。和位相。粒子性的表现：粒子性的表现：以光子形式辐射和吸收时具有一以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量，定的质量、能量和动量，如光电效应等。如光电效应等。描述粒子性的物理量：描述粒子性的物理量：能量能量E E、动量、动量P P第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础波动性和粒子性之间存在下述关系：波动性和粒子性之间存在下述关系：软软X射线射线0.050.25nm范围适于范围适于结构分析结构分析硬硬X射线射线0.0050.1nm范围适于范围适于探伤分析探伤分析第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础第二节第二节 X X射线的产生射线的产生一、一、X射线产生原理射线产生原理实验证明：高速运动的带电的基本粒子突然受阻实验证明：高速运动的带电的基本粒子突然受阻时，随着能量的消失和转化，就会产生时，随着能量的消失和转化，就会产生X射线。射线。实际用于获得实际用于获得X射线的带电粒子是射线的带电粒子是电子电子。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础电子式电子式X射线管产生射线管产生X射线射线的的条件：条件：(1)产生电子的电子源；产生电子的电子源；(2)使电子作定向高速运动；使电子作定向高速运动；(3)在高速电子流的运动路在高速电子流的运动路径上设置障碍物，使电子突径上设置障碍物，使电子突然受阻。然受阻。(4)封闭在高真空中，真空封闭在高真空中，真空度高于度高于10-3Pa。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础二、X射线管射线管1、封闭电子式封闭电子式X射线管的结构射线管的结构封闭电子式封闭电子式X射线管与其结构示意图射线管与其结构示意图第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础(1)阴极：阴极：钨丝；加热钨丝发射热电子；钨丝；加热钨丝发射热电子；(2)阳极阳极/靶靶：使电子突然减速并发射：使电子突然减速并发射X射线的地射线的地方。方。不同的靶面材料用于获得不同波长的不同的靶面材料用于获得不同波长的X X射线。射线。(3)阴极和阳极之间的阴极和阳极之间的高压高压使电子作定向高速运使电子作定向高速运动；动；(4)阴、阳极都密封在阴、阳极都密封在高真空管高真空管中，真空度中，真空度10-3Pa。其他组成部分：金属聚焦罩、冷却水、铍窗口。其他组成部分：金属聚焦罩、冷却水、铍窗口。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础高速运动的电子与物质碰撞时被突然减速或停止高速运动的电子与物质碰撞时被突然减速或停止运动，其大部分动能（运动，其大部分动能（99%）转变为热能使物体）转变为热能使物体升温，而一小部分动能（升温，而一小部分动能（1%）则转变为光能以）则转变为光能以X射线形式向外界释放。射线形式向外界释放。封闭电子式封闭电子式X X射线管的功率有限，为射线管的功率有限，为5005003000W3000W。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础2 2、旋转阳极、旋转阳极大功率大功率X X射线源需要用旋转阳射线源需要用旋转阳极。极。因阳极不断旋转，电子束轰因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高功击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。率也不会烧熔靶面。目前有目前有100kW100kW的旋转阳极。的旋转阳极。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础第三节第三节 X X射线谱射线谱X X射线谱射线谱：X X射线强度随波长变化的关系曲线。射线强度随波长变化的关系曲线。X X射线的强度射线的强度X X射线的强度：单位时间内，通过与射线的强度：单位时间内，通过与X X射线传播方向垂直的射线传播方向垂直的单位面积上的单位面积上的X X射线光量子的能量总和。用射线光量子的能量总和。用I I表示。表示。常用单位：常用单位：J/cmJ/cm2 2ss。强度为光子流密度和每个光子的能量的乘积。强度为光子流密度和每个光子的能量的乘积。(光子流密光子流密度：单位时间内通过单位截面的光量子数目。度：单位时间内通过单位截面的光量子数目。)即即X X射线的强度（射线的强度（I I）是由光量子的能量（）是由光量子的能量（h h）及它的数）及它的数目（目（n n）决定，决定，I=n hI=n h。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础由由热阴极热阴极X X射线管发出的射线管发出的X X射线分为两种类型：射线分为两种类型：(1)(1)连续连续X X射线谱射线谱；(2)(2)特征特征X X射线谱射线谱（又称标识（又称标识X X射线谱）。射线谱）。它们对应两种它们对应两种X X射线辐射的物理过程。射线辐射的物理过程。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础一、连续一、连续X X射线谱射线谱1 1、定义、定义X X射射线线谱谱中中，强强度度随随波波长长连连续续变变化化的的部部分分，称为称为连续连续X X射线谱射线谱，简称连续谱。，简称连续谱。2 2、连续连续谱的特点谱的特点不不同同管管压压下下，连连续续谱谱在在短短波波方方向向都都有有一一个个突突然然截截止止的的波波长长极极限限值值，称称为为短短波波限限，用，用0 0表示。表示。XX射线波长射线波长由大于由大于0的所有辐射组成的所有辐射组成；强强度度存存在在一一最最大大值值（约约1.5 1.5 0 0处处，用用m m表示表示 ）。）。对对同同一一靶靶材材，不不同同管管压压、管管流流下下的的连连续谱的变化规律。续谱的变化规律。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础3 3、连续、连续X X射线谱的解释射线谱的解释 连续谱的产生连续谱的产生量子理论：量子理论：当能量为当能量为eVeV的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己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式辐射出去，每碰撞一次，的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为产生一个能量为hvhv的光子。的光子。由由于于大大量量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尽尽相相同同，仅仅有有一一少少部部分分电电子子能能产产生生极极限限能能量量交交换换，绝绝大大多多数数电电子子经经多多次次碰碰撞撞完完成成能能量量交交换换，而而辐辐射射出出波波长长大大于于0 0 的的不不同同波波长长的的X X射线，形成连续谱。射线，形成连续谱。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础 短波限短波限极极限限情情况况下下，能能量量为为eVeV的的电电子子在在一一次次碰碰撞撞中中将将其其在在电电场场中中加加速速得得到到的的全全部部动动能能转转给给一一个个光光子子，则则此此光光子子的的能量最大，波长最短，相当于短波限能量最大，波长最短，相当于短波限0 0的的X X射线。射线。表明：表明：0只与管电压有关，不受其它因素的影响只与管电压有关，不受其它因素的影响；随管电压增加，随管电压增加，0向短波方向移动。向短波方向移动。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础 强度最大值位于强度最大值位于1.51.50 0附近附近X X射线强度由每个光子的能量射线强度由每个光子的能量hvhv和单位时间通过单和单位时间通过单位面积的光子数目位面积的光子数目n n两个因素决定两个因素决定,即即I=nhvI=nhv。在在碰碰撞撞过过程程中中，能能产产生生极极限限能能量量交交换换的的电电子子仅仅占占一一少少部部分分，而而其其他他大大量量电电子子会会产产生生多多次次碰碰撞撞完完成成能能量量交交换换，因因此此虽虽然然短短波波限限对对应应的的光光子子能能量量最最大大，但但光光子子数数目目不不多多，故故强强度度的的极极大大值值不不在在0 0处处，而而位于位于1.51.50 0附近。附近。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础对同一靶材，不同管压、管流下的连续谱的变对同一靶材，不同管压、管流下的连续谱的变化规律。化规律。U管管升高，各辐射强度升高，升高，各辐射强度升高，0和和max（最大辐（最大辐射时的波长）均减小；射时的波长）均减小；解释：当加大管压时，击靶电子的动能、电子与靶材原子解释：当加大管压时，击靶电子的动能、电子与靶材原子的碰撞次数和辐射出来的的碰撞次数和辐射出来的X X射线光子的能量都会增加，射线光子的能量都会增加，因因此随管压的增加，各波长此随管压的增加，各波长X X射线的强度均增加。射线的强度均增加。管电压不变时，随管电流的升高，各辐射强度均管电压不变时，随管电流的升高，各辐射强度均升高，但升高，但0和和max保持不变。保持不变。不同的靶面物质发射不同的靶面物质发射的连续谱具有相似的的连续谱具有相似的特征特征第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础二、特征二、特征X X射线谱射线谱1 1、定义、定义当当U管管超过某临界值后，超过某临界值后，叠加叠加在连续谱上的强度很高且具有在连续谱上的强度很高且具有一定波长的一定波长的X X射线谱，称为射线谱，称为特特征征X X射线谱射线谱，简称特征谱。，简称特征谱。如钼靶如钼靶X X射线管，当管电压等射线管，当管电压等于或高于于或高于20kV20kV时，则除连续谱时，则除连续谱外，位于一定波长处外，位于一定波长处（0.063nm0.063nm和和0.071nm0.071nm）,叠加叠加有少数强谱线。有少数强谱线。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础2 2、特点、特点产生特征产生特征X X射线的条件：射线的条件：管电管电压超过与靶材相应的某一特定值压超过与靶材相应的某一特定值U UK K；对一定的靶材，特征对一定的靶材，特征X X射线波射线波长为一定值。长为一定值。KKKK,且同一元素对应且同一元素对应谱线的强度比大约为谱线的强度比大约为5 5：1 1。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础3 3、对特征谱的解释、对特征谱的解释 特征谱的产生特征谱的产生以及以及特征特征X射线波长为一定值的原射线波长为一定值的原因因从从原子结构原子结构观点解释。观点解释。原子系统中的电子不连续地分布原子系统中的电子不连续地分布在在K、L、M、N等不同能级的等不同能级的壳层上，各壳层的能量由里到外壳层上，各壳层的能量由里到外逐渐增加：逐渐增加：EKELZZ样样。对于多元素的样品，原则上是以含量较多的几种元素中最对于多元素的样品，原则上是以含量较多的几种元素中最轻的元素为基准来选择靶材。轻的元素为基准来选择靶材。第一章第一章X射线物理学基础射线物理学基础X射线物射线物理学基础理学基础