X射线的产生及其物理作用.ppt
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1、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。 p1912
2、1912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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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,
9、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)
10、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
11、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
12、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、
13、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
14、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
15、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
16、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=
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- 射线 产生 及其 物理 作用
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