X射线物理学基础(2).ppt

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1、l温故而知新温故而知新1.X射线的本质2.X射线的产生(1)产生条件(2)X射线管的主要结构3.X射线谱 连续X射线谱、特征X射线谱第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用【教学目标教学目标】1.理解X射线的散射与吸收。2.掌握X射线的衰减规律及线吸收系数和质量吸收系数。【重点掌握内容重点掌握内容】1.X射线的衰减规律。2.线吸收系数。3.质量吸收系数。【教学难点教学难点】1.X射线的散射与干涉。2.X射线的吸收。一一.X.X射线的散射射线的散射1.1.相干散射相干散射(coherent scattering)原子对X射线的散射：使得X射线发生散射的物质主要是物质的自由电子及原

2、子核束缚的非自由电子，后者有时可称为原子对X射线的散射。X射线的散射，当入射线与散射线波长相同时，相位滞后恒定，散射线之间能相互干涉，称为相干散射。2.2.不相干散射不相干散射(incoherent scattering)当散射线波长与人射线波长不同时，散射线之间不相干，则称之为非相干散射。而康普顿散射即为非相干散射。不相干散射在衍射图相上成为连续的背底，其强度随（sin/）的增加而增大，在底片中心处（射线与底片相交处）强度最小，越大，强度越大。二二.X射线的吸收射线的吸收 物质对X射线的吸收，是指X射线通过物质时光子的能量变成了其他形式的能量。X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射

3、X射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光X射线的能量，使X射线强度被衰减，是物质对X射线的真吸收过程。1.光电效应-光电子和荧光X射线 激发K系光电效应时，入射光子的能量必须等于或大于将K电子从K层移至无穷远时所作的功WK，即 将激发限波长K和激发电压VK联系起，即 2.俄歇效应 真吸收：光电效应所造成的入射能量的消耗和X射线穿过物质时所引起的热效应。光电子光电子被被被被X X X X射线击出壳层的电子即射线击出壳层的电子即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光电子光电子,它带有壳它带有壳它带有壳它带有壳层的特征能量层的特征能量层的特征能量层的特征能量,所以可用来进行成分分析所以

4、可用来进行成分分析所以可用来进行成分分析所以可用来进行成分分析(XPS)(XPS)(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另多余能量将同能级的另多余能量将同能级的另多余能量将同能级的另一个电子送出去一个电子送出去一个电子送出去一个电子送出去,这个被送出去的电子就是这个被送出去的电子就是这个被送出去的电子就是这个被送出去的电子就是俄歇电子俄歇电子俄歇电子俄歇电子,带有壳层的特征能量带有壳层的特征能量带有壳层的特征能量带有壳层的特征能量(AES)(AES)(AES)(AES)二次荧光二次荧光高能级的电子回跳高能级的电子

5、回跳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多余能量以多余能量以X X X X射线形式发射线形式发射线形式发射线形式发出出出出.这个二次这个二次这个二次这个二次X X X X射线就是射线就是射线就是射线就是二次荧光二次荧光二次荧光二次荧光也称荧光辐也称荧光辐也称荧光辐也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量射同样带有壳层的特征能量射同样带有壳层的特征能量射同样带有壳层的特征能量散射散射散射无能力损失或损失相对较小散射无能力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

6、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,多数在原子壳层多数在原子壳层上进行上进行,从而带有壳层的特征能量从而带有壳层的特征能量,因此是揭因此是揭示材料成分的因素示材料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析可以在分析成分成分的同时告诉你的同时告诉你元素价态元素价态l小结小结三三.X射线的衰减射线的衰减1.衰减规律衰减规律 设入射X射线强度为I0，透过厚度为t的物质后强度为I，I I0,在被照射的物质中取一深度为X处的小厚度元dX，照到此小厚度元上的X射线强度为Ix，透过此厚度元的X射线强度为Ix十dx，则强度的改变为：衰减规

7、律衰减规律2.吸收系数吸收系数线吸收系数线吸收系数 ：当X 射线透过单位长度（1cm）物质时强度衰减的程度，值愈大，则强度衰减愈快。质量吸收系数质量吸收系数 ：单位质量物质（单位截面的1g物质）对X射线的衰减程度，其值的大小与温度、压力等物质状态参数无关，但与X射线波长及被照射物质的原子序数有关。l工作中有时需要计算i个元素组成的化合物、混合物、合金和溶液等的质量衰减系数m。由于m与物质的存在状态无关，因此衰减系数可按下式求得：m=1m1+2m2+imi (3)X(3)X射线的吸收曲线射线的吸收曲线射线的吸收曲线射线的吸收曲线 如果用m仍表示散射系数，m表示吸收系数。在大多数情况下吸收系数比散

8、射系数大得多，故mm。质量吸收系数与波长的三次方和元素的原子序数的三次方近似地成比例。四四.吸收限的应用吸收限的应用1.X1.X射线滤波片的选择射线滤波片的选择n在一些衍射分析工作中，我们只希望是k辐射的衍射线条，但X射线管中发出的X射线，除k辐射外，还含有K辐射和连续谱，它们会使衍射花样复杂化。n获得单色光的方法之一是在X射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将K和连续谱衰减到可以忽略的程度。n1：Z靶40时，Z滤Z靶-1；n2：Z靶40时，Z滤Z靶-2 n常用靶材及其匹配的滤波片的数据列入表1-1。按表中厚度制作的波滤片，滤波后K/K的强度比为1/600。如果滤波片太厚，虽然K可

9、以进一步衰减，但k也相应衰减。实践表明，当K强度被衰减到原来的一半时，K/K的强度比将由原来的1/5降为滤波后的1/500左右，这对大多数衍射分析工作已经满意。在滤波片材料选定之后，可按需要的衰减比用公式（1-14）计算滤波片的厚度。2.2.阳极靶材料的选择阳极靶材料的选择 n在X射线衍射晶体结构分析工作中，我们不希望入射的X射线激发出样品的大量荧光辐射。大量的荧光辐射会增加衍射花样的背底，使图象不清晰。避免出现大量荧光辐射的原则就是选择入射X射线的波长，使其不被样品强烈吸收，也就是选择阳极靶材料，让靶材产生的特征X射线波长偏离样品的吸收限。n根据样品成分选择靶材的原则是：n Z靶Z样-1；或

10、Z靶Z样。n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。l本章总结本章总结1.X射线的性质及其本质射线的性质及其本质(1)了解X射线有哪些性质；(2)X射线的本质电磁波(波粒二相性)；2.X射线的产生射线的产生(1)X射线的产生条件；(2)X射线管的结构与工作原理；3.X射线谱射线谱连续谱和特征谱连续谱和特征谱(1)连续谱产生机理的二种解释(经典、量子)；短波限；(2)特征谱的产生机制；特征谱的命名方法,；临界电压；激发电压；激发限；4.X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用(1)宏观效应X射线强度衰减；(2)微观机制X射线的散射、吸收散射相干散射、康谱顿散射吸收产生光电子、二次荧光、俄歇电子吸收限；应用如何选择滤波片、阳极靶；l作业作业1.名词解释：相干散射；不相干散射；荧光辐射；吸收限；俄歇效应 2.特征X射线与荧光X射线的产生机理有何异同？3.已知钼的K0.71，铁的K1.93及钴的K1.79，试求光子的频率和能量。试计算钼的K激发电压，已知钼的K0.619。已知钴的K激发电压VK7.71kv，试求其K。4.X射线实验室用防护铅屏厚度通常为lmm，试计算这种铅屏对CuK、MoK辐射的透射系数各为多少？