X射线与物质的相互作用课件.ppt

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1、燃料耗尽而塌坍的脉燃料耗尽而塌坍的脉冲星冲星“”其释放的美丽射线星其释放的美丽射线星云的直径长达光年。云的直径长达光年。“宇宙之手宇宙之手”伸向光芒伸向光芒 天体天体 可能是一个可能是一个正在快速旋正在快速旋转的黑洞转的黑洞 美国宇航局快速号人美国宇航局快速号人造卫星观测到的发生造卫星观测到的发生在亿年前的爆炸。在亿年前的爆炸。宇宙创始之后将近九宇宙创始之后将近九亿年，迄今为止人们亿年，迄今为止人们所观测到的最遥远的所观测到的最遥远的星体爆炸。星体爆炸。钱德拉太空望远镜钱德拉太空望远镜 射线的物理基础射线的物理基础一、射线学发展简史一、射线学发展简史伦琴W.K.RntgenW.K.Rntgen

2、（1845-19231845-1923）年发现射线年发现射线 年第一张诺贝尔物理学奖年第一张诺贝尔物理学奖年劳厄：劳埃方程年劳厄：劳埃方程年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖年布拉格父子：布拉格方程年布拉格父子：布拉格方程年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖时时 间间 人人 物物内内 容容年年（库利）（库利）发明热阴极射线管发明热阴极射线管年年（莫塞莱）（莫塞莱）（）年年（德拜）（德拜）（谢乐）（谢乐）发明粉末法发明粉末法年年（谢乐）（谢乐）提出测定微粒大小的方法提出测定微粒大小的方法年年（巴悦特）（巴悦特）提出了测定宏观应力的方法提出了测定宏观应力的方法年年（韦佛）（韦佛）进行了晶粒取向的研究进行了晶粒取向的研究年

3、年（盖革）（盖革）（弥勒）（弥勒）发明了发明了计数器计数器年年（哈那瓦特）（哈那瓦特）建立了系统的物相定性分析方法建立了系统的物相定性分析方法 年年（富里德曼）（富里德曼）发明了射线衍射仪发明了射线衍射仪第一节第一节 射线的物理基础射线的物理基础v 射线的发现与应用射线的发现与应用v 射线的本质射线的本质v 射线的产生及射线管射线的产生及射线管v 射线谱（射线谱（）v 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用所在电磁波段所在电磁波段 射线的本质射线的本质 射线以光速直线传播，射线以光速直线传播，。射线的波长范围是：射线的波长范围是：。在材料研究中，用于晶体结构分析时，射在材料研究中，用于晶体结

4、构分析时，射线的波长范围一般在线的波长范围一般在 之间，若用于探伤，其之间，若用于探伤，其波长一般取波长一般取。射线之间可以相互作用，产生干涉、衍射等现射线之间可以相互作用，产生干涉、衍射等现象。象。一、波动性一、波动性 射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续粒子流，这射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续粒子流，这些粒子称为光量子。每个光量子的能量：些粒子称为光量子。每个光量子的能量：普朗克常数，普朗克常数，；射线频率，射线频率，射线波长射线波长 由于射线的波长很短，所以射线的能量很大。由于射线的波长很短，所以射线的能量很大。射线可以与原子、电子相互作用，产生光电效应、荧光辐射线可以与原

5、子、电子相互作用，产生光电效应、荧光辐射等现象。射等现象。二、粒子性二、粒子性三、穿透能力强三、穿透能力强 射线穿透能力强。它能够穿透木块、射线穿透能力强。它能够穿透木块、玻璃，甚至金属（玻璃，甚至金属（“铅铅”除外）。除外）。伽玛射线、微中子（中微子）穿透力更伽玛射线、微中子（中微子）穿透力更强。强。这个50,000吨的巨型圆柱中微子探测器，座落在日本kamioka mozumi矿山的地下1,000米深处，用来做探测中微子、质子衰变、宇宙射线等等研究。它的“超净化注水墙壁”上安装了大约12,000个超敏感的光电倍增管，这使它看上去带有科幻电影般的恐怖美丽。第一节第一节 射线的物理基础射线的物

6、理基础 射线的发现与应用射线的发现与应用 射线的本质射线的本质 射线的产生及射线管射线的产生及射线管 射线谱（射线谱（）射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用一、射线的产生一、射线的产生 射线的产生及射线管射线的产生及射线管质子相互碰撞碰撞大型强子对撞机位于瑞士、法大型强子对撞机位于瑞士、法国边境地下米深的环形隧道中，国边境地下米深的环形隧道中，隧道全长达公里隧道全长达公里 由高速运动的粒子与某种物质相撞击后由高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，释放大量的动能，从而激发猝然减速，释放大量的动能，从而激发物质中的内层电子发生跳越，而产生的物质中的内层电子发生跳越，而产生的一种电磁波。一种

7、电磁波。连续谱连续谱v不同电子，损耗不不同电子，损耗不同，转变的同，转变的光子光子能量不同，其波长能量不同，其波长就不同。由于存在就不同。由于存在大量电子，故可以大量电子，故可以得到各种波长的得到各种波长的，从而形成连续，从而形成连续谱。谱。标识谱标识谱 能级跃迁能级跃迁特征射线的产特征射线的产生过程：生过程：原子激发原子激发电子跃迁电子跃迁释放能量释放能量产生特征射线产生特征射线二、产生装置二、产生装置热阴极射线管（也称电子式射线管）热阴极射线管（也称电子式射线管）阴极射线管显示器发出电磁场和辐射：阴极射线管显示器发出电磁场和辐射：射线、紫外线、可见光、红外线、微波、射线、紫外线、可见光、红

8、外线、微波、射频、场（甚低频场）和场（极低频场）射频、场（甚低频场）和场（极低频场）。射线管射线管 上上海海大大光光源源同步辐射同步辐射装置装置电子电子储存储存环旁环旁实验实验站站 三、射线的产生条件三、射线的产生条件能产生自由电子的电子源（阴极）；能产生自由电子的电子源（阴极）；能阻碍自由电子运动的障碍（阳极靶）；能阻碍自由电子运动的障碍（阳极靶）；能够使自由电子高速定向运动（加高压）；能够使自由电子高速定向运动（加高压）；能够保持电子流稳定（加高真空）。能够保持电子流稳定（加高真空）。冷阴极射线管（离子式射线管）：冷阴极射线管（离子式射线管）：先通过电离，产生正离子；先通过电离，产生正离子

9、；然后用正离子撞击阴极，放出电子；然后用正离子撞击阴极，放出电子；再让电子高速运动，撞击阳极，产生射线。再让电子高速运动，撞击阳极，产生射线。第一节第一节 射线的物理基础射线的物理基础v 射线的发现与应用射线的发现与应用v 射线的本质射线的本质v 射线的产生及射线管射线的产生及射线管v 射线谱（射线谱（）v 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线谱是指射线谱是指强度随波长强度随波长而变化的关系曲线。而变化的关系曲线。射线谱（射线谱（）两种类型：两种类型：连续连续谱谱 是从某一短波限是从某一短波限开始，直到波长等于无穷大开始，直到波长等于无穷大的一系列波长构成，也称为白色的一系列波长构成，

10、也称为白色。特征特征谱：谱：是具有一定波长的若干特强的是具有一定波长的若干特强的，叠加在强度连，叠加在强度连续平滑变化的连续谱之上，也叫标识续平滑变化的连续谱之上，也叫标识。一、连续一、连续谱谱 、实验规律、实验规律 连续连续谱具有下述规律：谱具有下述规律：随管电压增大随管电压增大 各种波长射线的相对强度（各种波长射线的相对强度（）一致增高。）一致增高。最高强度最高强度的波长的波长变短。变短。短波限短波限 变小，即变小，即向左方移动，同时，波谱变向左方移动，同时，波谱变宽。宽。可见：管电压既影响可见：管电压既影响的强度，也影响的强度，也影响的波的波长范围。长范围。若管电压保持恒定若管电压保持恒

11、定 增大管电流，则强度一致增高；但波长增大管电流，则强度一致增高；但波长、数值大小不变，即管电流不影响波长。数值大小不变，即管电流不影响波长。若改变阳极靶元素若改变阳极靶元素 则则谱形式不变，上述规律也不变，但谱线谱形式不变，上述规律也不变，但谱线位置变化。位置变化。通常，随着原子序数增大，各种波长的相对通常，随着原子序数增大，各种波长的相对强度增大。强度增大。连续谱线的产生原因：连续谱线的产生原因：因为不同的电子，损耗不同，则转变因为不同的电子，损耗不同，则转变的的光子能量不同，其波长就不同。由于存光子能量不同，其波长就不同。由于存在大量电子，故可以得到各种波长的在大量电子，故可以得到各种波

12、长的，从，从而形成连续而形成连续谱。谱。、短波限、短波限 短波限的存在原因：短波限的存在原因：由灯丝发射出的电子经高压电场加速，电由灯丝发射出的电子经高压电场加速，电场的位能将转化为电子的动能：场的位能将转化为电子的动能：（）（）管电压，管电压，电子的负荷电子的负荷 当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一个个光子时，光子将达到最高的能量：光子时，光子将达到最高的能量：，此时，射线就具有了最大的频率此时，射线就具有了最大的频率和最短的和最短的波长波长。短波限短波限的推导与计算的推导与计算：()()，静电单位，静电单位，管电压，单位管电压，单位，转化为静电单位

13、，转化为静电单位 ()注意：公式的单位：注意：公式的单位：；：；：、的强度（）的强度（）的强度是指单位时间内，通过与的强度是指单位时间内，通过与传播传播方向垂直的单位面积上的光量子数。方向垂直的单位面积上的光量子数。库伦坎普弗（）经验公式：库伦坎普弗（）经验公式：()()表示波长在表示波长在 与与之间之间的的强度，强度，称为波长称为波长处的处的强度密度，强度密度，为常数，为常数，为管电流。为管电流。阳极靶的原子序数 管电压 管电流 的强度与、成正比.、管的效率管的效率()管的效率是指：管的效率是指：（的强度）的强度）（管功率）比值管功率）比值.连连 主要与、呈正比主要与、呈正比.二、特征二、特

14、征谱谱、实验规律、实验规律 产生特征射线所需要的最低管电压，称产生特征射线所需要的最低管电压，称为激发电压，以激表示。为激发电压，以激表示。激发电压的大小与阳极靶材料有关：激发电压的大小与阳极靶材料有关：激激。阳极靶材料不同，产生的特征射线谱波阳极靶材料不同，产生的特征射线谱波长不同。长不同。元素元素 原子序数原子序数 激，激，波波长长 当管电压超过激发电压而进一步升高时，当管电压超过激发电压而进一步升高时，特征射线的波长不变，仅强度升高，且按特征射线的波长不变，仅强度升高，且按次方规律增大。次方规律增大。特特（激）（激）比例常数，比例常数，也是常数。，也是常数。(特征射线特征射线)(连续射线

15、连续射线)强度的比值，称强度的比值，称为特征谱线的峰背比。为特征谱线的峰背比。在射线管的工作电压为激发电压的倍时在射线管的工作电压为激发电压的倍时最大，即：最大，即：（）激时，特（）激时，特 连最大。连最大。工作电压的选择原则。工作电压的选择原则。、特征谱线产生机理（原子模型）、特征谱线产生机理（原子模型）特征射线的产生过程：特征射线的产生过程：原子激发原子激发电子跃迁电子跃迁 释放能量释放能量产生特征射线产生特征射线 比如，图中是层的电子跃迁到层上，这个过程降低比如，图中是层的电子跃迁到层上，这个过程降低的能量为：的能量为：。对于给定的物质，各原子能级的能量是固有的，所对于给定的物质，各原子

16、能级的能量是固有的，所以能量差以能量差也是固定的。也是固定的。当这个能量以一个射线光子的形式辐射出去当这个能量以一个射线光子的形式辐射出去时，就具有特定的波长：时，就具有特定的波长：（）特征射线特征射线 根据原子模型定义各种谱线：根据原子模型定义各种谱线：如果是层电子被外来的高能粒子轰击出去，则称为系激发，如果是层电子被外来的高能粒子轰击出去，则称为系激发，随之进行的电子跃迁引起的辐射就称为系辐射，所产生的随之进行的电子跃迁引起的辐射就称为系辐射，所产生的特征射线就称为系谱线；特征射线就称为系谱线；同理，把层电子被击出的过程称为系激发，随之的电子跃同理，把层电子被击出的过程称为系激发，随之的电

17、子跃迁引起的辐射称为系辐射，所产生的特征射线就称为系谱迁引起的辐射称为系辐射，所产生的特征射线就称为系谱线。线。等等。等等。在一种谱系中，按照电子跃迁时所跨越的能在一种谱系中，按照电子跃迁时所跨越的能级数目的不同，又可以将同一辐射线系分成级数目的不同，又可以将同一辐射线系分成若干小类。若干小类。分类的原则是：分类的原则是：对跨越、对跨越、个能级所引起的辐射分别标个能级所引起的辐射分别标以以、等符号。等符号。这样就出现了这样就出现了、等谱线。等谱线。、莫塞莱定律（）、莫塞莱定律（）（）（）（）（）式中：式中：、分别为特征射线的频率和波长；分别为特征射线的频率和波长；阳极靶元素的原子序数；阳极靶元

18、素的原子序数；、均为常数。均为常数。应用：应用：是波谱分析的基本依据；是波谱分析的基本依据；利用它可以发明新的元素。利用它可以发明新的元素。第一节第一节 射线的物理基础射线的物理基础v 射线的发现与应用射线的发现与应用v 射线的本质射线的本质v 射线的产生及射线管射线的产生及射线管v 射线谱（射线谱（）v 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 射线的应用射线的应用（）窥探物质结构：（）窥探物质结构：从到年中，就有五位物理学家（劳厄，布拉从到年中，就有五位物理学家（劳厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究格父子，巴克拉，西格本）在研究 射线及其应射线及其应用方面获得了诺贝尔物理学奖。用方面获

19、得了诺贝尔物理学奖。年，德国物理学家劳厄通过实验，既证明了年，德国物理学家劳厄通过实验，既证明了射线具有波动性，也证明了晶体中的原子是有规射线具有波动性，也证明了晶体中的原子是有规则排列的。则排列的。晶体可看作三维立晶体可看作三维立体光栅体光栅,根据劳厄斑点根据劳厄斑点的分布的分布,可算出晶面间可算出晶面间距掌握晶体点阵结构距掌握晶体点阵结构.晶体底片铅屏X 射线管劳厄斑点晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构原子结构原子结构成分分析成分分析 围绕射线的性质和应用的研究，除伦琴外，围绕射线的性质和应用的研究，除伦琴外，还有项获诺贝尔奖的课题与射线有关。还有项获诺贝尔奖的课题与射线有关。获奖获奖年代年

20、代人人 物物成成 就就劳厄劳厄提出了用天然晶体的晶格作为衍提出了用天然晶体的晶格作为衍射光栅，观察到了射线的衍射现射光栅，观察到了射线的衍射现象，证明射线是电磁波象，证明射线是电磁波布拉格父布拉格父子子利用射线衍射进行晶体结构分析利用射线衍射进行晶体结构分析康普顿康普顿康普顿散射，揭示了射线光子的康普顿散射，揭示了射线光子的粒子性粒子性.医学诊断：医学诊断：（）在医学中的应用：（）在医学中的应用：上世纪六十年代，南非出生的美国物理学家科上世纪六十年代，南非出生的美国物理学家科马克（）和英国电气工程师洪斯菲尔德（）提出用马克（）和英国电气工程师洪斯菲尔德（）提出用计算机控制计算机控制 射线断层扫

21、描原理，并发明射线断层射线断层扫描原理，并发明射线断层扫描仪（），使医生能看到人体内脏器官横断面图扫描仪（），使医生能看到人体内脏器官横断面图象，从而准确诊断病症，他们两人共享了年诺贝尔象，从而准确诊断病症，他们两人共享了年诺贝尔生物学及医学奖。生物学及医学奖。.射线治疗：射线治疗：.射线防护：射线防护：胎儿胎儿X射线照片射线照片医学检查医学检查工业探伤工业探伤（）揭示生命奥秘：（）揭示生命奥秘：年，小布拉格的两位助手佩鲁茨和肯德罗，年，小布拉格的两位助手佩鲁茨和肯德罗，用改进了的射线分析法测定了肌红蛋白及血红蛋用改进了的射线分析法测定了肌红蛋白及血红蛋白的分子结构，为此获得白的分子结构，为此

22、获得 年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。年诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国生物物理年诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国生物物理学家克里克、威尔金森、美国生物学家沃森，表彰学家克里克、威尔金森、美国生物学家沃森，表彰他们发现的双螺旋结构，这是世纪生物学的最伟大他们发现的双螺旋结构，这是世纪生物学的最伟大成就，他们依靠的也是射线分析法。成就，他们依靠的也是射线分析法。分子双螺旋结构分子双螺旋结构（）其它应用：（）其它应用：光机对机场、车站对旅客行李的安全检查；光机对机场、车站对旅客行李的安全检查；检验集成电路板质量；检验集成电路板质量；墙壁厚度测量；墙壁厚度测量；测量尺寸的复杂变化；测量尺寸的复杂变化

23、；透视复杂物体的内部结构；透视复杂物体的内部结构；辅助设计和生产；辅助设计和生产；产生组件缺陷位置的影像；产生组件缺陷位置的影像；用特征射线可对材料的元素成分做出分析，在用特征射线可对材料的元素成分做出分析，在考古、材料研究等方面有重要应用。考古、材料研究等方面有重要应用。光下的世界光下的世界射线衍射成分分析无损检测 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用X 射 线 原子或离子中的电子原子或离子中的电子受迫振动。受迫振动。振动着的电子振动着的电子成为次生成为次生X射射线的波源，线的波源，向向外辐射与入射外辐射与入射 X X 射线同频率射线同频率的电磁波，称的电磁波，称为为散射波散射波。一）、

24、相干散射：由于入射线与散射线的波长与一）、相干散射：由于入射线与散射线的波长与频率一致，位相固定，各散射波之间以及与入射频率一致，位相固定，各散射波之间以及与入射波可以发生干涉，故称相干散射（弹性散射）。波可以发生干涉，故称相干散射（弹性散射）。干涉的结果：散射波在某些方向上相互加强，在干涉的结果：散射波在某些方向上相互加强，在另一些方向上相互减弱或抵消。另一些方向上相互减弱或抵消。晶体中发生衍射的基础晶体中发生衍射的基础相干散射并不损失能量，而只是改变了它的传播方相干散射并不损失能量，而只是改变了它的传播方向，但对入射线方向来说，却起了强度衰减的作用。向，但对入射线方向来说，却起了强度衰减的

25、作用。一、射线的散射一、射线的散射二）、非相干散射二）、非相干散射 、概念、概念 电子被撞出原来的轨道，成为反冲电子，而入射电子被撞出原来的轨道，成为反冲电子，而入射射线被撞偏方向，在射线被撞偏方向，在角度上形成散射射线。角度上形成散射射线。由于反冲电子消耗一定的能量（变为动能），由于反冲电子消耗一定的能量（变为动能），故散射射线的能量要比入射射线低，其波长变大，故散射射线的能量要比入射射线低，其波长变大，频率变小，从而使散射波与入射波之间不存在固频率变小，从而使散射波与入射波之间不存在固定的位相关系，因此不能产生任何干涉效应。定的位相关系，因此不能产生任何干涉效应。所以，这种散射被称为非相干

26、散射。也称为所以，这种散射被称为非相干散射。也称为康普顿康普顿吴有训散射，或康普顿吴有训散射，或康普顿吴有训效应吴有训效应，或量子散射。或量子散射。、非相干散射的特征、非相干散射的特征波长变化波长变化 设散射波的波长为设散射波的波长为，入射波的波长为，入射波的波长为，则，则，其增量为：，其增量为：（）式中，式中，是散射波与入射波之间的夹角，称为散射是散射波与入射波之间的夹角，称为散射角。角。可见：可见：随散射角随散射角而变化。而变化。非相干散射波分布在各个方向上，强度很非相干散射波分布在各个方向上，强度很低，且随低，且随的增加而增大。的增加而增大。非相干散射不能参与衍射，也无法避免，非相干散射

27、不能参与衍射，也无法避免，通常，它在衍射图形上形成连续的背底，通常，它在衍射图形上形成连续的背底，会给分析带来困难。会给分析带来困难。二、射线的吸收二、射线的吸收物质对的吸收，指的是能量在通过物质时转变为其它形式物质对的吸收，指的是能量在通过物质时转变为其它形式的能量，对而言，也就是发生了能量损耗。的能量，对而言，也就是发生了能量损耗。物质对的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。物质对的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。发生的光电效应和俄歇效应，使的部分能量转变成为光电发生的光电效应和俄歇效应，使的部分能量转变成为光电子、荧光及俄歇电子的能量，故的强度被衰减。子、荧光及俄歇电子的能量

28、，故的强度被衰减。当当入入射射射射线线光光子子的的能能量量足足够够大大时时，(明明显显超超过过原原子子的的芯芯电电子子束束缚缚能能)，将将 使使原原子子中中的的内内层层电电子子被被击击出出，使使原原子子处处于于激激发发态态。随随后后，原原子子中中的的外外层层电电子子将将跃跃迁迁到到内内层层电电子子空空位位上上，同同时时辐辐射射出出特特征征射射线线(辐辐 射射 跃跃迁迁)。光电子光电子特征射线特征射线二次特征二次特征射线，射线，荧光射线荧光射线）光电效应与荧光）光电效应与荧光(二次特征二次特征)辐射辐射v光电效应光电效应吸收限的产生机制吸收限的产生机制v与物质相互作用可以看作是光子和物质中的原子

29、相互碰撞，光子与物质相互作用可以看作是光子和物质中的原子相互碰撞，光子与原子的碰撞很像前面讲过的电子与阳极靶的原子碰撞产生标识与原子的碰撞很像前面讲过的电子与阳极靶的原子碰撞产生标识谱的情况。谱的情况。当波长足够短时，其光子的能量就很大，以至能把原子中处于某当波长足够短时，其光子的能量就很大，以至能把原子中处于某一能级上的电子打出来使原子处于高能激发态，内层出现空位，一能级上的电子打出来使原子处于高能激发态，内层出现空位，外层电子往此空位跃迁，产生标识。光电效应外层电子往此空位跃迁，产生标识。光电效应这种以光子激发原子所发生的激发和辐射过程称为光电效应，被这种以光子激发原子所发生的激发和辐射过

30、程称为光电效应，被击出的电子称为光电子，所辐射出的次级标识（由激发出的）称击出的电子称为光电子，所辐射出的次级标识（由激发出的）称为荧光（二次标识）。为荧光（二次标识）。一次的特征的一部分能量转变为所照射物质的二次特征辐射，表一次的特征的一部分能量转变为所照射物质的二次特征辐射，表现为物质对入射的吸收，这一吸收非常强烈。现为物质对入射的吸收，这一吸收非常强烈。v）俄歇效应）俄歇效应 v定义：光子与物质中原子相撞，使原子处于定义：光子与物质中原子相撞，使原子处于激发状态，当外层电子跃入内层空位时，其激发状态，当外层电子跃入内层空位时，其多余的能量不以形式放出（荧光），而是传多余的能量不以形式放出

31、（荧光），而是传递给其它外层的电子，使之脱离原子。递给其它外层的电子，使之脱离原子。俄歇效应。俄歇效应。例：俄歇电子例：俄歇电子 v层电子被击出，层电子跳入层空位，多余能层电子被击出，层电子跳入层空位，多余能量传递、层电子，使其脱离原子（形成二量传递、层电子，使其脱离原子（形成二次电子）。次电子）。这种二次电子称俄歇电子，上述层一个空位这种二次电子称俄歇电子，上述层一个空位被层二个空位所代替，这个过程称俄歇效应被层二个空位所代替，这个过程称俄歇效应（无辐射跃迁过程）。（无辐射跃迁过程）。俄歇效应俄歇效应光电子 俄歇电子俄歇电子 俄歇电子俄歇电子 v命名命名:俄歇电子通常用参与俄歇过程的三个能级

32、来命名。即：俄歇电子通常用参与俄歇过程的三个能级来命名。即：初态空位所在能级、向空位作无辐射跃迁电子原在能级、发初态空位所在能级、向空位作无辐射跃迁电子原在能级、发射电子原在能级。上例中俄歇电子为。射电子原在能级。上例中俄歇电子为。说明：伴随光电吸收发生的有荧光和俄歇电子。（辐射跃迁说明：伴随光电吸收发生的有荧光和俄歇电子。（辐射跃迁和无辐射跃迁）和无辐射跃迁）通常荧光和俄歇电子是同时存在的。通常荧光和俄歇电子是同时存在的。v用途：俄歇电子的能量只取决于物质原子的能级结构（与参用途：俄歇电子的能量只取决于物质原子的能级结构（与参与该过程的三个能级能量有关），每种元素都有自己的特征与该过程的三个

33、能级能量有关），每种元素都有自己的特征俄歇电子能谱，它是元素的固有特征。所以，可以用俄歇电俄歇电子能谱，它是元素的固有特征。所以，可以用俄歇电子能谱做元素的成分分析及试样表面状态分析等。子能谱做元素的成分分析及试样表面状态分析等。三、射线的衰减三、射线的衰减、衰减规律、衰减规律：入射射线强度：入射射线强度：透过物质后的强度：透过物质后的强度：处射线强度：处射线强度：射线通过无限小薄层时的衰减量：射线通过无限小薄层时的衰减量 即：式中：比例常数，称为线吸收系数，或线衰减系数，单位为。其物理意义是在射线传播方向上，单位长度上射线的衰减程度，它主要与入射射线的波长及物质种类有关。对于给定物质，和特定

34、波长射线，为常数。积分上述方程：积分上述方程：或：或：可见：射线通过物质时，按指数规律迅速衰减的。可见：射线通过物质时，按指数规律迅速衰减的。、质量吸收系数、质量吸收系数 线吸收系数线吸收系数与物质的密度与物质的密度有关，通常：有关，通常：为了消除密度（即物质的状态）的影响，引入一个为了消除密度（即物质的状态）的影响，引入一个新的系数新的系数：称为质量吸收系数，单位为称为质量吸收系数，单位为。它反映每克物质引起的相对衰减量，主要取决于物它反映每克物质引起的相对衰减量，主要取决于物质的化学成分和入射射线的波长。质的化学成分和入射射线的波长。几点规律：几点规律：对单一元素组成的物质，对单一元素组成

35、的物质，与其原子序数，与其原子序数，及入射射线的波长及入射射线的波长之间存在明显的函数关之间存在明显的函数关系：系：但在但在处发生突变，突然增大。处发生突变，突然增大。原因：此时射线的能量达到了激发层电原因：此时射线的能量达到了激发层电子，引起二次特征辐射的程度，其能量子，引起二次特征辐射的程度，其能量被大量吸收，故被大量吸收，故突然增大。突然增大。发生突变吸收的波长称为吸收限。激发电压，；吸收限，又称为激发限，。连续谱的质量吸收系数连续谱的质量吸收系数 当连续射线穿过物质时，通常取各波长吸收系数当连续射线穿过物质时，通常取各波长吸收系数的平均值。的平均值。这个平均值相当于这个平均值相当于波长

36、时对应的吸收系数（波长时对应的吸收系数（为短波限），这个波长称为有效波长：为短波限），这个波长称为有效波长：有效有效 ()()复杂物质的质量吸收系数复杂物质的质量吸收系数 当射线通过多种元素组成的复杂物质，如化合物、当射线通过多种元素组成的复杂物质，如化合物、固溶体、机械混合物时，其衰减将受到各种元素的固溶体、机械混合物时，其衰减将受到各种元素的影响，但却与这些原子之间的结合方式无关。影响，但却与这些原子之间的结合方式无关。（）式中：式中：或（或（）为种元素的质量吸收系数；为元）为种元素的质量吸收系数；为元素的质量分数。素的质量分数。四、吸收限（四、吸收限（）的应用）的应用、滤波片（）的选择、

37、滤波片（）的选择材料材料材料选取：材料选取：滤波片的吸收限；：滤波片的吸收限；：谱线的波长；谱线的波长；：谱线的波长。谱线的波长。获取单波长射线获取单波长射线滤波片滤波片滤波选择吸收限介于射线中的和的波长之间的物质。应用：应用：滤波片实际上是利用吸收滤波片实际上是利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的限两边吸收系数相差悬殊的特点制成的。特点制成的。如果选择一种材料其吸收如果选择一种材料其吸收限波长限波长恰好位于所用特征恰好位于所用特征的的与与线波长之间（尽量靠线波长之间（尽量靠近近），此时，对），此时，对线及连续线及连续谱线吸收很大，而对谱线吸收很大，而对线的线的吸收却很小，可得到基本上吸收却很小，

38、可得到基本上是单色的是单色的谱线。谱线。几种元素系射线波长和常用的滤波片及其吸收限几种元素系射线波长和常用的滤波片及其吸收限 规律：规律：设阳极靶元素的原子序数为靶，设阳极靶元素的原子序数为靶，滤波片物质的原子序数为片，滤波片物质的原子序数为片，则：则：当当 靶时，片靶靶时，片靶 靶靶时，片靶时，片靶厚度厚度 滤波片必须具有合适的厚度。若太薄，会对滤波片必须具有合适的厚度。若太薄，会对谱线滤谱线滤得不彻底；而太厚时，又会吸收掉部分得不彻底；而太厚时，又会吸收掉部分谱线。谱线。实验表明，当实验表明，当谱线的强度被吸收到原来的一半时，谱线的强度被吸收到原来的一半时，的强度比值可由滤波前的提高到左右

39、，这样便可的强度比值可由滤波前的提高到左右，这样便可以满足一般的衍射分析工作的要求。以满足一般的衍射分析工作的要求。滤波片的厚滤波片的厚度设计原则度设计原则、阳极靶（、阳极靶（）的选择）的选择 材料选取：阳极靶的材料选取：阳极靶的谱线波长应比试样谱线波长应比试样的的 吸收限吸收限稍长一些稍长一些。避免荧光辐射避免荧光辐射试样试样几种元素系射线波长及其吸收限几种元素系射线波长及其吸收限 v根据根据 知知随波长的增大而单调增大，但事实并非如随波长的增大而单调增大，但事实并非如此。此。任何物质都存在几个特定波长位置，在这些位置上，任何物质都存在几个特定波长位置，在这些位置上，曲线的连续性遭破坏，曲线

40、的连续性遭破坏，产生突变，这些曲线上的不产生突变，这些曲线上的不连续处称为吸收限（吸收系数的突变台阶），相应的连续处称为吸收限（吸收系数的突变台阶），相应的波长称为吸收限波长波长称为吸收限波长（相应于使材料中原子产生激（相应于使材料中原子产生激发的光子波长值）。发的光子波长值）。（三）吸收限的利用（三）吸收限的利用滤波片材料选择规律是：靶 时：滤靶 靶时：滤靶常用滤波片数据表选靶：若试样的系吸收限为选靶：若试样的系吸收限为，应选靶的，应选靶的波长波长稍稍大于稍稍大于，并尽量靠近，并尽量靠近，这，这样既不产生系荧光辐射，且试样对的吸收也最小。样既不产生系荧光辐射，且试样对的吸收也最小。根据样品化

41、学成分选择靶材的原则是：根据样品化学成分选择靶材的原则是：靶靶样样 或或 靶靶 样样例如：样 品：，射线靶：，在衍射实验中，若入射在试样上产生荧光，则只增加衍射光样的背底强度，在衍射实验中，若入射在试样上产生荧光，则只增加衍射光样的背底强度，对分析不利，针对试样的原子序数，可以调整靶材的种类避免这种情况发生。对分析不利，针对试样的原子序数，可以调整靶材的种类避免这种情况发生。v例：阳极靶的选择研究纯时，最好选用靶或靶，而不能用、靶的 且靶的，靶的 靶的不能激发的系荧光辐射，同样靶不可能激发自身的系荧光辐射。又靶靠近的，因此试样对靶辐射吸收小靶最理想。而靶，靶 二者均小于的，都可激发试样的系荧光

42、辐射，并且试样对靶的辐射吸收大故不宜选用、靶。v射线的本质是什么？是谁首先发现了射线，谁揭示了射线的射线的本质是什么？是谁首先发现了射线，谁揭示了射线的本质？本质？v答：射线的本质是一种横电磁波？伦琴首先发现了射线，劳厄答：射线的本质是一种横电磁波？伦琴首先发现了射线，劳厄揭示了射线的本质？揭示了射线的本质？v实验中选择射线管以及滤波片的原则是什么？已知一个以为实验中选择射线管以及滤波片的原则是什么？已知一个以为主要成主要成 分的样品，试选择合适的射线管和合适的滤波片？分的样品，试选择合适的射线管和合适的滤波片？v答：实验中选择射线管的原则是为避免或减少产生荧光辐射，答：实验中选择射线管的原则

43、是为避免或减少产生荧光辐射，应当避免使用比样品中主元素的原子序数大（尤其是）的材料应当避免使用比样品中主元素的原子序数大（尤其是）的材料作靶材的射线管。作靶材的射线管。v分析以铁为主的样品，应该选用或靶的射线管，它们的分别相分析以铁为主的样品，应该选用或靶的射线管，它们的分别相应选择和为滤波片。应选择和为滤波片。v练习练习 一一v1*名词解释：连续名词解释：连续X射线谱、特征射线谱、特征X射线谱、射线谱、相干散射（汤姆逊散射）、荧光辐射、俄歇效相干散射（汤姆逊散射）、荧光辐射、俄歇效应、光电效应。应、光电效应。v2*X射线的本质是什么？射线的本质是什么？3如何选用滤波片的材料？如何选用如何选用滤波片的材料？如何选用X射线管射线管的材料？的材料？4计算计算0.071nm(MoK)和和0.154nm(CuK)的的X射线振动频率和能量。射线振动频率和能量。