第一章X射线物理学基础.pptx

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1、一、X射线发展史 1895年，德国物理学家伦琴发现了X射线 1895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分性质 1901年伦琴获诺贝尔奖 1912年，德国物理学家劳厄发现了X射线在晶体（硫酸铜单晶）中的衍射现象，奠定了“X射线衍射学”基础 1912年，英国物理学家Brag父子利用X射线衍射测定了NaCl晶体的结构，开创了X射线晶体结构分析的历史第1页/共67页与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单第2页/共67页在X射线发现后几个月医生就用它来为病人服务右图是纪念伦琴发现X射线100周年发行的纪念封二、X射线的应用第3页/共67页 X射线透射学 通过X射线的透射情况

2、来研究人体或物体的内部情况，包括医学上的诊断和X射线工业探伤。X射线衍射学 又称“X射线晶体学”，是目前应用最广的一个方面，根据X射线照射晶体后所产生的衍射线方向和强度来确定晶体结构，研究与结构和结构变化相关的各种问题。X射线光谱学 通过研究X射线光谱，可研究物质的原子构造，如电子能级分布等；通过研究物质发出的X射线的波长可确定物质的元素成分，这方面应用的例子是X射线荧光光谱分析和电子探针。X射线在工业和科学技术中的应用主要分三方面：第4页/共67页三、X射线的性质1、本质：波长极短的电磁波（波长：0.0110nm）1912年劳厄指导的衍射实验证实第5页/共67页2、分类：硬X射线：波长短的X

3、射线，如：X射线衍射分析常用波 长约0.050.25nm，金属材料透视检验的波 长更短，约0.0050.1nm。软X射线：波长长的X射线，如用于医学透射的X射线。硬软程度表示穿透能力的强弱，波长越短，穿透力越强。3、单位：、nm、kX（晶体学单位）1nm=10=10-9m 1kX=1.00207720.000053（1973年值）第6页/共67页4、波粒二象性 X射线的客观属性 波动性 场合：X射线之间相互作用时 表现：以一定的频率和波长在空间传播（干涉、衍射等）。反映物质运动的连续性。粒子性 （突出）场合：X射线与电子、原子间相互作用时 表现：它是由大量的不连续粒子流构成的，这些粒子流称为光

4、子。X射线以光子的形式辐射和吸收时具有质量、能量和动量。在与物质相互作用时交换能量，如光电效应等。反映物质运动的分立性。第7页/共67页 描述波动性参量：频率、波长 描述粒子性参量：能量、动量 关系：普朗克常数h=6.62510-34J.s 当X射线与其它元素的原子或电子交换能量时只能一份一份地以最小能量单位（h）被原子或电子吸收。第8页/共67页四、X射线的产生1、产生原理 高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动高速运动的电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（能，其中一小部分（1 1左右）能量转变为左右）能量转变为X X射线，而绝大部分

5、（射线，而绝大部分（9999左右）左右）能量转变成热能使物体温度升高。能量转变成热能使物体温度升高。第9页/共67页2、产生条件产生自由电子的电子源，如加热钨丝发射热电子；设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用以产生X射线;施加在阴极和阳极之间的高压，用以加速自由电子朝阳极靶方向加速运动；将阴、阳极封闭在10-3Pa的高真空中，保持两级纯洁，促使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。第10页/共67页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3、过程演示第11页/共67页五、X射线管封闭电子式X射线管实物图第12页/共67页结构示意图第13页/共67页电子式X射线管实质上是一个真空二极

6、管（10-310-4Pa），其结构为：阴极：发射电子的灯丝，W丝阳极：又称靶，使电子突然减速和发射X射线。常用靶材：Cu、Fe、Co、Ni、Cr、Mo、Ag、W等 高速运动电子的动能仅1左右转变成X射线，99转变成热能，为避免烧熔靶面，常通水冷却。聚焦罩：聚焦电子束，灯丝外设置，其电位较阴极低100400V，用高熔点金属钼或钽制造。焦点：阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出X射线。焦点的尺寸和形状是X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。较小的焦点，可以提高分辩率。第14页/共67页窗口：X射线从管内出射的地方，常开设2或4个。窗口材料要有足够

7、强度并尽可能少地吸收X射线，常用铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成6o的斜角。X射线管中发出的X射线在各个方向不同，越接近与电子束垂直的方向，强度越高。对于直角靶面，最好沿靶面方向接收。但靶面不可能绝对光滑平整，大部分X射线将被吸收而减弱，故常在与靶面成6o的方向接收。X射线接收方向第15页/共67页l 上述常用X射线管的功率为5003000W。目前还有旋转阳极X射线管、细聚焦X射线管和闪光X射线管。l 因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。目前有100kW的旋转阳极，其功率比普通X射线管大数十倍。旋转阳极靶示意图第16页/共67页第二节 X射线谱X射线谱

8、：X射线的强度随波长变化的关系曲线X射线有两种波谱：一、连续X射线谱二、特征X射线谱钼靶X射线管发出的X射线谱第17页/共67页一、连续X射线谱 由波长连续变化的X射线构成，和白光相似，是多种波长的混合体，故也称白色X射线或多色X射线。特点：l 每条曲线都有一强度最大值和一个波长极限值（短波限0）。l 波长从短波限向长波方向伸展，可达无穷大。l 呈丘包状。连续谱示意图第18页/共67页1、实验规律当提高管电压 U时(i、Z不变)，各波长X射线的强度都提高，短波限0和强度最大值对应的m减小。当保持管电压一定，提高管电流i,各波长X射线强度一致提高，但0 和m不变。在相同管电压和管电流下，阳极靶材

9、的原子序数Z越高，连续谱的强度越大，但0 和m相同。管电压U、管电流i和阳极靶材原子序数对连续谱影响：第19页/共67页第20页/共67页2、产生机理能量为eU的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为h的光子，这样的光子流即为X射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，极大数量的电子射到阳极靶上的条件和时间不可能是一样的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。第21页/共67页3、短波限连续连续X X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限限 0 0。它

10、是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的。它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X X射射线。线。相互关系：式中，电子电荷e 1.602 10-19C;U电子通过两极时的电压降；普朗克常数h6.62610-34JS；X射线传播速度c2.998108mS-10：nm，U：千伏第22页/共67页短波限只与管电压有关，不受其它因素的影响。短波限只与管电压有关，不受其它因素的影响。当固定管电压、增加管电流或增大阳极靶材原子序数时，0不变，仅使各波长X射线强度增高。U（KV）203040500（nm）0.0620.0410.0310.025绝大多数到达阳极靶面的电子经多次碰撞消耗其能量，每次碰撞产生一个光量子，

11、故其能量均小于电子能量，而得波长大于0的不同波长的辐射，构成连续谱。第23页/共67页4、X射线的强度X射线的强度是指垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。常用的单位是J/cm2.s。X射线的强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的,即I=nhv。在连续谱中，强度最大值不在短波限处，而是位于1.50附近。第24页/共67页连续谱中，每条曲线下的面积表示各种波长X射线的强度总和，也就是阳极靶发射出的X射线的总能量。I连与管电压、管电流、阳极靶的原子序数存在如下关系：Z为阳极靶的原子序数，U为管电压（千伏），i 为管电流（毫安），K=(1.11.5)10-9

12、。第25页/共67页5、X射线管的效率X射线管的效率，是指电子流能量中用于产生X射线的百分数，即随着原子序数Z的增加，X射线管效率增加。W：Z74，U100KV；则1第26页/共67页二、特征X射线谱钼靶X射线管发出的X射线谱U35KV第27页/共67页 特征X射线谱由一定波长的若干X射线叠加在连续X射线谱上构成，它和单色的可见光相似，具有一定的波长，故称单色X射线。每种元素只能发出一定波长的单色X射线，它是元素的标志，故也称为标识X射线。1、特征X射线谱的特征2、产生机理3、莫塞莱定律4、特征X射线的强度5、阳极靶的选择第28页/共67页1、特征X射线谱的特征当管电压超过某临界值时特征谱才会

13、出现，该临界电压称激发电压。不同的阳极靶，激发电压不同，产生的特征谱的波长也不同。当管电压继续增加时，特征谱强度增加，但对应的波长保持不变。特征谱的波长不受管电压、管电流的影响，只决定于阳极靶材元素的原子序数。第29页/共67页特征X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。特征X射线的产生2、产生机理第30页/共67页原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。

14、机理：机理：第31页/共67页由不同外层上的电子跃迁至同一内层上来而辐射的特征谱线属于同一线系，并按电子跃迁所跨越的电子能级数目多少的顺序，将这同一线系的谱线分别标以、等符号。K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层空位跃迁时产生K系辐射。LK填充空位时，产生K辐射；M K填充空位时产生K辐射。L系辐射：M L,产生L辐射；N L,产生L辐射。M系辐射。第32页/共67页K系谱线：第33页/共67页l1；j0，1第34页/共67页K系谱线：第35页/共67页K光子的能量大于K光子的能量；但K层与L层为相邻能级，故L层电子向K层跃迁的几率远大于M层跃迁的几率，所以K谱线

15、的强度约为K的五倍。电子跃迁选择定则：l l11；j j0 0，11 K双线系电子分别由L和L两个亚层跃迁到K层时产生的辐射，L亚层上四个电子跃迁至K层几率比L上二个电子跃迁几率大一倍，故K1谱线的强度约为K2的两倍。双线的波长相差很小，一般情况下分辨不开，统称为K线。第36页/共67页3 3、莫塞莱定律特征X射线谱的波长只与阳极靶物质的原子结构有关，与其它外界因素无关，是物质的固有特性。莫塞莱定律特征谱波长与阳极靶原子序数的关系：K，为常数 X射线光谱分析的基本依据第37页/共67页4 4、特征谱的强度特征谱强度与管电压（U）、管电流（i）的关系：c为常数；n为常数，K系n1.5，L系n2

16、U激为特征谱激发电压，K系：U激UK第38页/共67页多晶材料的衍射分析中希望应用以特征谱为主的单色光源，即尽可能高的I特/I连。U/UK=4时，I特/I连最大，此时连续谱造成的衍射背影最小。X射线管适宜的工作电压：U（35）UK第39页/共67页5 5、阳极靶选择由于L系、M系特征谱线波长较长，容易被物质吸收，所以在晶体衍射分析中常用K系谱线。轻元素的K系辐射波长值大，容易被X射线管窗口，甚至空气所吸收而不好利用。太重元素靶材所产生的K系谱线，其波长又太短，且连续辐射所占比例又太大。所以，采用单色辐射的衍射实验宜用Cr、Fe、Co、Cu、Mo等靶材的X射线管。第40页/共67页第三节第三节

17、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 X X射射线线与与物物质质相相互互作作用用时时，产产生生各各种种不不同同的的和和复复杂杂的的过过程程。就就其其能能量量转转换换而而言言，一一束束X X射射线线通通过过物物质质时时，可可分分为为三三部部分分：一一部部分分被被散散射射，一一部部分分被被吸吸收收，一一部部分分透透过过物物质质继继续续沿沿原原来来的的方方向向传传播播;其其强强度度的的衰衰减减是是被被散散射射和和吸吸收收的的结结果果，并并且且吸吸收收是造成强度衰减的主要原因。是造成强度衰减的主要原因。第41页/共67页一、一、X X射线的散射射线的散射二、二、X X射线的吸收射线的吸收三、

18、吸收限的应用三、吸收限的应用四、四、X X射线的衰减规律射线的衰减规律五、五、X X射线与物质相互作用总结射线与物质相互作用总结第42页/共67页一、一、X X射线的散射射线的散射当入射线与原子内受核束缚较紧的电子相遇时，光量子能量不足以使原子电离，但电子可在X射线交变电磁场作用下发生受迫振动，这样的电子就成为一个电磁波的发射源，向周围辐射与X射线波长相同的辐射，因为各电子所散射的射线波长相同，有可能相互干涉，故称相干散射。入射波将自身的能量传给了电子，而电子又将该能量转化为与入射线波长相同的散射X射线。相干散射是X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

19、散射（经典散射、汤姆逊散射）第43页/共67页2 2、非相干散射（量子散射）、非相干散射（量子散射）X射线光量子与自由电子或受核束缚较弱的电子碰撞，将一部分能量给予电子，使其动量提高，成为反冲电子，光子损失了能量，并且改变了运动方向，能量减少，波长增加，这就是非相干散射。散射线分布于各个方向，波长随散射方向不同而改变，不能产生干涉现象。第44页/共67页1923年康普顿发现并用量子理论解释这一现象，故称康普顿效应或量子散射。非相干散射的波长变化为：非相干散射不能参与晶体对X射线的衍射，但也无法防止，它分布于各个方向，强度随sin/的增加而增大。在衍射分析中形成背底，给衍射图象带来不利影响，特别

20、对轻元素（电子受核的束缚弱）。第45页/共67页二、二、X X射线的吸收射线的吸收 物物质质对对X X射射线线的的吸吸收收指指的的是是X X射射线线能能量量在在通通过过物物质质时时转转变变为为其其它它形形式式的的能能量量，X X射射线线发发生生了了能能量量损损耗耗。物物质质对对X X射射线线的的吸吸收收主主要要是是由由原原子子内内部部的的电电子子跃跃迁迁而而引引起起的的。这这个个过过程程中中发发生生X X射射线线的光电效应和俄歇效应。的光电效应和俄歇效应。1 1、光电效应、光电效应2 2、俄歇效应、俄歇效应第46页/共67页1 1、光电效应光电子和荧光、光电效应光电子和荧光X X射线射线当入射

21、光量子的能量等于或略大于吸收体原子某壳层电子的结合能（即该层电子激发态能量）时，此光量子就很容易被电子吸收，获得能量的电子从内层溢出，成为自由电子，称光电子光电子，原子则处于相应的激发态，这种原子被入射辐射电离的现象即光电效应。光电效应使被照物质处于激发态，这一激发态和由入射电子所引起的激发态完全相同，也要通过电子跃迁向较低能态转化，同时辐射被照物质的特征X射线谱。由入射由入射X射线所激发出来的特征射线所激发出来的特征X射线称荧光射线称荧光X射线（二射线（二次特征次特征X射线）射线）。利用荧光X射线进行成分分析X射线荧光光谱分析(Z20)第47页/共67页第48页/共67页使K层电子变成自由电

22、子需要的能量是K，亦即可引起激发态的入射光量子能量必须达到此值。从X射线激发光电效应的角度，称K为激发限；从X射线被物质吸收的角度，称K为吸收限为吸收限。产生光电效应条件：X射线波长必须小于吸收限射线波长必须小于吸收限K。K：nm ，UK：KV第49页/共67页2 2、俄歇效应、俄歇效应第50页/共67页原子中一个K层电子被入射光量子击出后，L层一个电子跃入K层填补空位，此时多余的能量不以辐射X光量子的方式放出，而是另一个L层电子获得能量跃出吸收体，这样一个K层空位被两个L层空位代替的过程称俄歇效应，跃出的L层电子称俄歇电子。每种原子的俄歇电子均具有一定的能量（EKLL），测定俄歇电子的能量，

23、即可确定该原子的种类，所以可利用俄歇电子能谱作元素的成分分析。俄歇电子的能量很低，一般为几百电子伏，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，俄歇谱仪俄歇谱仪是研究物质表面微区成分的有力工具。是研究物质表面微区成分的有力工具。第51页/共67页X射线的真吸收射线的真吸收X射线通过物质时造成的能量损失称为X射线的真吸收。X射线穿过物质时会引起热效应，一部分能量转变为热能。光电子 光电效应光电效应 荧光X射线 俄歇电子 热效应第52页/共67页三、吸收限的应用三、吸收限的应用通过滤波片后K减弱甚微，K被强烈吸收滤波片厚度以K强度衰减到原来的一半时为最佳。IK/IK1/500Z靶靶40时

24、，时，Z滤滤Z靶靶1 Z靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶21 1、滤波片的选择、滤波片的选择红滤波片 黑靶第53页/共67页铜辐射通过镍滤波片前后的强度比较铜辐射通过镍滤波片前后的强度比较第54页/共67页2 2、根据样品成分选择阳极靶、根据样品成分选择阳极靶Z靶Z试样1Z靶Z试样红试样黑靶原则：原则：Z靶靶Z试样试样1 或或 Z靶靶Z试样试样第55页/共67页四、四、X X射线的衰减规律射线的衰减规律X射线通过物质后的衰减射线通过物质后的衰减X射线强度衰减量dI与入射线强度I和层厚dx有关，即IH/I0称穿透系数或透射系数第56页/共67页 为常数，与入射的波长及物质有关，称为物质对X射线的线吸

25、收系数（也称线衰减系数）。物理意义：单位体积物质对单位体积物质对X射线的衰减程度射线的衰减程度。与物质的密度成正比，即与物质的存在状态有关。线吸收系数线吸收系数第57页/共67页质量吸收系数质量吸收系数单位：cm2/g质量吸收系数与密度无关。物理意义：单位重量物质（1CM2穿透截面积）对X射线 的衰减程度。若吸收体是多元素的化合物、固溶体或混合物时，其质量吸收系数决定于各组元的质量吸收系数及各组元的质量分数，即第58页/共67页质量吸收系数决定于吸收物质的原子序数和X射线的波长，关系为：物质的原子序数越大，对X射线的吸收能力越强；对一定的吸收体，X射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸收系数的

26、下降。但随波长的降低，质量吸收系数并非呈连续变化，而是在某些波长位置上突然升高，出现了吸收限吸收限。K为常数第59页/共67页质量吸收系数与波长的关系曲线质量吸收系数与波长的关系曲线产生光电效应条件：X X射线波长必须小于吸收限射线波长必须小于吸收限第60页/共67页光电效应解释吸收突变光电效应解释吸收突变当入射波长非常短时，它能打出K电子，形成K吸收。但因其波长太短，K电子不易吸收这样的光子能量，因此吸收系数小。随着波长的逐渐增加，K电子也越来越容易吸收这样的光子能量，因此吸收系数逐渐增大，直到K吸收限波长为止。如果入射X射线的波长比K稍大一点，此时入射光子的能量已不能打出K电子，不产生K吸

27、收；而对于L层电子来说，入射光子的能量又过大，也不易被吸收。因此，入射X射线波长比K稍大一点时，吸收系数有最小值。同理，可解释K吸收限至L吸收限之间曲线的变化规律。第61页/共67页五、五、X X射线与物质相互作用的总结射线与物质相互作用的总结热能透射X射线衰减后的强度Ix散射X射线电子荧光X射线相干非相干 反冲电子俄歇电子光电子康普顿效应俄歇效应 光电效应入射X射线强度I0第62页/共67页X X射线的安全防护射线的安全防护X射线设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤两种危险。电震的危险在高压仪器的周围是经常地存在的，X射线的阴极端为危险的源泉。在安装时可以把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏

28、后等方法加以保证。辐射损伤是过量的X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生育等。安全措施有：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、避免身体直接暴露在X射线下、定期进行身体检查和验血。第63页/共67页总结X射线的性质、产生原理、产生条件射线的性质、产生原理、产生条件X射线管的结构射线管的结构连续连续X射线谱产生机理、短波限射线谱产生机理、短波限特征特征X射线谱产生机理、莫塞莱定律射线谱产生机理、莫塞莱定律X射线的强度射线的强度第64页/共67页X X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 宏观效应-X射线强度衰减 微观机制-X射线被散射,吸收 (1)散射-相干散射,康谱顿散射 (2)吸收-产生光电子,荧光X射线,俄歇电子 (3)吸收限，滤波片及阳极靶的选择 光电效应光电效应 俄歇效应俄歇效应 吸收限吸收限第65页/共67页作业作业1、X射线的强度2、特征X射线3、光电效应4、俄歇效应5、简述特征X射线谱的产生机理第66页/共67页感谢您的观看！第67页/共67页