X射线的产生及X射线的性质.pptx

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1、 现在人们已经发现了许多的X射线产生机制，其中最为实用的能获得有足够强度的X射线的方法仍是当年伦琴所采用的方法用阴极射线（高速电子束）轰击阴极（靶）的表面。第1页/共59页 高真空 10-410-6Pa至高压发生器 40-120kV 接地高速电子流X射线第2页/共59页 当灯丝被通电加热至高温时（达2000），大量的热电子产生，在正负极之间的高电压作用下被加速，高速轰击到靶面上。高速电子到达靶面，运动突然受阻，其动能部分转变为辐射能，以X射线的形式放出。轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线能，而大部分都转变成为热能。第3页/共59页阴极：发射电子。钨丝，高压下释放出热辐射电子。

2、阳极：靶(Target)。高速运动的热辐射电子突然减速并发射X射线。阳极材料为Cu，称之为Cu靶。另外常用的还有Fe靶、Mo靶等。第4页/共59页一一.连续谱连续谱 高速电子与阳极靶的原子碰撞时，由高速运动突然转为停止不动，电子失去动能以光子形式辐射，这个光子流就是X射线。电子运动的动能 X光能第5页/共59页 设电子的动能为 eV，若一个电子的动能全部转化成X光子的能量，则：h h c/s =h c/max 这时该光子将具有最短的波长s。在实际的能量转化中，绝大多数电子，都有能量损耗，即 max,因此s s。实际形成：以s为最短波长的连续谱线。第6页/共59页第7页/共59页Mo靶的X射线谱

3、第8页/共59页第9页/共59页 连续光谱又称为“白色”X射线。连续光谱的短波限s只决定于X射线管的工作高压，即只取决于高速电子流的运动速度，而与靶无关只取决于高速电子流的运动速度，而与靶无关。s =h c/max h c/eV 代入各个参数后得到：s=12.395V；V的单位为kV,s的单位为 (angstrum)第10页/共59页二二.特征谱特征谱 从原子物理学知道，原子内的电子按照鲍林不相容原理和能量最低原理分布在各个能级上（电子轨道），用记号K、L、M、N表示。K层最靠近原子核，能量最低，稳定性最强（电子束缚能最高）。第11页/共59页例如：Na11的原子结构中电子的壳层分布第12页/

4、共59页 当当外外来来电电子子的的能能量量足足够够高高(大大于于K层层电电子子的的电电子子束束缚缚能能)，则则可可能能吧吧 K层层 的的一一个个电电子子击击飞飞，从从而而使使原原子子处处于于不稳定状态不稳定状态(激发态激发态)。高速电子流打飞的电子(光电子)第13页/共59页激发态不是稳定态，必然自发地向稳定态过渡。方法之一方法之一：较高能量的 L层层 电子向K层跃迁。第14页/共59页 在跃迁的过程中，前后存在能量差异，其差异即等于 K层层 与 L层层 的能级差 E EL-EK h 该差值能量将以该差值能量将以X射线的形式放射出去。射线的形式放射出去。h/EX射线射线第15页/共59页X射线

5、射线 方法之二方法之二：更高能级的M层向K层跃迁，E EM-EK h h/E 显然 同理，由N K的跃迁形成的辐射叫辐射。第16页/共59页 方法之二方法之二：更高能级的M层向K层跃迁，E EM-EK h h/E 显然 同理，由N K的跃迁形成的辐射叫辐射。X射线射线第17页/共59页 由于K层电子缺失、电子跃迁形成的X射线称K系X射线，即K、K、及K射线。第18页/共59页由：由：h/E 可知可知 不同的原子，各轨道间的能量差不同，因此，所产生的K、K、及K波长不同。即波长取决于原子序数，称之为特征谱。一般来讲，轨道越靠近，发生跃迁的几率越大，即 I I I另外：IK IL IM第19页/共

6、59页 在LK跃迁产生K辐射时，由于L电子层有三个亚层，三个亚层之间有微小的能量差异。能发生电子跃迁的是第二和第三亚层。第20页/共59页 E1 EL2-EK h hc/1 E2 EL3-EK h hc/2 所产生的K射线就分为K1和K2。其波长有微小的差异。比如Cu，K1 1.5405 K2 1.5443另外其射线 K 1.3921第21页/共59页第22页/共59页 通常情况下，在特征谱中，K1、K2、K的强度分布如下：I1：I2：I：100：50：13.8波长特征，例如Cu：K1 1.5405 K2 1.5443 K 1.3921Fe：K1 1.9360 K2 1.9400 K 1.75

7、66第23页/共59页在X射线衍射分析中，K射线的波长差异较大，可设法去掉和消弱其强度。由于 K1、K2的波长很接近，所以在很多情况下，都是按二者的加权平均值作为K射线的波长，计算方法如下：K=（2K1+K2）3 至于K射线，因其波长差异较大，必须设法去掉和消弱其强度。第24页/共59页 通常情况下，在特征谱中，K1、K2、K的强度分布如下：I1：I2：I：100：50：13.8 由于 K1、K2的波长很接近，所以在很多情况下，都是按二者的加权平均值作为K射线的波长，计算方法如下：K=（2K1+K2）3 至于K射线，因其波长差异较大，必须设法去掉和消弱其强度。第25页/共59页典型的X射线谱（

8、含连续谱和特征谱）第26页/共59页几种常用阳极靶材料的特征谱参数几种常用阳极靶材料的特征谱参数 第27页/共59页 三.特征X射线波长与阳极材料的关系 式中 某线系(、)的特征射线的波长 Z原子序数 K，为给定的线系的常数。第28页/共59页第29页/共59页元素K1K1L1M14Be114.0011Na11.9111.5826Fe1.9361.75717.5929Cu1.5411.39213.3435Br1.0410.9338.37555Cs2.89274W1.4766.98383Bi1.1445.118不同元素的特征X射线波长()第30页/共59页(1)阳极材料已知时 电子束轰击可以得到

9、已知波长的特征X射线-用于X射线衍射分析的光源。如，Cu阳极(Cu靶)，得到Cu：K1 1.5405 K2 1.5443 K 1.3921第31页/共59页(2)阳极材料未知时 阳极换成未知样品，则样品中含有那种元素，即可得到那种元素的特征X射线波长，若含多种元素，则得到各该种元素的特征X射线波长。如果能测定出样品产生的X射线波长(或能量)，则可以鉴定出样品中的元素种类(及含量)-EPMA,EDX(Elctron probe microscopic analyzer,Energy dispersive X ray analysis)。第32页/共59页四四.X射线与物质的相互作用射线与物质的相

10、互作用 (1)相干散射：当入射光子碰撞电子后，若电子能牢固地保持在原来位置上，则光子将产生刚性碰撞，其作用效果是辐射出电磁波-散射波。这种散射波的波长和频率与入射波完全相同，新的散射波之间将有可能发生相互干涉-相干散射-XRD(X ray diffraction)。第33页/共59页（2）非相干散射）非相干散射(a)光电子光电子 当入射X光子的能量足够大时，入射电子可以将原子的内层电子击出使其成为光电子。入射X射线光电子第34页/共59页第35页/共59页 若入射X射线的波长是单色(能量已知)，则被击打出的光电子的能量为：入射线的能量 电子在原子核外所具有的能量 由于不同元素的核外电子具有不同

11、的能量，因此，如能测定该光电子的能量，则可确定被照射物质的化学成分-XPS原理(X ray Photo-lectronic Spectroscopy)。对光源的要求：固定的已知能量，常采用单色X射线。(X射线不容易聚焦，因此样品分析时空间分辨率低)第36页/共59页第37页/共59页MgK激发Ag得到的光电子谱Auger第38页/共59页XPS进行成分测定的特点：.样品最表面元素种类(及含量)的测定(信息深度10层原子)。较深部位元素产生的光电子很难逸出样品表面。.元素的不同状态，其光电子的能量会有差异(化学位移)，因此可测定元素的不同状态-价态、配位形式等。例如Si的2p电子结合能：单质硅中

12、：99.6eV SiO2中：103.4eV第39页/共59页有机化合物化学位移举例第40页/共59页(b)X荧光 光电效应发生后，原子的内层电子缺失，成激发状态，激发态 稳定态 和前面讲述的X射线产生的原理一样，将产生X射线，称之为二次X射线荧光辐射。该X射线的波长，完全取决与物质中的原子类型，而入射线可为单色，也可为白色。若测定该二次射线的波长，即可得到物质的化学组成-XRF原理(X-Ray Fluorescence spectrometer)。第41页/共59页（c）俄歇效应）俄歇效应 如果原子K层电子被击出，L层电子向K层跃迁，其能量差不是以产生K系X射线光量子的形式释放，而是被邻近电子

13、所吸收，使这个电子受激发而逸出原子成为自由电子-俄歇电子。这种现象叫做俄歇效应-AES原理(Auger Electron Spectrometry)。第42页/共59页KLL AugerE=EK-EL-EL第43页/共59页俄歇电子的能量：EKLL=EK-EL-EL被电离的电子跃迁的电子变成Auger电子的电子俄歇电子的能量只取决于原子本身，而与激发光俄歇电子的能量只取决于原子本身，而与激发光源无关，因此一般的俄歇电子谱仪采用源无关，因此一般的俄歇电子谱仪采用电子束作电子束作为光源为光源(电子束能量高，且容易聚焦，因此空间分辨率高电子束能量高，且容易聚焦，因此空间分辨率高)。第44页/共59页

14、 各种元素的俄歇电子能量第45页/共59页平均俄歇电子产额随原子序数的变化第46页/共59页X荧光产额与俄歇电子产额之间满足 +=1 一般地，较轻的元素，产生俄歇电子的几率较大，而较重的元素则产生X荧光的几率较大。第47页/共59页14号以前的元素，采用KLL俄歇电子14-42：LMM俄歇电子42号以后的元素：MNN或MNO俄歇电子一般来说，俄歇电子谱仪对轻元素的分析更为有效。也是一种针对样品最表面的元素进行分析。第48页/共59页1例Cr-Mo-V合金的俄歇电子图谱(括号内为电子能量eV)第49页/共59页(3)物质对X射线的吸收光电效应，俄歇效应以及热效应所消耗的那部分入射X射线能量称为物

15、质对X射线的真吸收。因此当X射线穿过物质时，X射线的能量将被衰减。第50页/共59页 物质对于X射线的总体吸收用吸收系数来描述：/=K 3 Z3 式中K为常数，为X射线的波长，Z为物质的原子序数，为吸收系数，为物质的密度。/为称质量吸收系数，记为m。由公式可知，m随原子序数及X射线的波长急剧增大，但其增大的过程很有意义,见下图：第51页/共59页第52页/共59页m出现台阶状跳出现台阶状跳跃的原因跃的原因（用光电效应来解释）：（1）波长恒定，m随原子序数的变化；第53页/共59页 （2）元素恒定，m随波长的变化第54页/共59页吸收系数的应用滤波片滤波片：对原始X射线进行过滤，目的是滤掉射线。

16、第55页/共59页 例如对Cu靶产生的X射线，原始的特征线强度分布为 I1：I2：I 100:50:13.8 用Ni滤波片“过滤”后，强度分布为：I：I 500：1第56页/共59页25：Mn26：Fe27：Co28：Ni在在CuKa射线照射下，射线照射下，吸收比较大，即产生吸收比较大，即产生较多的荧光散射，因较多的荧光散射，因此对于含大量这些元此对于含大量这些元素的物质，衍射效果素的物质，衍射效果不好。不好。解决方法：换解决方法：换FeKa,波长波长1.9374A第57页/共59页作业作业1.以以Cu靶为例，简述靶为例，简述K1、K2、K射线的产生原理。射线的产生原理。2.试论述物质对于试论

17、述物质对于X射线的吸收（吸收系数与原子序数、射线的吸收（吸收系数与原子序数、波长的关系）波长的关系）3 当激发当激发L系特征系特征X射线时，能否同时产生射线时，能否同时产生K特征特征X射线？射线？反之，当激发反之，当激发K系特征系特征X射线时，能否同时产生射线时，能否同时产生L系特征系特征X射线？为什么射线？为什么?4 解释为什么会有吸收边。解释为什么会有吸收边。K吸收边为什么只有一个，而吸收边为什么只有一个，而L系吸收边却有三个？系吸收边却有三个？5 试论述试论述XRD,EPMA,XPS,XRF,AES几种测试分析几种测试分析原理之间的联系。原理之间的联系。第58页/共59页感谢您的观看。第59页/共59页