材料研究方法第1章..优秀PPT.ppt

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1、材料探讨方法 Ix 射线衍射任课老师任课老师卢志红卢志红 专业：专业：金属材料工程金属材料工程地址：地址：6-358电话电话:QQ:1436304811 E-Mail:驾驭驾驭 基本原理和基础学问，驾驭基本原理和基础学问，驾驭x射线衍射法分射线衍射法分析材料的方法。析材料的方法。内容内容x射线衍射分析的基本原理及应用。射线衍射分析的基本原理及应用。1）X射线的产生、射线的产生、x射线衍射原理射线衍射原理2）x射线对材料结构、物相、应力以及织构分射线对材料结构、物相、应力以及织构分析析要求要求课程的内容与要求课程的内容与要求课时支配及课程进度课时支配及课程进度授课方式课堂探讨课堂探讨 每节课前后

2、每节课前后5-105-10分钟分钟课堂讲授（课堂讲授（3434学时）学时）课后作业和思索题课后作业和思索题考试与纪律总成绩笔试(80)平常(20)尽量不要旷课考勤+作业绪论x射线衍射技术可以对材料的晶体结构,物相以及成分和应力织构等进行分析。材料的应用与性能紧密相连材料性能取决于：成分、结构、加工工艺等。x射线的发觉以及x射线衍射l德国人伦琴(Wilhelm Conrad Rntgen)l 发觉x射线 1895.l1901 诺贝尔物理奖Wilhelm Conrad Rntgen(1845-1923)A modern radiograph of a hand Bertha Rntgens Han

3、d 8 Nov,1895 l劳埃(Max von Laue)第一个发觉x射线在晶体上的衍射l1914年诺贝尔物理奖l l证明白x射线的波动性，晶体结构的周期性，奠定了x射线衍射的基础。Max von Laue(1897-1960)x射线的发觉以及x射线衍射l布拉格父子(William Henry Bragg 和 William Lawrence Bragg）推倒出著名的Bragg 公式l1915年诺贝尔物理奖.l奠定了晶体结构分析的基础William LawrenceBragg(1890-1971)Sir William HenryBragg(1862-1942)x射线的发觉以及x射线衍射X射

4、线及相关技术应用与意义l广泛应用于各领域l 物理学、材料科学、生物医学l 工业、农业 等l一百年来对人类影响最大的发觉居首l与之相关的诺贝尔奖25次导论导论1901190119011901伦琴伦琴伦琴伦琴 (Roentgen)(Roentgen)(Roentgen)(Roentgen)发发发发 觉觉觉觉 X X X X射射射射 线线线线(1895)(1895)(1895)(1895)1914191419141914劳厄（劳厄（劳厄（劳厄（LaueLaueLaueLaue）晶晶晶晶体体体体的的的的X X X X射射射射线线线线衍射衍射衍射衍射1915191519151915布拉格父子布拉格父子布

5、拉格父子布拉格父子(Bragg)(Bragg)(Bragg)(Bragg)分分分分析析析析晶晶晶晶体体体体结结结结构构构构1917191719171917 巴克拉巴克拉巴克拉巴克拉(Barkla)(Barkla)(Barkla)(Barkla)元素的标识元素的标识元素的标识元素的标识X X X X射线射线射线射线1924192419241924塞格巴恩塞格巴恩塞格巴恩塞格巴恩(Siegbahn)(Siegbahn)(Siegbahn)(Siegbahn)X X X X射线光谱学射线光谱学射线光谱学射线光谱学1927192719271927康普顿康普顿康普顿康普顿(Compton(Compton

6、(Compton(Compton等六人等六人等六人等六人)康普顿效应康普顿效应康普顿效应康普顿效应1936193619361936德拜德拜德拜德拜(Debye)(Debye)(Debye)(Debye)化学化学化学化学1946194619461946马勒马勒马勒马勒(Muller)(Muller)(Muller)(Muller)医学医学医学医学1964196419641964霍奇金霍奇金霍奇金霍奇金(Hodgkin)(Hodgkin)(Hodgkin)(Hodgkin)化学化学化学化学1979197919791979柯柯柯柯马马马马克克克克森森森森菲菲菲菲尔尔尔尔德德德德（Cormack/Ho

7、unsfieldCormack/HounsfieldCormack/HounsfieldCormack/Hounsfield）医学医学医学医学1981198119811981 塞格巴恩塞格巴恩塞格巴恩塞格巴恩(Siegbahn)(Siegbahn)(Siegbahn)(Siegbahn)物理物理物理物理 X射线大事记射线大事记l主要内容：主要内容：l 1.1、X射线的起源与性质射线的起源与性质l 1.2、X-Ray 的产生的产生l 1.3、X-Ray 谱谱l1)连续连续X射线谱及其产朝气理射线谱及其产朝气理l 2)特征特征X射线谱及其产朝气理（重点，难点）射线谱及其产朝气理（重点，难点）l 1

8、.4、X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用l1.4.X射线的散射射线的散射l1.4.射线的吸取射线的吸取l1.4.射线的衰减规律射线的衰减规律l1.5 吸取限的应用吸取限的应用 1.6、X射线的探测与防护射线的探测与防护lX射线的物理基础射线的物理基础第一章第一章l1.1 X射线的性质射线的性质 1、X射线是一种射线是一种电磁波电磁波，具有，具有波粒二象性波粒二象性 2、X射线的波长：射线的波长：1021023、X射线的射线的（）、）、振动频率振动频率和传播速度和传播速度C（ms-1）符合符合 C/X射线的物理基础射线的物理基础什么是电磁波什么是电磁波麦克斯韦方程麦克斯韦方程:波动方程：

9、波动方程：电场和磁场的本质及内在联系电场和磁场的本质及内在联系电场和磁场的本质及内在联系电场和磁场的本质及内在联系电荷电荷电流电流磁场磁场电场电场运动运动变化变化变化变化激激发发激激发发4、X射线可看成具有确定能量射线可看成具有确定能量E、动量、动量P、质量质量m的的X光子：光子：Eh =hc/P=h/h 普朗克常数普朗克常数 c 光的传播速度光的传播速度X射线的物理基础射线的物理基础图图11 电磁波波谱电磁波波谱思索：各种波的在本质上有没有不同?X X射线的波长范围：射线的波长范围：100-0.01100-0.01 或或 10-0.001nm 10-0.001nm 硬硬X X射线：射线：0.

10、05-2.5 0.05-2.5 主要用于主要用于晶体结构分析晶体结构分析 0.05-1 0.05-1 主要用于主要用于金属探伤金属探伤等等软软X X射线：射线：10-100 10-100 主要用于主要用于医学医学 波长的单位：波长的单位：nm（纳米）（纳米）国际单位国际单位 常用单位常用单位 KX 晶体学单位（不常用）晶体学单位（不常用）换算关系：换算关系：1nm=10=10-9m X射线的物理基础射线的物理基础l固体靶源固体靶源 l同步辐射同步辐射 l等离子体源等离子体源l同位素同位素l核反应核反应l其他其他1.2 X射线产生射线产生 1.2 x-ray的产生的产生l X射线的物理基础射线的

11、物理基础 高高 速速 运运 动动 的的 电电 子子 流在突然被减速能产生流在突然被减速能产生X射线射线射线射线射线射线 高能辐射流轰击原子或原子核高能辐射流轰击原子或原子核中子流中子流图图12 X-ray管剖面示意图管剖面示意图 X射线的物理基础射线的物理基础X射线管的工作原理射线管的工作原理X射线管射线管电子枪：产生电子并将电子电子枪：产生电子并将电子束聚焦，钨丝成螺旋式，通束聚焦，钨丝成螺旋式，通以电流钨丝烧热放出自由电以电流钨丝烧热放出自由电子子金属靶：放射金属靶：放射X射线，阳极靶射线，阳极靶通常由传热性好熔点较高的金通常由传热性好熔点较高的金属材料制成，如铜、钴、镍、属材料制成，如铜

12、、钴、镍、铁、铝等。铁、铝等。X射线的物理基础射线的物理基础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射线管剖面示意图（回车键演示）过程演示l整个整个X射线光管处于真空状态。当阴极射线光管处于真空状态。当阴极和阳极之间以数十千伏的高电压时，阴和阳极之间以数十千伏的高电压时，阴极灯丝产生的电子在电场的作用下被加极灯丝产生的电子在电场的作用下被加速并以高速射向阳极靶，经高速电子与速并以高速射向阳极靶，经高速电子与阳极靶碰撞，从阳极靶产生阳极靶碰撞，从阳极靶产生X射线，这射线，这些些X射线通过用金属铍（厚约射线通过用金属铍（厚约0.2mm)做做成的成的X射线管窗口射出，即可供应

13、应试射线管窗口射出，即可供应应试验所用。验所用。X射线管的工作原理射线管的工作原理X射线的物理基础射线的物理基础图图13 X射线接收方向射线接收方向X射线的物理基础射线的物理基础通常与靶面成3-6 夹角图图14 不同方向的表观焦点不同方向的表观焦点特殊结构的特殊结构的X射线管射线管l旋转阳极旋转阳极X射线管射线管提高提高X射射线管功率线管功率l细聚焦细聚焦X射线管射线管提高辨别本提高辨别本事事X射线仪射线仪X射线机主要线路图射线机主要线路图X射线的物理基础射线的物理基础.3 x-ray谱谱连续谱连续谱：强度随波长连续变更的强度随波长连续变更的线谱线谱特征谱：特征谱：波长确定、强度很大的特征波长

14、确定、强度很大的特征谱谱特征谱线又称为标识谱，即特征谱线又称为标识谱，即可以来标识物质元素。可以来标识物质元素。X射线的物理基础射线的物理基础X射线谱图图16 连续连续x-ray谱谱 各管电压下各管电压下W的连的连续谱续谱连续连续X射线谱射线谱1）强度随波长而连续变更，每条曲）强度随波长而连续变更，每条曲线都对应有一个最短的波长（短波线都对应有一个最短的波长（短波限限0）和一个强度的最大值。最大）和一个强度的最大值。最大值一般在值一般在1.50地方。地方。X射线的物理基础射线的物理基础X X射线的强度射线的强度 lX X射射线线的的强强度度是是指指行行垂垂直直X X射射线线传传播播方方向向的的

15、单单位位面面积积上上在在单单位位时时间间内内所所通通过过的的光光子子数数目目的的能能量量总总和和。常常用用的的单单位位是是J/cm2.s.J/cm2.s.lX X射射线线的的强强度度I I是是由由光光子子能能量量hvhv和和它它的的数数目目n n两两个个因因素素确确定定的的,即即I=nhv.I=nhv.连连续续X X射射线线强度最大值在强度最大值在1.50,1.50,而不在而不在00处。处。X X射线的强度射线的强度l连续连续X X射线谱中每条曲线下的面积表示连射线谱中每条曲线下的面积表示连续续X X射线的总强度射线的总强度I I。也是阳极靶放射出。也是阳极靶放射出的的X X射线的总能量。射线

16、的总能量。l2）0与与管流管流、靶的材料靶的材料无关，只与无关，只与管压有管压有关关，二者之间的关系：，二者之间的关系：0=1.24/V(nm)随着管压的增大，随着管压的增大，0向短波方向移动。向短波方向移动。X射线的物理基础射线的物理基础连续连续X射线谱射线谱短波限推导：短波限推导：在极限条件下，电子能量全部转化为光子能量：在极限条件下，电子能量全部转化为光子能量：式中式中e为电子电荷，为电子电荷，V为电压降，为电压降，h为普朗克常数，为普朗克常数，c为光速。为光速。X射线的物理基础射线的物理基础将相关常数带入上式，将相关常数带入上式，V的单位为的单位为kV,则有则有 X射线的物理基础射线的

17、物理基础l3）连续）连续X射线的射线的强度强度不仅与不仅与管压管压有关，还有关，还与与管流和靶材管流和靶材有关。有关。I连连=iZVmli为电流强度，为电流强度，Z为靶材的原子序数为靶材的原子序数 l m与与为常数分别为为常数分别为2 和和1.1-1.4)101.1-1.4)109 9图图1.7 管流、管压和靶材的原子序数对连续谱的影响管流、管压和靶材的原子序数对连续谱的影响 当须要连续当须要连续X X射线时，接受重元素的靶射线时，接受重元素的靶能得到较强的连续能得到较强的连续X X射线。射线。X X射线管的效率：射线管的效率：=连续连续X X射线的总强度射线的总强度/X/X射线管的功射线管的

18、功率率=ZV=ZV当用钨靶（当用钨靶（Z=74Z=74），管压为），管压为100KV100KV。1%1%。可见。可见X X射线管的效率很低。要提高射线管的效率很低。要提高效率，应接受高电压和重金属。效率，应接受高电压和重金属。X射线的物理基础射线的物理基础l 按按量量子子理理论论，高高速速的的电电子子 撞撞击击靶靶原原子子每每撞撞击击一一次次就就产产生生一一个个能能量量为为hvhv的的光光子子（X X射射线线）单单位位时时间间内内到到达达靶靶表表面面的的电电子子数数量量很很多多 部部分分电电子子一一次次碰碰撞撞就就耗耗尽尽全全部部能能量量大大多多数数电电子子要要经经过过多多次次碰碰撞撞 多多次

19、次辐辐射射各各个个光光子子的的能能量量是是各各不不相相同同构构成成连连续续的的X X射射线线谱谱。lw连续连续X射线谱产朝气理射线谱产朝气理X射线的物理基础射线的物理基础特征特征X射线谱射线谱X射线的物理基础射线的物理基础l随着电压的增大，其强度进一步增加，但波随着电压的增大，其强度进一步增加，但波长不变，也就是说，这些谱线的波长与管压长不变，也就是说，这些谱线的波长与管压和管流无关。和管流无关。l它与靶材有关它与靶材有关,对给定的靶材，它们的这对给定的靶材，它们的这些谱线是特定的。因此，称之为特征些谱线是特定的。因此，称之为特征X X射线射线谱或标识谱或标识X X射线谱。产生特征射线谱。产生

20、特征X X射线的最低电射线的最低电压称激发电压。压称激发电压。X射线的物理基础射线的物理基础lK K系标识系标识X X射线的强度与管电压、管电流射线的强度与管电压、管电流的关系为：的关系为：表表1.1l 在在X射线多晶衍射工作中，主要利射线多晶衍射工作中，主要利用用K系系辐射，而连续谱只能辐射，而连续谱只能增加衍射增加衍射花样的背影花样的背影，因此实际工作中总是希，因此实际工作中总是希望特征谱强度与连续谱强度的比越大望特征谱强度与连续谱强度的比越大越好，当越好，当V工作工作/Vk35，I特征特征/I连续连续最大。最大。V工作工作/Vk35 Why莫莫塞塞来来19141914年年总总结结了了特特

21、征征X X射射线线与与靶靶材材原原子子结结构构之之间间的的关关系：系：K K为为 常常 数数，与与 原原 子子 的的 主主 量量 子子 数数 有有 关关 为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。或或KLMNOK系激发系激发KKKL系激发系激发LL特征特征X射线产生示意图射线产生示意图 2）核外电子的激发与跃迁）核外电子的激发与跃迁能能量量原子核原子核阴极电子，阴极电子，速度速度X射线的物理基础射线的物理基础K系激发机理 lK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层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生K辐射；M层电子填充空位时产生K

22、辐射。wX射线管中，射线管中，w阴极放射的电子束阴极放射的电子束 轰击阳极轰击阳极 内层电子内层电子击出击出 低能级上出现空位低能级上出现空位 系统处于激发系统处于激发状态（不稳定）状态（不稳定）较高能级上的电子向低能较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁（系统能量重新降低而趋于稳定）级上的空位跃迁（系统能量重新降低而趋于稳定）w 多余的能量以光子的形式向外辐射特征多余的能量以光子的形式向外辐射特征X射射线。辐射光子的能量为：线。辐射光子的能量为：hn2-n1En2-En1 w En2和和En1 分别为高能级和低能级电子分别为高能级和低能级电子的能量的能量 特征特征x-ray谱产生的机理谱产生的

23、机理X射线的物理基础射线的物理基础图1.10 特征X射线谱（右图为横轴放大的Ka双重线）原子能级及电子跃迁产生特征原子能级及电子跃迁产生特征原子能级及电子跃迁产生特征原子能级及电子跃迁产生特征X X射线示意图射线示意图射线示意图射线示意图n=1n2（L层）（K层）n3（M层）K系L系K1K2K1L1L2K2LLLX射线的物理基础射线的物理基础 当原子M电子层及更外层没有电子时，就不能产生L系谱。事实上，X射线物相分析及结构分析主要用 K作为单色X射线源 临界电压计算如下：Vk是阴极电子击出K电子所需的临界激发电压，Wk是击出一个K层电子需做的功 K2/3 K1+1/3 K 2X射线的物理基础射

24、线的物理基础l思索题：思索题：l前面学习了连续谱与特征谱产生的前面学习了连续谱与特征谱产生的机理及各自特点，请同学们总结出机理及各自特点，请同学们总结出它们的不同点。它们的不同点。连续谱连续谱特征特征X射线谱射线谱1、强度随波长连续、强度随波长连续变更变更2、强度与管电压、强度与管电压、管电流、原子序数有管电流、原子序数有关关3、其产生：高能电、其产生：高能电子的能量损失频率有子的能量损失频率有关（电子能量关（电子能量X射线光子能量）射线光子能量）1、波长确定而强度很、波长确定而强度很强强2、与靶材有关，有一、与靶材有关，有一个激发电压有关，与管个激发电压有关，与管电流无管电流无管3、特征谱的

25、产生与靶、特征谱的产生与靶材原子内部结构有关如材原子内部结构有关如K，K（核外不同能（核外不同能级之间能量差级之间能量差X射射线光子能量）线光子能量）连续谱与特征谱的比较连续谱与特征谱的比较 X射线与物质相互作用时，就其能量转换而言可分为三个部分:散射 透射 吸取1.4、X射线与物质的作用射线与物质的作用1.4.1 x射线的散射射线的散射 相干散射相干散射:（汤姆逊散射（汤姆逊散射/弹弹性散射）性散射）X射线与物质的作用射线与物质的作用相干散射是相干散射是X射线在晶体中射线在晶体中产生衍射的基产生衍射的基础。础。相干散射特点：相干散射特点：A、与物质原子中、与物质原子中束缚力较大束缚力较大的的

26、电子（内层电子）的作用。电子（内层电子）的作用。X射线与物质的作用射线与物质的作用B、电子作受迫振动放射电磁、电子作受迫振动放射电磁波，称散射波。波，称散射波。C、各散射波之间符合振动方向相、各散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的干同、频率相同、位相差恒定的干涉条件，可涉条件，可产生干涉作用产生干涉作用。非相干散射（非相干散射（康普顿散射康普顿散射/非弹性散射）非弹性散射）入射入射X射线射线 束缚较弱的外层电束缚较弱的外层电子或自由电子子或自由电子 反冲电子反冲电子 散射散射X射线射线 的波长变长了。的波长变长了。x射线非相干散射射线非相干散射 非相干散射不能参与晶体非相干散射不

27、能参与晶体对对X射线的衍射，只会在衍射线的衍射，只会在衍射图上形成不利的背景。射图上形成不利的背景。X射线与物质的作用射线与物质的作用l特点：特点：lA、X射线作用于束缚较小的外层电子射线作用于束缚较小的外层电子或自由电子。或自由电子。X射线与物质的作用射线与物质的作用B、散射、散射X射线的波长变长了。射线的波长变长了。散射散射X射线波长的变更与传播方向存在如射线波长的变更与传播方向存在如下的关系：下的关系：=0.0024(1-cos2)C、由于散射、由于散射X射线的波长随散射方向而变，射线的波长随散射方向而变，不能产生干涉效应不能产生干涉效应。故这种。故这种X射线散射称射线散射称为非相干散射

28、。为非相干散射。我国著名的物理学家吴有训与美国物理学家康普顿一我国著名的物理学家吴有训与美国物理学家康普顿一起在起在19241924年发觉的此效应。故亦称康普顿吴有训效应年发觉的此效应。故亦称康普顿吴有训效应 l在非弹性散射中，除康普顿散射外，在非弹性散射中，除康普顿散射外，l还有拉曼散射、热漫散射、黄昆散射（了解）。还有拉曼散射、热漫散射、黄昆散射（了解）。l拉曼散射：是拉曼散射：是X射线光子能量比壳层电子临界激发能小射线光子能量比壳层电子临界激发能小得特别多时发生的共振散射。利用拉曼散射可以测量物得特别多时发生的共振散射。利用拉曼散射可以测量物质内的电子状态变更。质内的电子状态变更。X射线

29、与物质的作用射线与物质的作用l热漫散射：是热漫散射：是X射线光子与声子（谐射线光子与声子（谐振动的能量的量子化）碰撞造成的。振动的能量的量子化）碰撞造成的。光子的能量损失很少，可以把它看成光子的能量损失很少，可以把它看成晶格热振动造成的晶格畸变引起的漫晶格热振动造成的晶格畸变引起的漫散射。利用热漫散射可以测定物质的散射。利用热漫散射可以测定物质的特征温度等热学性质，推断原子间结特征温度等热学性质，推断原子间结合力。合力。X射线与物质的作用射线与物质的作用l黄昆散射：是晶格静畸变黄昆散射：是晶格静畸变 引起的漫引起的漫散射，这种散射引起的散射，这种散射引起的X X射线能量损射线能量损失也很少。利

30、用黄昆散射可以测定失也很少。利用黄昆散射可以测定晶体缺陷及其旁边的应力场、原子晶体缺陷及其旁边的应力场、原子偏聚、短程有序等。偏聚、短程有序等。物质对物质对 x x射线的散射回顾：射线的散射回顾：l弹性散射 汤姆逊散射、l非弹性散射 康普顿散射68 完全非弹性碰撞（好比经典中的碰后粘在一起）：完全非弹性碰撞（好比经典中的碰后粘在一起）：光子被电子完全吸收（光子被电子完全吸收（“粘在一起粘在一起”），电子能量），电子能量增加增加,电子能量足够大时成为光电子逸出。电子能量足够大时成为光电子逸出。即光电效应即光电效应经典力学典型情况经典力学典型情况完全非弹性碰撞完全非弹性碰撞弹性碰撞弹性碰撞非弹性碰

31、撞非弹性碰撞*光子、电子均视为光子、电子均视为“点粒子点粒子”，所以不考虑一般，所以不考虑一般 非弹性碰撞非弹性碰撞非弹性碰撞就是在经典理论中的碰后有形变，比如碰扁、变非弹性碰撞就是在经典理论中的碰后有形变，比如碰扁、变形。既然是点粒子，自然没有大小，也就无所谓形变了，故形。既然是点粒子，自然没有大小，也就无所谓形变了，故不考虑该种类型的碰撞。不考虑该种类型的碰撞。69 弹性弹性碰撞碰撞原子量越小物质发生其次种碰撞概率越大，原子量越小物质发生其次种碰撞概率越大，康普顿效应显著。康普顿效应显著。光子光子内层电子内层电子束缚强束缚强光子光子原子原子mM光子能量不变光子能量不变弹性散射弹性散射相当于

32、相当于光子光子外层电子外层电子束缚弱束缚弱光子光子自由电子自由电子光子能量减少光子能量减少电子获得能电子获得能量反冲量反冲康普顿散射康普顿散射相当于相当于康普顿效应特点康普顿效应特点1 1）波长的变更（）波长的变更（-0-0）与物质无关，只）与物质无关，只与角度有关。与角度有关。2 2）原子量越小的物质，康普顿效应越显著）原子量越小的物质，康普顿效应越显著3 3）入射波波长越短康普顿效应越显著。）入射波波长越短康普顿效应越显著。72解：波长改变量相同，均为解：波长改变量相同，均为对紫光对紫光入射光能量较低入射光能量较低时，康普顿效应不显著，将主要时，康普顿效应不显著，将主要观察到光电效应观察到

33、光电效应1.4.2 x射线的吸取射线的吸取 X射线通过物质时，射线通过物质时，X射线的强度会衰减。射线的强度会衰减。其中，因散射引起的衰减远远小于因吸其中，因散射引起的衰减远远小于因吸取导致的衰减量。因此，可以近似地认取导致的衰减量。因此，可以近似地认为，为，X射线通过物质后其强度的衰减是由射线通过物质后其强度的衰减是由于物质对它的吸取所造成的。于物质对它的吸取所造成的。X射线与物质的作用射线与物质的作用I0和和Ix分别为入射和透过物分别为入射和透过物质后质后X射线的强度，射线的强度，X为厚为厚度。度。衰减的程度可以用吸取系数来表征：X射线与物质的作用射线与物质的作用u为物质的线吸取系数为物质

34、的线吸取系数 意义：当意义：当X射线通过物质时，在射线通过物质时，在X射线传播方向上，单位长度上射线传播方向上，单位长度上X射射线强度的衰减程度（线强度的衰减程度（cm-1)。它与。它与物质的种类、密度和物质的种类、密度和X射线的有关。射线的有关。波长越大吸取越强。波长越大吸取越强。X射线与物质的作用射线与物质的作用 单位为单位为cm2/g,则：则：实际中最常用的是物质的质量吸取系数um为物质的密度。质量吸取系数的意义为物质的密度。质量吸取系数的意义是单位质量物质对是单位质量物质对X射线的衰减程度。射线的衰减程度。X射线与物质的作用射线与物质的作用 质量吸取系数与物质的密度和状态无关，而与物质

35、的原子序数（即原子的种类）和入射X射线的波长有关。它们的关系为：K K为常数。为常数。质量吸取系数反映了不同物质对质量吸取系数反映了不同物质对X X射射线的吸取程度。线的吸取程度。X射线与物质的作用射线与物质的作用 1）吸取系数随波长的增大而增大,且在确定区间内是连续变更的。这是因为X射线的波长越长越简洁被物质所吸取。X射线与物质的作用射线与物质的作用2）在某些波长的位置上产生跳动式的）在某些波长的位置上产生跳动式的突变。即吸取限或激发限的存在。突变。即吸取限或激发限的存在。假如吸取体中是由两种以上的元素组成的化合物或混合物、或溶液，其总的质量吸取系数为：um=w1um1+w2um2+wpum

36、p w1,w2 和和wp 为该吸取体中各组分为该吸取体中各组分的质量分数的质量分数 um1,um2 和和ump为该吸取体中各组为该吸取体中各组分的质量吸取系数分的质量吸取系数 X射线与物质的作用射线与物质的作用 计算计算SiO2对对Cu的的K辐射的质量吸辐射的质量吸取系数（取系数（1.5418 ）已知原子量）已知原子量Si=28.08,O=16.0。X射线与物质的作用射线与物质的作用例题例题：则则SiO2的质量吸取系数为：的质量吸取系数为：解：查附表解：查附表2得得Si、O对对Cu的的K辐辐射的质量吸取系数射的质量吸取系数m（Si）=60.3,m（O）12.7光电效应光电效应 以光子以光子激发

37、原子所发生的激发和激发原子所发生的激发和辐射过程。辐射过程。当一个具有足够能量的当一个具有足够能量的X射线光射线光子与物质中的原子相互碰撞时，从原子与物质中的原子相互碰撞时，从原子内部（子内部（例如例如K层）击出一个电子，层）击出一个电子，同时发生辐射而产生特征同时发生辐射而产生特征X射线。被射线。被击出的电子称为击出的电子称为光电子光电子；所辐射的；所辐射的次次级级X射线射线称为标识称为标识X射线或射线或荧光荧光X射线射线。X射线与物质的作用射线与物质的作用 激发激发K K系光电效应时，系光电效应时，X X射线光子的能量必需大于（其临界值应射线光子的能量必需大于（其临界值应等于）为击出一个等

38、于）为击出一个K K层电子所作的功：层电子所作的功：X射线与物质的作用射线与物质的作用X射线与物质的作用射线与物质的作用lk k 从激发光电效应的角度说，从激发光电效应的角度说，称为称为激发限波长激发限波长，意义是只有入，意义是只有入射的射的X X射线波长达到或小于它时，射线波长达到或小于它时，才能激发物质的二次特征才能激发物质的二次特征X X射线。射线。从从X射线被吸取的角度看，称为吸取射线被吸取的角度看，称为吸取限波长。意义是当入射的限波长。意义是当入射的X射线的波长达射线的波长达到它时，入射到它时，入射X射线将被该物质猛烈吸取，射线将被该物质猛烈吸取，并产生光电效应。并产生光电效应。在不

39、同的场合，对于K 有不同的要求：衍射分析中，荧光X射线增加衍射花样的背底，因此要尽量避开。(阳极材料的K 大于样品物质的K)X射线荧光分析中，希望得到尽可能强的荧光X射线，因此，激发源的K 应小于样品物质的KX射线与物质的作用射线与物质的作用俄歇电子俄歇电子 处于电离态的原子中的电子发生处于电离态的原子中的电子发生能级跃迁（退激）时，所释放的能能级跃迁（退激）时，所释放的能量使另一核外电子被电离，此电子量使另一核外电子被电离，此电子即为俄歇电子。即为俄歇电子。即：当特征即：当特征X-RayX-Ray光子的能量足够大光子的能量足够大时，可以再次激发原子的外层电子，时，可以再次激发原子的外层电子，

40、使之成为自由电子，并勉出样品。使之成为自由电子，并勉出样品。俄歇电子的能量范围：俄歇电子的能量范围：501500eV501500eV。X射线与物质的作用射线与物质的作用思索题l特征X射线与荧光X射线（二次特征X射线）的区分是什么？1.5 吸取限的应用吸取限的应用滤波片的选用滤波片的选用 X射线衍射分析中，在大多数状况下都希望所运用的X射线波长单一，即“单色”X射线。利用材料的K系吸取限，选择合适的滤波材料，使吸取限k刚好位于特征x射线的K及K辐射之间，能够滤掉K而K辐射强度损失较小，从而得到单色的K Ni 的吸取限的吸取限:0.14869nm，它对，它对0.14869nm波长及稍短波长的波长及

41、稍短波长的X射线有射线有猛烈的吸取。而对比猛烈的吸取。而对比0.14869稍长的稍长的X射线吸取很小。射线吸取很小。Cu靶靶X射线射线:K=0.15418nm K=0.13922nm l滤波片的选用原则滤波片的选用原则 滤波片的材料依靶的材料而定滤波片的材料依靶的材料而定。当当Z Z靶靶4040时，时，Z Z滤滤=Z=Z靶靶-1-1 当当Z Z靶靶4040时，时，Z Z滤滤=Z=Z靶靶-2 2阳极靶的选择：阳极靶的选择：为避开样品猛烈吸取入射为避开样品猛烈吸取入射X X射线产射线产生荧光幅射，对分析结果产生干扰。生荧光幅射，对分析结果产生干扰。必需依据所测样品的化学成分选用不必需依据所测样品的

42、化学成分选用不同靶材的同靶材的X X射线管。射线管。原则是：原则是：Z Z靶靶ZZ样品样品+1+1 l应当避开运用比样品中的主元素的原子序应当避开运用比样品中的主元素的原子序数大数大2 26 6（尤其是（尤其是2 2）的材料作靶材。）的材料作靶材。l例如例如:铁为主的样品，选用铁为主的样品，选用CoCo或或FeFe靶靶,不不选用选用NiNi或或CuCu靶。靶。l实际工作中最常用的是实际工作中最常用的是CuCu及及FeFe和和CoCo靶。靶。CuCu靶适用于除靶适用于除CoCo、FeFe、MnMn、CrCr等元素为主等元素为主的样品。的样品。X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用xxxX

43、 X射线的探测射线的探测 气体探测器X射线射入气体，在离子增殖过程中，受激原子退激，放射紫外光子，这些光子射到阴极上产生光电子，光电子向阳极漂移，又引起离子增殖，于是在管中形成自激放电。为了使之能够计数，计数器中充有有机气体或卤素蒸气，能吸取光子，起到猝熄作用 正比计数器盖革计数器X射线探测射线探测闪烁计数器它是由闪烁体(也称荧光体)和光电倍增管构成它的工作原理是：射线在闪烁体中产生的光子，打到光电倍增管的阴极上产生光电子，光电子的电子流通过倍增管放大并被阳极接收，形成了一个电脉冲固体探测器固体探测器作业作业l P16 习题习题 5、6l补充：补充：l 一、在一、在X射线衍射分析试验中选择靶材

44、射线衍射分析试验中选择靶材以及滤波片的原则是什么？已知一个以以及滤波片的原则是什么？已知一个以Fe为主要成分的样品，试选择合适的靶为主要成分的样品，试选择合适的靶材和合适的滤波片。材和合适的滤波片。l补充作业补充作业l二、特征二、特征X射线产生的机理是什么？射线产生的机理是什么？l 荧光荧光X射线、俄歇电子、光电子分别射线、俄歇电子、光电子分别是如何产生的？是如何产生的？辐射与防护辐射与防护 什么是辐射？什么是辐射？辐射的分类辐射的分类粒子辐射粒子辐射l由辐射源发出的高能粒子流l射线l 射线l中子流电离辐射电离辐射X X射线辐射特点：射线辐射特点：既电磁辐射也是电离辐射电离辐射与细胞的相互作用

45、电离辐射与细胞的相互作用l最初的物理阶段：只持续很短的时间（10-16秒），在这一瞬间能量沉积在细胞内并引起电离。l物理化学阶段：大约持续10-16秒。在这段时间中，离子与其他水分子相互作用形成一些新产物。l化学阶段：持续几秒钟，在此期间，反应产物与细胞的重要有机分子相互作用。自由基和氧化剂可能破坏构成染色体的困难分子。l生物阶段：在这个阶段，时间长短从几特别钟变更到机十年，这要看特定的症状而定。可能导致：细胞早期死亡；阻挡细胞分裂或延迟细胞分裂；细胞永久性的变形，始终可持续到子代细胞。113 当人体受到射线的作用时，辐射即与人体当人体受到射线的作用时，辐射即与人体的生命物质发生相互作用，在相

46、互作用中，辐的生命物质发生相互作用，在相互作用中，辐射丢失其能量，生命物质则吸取了辐射的能量射丢失其能量，生命物质则吸取了辐射的能量而产生效应。这个作用是一个极其困难的过程，而产生效应。这个作用是一个极其困难的过程，要经验很多不同性质的变更，分子、细胞功能、要经验很多不同性质的变更，分子、细胞功能、代谢或结构的变更，以及机体组织、器官、系代谢或结构的变更，以及机体组织、器官、系统及其相互关系的变更，效应的性质和严峻程统及其相互关系的变更，效应的性质和严峻程度取决于多种因素，其中主要与所吸取的能量度取决于多种因素，其中主要与所吸取的能量有关。有关。电离辐射对人体健康的影响电离辐射对人体健康的影响

47、继发反应DNA分子受损伤DNA分子修复错误基因突变细胞变异细胞死亡生殖细胞体细胞致癌效应临床可见损伤生物体死亡遗传效应与DNA分子反应电离辐射DNA分子吸收能量水分子吸收能量DNA分子被激发电离水分子被激发电离可扩散的自由基DNA分子的原发损伤辐射诱发损伤形成过程示意图116一、辐射损伤的形成机制一、辐射损伤的形成机制 1、原发阶段。当电离辐射穿过机体时，、原发阶段。当电离辐射穿过机体时，射线能以两种方式作用于机体生命物质的射线能以两种方式作用于机体生命物质的分子，即干脆作用和间接作用。干脆作用分子，即干脆作用和间接作用。干脆作用是指射线将能量干脆交付给在射线径迹上是指射线将能量干脆交付给在射

48、线径迹上的生命物质分子（主要是的生命物质分子（主要是DNA分子），并分子），并使之电离或者激发而产生损伤。间接作用使之电离或者激发而产生损伤。间接作用是指生命物质分子并未处在射线的径迹上，是指生命物质分子并未处在射线的径迹上，从而也未干脆接受到射线交付的能量，射从而也未干脆接受到射线交付的能量，射线的能量被生命物质分子四周的分子或者线的能量被生命物质分子四周的分子或者其他的分子所吸取，从而被电离或者活化，其他的分子所吸取，从而被电离或者活化，生成了自由基，经过确定距离的迁移，到生成了自由基，经过确定距离的迁移，到达生命物质分子并与之发生化学反应，最达生命物质分子并与之发生化学反应，最终造成损伤

49、。终造成损伤。l定义：在质量为dm的某体积元空气中放出的全部电子完全被空气阻挡时，若所形成的同一种符号的离子总电荷的确定值为dQ，则dQ/dm称为该射线的照射量。用X表示。l 则：X dQ/dml单位（SI）：库/千克，C/kg，或X射线在1千克干燥的、标准状态下的空气中产生电离电荷为1库伦的正离子和等量负离子的照射量，称为1库/千克。l照射量是用电离电荷的数量来衡量的。因为在空气中产生一对离子所需吸取射线的能量是确定的，所以照射量与空气对射线的能量吸取密度有对应的关系。与辐射相关的量：与辐射相关的量：照射量（照射量（1）l照射量是专对或X射线而言的物理量。l 或X射线通过物质时，由光电效应、

50、康普顿效应、或电子对效应等产生电子，从而使射线的能量有所损失。所产生的电子还可使物质产生次级电离。l或X射线的照射量就是依据光子所引起的电离的实力来定义的。l照射量的老的专用单位是伦琴（R），l 1伦琴（R）2.58 10-4库/千克l照射量率：单位时间内的照射量l 单位：库/千克.秒，C/kg.sl 老的专用单位：伦琴/时，微伦/秒吸取剂量（吸取剂量（1）l定义：设致电离辐射赐予某物质质量元dm的平均能量为d，则称 D d/dm 为吸取剂量。l单位（SI）：戈瑞（Gy），每千克物质吸取辐射能量为1焦耳的吸取剂量为1戈瑞。l 1Gy1J/kgl吸取剂量老的单位为拉德（rad），每千克物质吸取辐