X射线物理基础.pptx

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1、引言引言X射线学的发展及分支 1895年德国物理学家年德国物理学家“伦伦琴琴”发现发现X射线射线。1901年，伦琴获诺贝尔物理学奖。之后建立了“X射线透射学”，最早应用于医学，后应用于工业无损探伤。第1页/共67页1912年，年，德国物理学家德国物理学家“劳埃劳埃”发现了发现了X射线在晶体中射线在晶体中的衍射现象。的衍射现象。（1）X射线是波长极短的电磁波，射线是波长极短的电磁波，与晶体中原子间距离同数量级；与晶体中原子间距离同数量级；（2）晶体由原子（或原子团）在）晶体由原子（或原子团）在三维空间周期性重复排列而成。三维空间周期性重复排列而成。获获1914年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学

2、奖。第2页/共67页获获1915年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。之后发展了之后发展了X X射线学的另一分支：射线学的另一分支：“X X射线衍射射线衍射学学”（或（或“X X射线晶体学射线晶体学”）。）。1913年，英国物理学家“布拉格”父子提出了著名的布拉格方程，是X射线的衍射学的理论基础。第3页/共67页1914年，年，莫塞莱发现不同元素的同名特征莫塞莱发现不同元素的同名特征X谱线的谱线的波长和原子序数有定量的对应关系。波长和原子序数有定量的对应关系。发展了第三个发展了第三个分支分支“X射线光谱学射线光谱学”。（。（即即根据根据X X射线射线光谱，研究物质的原子结构和成分。）光谱，研

3、究物质的原子结构和成分。）第4页/共67页X射线学的分支X射线透射学X射线衍射学X射线光谱学第5页/共67页第一节第一节 X X射线的性质射线的性质X X射线的波长范围：10-310nm。一、X射线的性质不可见，但它能使一些气体或其他物质电离，使照相底片感光，使荧光物质发光。穿透性强，并可被物质吸收和散射。软软X X常用于晶体的常用于晶体的X X射线衍射分析。射线衍射分析。硬硬X X射线常用于金属零件的探伤和医学上的透视分析。射线常用于金属零件的探伤和医学上的透视分析。第6页/共67页折射率1X射线穿过不同媒质时，呈直线传播，在电场和磁场中也不发生偏转，因此不能用常规方法使X射线会聚或发散。对

4、生物细胞有很强的杀伤作用。第7页/共67页二、X射线的本质1 1、X X射线的本质射线的本质也是也是电磁波电磁波，即也是一种无静止质量并以光速运动的光子。即也是一种无静止质量并以光速运动的光子。第8页/共67页2 2、X X射线的波粒二象性波动性的表现：以一定的频率和波长在空间传播，例如以晶体作衍射光栅时观察到的X X射线的衍射现象；描述波动性的物理量：频率、波长粒子性的表现：以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量，如光电效应等。描述粒子性的物理量：能量E E、动量P P第9页/共67页波动性和粒子性之间存在下述关系：波动性和粒子性之间存在下述关系：范围适于结构分析范围适于探伤分析第

5、10页/共67页第二节第二节 X X射线的产生射线的产生一、X射线产生原理实验证明：高速运动的带电的基本粒子突然受阻时，随着能量的消失和转化，就会产生X射线。实际用于获得X射线的带电粒子是电子。第11页/共67页电子式电子式X射线管产生射线管产生X射线射线的条件：的条件：(1)产生电子的电子源；产生电子的电子源；(2)使电子作定向高速运使电子作定向高速运动；动；(3)在高速电子流的运动在高速电子流的运动路径上设置障碍物，使电子路径上设置障碍物，使电子突然受阻。突然受阻。(4)封闭在高真空中，真封闭在高真空中，真空度高于空度高于10-3Pa。第12页/共67页二、X射线管1、封闭电子式X射线管的

6、结构封闭电子式X射线管与其结构示意图第13页/共67页(1)阴极：钨丝；加热钨丝发射热电子；(2)阳极/靶：使电子突然减速并发射X射线的地方。不同的靶面材料用于获得不同波长的不同的靶面材料用于获得不同波长的X X射线。射线。(3)阴极和阳极之间的高压使电子作定向高速运动；(4)阴、阳极都密封在高真空管中，真空度10-3Pa。其他组成部分：金属聚焦罩、冷却水、铍窗口。第14页/共67页高速运动的电子与物质碰撞时被突然减速或停止运动，其大部分动能（99%）转变为热能使物体升温，而一小部分动能（1%）则转变为光能以X射线形式向外界释放。封闭电子式X X射线管的功率有限，为5005003000W300

7、0W。第15页/共67页2 2、旋转阳极、旋转阳极大功率大功率X X射线源需要用旋转射线源需要用旋转阳极。阳极。因阳极不断旋转，电子束轰因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高功击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。率也不会烧熔靶面。目前有目前有100kW100kW的旋转阳极。的旋转阳极。第16页/共67页第三节第三节 X X射线谱射线谱X X射线谱：X X射线强度随波长变化的关系曲线。X X射线的强度X X射线的强度：单位时间内，通过与X X射线传播方向垂直的单位面积上的X X射线光量子的能量总和。用I I表示。常用单位：J/cmJ/cm2 2ss。强度为光子流密度和每个光子的能量

8、的乘积。(光子流密度：单位时间内通过单位截面的光量子数目。)即X X射线的强度（I I）是由光量子的能量（h h）及它的数目（n n）决定，I=n hI=n h。第17页/共67页由热阴极X X射线管发出的X X射线分为两种类型：(1)(1)连续X X射线谱；(2)(2)特征X X射线谱（又称标识X X射线谱）。它们对应两种X X射线辐射的物理过程。第18页/共67页一、连续X X射线谱1 1、定义、定义X X射射线线谱谱中中，强强度度随随波波长长连连续续变变化化的的部部分，称为分，称为连续连续X X射线谱射线谱，简称连续谱。，简称连续谱。2 2、连续连续谱的特点谱的特点不不同同管管压压下下，

9、连连续续谱谱在在短短波波方方向向都都有有一一个个突突然然截截止止的的波波长长极极限限值值，称称为为短波限短波限，用，用0 0表示。表示。XX射线波长射线波长由大于由大于0的所有辐射组成的所有辐射组成；强强度度存存在在一一最最大大值值（约约1.5 1.5 0 0处处，用用m m表示表示 ）。）。对对同同一一靶靶材材，不不同同管管压压、管管流流下下的的连续谱的变化规律。连续谱的变化规律。第19页/共67页3 3、连续X X射线谱的解释 连续谱的产生量子理论：当能量为eVeV的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hvhv的光子。由于

10、大量电子射到阳极上的时间和条件不尽相同，仅有一少部分电子能产生极限能量交换，绝大多数电子经多次碰撞完成能量交换，而辐射出波长大于0 0 的不同波长的X X射线，形成连续谱。第20页/共67页 短波限极极限限情情况况下下，能能量量为为eVeV的的电电子子在在一一次次碰碰撞撞中中将将其其在在电电场场中中加加速速得得到到的的全全部部动动能能转转给给一一个个光光子子，则则此此光光子子的的能能量量最最大大，波波长长最最短短，相相当当于于短短波波限限0 0的的X X射射线。线。表明：0只与管电压有关，不受其它因素的影响；随管电压增加，0向短波方向移动。第21页/共67页 强度最大值位于0 0附近X X射线

11、强度由每个光子的能量hvhv和单位时间通过单位面积的光子数目n n两个因素决定,即I=nhvI=nhv。在碰撞过程中，能产生极限能量交换的电子仅占一少部分，而其他大量电子会产生多次碰撞完成能量交换，因此虽然短波限对应的光子能量最大，但光子数目不多，故强度的极大值不在0 0处，而位于0 0附近。第22页/共67页对同一靶材，不同管压、管流下的连续谱的变化规律。U管升高，各辐射强度升高，0和max（最大辐射时的波长）均减小；解释：当加大管压时，击靶电子的动能、电子与靶材原子的碰撞次数和辐射出来的X X射线光子的能量都会增加，因此随管压的增加，各波长X X射线的强度均增加。管电压不变时，随管电流的升

12、高，各辐射强度均升高，但0和max保持不变。不同的靶面物质发射的连续谱具有相似的特征第23页/共67页二、特征X X射线谱1 1、定义、定义当当U管管超过某临界值后，超过某临界值后，叠叠加在连续谱上的强度很高且加在连续谱上的强度很高且具有一定波长的具有一定波长的X X射线谱，射线谱，称为称为特征特征X X射线谱射线谱，简称特，简称特征谱。征谱。如钼靶如钼靶X X射线管，当管电压射线管，当管电压等于或高于等于或高于20kV20kV时，则除连时，则除连续谱外，位于一定波长处续谱外，位于一定波长处（和）（和）,叠加有少数强谱线。叠加有少数强谱线。第24页/共67页2 2、特点、特点产生特征产生特征X

13、 X射线的条件：射线的条件：管管电压超过与靶材相应的某一特电压超过与靶材相应的某一特定值定值U UK K；对一定的靶材，特征对一定的靶材，特征X X射线射线波长为一定值。波长为一定值。KKKK,且同一元素对且同一元素对应谱线的强度比大约为应谱线的强度比大约为5 5：1 1。第25页/共67页3 3、对特征谱的解释 特征谱的产生特征谱的产生以及以及特征特征X射线波长为一定值射线波长为一定值的原因的原因从原子结构观点解释。原子系统中的电子不连续地分布在K、L、M、N等不同能级的壳层上，各壳层的能量由里到外逐渐增加：EKELZZ样。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。第66页/共67页第一章 X射线物理学基础X射线物理学基础感谢您的观看！第67页/共67页