X射線的物理基礎(chǔ).ppt

第一章 X射線的性質(zhì),X射線于1895年由德國物理學(xué)家倫琴（Rontgen）在研究真空管高壓放電現(xiàn)象時(shí)無意發(fā)現(xiàn)。 X射線或者倫琴射線 倫琴第一位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者（1901） 發(fā)現(xiàn)三個(gè)月后就得到了應(yīng)用維也納醫(yī)院,W. C. Rntgen（18451923）,Wilhelm Conrad Rntgen discovered the X-rays in 1895. In 1901 he was honoured with the Nobel prize for physics. In 1995 the German Federal Mail edited a stamp dedicated to W. C. Rntgen.,1.1 X射線的物理學(xué)基礎(chǔ),X射線的本質(zhì) X射線是一種本質(zhì)與可見光完全相同的電磁波或電磁輻射，只不過X射線是 由高速帶電粒子與物質(zhì)原子中的內(nèi)層電子作用而產(chǎn)生的，因此能量大，波 長(zhǎng)短（0.1-10 nm），穿透物質(zhì)的能力強(qiáng)。,1029 104 106 107 108 1012 1013 1015 波長(zhǎng)，米 晶體衍射用X射線（0.050.2 nm）：硬X射線 金屬探傷X射線（ 0.0050.1 nm ）：硬X射線 醫(yī)用X射線（0.5 nm）：軟X射線,無線電波 紅外線 可見光 紫外線 X射線 射線 宇宙射線,X射線的物理學(xué)基礎(chǔ),德國維爾茨堡大學(xué)W.C倫琴教授 1895.12.281896.3.9發(fā)表三篇論文，論述它 的性質(zhì)： 1，像可見光一樣直線傳播，經(jīng)電場(chǎng)不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。 2，有很強(qiáng)的穿透能力，所有物質(zhì)多少它都能夠透過。 3，使螢光物質(zhì)發(fā)光，使氣體電離。 4，使照相底片感光，而人的肉眼無法直接觀察到它。,1.2 X射線的性質(zhì),X射線為研究材料的微觀特性開辟了一個(gè)新的途徑,瑞典皇家科學(xué)院院長(zhǎng)奧得納(C.T.Odher)在倫琴獲諾貝爾獎(jiǎng)的致詞中說：,對(duì)于這種能量輻射的真實(shí)組成，目前尚不清楚，然而，倫琴本人和后來從事這方面研究的其他科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)了它的若干特殊性質(zhì)。毫無疑問，當(dāng)人們充分研究這種奇異的能量形式并全面探索它的廣闊應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)，物理科學(xué)將取得許多成就。,X射線的性質(zhì),X射線的發(fā)現(xiàn)和研究歷程,1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線(1901年) 1907年，亨利布拉格（1915）和巴克拉（1917）爭(zhēng)論X射線 的波粒二象性。 1912年，勞厄（1917）發(fā)現(xiàn)X射線衍射，由此確定了X射線的 波動(dòng)性。 1913年，勞倫斯布拉格（1915）提出X射線衍射公式，亨利. 布拉格創(chuàng)建X射線分光儀。 1913年，莫塞萊確定X射線標(biāo)識(shí)譜線的規(guī)律性。 1917年，康普頓（1927）研究X射線散射，發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)。 1921年，凱西格班（1924）發(fā)表X射線光電子能譜學(xué)成果。,晶體結(jié)構(gòu)分析 X射線衍射學(xué) 物相分析 精細(xì)結(jié)構(gòu)(EXAFS) 晶體取向與織構(gòu) X射線影像學(xué) 無損檢測(cè) X射線能譜學(xué) 化學(xué)成分分析,X射線在材料科學(xué)中的應(yīng)用,波粒二象性是X射線的客觀屬性 1） X射線具有波動(dòng)的性質(zhì)，有一定的頻率和波長(zhǎng)， 反映物質(zhì)的連續(xù)性。 現(xiàn)象表現(xiàn)為晶體衍射。 2） X射線具有粒子性，是具有一定能量光子的粒子 流，反映物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的分立性。 現(xiàn)象表現(xiàn)為光電效應(yīng)和熒光輻射。,X射線的物理性質(zhì),已出現(xiàn)的設(shè)想：晶體中呈有規(guī)律、周期性排列，組成三維原子網(wǎng)絡(luò)，以上未能得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 Laue根椐理論分析預(yù)測(cè)提出：“晶體中原子間距與X射線波長(zhǎng)相近，應(yīng)當(dāng)可以作為使X射線發(fā)生衍射的立體光柵?！本w的晶面間距是10-10 m,與X射線的波長(zhǎng)（ 210-10 m ）相當(dāng)。 一箭雙雕的實(shí)驗(yàn)：X射線的本質(zhì)是短波電磁輻射；晶體結(jié)構(gòu)中點(diǎn)陣的假設(shè)是正確的。,證明X射線的波動(dòng)性,勞厄（Laue）實(shí)驗(yàn)（1912）,ZnS 的勞厄衍射照片,顯示其四重對(duì)稱軸,顯示其三重對(duì)稱軸,ZnS 的勞厄衍射結(jié)果解析,光電效應(yīng)：入射X射線產(chǎn)生光電效應(yīng)和熒光輻射的條件與頻率(波長(zhǎng))有關(guān)，而與強(qiáng)度和照射時(shí)間無關(guān)。 康普敦效應(yīng)：在光的散射過程中,有些散射波的波長(zhǎng)比入射波的波長(zhǎng)略大。,X射線的頻率、波長(zhǎng)以及其光子的能量、動(dòng)量p之間存在如下關(guān)系： = h.=h.c/ p=h/ 式中h普朗克常數(shù)，等于6.62610-34 J.s; cX射線的速度，等于2.998108 m/s.,實(shí)驗(yàn)證明X射線的粒子性,1.3 X射線的產(chǎn)生及X射線管,產(chǎn)生原理： 高速運(yùn)動(dòng)的電子與物體碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中一小部分（1左右）能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分（99左右）能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。,X射線產(chǎn)生的幾個(gè)基本條件,產(chǎn)生自由電子； 使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng); 在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物 使電子突然減速或停止。,X射線管的結(jié)構(gòu),陰極：又稱燈絲(鎢絲)，通電加熱后便能釋放出熱輻射電子。 陽極：又稱靶，通常由純金屬制成(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag,W等)，使電子突然減速并發(fā)射X射線。陽極需要水強(qiáng)制冷卻。 窗口：是X射線射出的通道，維持管內(nèi)高真空，對(duì)X射線吸收較少，如金屬鈹、含鈹玻璃、薄云母片。,封閉式X射線管實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大的真空二極管。真空度不低于1.310-3pa,X射線管,1）旋轉(zhuǎn)陽極的X射線管 充分散熱，提高X射線管的功率（3KW 90KW ）。 2）細(xì)聚焦X射線管 利用電磁透鏡聚焦電子束，制成細(xì)焦點(diǎn)的X射線（最小 幾個(gè)微米），提高X射線管的比功率和實(shí)驗(yàn)分辨率。 3) 同步輻射光源,特殊結(jié)構(gòu)的X射線管,X射線管中的焦點(diǎn),焦點(diǎn)是陽極靶表面被電子束轟擊的一塊面積，X射線從中發(fā)出。 在X射線衍射中，希望有: 1.較小的焦點(diǎn),提高分辨率. 2.較強(qiáng)的X射線強(qiáng)度,縮短爆光時(shí)間。,靶的焦點(diǎn)形狀及接收方向,一般采用在與靶面成一定角度的位置（36度）接受X射線，這樣可以達(dá)到焦點(diǎn)縮小，相應(yīng)增強(qiáng)X射線的目的。,1.4 X射線譜,X射線譜：在不同管電壓下所測(cè)得的X射線強(qiáng)度隨波長(zhǎng)而變化的關(guān)系曲線。它由兩部分組成。 連續(xù)X射線譜：特征是各種波長(zhǎng)連續(xù)變化，與可見光類似，也稱白色X射線。 特征X射線譜：也稱標(biāo)識(shí)譜，特征是某些特定波長(zhǎng)，其強(qiáng)度較高并疊加在連續(xù)X射線譜上。 特征X射線譜線的波長(zhǎng)決定于靶料，每個(gè)元素有一套一定波長(zhǎng)的X射線譜，成為這個(gè)元素的標(biāo)識(shí)。,X射線譜,連續(xù)X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理,1）經(jīng)典動(dòng)力學(xué)解釋 高速運(yùn)動(dòng)的電子到達(dá)靶材，導(dǎo)致周圍電磁場(chǎng)的急劇變化，產(chǎn)生電磁波。 2）量子理論的解釋 高速電子與陽極靶的原子碰撞時(shí)，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射出去，碰撞一次產(chǎn)生一個(gè)能量為hv的光子，這樣的光子流即為X射線。 絕大多數(shù)到達(dá)靶上的電子時(shí)間和條件不一樣，并且電子要經(jīng)過多次碰撞，逐步把能量釋放到零，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此形成連續(xù)X射線譜。,假設(shè)電子在一次碰撞中將全部能量一次轉(zhuǎn)換為一個(gè)光量子，這個(gè)光量子具有最高能量和最短波長(zhǎng)。,將各常數(shù)代入上式：,連續(xù)譜短波限0只與管電壓有關(guān)，與管電流和靶材無關(guān)。,連續(xù)X射線譜短波限,相關(guān)習(xí)題,2.試計(jì)算用50千伏操作時(shí)，X射線管中的電子在撞擊靶時(shí)的速度和動(dòng)能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？,相關(guān)習(xí)題,1.試計(jì)算用50千伏操作時(shí)，X射線管中的電子在撞擊靶時(shí)的速度和動(dòng)能，所發(fā)射的X射線短波限為多少？,X射線的強(qiáng)度,X射線的強(qiáng)度是指垂直X射線傳播方向的單位面積上單位時(shí)間內(nèi)所通過的所有光子能量總和。常用的單位是J/cm2s。 X射線的強(qiáng)度（I）是由單個(gè)光子能量h和數(shù)目n兩個(gè)因素決定的，即I=nh。 連續(xù)X射線強(qiáng)度最大值在1.50，而不在0處。,連續(xù)譜強(qiáng)度分布曲線下所包絡(luò)的面積與在一定條件下單位時(shí)間發(fā)射的連續(xù)X射線總強(qiáng)度成正比.,其中,i是管電流,V是管電壓,Z為陽極靶的原子序數(shù),其余為常數(shù),mi=2 X射線管發(fā)射連續(xù)X射線的效率:,當(dāng)用鎢陽極(Z=74),管電壓為100 kV, 約為（1.11.4）10-9, 此時(shí), =1%.,為獲得強(qiáng)的連續(xù)X射線譜,常選用原子序數(shù)較大的元素和較高的電壓值。如選用W靶，在60-80kV管電壓下工作。,X射線的強(qiáng)度,管流、管壓及陽極物質(zhì)對(duì)連續(xù)譜的影響,特征（標(biāo)識(shí)）X射線譜,特征（標(biāo)識(shí)）X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理,標(biāo)識(shí)X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。,特征X射線產(chǎn)生的示意圖,如 L層電子躍遷到K層,此時(shí)能量降低為:,以一個(gè)光量子的形式輻射出來變成光子的能量:,對(duì)于原子序數(shù)為Z的物質(zhì)而言,各原子能級(jí)所具有的能量是固定的,所以,kL變?yōu)楣潭ㄖ?也隨之固定。這就是特征X射線波長(zhǎng)為定值的原因。,特征（標(biāo)識(shí)）X射線譜的產(chǎn)生機(jī)理,K系激發(fā)原理,核外電子分層排布 K L M N O P 層 低 各層電子的能量 高 高 原子對(duì)各層電子的結(jié)合能 低 X光量子的能量?jī)H與原子內(nèi)各層能態(tài)有關(guān)，它標(biāo)識(shí)著原子的特征。 一般選用K作為輻射源，因?yàn)長(zhǎng)和M系射線由于波長(zhǎng)太長(zhǎng)，容易被吸收。,輻射源的選擇,1) 需要最低的管電壓V激（激發(fā)電壓），它由陽極靶的原子序數(shù)Z決定。 2) 陽極靶不同，特征X射線譜的波長(zhǎng)也不同。 3) 連續(xù)譜只增加衍射花樣的背底，不利于衍射分析，因此希望特征譜線強(qiáng)度與連續(xù)譜線強(qiáng)度之比越大越好。一般工作管電壓為K系激發(fā)電壓的35倍，I特/I連最大。,特征X射線譜的幾個(gè)特點(diǎn),Mo靶X射線管的X射線強(qiáng)度曲線,莫塞萊定律,特征X射線譜的頻率和波長(zhǎng)只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)的固有特性。特征X射線譜的頻率與原子序數(shù)Z關(guān)系可以通過莫塞萊定律描述：,K 和是兩個(gè)常數(shù)。,莫塞萊定律是X射線熒光光譜和電子探針微區(qū)成分分析的理論基礎(chǔ)。通過未知物質(zhì)的特征X射線進(jìn)行晶體衍射，算出特征X射線的波長(zhǎng)，再根據(jù)上式算出原子序數(shù)Z。 Ce和Hf兩元素由此得到驗(yàn)證。,原子序數(shù)與標(biāo)識(shí)X 射線譜波長(zhǎng)的關(guān)系 Moseleys Law,莫塞萊定律,1.5 X射線與物質(zhì)相互作用,X射線與物質(zhì)相互作用時(shí)，產(chǎn)生各種不同和復(fù)雜的過程。就其能量轉(zhuǎn)換而言，一束X射線通過物質(zhì)時(shí)，可分為三部分： 一部分被散射（相干散射和非相干散射） 一部分被吸收（真吸收光電效應(yīng)、俄歇效 應(yīng)、正電子吸收、熒光X射線、熱散能量） 一部分透過物質(zhì)繼續(xù)沿原來的方向傳播 （波長(zhǎng)改變和不改變部分）,X射線與物質(zhì)相互作用,相干散射,原子中的內(nèi)層電子在入射X射線的作用下，圍繞其平衡位置發(fā)生受迫振動(dòng)。此時(shí)電子向四周輻射X射線散射波。 如果出射X射線振動(dòng)方向相同，頻率相同、位相差恒定,可以發(fā)生干涉現(xiàn)象，稱為相干散射。,相干散射是晶體衍射的物理基礎(chǔ),非相干散射（康普頓散射）,X射線光子與束縛力不大的外層電子 或自由電子碰撞時(shí)電子獲得一部分動(dòng)能成為反沖電子，X射線光子離開原來方向，能量減小，波長(zhǎng)增加。,康普頓研究X射線在石墨上的散射,波長(zhǎng)的改變值（nm）：,非相干散射會(huì)增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對(duì)輕元素。 又稱為量子散射,非相干散射（康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)）,X射線的吸收,X射線通過均勻物質(zhì),其強(qiáng)度的衰減符合下式:,其中為線吸收系數(shù),它的意義是在X 射線的傳播方向上,單位長(zhǎng)度上的X 射線強(qiáng)度衰減程度.它與物質(zhì)種類,密度和X射線波長(zhǎng)有關(guān). 為便于處理,令: m為質(zhì)量吸收系數(shù),它的物理意義是單位重量物質(zhì)對(duì)X 射線的衰減量.,由于不同物質(zhì)的吸收系數(shù)（）和Ix不同，由此可以進(jìn)行生物體透射和工業(yè)探傷研究。,對(duì)于多種元素以上的物質(zhì)的吸收系數(shù),可以通過下式得到:,I0 是入射X射線強(qiáng)度，Ix是入射X射線在穿過厚度為X的物質(zhì)后的強(qiáng)度。,X射線的吸收,課題練習(xí),例：CuO，計(jì)算其對(duì)Mo K,=0.711埃的質(zhì)量吸收系數(shù),課題練習(xí),例：CuO，計(jì)算其對(duì)Mo K,=0.711埃的質(zhì)量吸收系數(shù) 解：由附錄2查知 ，Cu及O的原子量 分別為63.54和16，故Cu在CuO的重量比為80，O 在CuO的重量比為20，因此：,X射線的吸收,物質(zhì)對(duì)X射線的吸收指的是X射線能量在通過物質(zhì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?，X射線發(fā)生了能量損耗，它分為兩類： 1）原子對(duì)X射線的漫散射（小部分能量損失）。 2）真吸收（大部分能量損失）。 物質(zhì)對(duì)X射線的吸收主要是由原子內(nèi)部的電子躍遷而引起的。 二次特征輻射 俄歇(Auger)效應(yīng),X射線的吸收,二次特征輻射（熒光輻射）,以X光子激發(fā)原子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程。被擊出的電子稱為光電子，輻射出的次級(jí)標(biāo)識(shí)X射線稱為二次特征X射線或熒光X射線 。,一次特征X射線的部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)樗丈湮镔|(zhì)的二次特征輻射，體現(xiàn)出物質(zhì)對(duì)入射X射線的吸收。,電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)而被電離出來的電子稱為俄歇電子。也就是說K層的一個(gè)空位被L層的兩個(gè)空位所代替。俄歇電子具有固體的能量，特別適合做表面分析（23層原子）。,俄歇效應(yīng),Auger 電子,X-ray 光子,Auger 電子和X-ray 光子的激發(fā)過程,X射線衍射分析中，需要接近單色或者波長(zhǎng)較單一的射線。而一般K系特征譜包括兩條Ka，Kb，產(chǎn)生兩套衍射花樣，相互干擾，必須濾掉一條。研究表面質(zhì)量吸收系數(shù)為m、吸收限為K的物質(zhì)可以強(qiáng)烈吸收=K的入射X射線。,吸收限的應(yīng)用：濾波片,它的吸收限位于輻射源的K和K之間，且盡量靠近K 。強(qiáng)烈吸收K，K吸收很?。?選擇適當(dāng)?shù)臑V波片厚度。 如果濾波片太厚，將強(qiáng)烈吸收K.當(dāng)吸收為一半的時(shí)候，K和K的吸收比將變?yōu)?/500。 濾波片材料由陽極靶元素所確定： Z靶40時(shí) Z濾片=Z靶-2；,濾波片的選擇原則,幾種元素的 K系射線波長(zhǎng)及常用濾波片,濾波以后,K /K的強(qiáng)度比為1/600.,陽極靶的選擇（避免熒光X射線，產(chǎn)生背底）: （1）陽極靶K波長(zhǎng)稍大于試樣的K吸收限； （2）試樣對(duì)X射線的吸收最小。 經(jīng)驗(yàn)公式： Z靶Z試樣+1。 對(duì)于試樣中含有多種元素，原則上應(yīng)以其主要組元中原子序數(shù)的最小元素來選擇陽極靶。,陽極靶的選擇原則,X射線的