电磁辐射与材料的相互作用.ppt

第二章 电磁辐射与材料的相互作用 第一节 概述 第二节 各类特征谱基础（自学） 第三节 X射线的产生及其与物质的相互作用 第一节 概述 一、辐射的吸收与发射 1.辐射的吸收与吸收光谱 辐射的吸收：是指辐射通过物质时，其中某些频率 的辐射被组成物质的粒子(原子、离子或分子等)选 择性地吸收从而使辐射强度减弱的现象。 实质：在于辐射使物质粒子发生由低能级(一般为 基态)向高能级(激发态)的能级跃迁被选择性吸 收的辐射光子能量应为跃迁后与跃迁前两个能级 间的能量差。 (2-1) 吸收光谱：辐射(能量)被吸收的程度(一般用吸 光度等表示)与v或的关系(曲线) 即辐射被吸收程度对v或的分布称为吸收光谱 2辐射的发射与发射光谱 辐射的发射：是指物质吸收能量后产生电磁辐射的现 象 发射的电磁辐射频率取决于辐射前后两个能级的能量 (E2与E1)之差，即 (2-2) 辐射发射的实质：在于辐射跃迁，即当物质的粒子 吸收能量被激发至高能态(E2)后，瞬间返回基态或低 能态(E1)，多余的能量以电磁辐射的形式释放出来 发射光谱：物质粒子发射辐射的强度(能量)对v或A的 分布称为发射光谱；光致发光者，则称为荧光或磷光 光谱 3光谱的分类 按辐射与物质相互作用性质 吸收光谱 发射光谱 散射光谱（拉曼散射谱） 按强度对波长的分布(曲线)特点 线光谱 带光谱 连续光谱 二、辐射的散射 辐射的散射：指电磁辐射(与物质发生相互作用)部 分偏离原入射方向而分散传播的现象 散射基元是实物粒子，可能是分子、原子中的电 子等，取决于物质结构及入射线波长大小等因素 1.分子散射 分子散射：是入射线与线度（即尺寸大小）远 小于其波长的分子或分子聚集体相互作用而产 生的散射 包括 瑞利散射：是指入射线光子与分子发生弹性碰撞 作用，仅光子运动方向改变而没有能量变化的散射 瑞利散射线与入射线同波长 拉曼散射：是指入射线(单色光)光子与分子发生 非弹性碰撞作用，在光子运动方向改变的同时有能量 增加或损失的散射拉曼散射线与入射线波长稍有不 同，波长短于入射线者称为反斯托克斯线，反之则称 为斯托克斯线 2晶体中的电子散射 电子是散射基元 相干散射 非相干散射 相干散射：是指入射线光子与原子内受核束缚较紧的电 子(如内层电子)发生弹性碰撞作用，仅其运动方向改变而 没有能量改变的散射相干散射又称为弹性散射 当入射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下 将产生受迫振动，其振动频率与入射X射线的频率相同。 任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，从而向四 周辐射电磁波，其频率与带电粒子的振动频率相同。 由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相 同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射。相干 散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。 X射线经束缚力不大的电子（如轻原子中的电子） 或自由电子散射后，可以得到波长比入射X射线长的 X射线，且波长随散射方向不同而改变。这种散射现 象称为康普顿散射或康普顿一吴有训散射,也称之为 不相干散射，是因散射线分布于各个方向，波长各 不相等，不能产生干涉现象。 非相干散射：是指入射线光子与原子内受束缚较弱 的电子(如外层电子)或晶体中自由电子发生非弹性碰 撞作用，在光子运动方向改变的同时有能量损失的 散射，又称为非弹性散射。 入射X射线遇到约束松的电 子时，将电子撞至一方，成 为反冲电子。入射线的能量 对电子作功而消耗一部份后 ，剩余部份以X射线向外辐 射。散射X射线的波长（ ）比入射x射线的波长 （）长，其差值与角度 之间存在如下关系： 不相干散射在衍射图相上成为连续的背底，其强度随（ sin/）的增加而增大，在底片中心处（射线与底片相 交处）强度最小，越大，强度越大。 三、光电离 光电离：是指入射光子能量(hv)足够大时使原子或 分子产生电离的现象，其过程可表示为 ： (2-5) 式中：M原子或分子； M+离子； e 自由电子 光电子产额随入射光子能量的变化关系称为物质的 光电子能谱 光电子能谱与物质状态、能级或能带结构及光电子 来自原子内层或外层等密切相关，即光电子能谱也 是含有物质成分、结构等信息的特征谱 。 第三节 X射线的发生及其与物质的相互作用 伟大的物理学家,X射线发明 者-伦琴,德国维尔茨堡 大学校长（W. K. Rontgen， 1845-1923） 伦琴在给孔特（A. Kundt， 1839-1894）的信中说： 我终于发现了一种光， 我不知道是什么光，无以名 之，就把它叫做X光吧。 一、X射线的产生与X射线谱 伦琴的实验室 第一张X光片 .1895年德国物理学家-“伦琴”发现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年劳埃进行了晶体的X射线衍射实验 右图是纪念伦琴发现X射线 100周年发行的纪念封 在X射线发现后几个月医生就 用它来为病人服务 李鸿章在X光被发现后仅7个月就 体验了此种新技术，成为拍X光片 检查枪伤的第一个中国人。 X射线最早的应用 X射线的性质 人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体 电离，使照相底片感光，能穿过不透明的 物体，还能使荧光物质发出荧光。 X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生 偏转；当穿过物体时仅部分被散射。 X射线对动物有机体（其中包括对人体）能 产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细 胞。 X射线的本质 X射线也是电磁波 的一种，波长在 108cm左右 X射线具有波粒二相性 X X射线的强度是衍射波振幅的平方（射线的强度是衍射波振幅的平方（ ） ，也是单位时间内通过单位截面的也是单位时间内通过单位截面的 光量子数目。光量子数目。 一、X射线的产生与X射线谱 X射线的产生： X射线是高速运动的粒子与某种物质相 撞击后猝然减速，且与该物质中的内层 电子相互作用而产生的。 1源X射线的产生 X射线管的结构 X射线管 （1） 阴极发射电子。一 般由钨丝制成，通电加热后释 放出热辐射电子。 （2） 阳极靶，使电子突 然减速并发出X射线。 （3） 窗口X射线出射通道 。既能让X射线出射，又能使管 密封。窗口材料用金属铍或硼 酸铍锂构成的林德曼玻璃。窗 口与靶面常成3-6的斜角，以 减少靶面对出射X射线的阻碍。 （4） 高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都 作为热而散发了。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或 紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限 ，大功率需要用旋转阳极 （5） 焦点阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射 线就是从这块面积上发射出来的。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 X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分 辨率；高强度则可缩短暴光时间 X射线管 2连续X射线谱 X射线强度与波长的关 系曲线，称之X射线谱 。 在管压很低时，小于 20kv的曲线是连续变化 的，故称之连续X射线 谱，即连续谱。 对连续X射线谱的解释1 根据经典物理学的理论，一个带负电荷的 电子作加速运动时，电子周围的电磁场将 发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁 波，或至少一个电磁脉冲。 由于极大数量的电子射到阳极上的时间和 条件不可能相同，因而得到的电磁波将具 有连续的各种波长，形成连续X射线谱。 对连续X射线谱的解释2 量子力学概念，当能量为ev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hv的光子 ，即“韧致辐射”。 大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还 有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列 ，即形成连续谱。 极限情况下，能量为ev的电子在碰撞中一下子把能量 全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短 波长，即短波限0。都有一个最短波长，称之短波 限0，强度的最大值在0的1.5倍处。 eV = hvmax = hc/0 0 = 1.24/V （nm） 连续谱总强度(I连)即I()曲线积分面积，有经验公 式： 式中：a常数 可见，连续X射线的总 能量随管电流、阳极靶 原子序数和管电压的增 加而增大。 3特征X射线谱 随电压增加，X谱线 上出现尖峰。尖峰在很窄 的电压范围出现，产生X 光的波长范围也很窄。称 为特征X射线 (characteristic peaks) 钼靶X射线管当管电压等于或 高于20KV时，则除连续X射线 谱外，位于一定波长处还叠加 有少数强谱线，它们即特征X 射线谱。 钼靶X射线管在35KV电压下的 谱线，其特征x射线分别位于 0.63和0.71处，后者的强 度约为前者强度的五倍。这两 条谱线称钼的K系 X射线谱- 特征X射线谱 3特征X射线谱 特征X射线的产生： 若管电压增至某一临界值(称激发电压)使撞击靶 材的电子具有足够能量时，可使靶原子内层产生 空位，此时较外层电子将向内层跃迁产生辐射即 特征X射线 特征X射线光子能量(相应的频率及波长)取决于 跃迁前后能级差 特征X射线的产生机理 特征X射线的产生机理与靶物质的原子结构有关。 原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字 母代表它们的名称。 但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子 在电场加速下，可以将靶物质原子深层的电子击到能量较 高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。 阴极电子将自已的能量给予受激发的原子，而使它的能量 增高，原子处于激发状态。 如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层， 称L激发，其余各层依此类推。 特征X射线的产生机理 产生K激发的能量为WKhK，阴极电子的能量必须满足 eVWKhK，才能产生K激发。其临界值为eVKWK ，VK 称之临界激发电压。 处于激发状态的原子有自发回到 稳定状态的倾向，此时外层电子 将填充内层空位，相应伴随着原 子能量的降低。原子从高能态变 成低能态时，多出的能量以X射 线形式辐射出来。 因物质一定，原子结构一定，两 特定能级间的能量差一定，故辐 射出的特征X射波长一定。 以K层产生空位为例 当一个外来电子将K层的一个电子击出成为 自由电子（二次电子），这时原子就处于高能 的不稳定状态，必然自发地向稳态过渡。 此时位于较外层较高能量的L层电子可以跃 迁到K层。这个能量差 E=EL-EK=h 将以电磁波的形式放射出去，其波长 h/E 必然是个仅仅取决于原子序数的常数。 K = 0.154nm DE = 1.29 10-15J K = 0.139nm DE = 0.15 10-15J L = 1.336nm DE = 1.43 10-15J where K = 1s2 level L = 2s2p6 level M = 2s2p6d10 level Copper铜 K L M LK，产生K MK，产生K 特征X射线 若K层产生空位，其外层电子向K层跃迁产生 的X射线统称为K系特征辐射，其中由L层或 M层或更外层电子跃迁产生的K系特征辐射分 别顺序称为K，K，射线； K系特征辐射 若L层产生空位，其外M，N，层电子向其 跃迁产生的谱线分别顺序称为L，L，射线 ，并统称为L系特征辐射 L系特征辐射 M系等依次类推 跃迁定则(光谱选律) 1， n=0或任意正整数； 2， L= 1跃迁只允许在S项和 P项， P项和S项或D项之间，D项和 P项 或F项之间，等； 3， S=0，即单重项只能跃迁到 单重项，三重项只能跃迁到三重项 ，等； 4， J=0， 1。但当J=0时J=0 的跃迁是禁阻的。 n=1,2,3，线系, 线系, 线系； LK层K； K1 、 K2 MK层K ； K1 、 K2 NK层K ； K 1 、 K 2 M L 层L ； L1 、 L2 NL层L ； L 1 、 L 2 NM层M； M1 、 M2 特征（标识）X射线产生的根本原因是原子内 层电子的跃迁。 （1）不同Z，有不同特征X射线，K、K也 不同。 （2）若V低于激发电压Vk，则无K、K产 生。 靶材料 特征X射线波长 元素 序数 K K Cr 24 2.2907 2.0849 Fe 26 1.9373 1.7566 Ni 28 1.6592 1.5001 Cu 29 1.5418 1.3922 Mo 42 0.7107 0.6323 W 74 0.2106 0.1844 特征X射线波长与靶材料原子序数有关 原子序数越大，核对内层电子引力上升，下降 莫色莱定律 特征X射线谱的频率（或波长）只与阳极靶物质的原 子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固 有特性。19131914年莫色莱发现物质发出的特征 谱波长与它本身的原子序数间存在以下关系： 根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素的 特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可 以确定它是何元素。它是X射线光谱分析的基本依据 小结 衍射分析采用 是衍射分析的 背底; 是医学采用的 仅在特定波 长处有特别 强的强度峰 谱图特征:强 度随波长连 续变化 高能级电子 回跳到低能 级多余能量 转换成电磁 波 特征谱 (硬X射 线) 高速运动的 粒子能量转 换成电磁波 连续谱 (软X射 线) 二、X射线与物质的相互作用 X射线与物质的相互作用，是一个比较复杂的物理过程。 一束X射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收 的结果，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。 X射线与物质的作用分为散射、吸收、透射 1、 散射 （1）相干散射 入射光子与电子刚性 碰撞，其辐射出电磁 波的波长和频率与入 射波完全相同，新的 散射波之间将可以发 生相互干涉-相干 散射。 相干散射是X射线在晶体 中产生衍射现象的基础 。 (2）非相干散射 当物质中的电子与原子之 间的束缚力较小（如原子 的外层电子）时，电子可 能被X光子撞离原子成为 反冲电子。因反冲电子将 带走一部分能量，使得光 子能量减少，从而使随后 的散射波波长发生改变， 成为非相干散射。 小结 相干散射因为是相干波所以可以干涉加强. 只有相干散射才能产生衍射,所以相 干散射是X射线衍射基础 不相干散射因为不相干散射不能干涉加强产生 衍射,所以不相干散射只是衍射的背 底 2 吸收 (1)光电效应 除了被散射和透射掉一部分外，X射线能量主要将 被物质吸收，这种能量转换包括光电效应和俄歇 效应。 当入射X光子的能量足够大时，还可以将原子内 层电子击出使其成为光电子，同时辐射出波长严 格一定的特征X射线。为区别于电子击靶时产生 的特征辐射，由X射线发出的特征辐射称为二次 特征辐射，也称为荧光辐射。(荧光光谱分析原理 是光电效应) 光电子荧光辐射 (2)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(Auger electrons) 。这种现象叫做俄歇效应 。 吸收限 上式形式上与短波限非常相似，但物理意义完全不同。 0 = 1.24/V（nm）连续谱的短波限0随管电压的增高而减 小，而k说明每种物质的K激发限波长都有它自己特定的值 。 从X射线激发光电效应的角度，称K为激发限；然而，从X 射线被物质吸收的角度，则称K为吸收限。 激发K系光电效应时，入射光子的能量必须等于或大于将K电 子从K层移至无穷远时所作的功WK，即 将激发限波长K和激发电压VK联系起 ，即 式中VK以V为单位。 光电子被X射线击出壳层的电子即光电子,它带有 壳层的特征能量,所以可用来进行成分分析 (XPS) 俄歇电子 高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另 一个电子送出去,这个被送出去的电子就是 俄歇电子带有壳层的特征能量(AES) 二次荧光 高能级的电子回跳,多余能量以X射线形式 发出.这个二次X射线就是二次荧光也称荧 光辐射同样带有壳层的特征能量 小结 散射散射无能力损失或损失相对较小 相干散射是X射线衍射基础,只有相干散射才 能产生衍射. 散射是进行材料晶体结构分析的工具 吸收吸收是能量的大幅度转换,多数在原子壳层上 进行,从而带有壳层的特征能量,因此是揭示 材料成分的因素 吸收是进行材料成分分析的工具