《X射线的性质》PPT课件.ppt

第一章X射线的性质,一、引言,伦琴Rontgen,1、是一种电磁波,X射线波长为10-1210-8m，在电磁波谱中位于紫外线与射线之间并与它们部分相重叠。一般波长短的X射线穿透能力强，称为硬X射线，反之则称为软X射线。,电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列,射线X射线紫外光可见光红外光微波无线电波,2、是粒子性和波动性的统一,动量;,能量,h,普朗克常数6.62510-34JS,C,光速2.998108m,X射线的性质,具有很强的穿透能力，通过物质时可被吸收使其强度减弱，能杀伤生物细胞。沿直线传播，光学透镜、电场、磁场不能使其发生偏转。,二、X射线的产生,X射线管(原理示意图),2、X射线产生必须具备的三个基本条件：,()产生自由电子()使电子作定向高速运动()有障碍物使其突然减速,三、X射线谱,连续X射线谱X射线特征光谱,1、连续X射线谱,连续射线的产生,经典电动力学解释：,量子力学解释：电子和原子的碰撞,e,eU=1/2mv2,hv,hv=hc/=hc/eU=1.24/U,连续X射线谱特征,1、存在短波限0,2、随着管电压的增加，短波限0向短波方向移动。,3、随着管电压的增加，射线强度增大。,4、射线管发射连续射线的效率比较低。,钨阳靶，管电压100，1,2、特征/标识X射线谱,特征X射线谱,特征X射线的产生,K,L,M,K,K,123,K1,K2,K1,K2,L1,L2,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，由L层或M层或更外层电子跃迁产生的X系特征辐射分别顺序称为K，K，射线；但距K层越远的能级，电子向K层跃迁几率越小，相应产生的辐射光子数越少，故通常除K、K外，忽略其它辐射。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。M系等依此类推。,特征X射线谱及管电压对特征谱的影响钼钯K系1-20kV2-25kV3-35kV,K射线的双重线K1与K2(钼靶),特征X射线谱特征,1、波长具有特征性，只与阳极靶原子系数有关，而和管电压无关。,2、只有管电压超过一个临界值，才能够产生。,3、随着管电压的增加，射线强度增大，但波长不变。,特征谱线波长与物质原子序数的关系由莫塞莱(Mose1ey)定律表述.,特征X射线小结,1）定义：是具有特定波长的X射线，也称单色X射线。,2）产生机理：入射电子能量等于或大于物质原子中K层电子的结合能，将K层电子激发掉，外层电子会跃迁到K层空位，因外层电子能量高，多余的能量就会以X射线的形式辐射出来，两个能级之间的能量差是固定的，所以此能量也是固定，即其波长也是固定的：En2En1=h（c/）,特征X射线小结,3）特征谱结构K系特征谱：K、K、K,K(K1、K2)4）与Z的关系1/K(Z)荧光X射线光谱分析（XRF、XFS）,四、X射线与物质的相互作用,散射吸收透过衰减,X射线作用于物质,1X射线的散射,X射线与物质内层电子作用时，电子便成为新的电磁波源向空间各个方向辐射与入射X射线频率相同的电磁波，新的散射波之间可以发生干涉作用。,X射线光量子碰撞(原子中束缚较紧、Z较大电子)新振动波源群（原子中的电子）；与X射线的周期、频率相同，方向不同。,非相干散射,X射线与外层电子（受核束缚力小）或自由电子碰撞时，电子获得一部分动能成为反冲电子，碰撞后的光子能量减少并偏离原来的传播方向。由于散射波波长随散射方向改变，与入射X射线不存在固定的位相关系，散射线之间不能发生干涉作用。,X射线穿过厚度为dx的薄层单元时，其强度衰减率dI/I可表示为：,线吸收系数，单位为cm-1。,(1)吸收系数,2、X射线的吸收及衰减规律,1）：线吸收系数，单位为cm-1。,吸收系数讨论,2）线吸收系数大小取决于入射X射线的波长及物质的密度。,3）m=/，单位为cm2g-1。质量吸收系数。,m与入射X射线波长及原子序数Z的关系为：mK3Z2,例题如果以金属Ni作为CuK滤波片，要求只有2%的K辐射穿过，请计算滤波片的厚度和K的透射率。（Ni：=8.92g/cm3，m(CuK)=49.2cm2/g，m(CuK)=286cm2/g）,解：1.K滤波片的厚度计算：当一束平行的X射线垂直投射到吸收体的表面时，其透射光的强度I为：I=I0exp(-mH)（1）式中：H为吸收体的厚度，为吸收体的密度，m为吸收体的质量吸收系数。将公式（1）整理成log10的形式：log(I0/I)=0.434(-mH)（2）按题义要求：CuK的I0/I=50。代入公式（2）中得：H=log50/(0.4342868.92)H=15.3m,2.K的透射率计算：滤波片的厚度已确定为15.3mlog100/I=0.43449.28.920.00153logI=log100-0.291I=101.71=51.3即在此条件下CuK辐射的透射率为51.3%。,多元素物质（机械混合物、固溶体或化合物）:m=w1m1+w2m2+式中：w1，w2各元素的重量百分数m1，m2各元素的质量吸收系数,（2）吸收限,荧光辐射（二次X射线）俄歇效应：,吸收限,激发（吸收）限与激发电压k12.4/vkk称为激发限，从X射线吸收的角度讲又可称吸收限，Vk称K系激发电压。,（3）吸收限的应用滤波片的选择,当Z靶40时，Z滤片=Z靶-2,阳极靶的选择,阳极靶发射出的X射线的K波长应稍大于试样的K吸收限K，而且尽量靠近K。Z靶Z试样+1,阳极靶发射出的X射线的波长K,某种材料的吸收限,K,铁元素吸收系数随波长的变化,铁的K=0.17429nm,0.17,0.17429,研究纯铁样品时,如何选择阳极靶？,靶材钴、镍的K波长分别为0.17902nm及0.16591nm，,镍的K波长0.16591nmK波长0.1500nm,钴的K波长0.17902nmK波长0.160720nm,小结：X射线与固体物质的相互作用,五、X射线的探测与防护,探测：荧光屏、照相底片、辐射探测器等。防护：铅板、铅玻璃、铅橡皮工作服、铅玻璃眼镜等。,射线对物质晶体的研究？,波的干涉,(a)同位相，相长干涉,(b)反位相，相消干涉,(c)存在一定位相差,1.X射线的波粒二象性2.连续X射线谱的特点3.X射线产生的基本条件与基本性质4.特征（标识）X射线的特点,5.光电效应与俄歇效应6.相干散射与非相干散射7.什么叫特征X射线激发电压V激？,习题1-1试计算波长为0.71(MoK)和1.54(CuK)的X射线束的频率(每秒)和每个量子的能量是多少?1-2试计算管压为50KV时,X射线管中的电子撞击阳极靶的速度和动能。此时X光管发射的连续光谱的短波限及每个光子的最大能量是多少？1-3铅对MoK，RhK及AgK的质量吸收系数分别为141，95.8及74.4，作图验证公式m=K3Z3。根据所作的曲线确定试样铅对60KV管压X射线管发出的最短波长辐射的质量吸收系数。1-4X射线衍射实验室为保护操作人员所用的铅屏厚度通常至少为1毫米。试计算这种铅屏对于CuK、MoK及管压为60KV的X射线管所发射的最短波长辐射的透射系数（I透射/I入射）。,1885年巴耳麦(J.Balmer)对氢原子在可见光区的十四条谱线总结出了巴耳麦经验公式1895年德国物理学家伦琴(W.C.Rntgen)发现了X射线，初步研究了其性质。他于1901年成为了世界上第一位诺贝尔奖获得者1900年德国物理学家普朗克(M.Planck)提出振子能量有不连续性的“能量子”概念，成功地解释了黑体辐射中能量密度随频率变化的规律1905年爱因斯坦(A.Einstein)提出“光子说”主张光子兼有粒子性，成功地解释了光最效应的实验规律1906年汤姆逊(J.J.Thomson)因证实电子是粒子诺贝尔物理奖1911年卢琴福(E.Rutherford)提出原子结构的有核模型19101912年劳厄(M.VonLaue)在其研究生夫里德里克(W.Friedrich)及尼平(P.Knipping)的协助下完成了五水硫酸铜单晶对X射线的衍射实验，一箭双雕的证明了X射线的波动性本质及晶体结构排列的周期性质。1914年劳厄师生获得了诺贝尔奖1912年英国物理学家布拉格(W.H.Bragg)发现了X射线的特征谱线，后经莫塞莱(H.G.Moseley)系统化1913年布拉格（W.L.Bragg)用比劳厄更简单的公式表达了X射线在晶体中产生衍射的必要条件（布拉格方程）。1915年布拉格父子获得了诺贝尔奖1913年丹麦物理学家玻尔(N.Bohr)提出原子中电子运动的“定态”概念及“玻尔频率规律”，成功的解释了氢原子光谱的经验公式（巴耳麦经验公式）1921年德国物理学家厄瓦尔多将倒易点