(X射线的物理基础)(1).pdf

材料科学与工程学院材料科学与工程学院 1 X射线的物理学基础射线的物理学基础 1 1 X射线的本质射线的本质 X射线是一种本质与可见光完全相同的电磁波或电磁辐射 只不过 射线是一种本质与可见光完全相同的电磁波或电磁辐射 只不过X射线是由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作 用而产生的 因此能量大 波长短 穿透物质的能力强 射线是由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作 用而产生的 因此能量大 波长短 穿透物质的能力强 102910 4 10 6 10 7 10 8 10 12 10 13 10 15 波长 米 晶体衍射用 波长 米 晶体衍射用X射线 射线 0 05 0 2 nm 软 软X射线 金属探伤 射线 金属探伤X射线 射线 0 005 0 1 nm 硬 硬X射线射线 无线电波红外线 可见光 紫外线无线电波红外线 可见光 紫外线X射线 射线宇宙射线射线 射线宇宙射线 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 德国维尔茨堡大学德国维尔茨堡大学W C伦琴教授伦琴教授 1895 12 28 1896 3 9发表三篇论文 论述它 的性质 发表三篇论文 论述它 的性质 1 像可见光一样直线传播 经电场不发生偏转 像可见光一样直线传播 经电场不发生偏转 2 有很强的穿透能力 所有物质多少都透过它 有很强的穿透能力 所有物质多少都透过它 3 使萤光物质发光 使气体电离 使萤光物质发光 使气体电离 4 使照相底片感光 而人的肉眼无法直接观察到它 使照相底片感光 而人的肉眼无法直接观察到它 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 波粒二象性是波粒二象性是X射线的客观属性射线的客观属性 1 X射线具有波动的性质 有一定的频率和波长 反映物质的连续性 现象表现为晶体衍射 射线具有波动的性质 有一定的频率和波长 反映物质的连续性 现象表现为晶体衍射 2 X射线具有粒子性 是具有一定能量光子的粒子 流 反映物质运动的分立性 现象表现为光电效应和荧光辐射 射线具有粒子性 是具有一定能量光子的粒子 流 反映物质运动的分立性 现象表现为光电效应和荧光辐射 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 已出现的设想 晶体中呈有规律 周期性排 列 组成三维原子网络 以上未能得到实验证实 Laue根椐理分析预测提出 已出现的设想 晶体中呈有规律 周期性排 列 组成三维原子网络 以上未能得到实验证实 Laue根椐理分析预测提出 晶体中原子间距 与X射线波长相近 应当可以作为使X射线发生衍射 的立体光栅 晶体中原子间距 与X射线波长相近 应当可以作为使X射线发生衍射 的立体光栅 晶体的晶面间距是10晶体的晶面间距是10 10 10 m 与X射线的 波长 2 10 m 与X射线的 波长 2 10 10 10 m 相当 一箭双雕的证实 X射线的本质是短波电磁辐 射 晶体结构中点阵的假设是正确的 m 相当 一箭双雕的证实 X射线的本质是短波电磁辐 射 晶体结构中点阵的假设是正确的 证明X射线的波动性证明X射线的波动性 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 劳厄 劳厄 Laue 实验 实验 1912 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 光电效应实验证明X射线的粒子性光电效应实验证明X射线的粒子性 入射X射线产生光电效应和荧光辐射的条件与 频率 波长 有关 而与强度和照射时间无关 入射X射线产生光电效应和荧光辐射的条件与 频率 波长 有关 而与强度和照射时间无关 X射线的频率 波长 以及其光子的能量 动量 射线的频率 波长 以及其光子的能量 动量p之间存在如下关系 之间存在如下关系 h h c p h 式中 h 普朗克常数 等于6 625 10 34J s c X射线的速度 等于2 998 1010cm s 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 X射线的发现和研究历程X射线的发现和研究历程 1895年 伦琴发现X射线 1901年 1907年 亨利 布拉格和巴克拉争论X射线的波粒二象性 1912年 劳厄发现X射线衍射 由此确定了X射线的波动性 1913年 劳伦斯 布拉格提出X射线衍射公式 亨利 布拉格 创建X射线分光仪 1913年 莫塞莱确定X射线标识谱线的规律性 1917年 康普顿研究X射线散射 发现康普顿效应 1956年 凯 西格班开始发表X射线光电子能谱学的成果 1895年 伦琴发现X射线 1901年 1907年 亨利 布拉格和巴克拉争论X射线的波粒二象性 1912年 劳厄发现X射线衍射 由此确定了X射线的波动性 1913年 劳伦斯 布拉格提出X射线衍射公式 亨利 布拉格 创建X射线分光仪 1913年 莫塞莱确定X射线标识谱线的规律性 1917年 康普顿研究X射线散射 发现康普顿效应 1956年 凯 西格班开始发表X射线光电子能谱学的成果 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 1 2 X射线的产生及X射线管1 2 X射线的产生及X射线管 产生原理 产生原理 高速运动的电子与物体碰撞时 发生能量 转换 电子的运动受阻失去动能 其中一小部分 1 左右 能量转变为X射线 而绝大部分 99 左右 能量转变成热能使物体温度升高 高速运动的电子与物体碰撞时 发生能量 转换 电子的运动受阻失去动能 其中一小部分 1 左右 能量转变为X射线 而绝大部分 99 左右 能量转变成热能使物体温度升高 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 X射线产生的几个基本条件射线产生的几个基本条件 产生自由电子 产生自由电子 使电子作定向的高速运动使电子作定向的高速运动 在其运动的路径上设置一个障碍物使 电子突然减速或停止 在其运动的路径上设置一个障碍物使 电子突然减速或停止 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 X射线管的结构 阴极 又称灯丝 钨丝 通电加热后便能释放出热辐射电子 阳极 又称靶 通常由纯金属制成 Cr Fe Co Ni Cu Mo Ag W 等 使电子突然减速并发射X射线 阳极需要水强制冷却 窗口 是X射线射出的通道 维持管内高真空 对X射线吸收 较少 如金属铍 含铍玻璃 薄云母片 阴极 又称灯丝 钨丝 通电加热后便能释放出热辐射电子 阳极 又称靶 通常由纯金属制成 Cr Fe Co Ni Cu Mo Ag W 等 使电子突然减速并发射X射线 阳极需要水强制冷却 窗口 是X射线射出的通道 维持管内高真空 对X射线吸收 较少 如金属铍 含铍玻璃 薄云母片 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 X射线管中的焦点射线管中的焦点 在X射线衍射中 总希望有较 小的焦点 提高分辨率 和较强 的X射线强度 缩短爆光时间 在X射线衍射中 总希望有较 小的焦点 提高分辨率 和较强 的X射线强度 缩短爆光时间 一般采用在与靶面成一定角度的位置接受X射线 这 样可以达到焦点缩小 X射线相应增强的目的 一般采用在与靶面成一定角度的位置接受X射线 这 样可以达到焦点缩小 X射线相应增强的目的 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 特殊结构的X射线管特殊结构的X射线管 1 旋转阳极的X射线管1 旋转阳极的X射线管 充分散热 提高X射线管的功率 3KW 90KW 2 细聚焦X射线管2 细聚焦X射线管 利用电磁透镜聚焦电子束 制成细焦点的X射线 最小 几个微米 提高X射线管的比功率和实验分辨率 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 1 3 X射线谱射线谱 X射线谱X射线谱 X射线强度随波长而变化的关系曲线 它由两 部分组成 X射线强度随波长而变化的关系曲线 它由两 部分组成 连续X射线谱连续X射线谱 特征是各种波长连续变化 与可见光类 似 也称白色X射线 特征是各种波长连续变化 与可见光类 似 也称白色X射线 特征X射线谱特征X射线谱 也称标识谱 特征是某些特定波长 其 强度较高并叠加在连续X射线谱上 特征X射线谱线的波长决定于靶子的材料 每个元素有一 也称标识谱 特征是某些特定波长 其 强度较高并叠加在连续X射线谱上 特征X射线谱线的波长决定于靶子的材料 每个元素有一 套一定波长的X射线谱 成为这个元素的标识 套一定波长的X射线谱 成为这个元素的标识 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 连续连续X射线谱的产生机理射线谱的产生机理 1 经典动力学解释 经典动力学解释 高速运动的电子到达靶材 导致周围电磁场的急剧变 化 产生电磁波 高速运动的电子到达靶材 导致周围电磁场的急剧变 化 产生电磁波 2 量子理论的解释 量子理论的解释 高速电子与阳极靶的原子碰撞时 电子失去自己的能 量 其中部分以光子的形式辐射出去 碰撞一次产生一个能 量为 高速电子与阳极靶的原子碰撞时 电子失去自己的能 量 其中部分以光子的形式辐射出去 碰撞一次产生一个能 量为hv的光子 这样的光子流即为的光子 这样的光子流即为X射线 绝大多数到达靶上的电子时间和条件不一样 并且电子要 经过多次碰撞 逐步把能量释放到零 产生能量各不相同的 辐射 因此形成连续 射线 绝大多数到达靶上的电子时间和条件不一样 并且电子要 经过多次碰撞 逐步把能量释放到零 产生能量各不相同的 辐射 因此形成连续X射线谱 射线谱 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 短波限 短波限 0 0 假设电子在一次碰撞中将全 部能量一次转换为一个光量 子 这个光量子具有最高能 量和最短波长 假设电子在一次碰撞中将全 部能量一次转换为一个光量 子 这个光量子具有最高能 量和最短波长 0 max hc heV 将各常数代入上式 将各常数代入上式 24 1 0 nm V 连续谱短波限 连续谱短波限 0 0只与管电压有关 与管电流和靶材无关 只与管电压有关 与管电流和靶材无关 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 X射线的强度射线的强度 X射线的强度是指行垂直X射线传播方向 的单位面积上在单位时间内所通过的光子 数目的能量总和 常用的单位是J cm X射线的强度是指行垂直X射线传播方向 的单位面积上在单位时间内所通过的光子 数目的能量总和 常用的单位是J cm2 2 s s X射线的强度I是由光子能量h 和它的 数目n两个因素决定的 即I nh 连续X射 线强度最大值在1 5 X射线的强度I是由光子能量h 和它的 数目n两个因素决定的 即I nh 连续X射 线强度最大值在1 5 0 0 而不在 而不在 0 0处 处 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 连续谱强度分布曲线下所包络的面积与在一定条件下单位 时间发射的连续X射线总强度成正比 连续谱强度分布曲线下所包络的面积与在一定条件下单位 时间发射的连续X射线总强度成正比 mi IiZV 连 其中 i是管电流 V是管电压 Z为阳极靶的原子序数 其余为常数其中 i是管电流 V是管电压 Z为阳极靶的原子序数 其余为常数 X射线管发射连续X射线的效率 X射线管发射连续X射线的效率 2 XiZV ZV XiV 连续 射线总强度 射线管功率 钨阳极 Z 74 管电压为100 kV 约为 1 1 1 4 10钨阳极 Z 74 管电压为100 kV 约为 1 1 1 4 10 9 9 1 1 为获得强的连续X射线谱 常选用原子序数较大的元素和较高 的电压值 为获得强的连续X射线谱 常选用原子序数较大的元素和较高 的电压值 连续连续X射线强度和效率射线强度和效率 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 特征 标识 特征 标识 X射线谱的产生机理射线谱的产生机理 标识X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结 构紧密相关的 标识X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结 构紧密相关的 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 如 L层电子跃迁到K层 此时能量降低为 如 L层电子跃迁到K层 此时能量降低为 KLLK 这一能量以一个光量子的形式辐射出来变成光子能量 这一能量以一个光量子的形式辐射出来变成光子能量 KL c hh 对于原子序数为Z的物质而言 各原子能级所具有的能量是 固定的 所以 对于原子序数为Z的物质而言 各原子能级所具有的能量是 固定的 所以 kL kL变为固定值 也随之固定 这就是特 征X射线波长为定值的原因 变为固定值 也随之固定 这就是特 征X射线波长为定值的原因 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 核外电子分层排布核外电子分层排布 K L M N O P 层K L M N O P 层 低低 各层电子的能量 各层电子的能量 高 高 高 高 原子对各层电子的结合能 原子对各层电子的结合能 低低 X光量子的能量仅与原子内各层能态有关 它标识 着原子的特征 X光量子的能量仅与原子内各层能态有关 它标识 着原子的特征 一般选用K一般选用K 作为辐射源 因为L和M系射线由于波 长太长 容易被吸收 作为辐射源 因为L和M系射线由于波 长太长 容易被吸收 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 1 需要最低的管电压V1 需要最低的管电压V激 激 2 阳极靶不同 特征X射线 谱的波长也不同 3 V V 2 阳极靶不同 特征X射线 谱的波长也不同 3 V V激 激时 特征X射线谱的 波长不变 而强度按n次方的 规律增大 时 特征X射线谱的 波长不变 而强度按n次方的 规律增大 特征特征X射线谱的几个特点射线谱的几个特点 Mo靶X射线管的X射线强度曲线Mo靶X射线管的X射线强度曲线 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 K Z 莫塞莱定律莫塞莱定律 特征特征X射线谱的频率和波长只取决于阳极 靶物质的原子能级结构 是物质的固有特性 特征 射线谱的频率和波长只取决于阳极 靶物质的原子能级结构 是物质的固有特性 特征X射线谱的频率 与原子序数射线谱的频率 与原子序数Z关系 可以通过莫塞莱定律描述 关系 可以通过莫塞莱定律描述 K 和 是两个常数 莫塞莱定律是波谱和能谱分析的基础 莫塞莱定律是波谱和能谱分析的基础 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 MoseleyMoseley s Laws Law 原子序数与标识X 射线谱波长的关系原子序数与标识X 射线谱波长的关系 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 1 4 X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 X射线与物质相互作用时 产生各种不同和 复杂的过程 就其能量转换而言 一束 射线与物质相互作用时 产生各种不同和 复杂的过程 就其能量转换而言 一束X射线通 过物质时 可分为三部分 射线通 过物质时 可分为三部分 一部分被散射 相干散射和非相干散射 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 光电效应 俄歇效应 正电子吸收 荧光 一部分被吸收 真吸收 光电效应 俄歇效应 正电子吸收 荧光X射线 热散能量 射线 热散能量 一部分透过物质继续沿原来的方向传播 波长改变和不改变部分 一部分透过物质继续沿原来的方向传播 波长改变和不改变部分 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 相干散射相干散射 原子中的内层电子在X射线电场的作用下 并围绕其 平衡位置发生振动 这样每个电子在各方向产生与入射X射 线振动方向相同 原子中的内层电子在X射线电场的作用下 并围绕其 平衡位置发生振动 这样每个电子在各方向产生与入射X射 线振动方向相同 频率相同 频率相同 位相差恒定 位相差恒定的电磁波 所以 新的散射波之间可以发生干涉现象 称为相干散射 的电磁波 所以 新的散射波之间可以发生干涉现象 称为相干散射 相干散射是晶体衍射的物理基础相干散射是晶体衍射的物理基础 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 非相干散射 康普顿散射 非相干散射 康普顿散射 X射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞 时电子获得一部分动能成为反冲电子 射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰撞 时电子获得一部分动能成为反冲电子 X射线光子离开原来 方向 能量减小 波长增加 射线光子离开原来 方向 能量减小 波长增加 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 准直系统 入射光 准直系统 入射光 0 散射光散射光 探测器 石墨 散射体 探测器 石墨 散射体 2 康普顿研究康普顿研究X射线在石墨上的散射射线在石墨上的散射 0 0 1 cos2 0 0024 1 cos2 h mc 波长的改变值 波长的改变值 nm 非相干散射会增加连续背影 给衍射图象带来不利 的影响 特别对轻元素 非相干散射会增加连续背影 给衍射图象带来不利 的影响 特别对轻元素 非相干散射 康普顿散射 非相干散射 康普顿散射 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 X射线的吸收射线的吸收 X射线通过均匀物质 其强度的衰减符合下式 X射线通过均匀物质 其强度的衰减符合下式 dI dx I 其中 为线吸收系数 它的意义是在X 射线的传播方向上 单 位长度上的X 射线强度衰减程度 它与物质种类 密度和X射线 波长有关 为便于处理 令 其中 为线吸收系数 它的意义是在X 射线的传播方向上 单 位长度上的X 射线强度衰减程度 它与物质种类 密度和X射线 波长有关 为便于处理 令 m m为质量吸收系数 它的物理意义是单位重量物质对X 射线 的衰减量 为质量吸收系数 它的物理意义是单位重量物质对X 射线 的衰减量 2 m cmg 33 m KZ 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 由于不同物质的吸收吸收不同 由此可以进行生物 体透射和工业探伤研究 由于不同物质的吸收吸收不同 由此可以进行生物 体透射和工业探伤研究 对于多种元素以上的物质的吸收系数 可以通过下式得到 对于多种元素以上的物质的吸收系数 可以通过下式得到 112233 mmmm WWW 0 m x x II e I I0 0是入射X射线强度 I是入射X射线强度 Ix x是入射X射线在穿过厚度为X的物 质后的强度 是入射X射线在穿过厚度为X的物 质后的强度 X射线的吸收射线的吸收 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 物质对物质对X射线的吸收指的是射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时转变 为其它形式的能量 射线能量在通过物质时转变 为其它形式的能量 X射线发生了能量损耗 它分为两类 射线发生了能量损耗 它分为两类 1 原子对 原子对X射线的漫散射 小部分能量损失 射线的漫散射 小部分能量损失 2 真吸收 大部分能量损失 物质对 真吸收 大部分能量损失 物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的 射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的 二次特征辐射二次特征辐射 俄歇俄歇 Auger 效应效应 X射线的吸收射线的吸收 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 推导 推导 如果入射光子的能量如果入射光子的能量h 大于大于K层电子的逸出功层电子的逸出功 Wk 将发生 将发生K系荧光辐射 产生二次特征系荧光辐射 产生二次特征X射线 射线 k kk hW WeV c 1 24 kk kk chc heVnm eVV Vk 将将K层原子击出原轨道所需要的最小激发电压层原子击出原轨道所需要的最小激发电压 K 将将K层原子击出原轨道所需要的最长波长层原子击出原轨道所需要的最长波长 吸收限现象和原理吸收限现象和原理 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 一个X射线量子所具有的能量及Ni 的质量吸收系数随波长的变化 一个X射线量子所具有的能量及Ni 的质量吸收系数随波长的变化 吸收限主要是由光电效 应引起的 当 吸收限主要是由光电效 应引起的 当X射线的波长 等于或小于 射线的波长 等于或小于 K 吸收限波 长 时 吸收限波 长 时 激发光电效应激发光电效应 使使X射 线被吸收 射 线被吸收 m突变性增大 当入射X射线波长刚好等 于吸收限时 物质对入射X射 线吸收最强烈 突变性增大 当入射X射线波长刚好等 于吸收限时 物质对入射X射 线吸收最强烈 吸收限现象和原理吸收限现象和原理 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 吸收限的应用 加滤波片吸收限的应用 加滤波片 K K 1 21 4 1 61 8 in a No filter K K K absorption edge of nickel 1 21 4 1 61 8 in b With Ni filter 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 滤波片的选择滤波片的选择 1 它的吸收限位于辐射源的它的吸收限位于辐射源的K 和 和K 之间 且尽量 靠近 之间 且尽量 靠近K 强烈吸收 强烈吸收K K 吸收很小 吸收很小 2 选择适当的滤波片厚度 选择适当的滤波片厚度 如果滤波片太厚 将强烈