第一章1.1 X射线物理基础.ppt

第一节X射线物理基础 一 X射线的发现 WilhelmR ntgen 1845 1923 Nov 8 1895 星期五 德国物理学家伦琴 W R ntgen 在研究真空管中的高压放电现象 阴极射线 时 发现荧光板上有光亮 进一步的研究发现 1 可使照相底片感光 2 激发荧光 3 以直线方式传播 4 有很高的穿透能力Dec 28 1895 W R ntgen报道了这一现象 由于不清楚该射线的本质 所以命名 X 射线 X射线的发现 为材料科学与工程研究提供了全新的分析测试方法 1901年 R ntgen获诺贝尔物理学奖 1914年 MaxvonLaue获诺贝尔物理学奖 discoveryofthediffractionofX raysbycrystals 1915年 Bragg父子获诺贝尔物理学奖 theanalysisofcrystalstructurebymeansofXrays 1921年 AlbertEinstein获诺贝尔物理学奖 TheoreticalPhysics andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect 1927年 A H Compton获诺贝尔物理学奖 discoveryoftheComptoneffect Laue的设想 X射线是波长很短的电磁波 晶体是原子有规则的三维排列 二 X射线的性质 只要X射线的波长与晶体中原子的间距具有相同的数量级 那么当用X射线照射晶体时就应能观察到干涉现象 波长 cm 劳厄斑Lauespots X射线X ray 晶体crystal 劳厄斑Lauespots 1914年获诺贝尔物理学奖 X radiation Microwaves g radiation UV IR Radiowaves 10 610 311031061091012 Wavelength nm 可见光 微波 无线电波 在电磁波谱中 X射线的波长范围约为0 005nm到10nm 相当于可见光波长的10万分之一到50分之一 由此 X射线被证实是一种频率很高 波长很短 的电磁波 X射线的本质是电磁辐射 与可见光完全相同 仅是波长短而已 因此具有波粒二像性 1 波动性 2 粒子性 X射线在空间传播时 可以看成是大量以光速运动的粒子流 这些粒子流称为量子或光子 每个光子的动量为 每个光子的能量为 X射线的强度 单位时间内通过与X射线传播方向相垂直的单位面积上的光子数目与光子能量的乘积 波动性 X射线的波长范围 0 05 100 表现形式 在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现象 即证明了X射线的波动性 粒子性 具有的一定的质量 能量和动量 X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 式中h 普朗克常数 等于6 625 J s c X射线的速度 等于2 998 cm s 三 X射线的产生 X射线管 电子速度的急剧变化 引起电子周围电磁场发生急剧变化 产生一个或几个电磁脉冲 X射线 具有很强的穿透能力 能使照片感光 空气电离 四 X射线谱 连续X射线谱 特征X射线谱 短波限 0 Mo的X射线谱 示意图 X射线的强度 单位时间内通过与X射线传播方向相垂直的单位面积上的光子数目与光子能量的乘积 产生 实验表明 特定的阳极材料 在某特定管压以下 产生连续谱 强度随波长连续变化 即在强度可测范围内 包含各种不同的波长 叫连续谱 又叫白色谱或多色谱 实验规律 当逐步增加X射线管的管电压时 图中的强度曲线I 有下列变化 连续X射线谱上有一个强度最大值 并在短波方向有一波长极限 称为短波限 0 随管电压增大 强度I普遍增大 短波限向短波方向移动 即 0减小 强度最高的射线波长为 m减小 即随V增大 整个曲线向左上方移动 管压V和管电流I保持一定的条件下 当阳极物质改变时 随阳极物质的原子序数Z增大 各种波长的相对强度I增高 整个曲线向上方移动 但其 0 m均不变 1 连续X射线谱 形成原因 从量子理论的观点来分析 电子被阳极靶突然制止时 其动能的一部分将转化为一个或几个 射线光子 其余部分将转化为热能 当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一个 射线光子时 光子的能量 1 2mv2 eV hv最大 hc 0光子达到了最高的能量 最大的频率和最短的波长 但是绝大多数高速电子与阳极靶撞击时 它的部分能量p要消耗于高速电子的全部内能上 所以转化为 射线光子的能量小于高速电子的全部能 即 h eV p另外 一个电子的能量也可能转化为几个光子或分几次转化 这都说明大部分辐射波长 0 也就是构成了连续 射线谱 电子速度的急剧变化 引起电子周围电磁场发生急剧变化 产生一个或几个电磁脉冲 X射线 电子速度变化程度不同 产生光子的能量不同 与管电压 管电流 阳极靶材料有关 管电压管电流阳极靶材料 2 特征X射线谱 临界电压谱线波长 X射线强度 波长管电压对特征谱强度的影响 与阳极靶材有关 Z 原子序数 C 常数 莫塞莱定律 线形光谱 产生 当管电压超过某一临界值V激后 如对钼靶超过20千伏 由若干相互分离且具有特定波长的谱线组成 其强度大大超过连续谱线的强度并可叠加于连续谱线上 特征X射线谱 图中两个强度特别高的窄峰称为钼的K系X射线 波长为0 63埃的是K 射线 波长为0 71埃的是K 射线 K 射线又可以细分为K 1及K 2两条线 当继续提高管电压时 图中所示各特征X射线的强度不断提高 但其波长不变 实验规律 只有当管电压超过某一特定值Vk 激发电压 时才能产生存在一临界电压VK 当V工作 Vk eV eVk时 则产生标识谱 不同的阳极物质 有不同的标识谱 即不同的激发电压 这由阳极靶的原子序数决定 具有特定的波长当管电压超过Vk而进一步升高时 K系特征X射线的波长不变 而强度按n次方的规律增大 即波长不因外界条件而变 工作电压V工作只改变强度I 不改变 K K 1 K 2的值 且I标 Ki V Vk n式中 I为管电流 V为管电压 Vk为激发电压 由阳极靶所决定 n为常数 约为1 5 2 K为比例常数 与特征X射线的波长有关 且波长取决于阳极靶元素的原子序数不同阳极材料 有不同的标识谱波长 即对某一特定材料 具有波长恒定的标识谱 遵循莫塞来定律 X ray成分分析基础 莫塞莱定律莫塞莱发现同系特征X射线的波长 随阳极靶的原子序数的增加而变短 在射线频率V的平方根和原子序数Z之间存在线性关系 即 这个关系称为莫塞莱定律 式中的C和 都是常数 Z 原子序数 C 常数 标识谱产生机制 原子内层电子转移任何物质 原则上说 不管外界激发因素是由电子 中子 X光子等 一旦激发能达到或超过物质的结合能 就有标识X射线产生 而这种射线又是物质属性的标志 可见 其产生机制必与原子内层电子迁移密切相关 1 高能阴极电子激发靶原子使K电子跃入外层轨道或原子之外而形成K空位 能量升高 原子处于亚稳态 所有外层电子都可能向此空位跃迁而产k系x ray谱 把k层电子被迁出的过程叫k系激发 随之的电子跃迁所引起的辐射为k系辐射 当电子由L层跳回k层 则出现k 谱线 当电子由M层跳回k层 则出现k 谱线 K 的能量比K 大 K 的波长比K 短 K 的强度比K 小 虽然K 辐射光子能量 K 因能量与波长成反比 故 K K 但是 K层空位被L层电子填充的几率大大超过被M层电子填充的几率 故产生光子数目很少 所以 就光子能量与数目乘积 强度I nh 而言IK IK IK IK 5 同理 电子打掉L层电子时 发生L系辐射 产生L系x ray谱 相应有L L L 谱线 电子打掉M层上电子时 发生M系辐射 产生M系x ray谱 NB 电子能级间的能量差不是均匀分布 愈靠近核 相邻能级间能量差越大 越靠近原子核的内层电子与核的结合能越大 距k层越远的能级 电子向其跃迁的几率越小 产生的辐射光子越少 故忽略其它辐射 由于L M系标识x ray波长一般很长 强度很弱 易被吸收 在衍射分析工作中很少使用 主要讨论K系 2 由于各壳层电子能量不同 激发辐射出的特征X射线的波长 也各不相同 x ray的频率由下式决定 h E2 E1式中 E1 原子在稳定态下的能量E2 原子在激发态下的能量对于原子序数为Z的确定物质来说 各原子能级的能量是固有的 其 E是固有的 则 也是固有的 这是 为一定值的原因 五 X射线与物质的相互作用 X射线衍射 成分分析 无损检测 实质 电磁波与物质中电子的相互作用意义 可用于结构分析 成分分析 解释实验现象 选择实验条件 避免不利影响的发生 实验证明 X射线经过物质后 I0 I 散射 吸收 从能量角度看 W入射W穿透 W散射 W吸收 W穿透 W衰减 一 X射线与物质的相互作用 1 X射线的散射 散射 x ray光子与物质中的电子相遇时改变了原来传播方向 造成了在原来传播方向上强度减弱的现象称为散射可分为 相干散射非相干散射 X射线是一种电磁波 当它通过物质时 在入射束电场的作用下 物质原子中的电子将被迫围绕其平衡位置发生震动 并在运动期间被连续地加速和减速 同时向其四周辐射出与入射线同频率的电磁波 即入射波将自身的能量传给了电子 而电子又将该能量转化为与入射波长相同的散射X射线 1 相干散射产生 相干散射 由于入射线与散射线的波长与频率一致 位相固定 各散射波之间以及与入射波可以发生干涉 故称相干散射 弹性散射 干涉的结果 散射波在某些方向上相互加强 在另一些方向上相互减弱或抵消 晶体中发生衍射的基础 相干散射并不损失x ray能量 而只是改变了它的传播方向 但对入射线方向来说 却起了强度衰减的作用 2 非相干散射 Compton Wu散射 X射线粒子性的证明 入射X射线光子与原子中受核束缚较弱的电子发生碰撞 散布于各个方向的散射波波长互不相同 与入射波的相位不存在确定关系 不能互相干涉 形成连续背底 不利于衍射分析 非相干散射当X射线冲击束缚力不大的电子或自由电子时 可以产生另一种散射电子将被撞出原来轨道 成为反冲电子 而入射光子自身亦被撞偏了一个角度 如图 散射线能量因部分转化为反冲电子的动能而降低 波长变大 其变化量可由下式求得 0 0243 1 cos 埃 这种波长改变的散射现象和它的定量关系遵守量子理论的规律 因此称为量子散射 量子散射波的位相与入射线的位相之间不存在固定关系 因此不能产生任何干涉效应 自然也不能参与衍射 所以这种散射也称为不相干散射 2 X射线的吸收 物质对x ray的吸收 指的是x ray能量在通过物质时转变为其它形式的能量 对x ray而言 也就是发生了能量损耗 物质对x ray的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的 发生x ray的光电效应和俄歇效应 使x ray的部分能量转变成为光电子 荧光x ray及俄歇电子的能量 故x ray的强度被衰减 当入射X射线光子的能量足够大时 h 明显超过原子的芯电子束缚能Eb 将使原子中的内层电子被击出 使原子处于激发态 随后 原子中的外层电子将跃迁到内层电子空位上 同时辐射出特征X射线 辐射跃迁 h 特征X射线二次特征X射线 荧光X射线 1 光电效应与荧光 二次特征 辐射 光电效应 吸收限的产生机制x ray与物质相互作用可以看作是x ray光子和物质中的原子相互碰撞 光子与原子的碰撞很像前面讲过的电子与阳极靶的原子碰撞产生标识x ray谱的情况 当x ray波长足够短时 其光子的能量就很大 以至能把原子中处于某一能级上的电子打出来使原子处于高能激发态 内层出现空位 外层电子往此空位跃迁 产生标识x ray 光电效应这种以光子激发原子所发生的激发和辐射过程称为光电效应 被击出的电子称为光电子 所辐射出的次级标识x ray 由x ray激发出的x ray 称为荧光x ray 二次标识x ray 一次的特征x ray的一部分能量转变为所照射物质的二次特征辐射 表现为物质对入射x ray的吸收 这一吸收非常强烈 2 俄歇效应定义 光子与物质中原子相撞 使原子处于激发状态 当外层电子跃入内层空位时 其多余的能量不以x ray形式放出 荧光x ray 而是传递给其它外层的电子 使之脱离原子 俄歇效应 例 俄歇电子KL2L2K层电子被击出 L2层电子跳入K层空位 多余能量传递L2 L3 M层电子 使其脱离原子 形成二次电子 这种二次电子称俄歇电子 上述K层一个空位被L层二个空位所代替 这个过程称俄歇效应 无辐射跃迁过程 俄歇效应 光电子 俄歇电子 俄歇电子 KL1L1LM1M1 L1 K L2 命名 俄歇电子通常用参与俄歇过程的三个能级来命名 即 初态空位所在能级 向空位作无辐射跃迁电子原在能级 发射电子原在能级 上例中俄歇电子为KL2L2 说明 伴随光电吸收发生的有荧光x ray和俄歇电子 辐射跃迁和无辐射跃迁 通常荧光x ray和俄歇电子是同时存在的 用途 俄歇电子的能量只取决于物质原子的能级结构 与参与该过程的三个能级能量有关 每种元素都有自己的特征俄歇电子能谱 它是元素的固有特征 所以 可以用俄歇电子能谱做元素的成分分析及试样表面状态分析等 二 x ray的衰减规律 x ray穿过物质后 由于x ray与物质相互作用时x ray被散射和吸收 使得x ray被减弱x ray在穿过物质时强度不断衰减 衰减的程度随所穿过物质厚度的 按指数规律 x ray通过整个物质厚度的衰减规律为式中 Io x ray原始强度x 穿过物质的厚度m 线吸收系数 物质对x ray的线衰减系数 与吸收体原子序数 密度及x ray波长有关 的物理意义是当x ray透过单位长度物质时强度衰减的程度 沿传播方向 由于I指单位时间通过单位截面的能量 故 相应于单位体积 单位面积 单位长度 的该种物质对x ray的吸收 强度的衰减程度 值越大 强度的衰减越快 线衰减系数 穿透系数 质量衰减系数 为了消除吸收系数对物理状态的依赖性 使用质量吸收系数 m替代线吸收系数 m 式中 物质 吸收体 密度 m 质量吸收系数m2 kg m物理意义 表示单位质量物质 单位截面的1g物质 对x ray的衰减程度 吸收 其值大小与温度 压力等物质状态参数无关 与x ray的波长及物质 吸收体 的原子序数有关 当物质状态发生改变时 疏密变化 m保持不变 所以 在实际工作中利用质量吸收系数来表示物质对x ray的衰减情况更为合适 各元素对不同波长x ray的 m可查表 也可通过经验公式计算求得 m KZ3 3式中 K 常数 Z 吸收体的原子序数 x ray波长 根据 m KZ3 3知 m随x ray波长的增大而单调增大 但事实并非如此 任何物质都存在几个特定波长位置 在这些位置上 曲线的连续性遭破坏 m产生突变 这些曲线上的不连续处称为吸收限 吸收系数的突变台阶 相应的波长称为吸收限波长 K 相应于使材料中原子产生K激发的x光子波长值 三 吸收限的利用 滤波选择吸收限介于X射线中的K 和K 的波长之间的物质 应用 滤波片实际上是利用吸收限两边吸收系数相差悬殊的特点制成的 如果选择一种材料其K吸收限波长 K恰好位于所用特征x ray的K 与K 线波长之间 尽量靠近K 此时 对K 线及连续谱线吸收很大 而对K 线的吸收却很小 可得到基本上是单色的K 谱线 滤波片材料选择规律是 Z靶 40时 Z滤 Z靶 1Z靶 40时 Z滤 Z靶 2 常用滤波片数据表 选靶 若试样的K系吸收限为 K 应选靶的K 波长 K 稍稍大于 K 并尽量靠近 K 这样既不产生K系荧光辐射 且试样对x ray的吸收也最小 根据样品化学成分选择靶材的原则是 Z靶 Z样 1或Z靶 Z样 例如 样品 Fe K 0 1743nmX射线靶 Fe K 0 1937nmCo K 0 1790nmNi K 0 1659nmCu K 0 1542nm 在x ray衍射实验中 若入射x ray在试样上产生荧光x ray 则只增加衍