X射线物理学基础.ppt

第一章X射线物理学基础 第一节X射线简介第二节X射线谱第三节X射线与物质的相互作用 第一节X射线简介 一 X射线发展史二 X射线的应用三 X射线的性质四 X射线的产生五 X射线管 一 X射线发展史 1895年 德国物理学家伦琴发现了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 德国物理学家劳厄发现了X射线在晶体 硫酸铜单晶 中的衍射现象 奠定了 X射线衍射学 基础1912年 英国物理学家Brag父子利用X射线衍射测定了NaCl晶体的结构 开创了X射线晶体结构分析的历史 与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单 在X射线发现后几个月医生就用它来为病人服务右图是纪念伦琴发现X射线100周年发行的纪念封 二 X射线的应用 X射线透射学通过X射线的透射情况来研究人体或物体的内部情况 包括医学上的诊断和X射线工业探伤 X射线衍射学又称 X射线晶体学 是目前应用最广的一个方面 根据X射线照射晶体后所产生的衍射线方向和强度来确定晶体结构 研究与结构和结构变化相关的各种问题 X射线光谱学通过研究X射线光谱 可研究物质的原子构造 如电子能级分布等 通过研究物质发出的X射线的波长可确定物质的元素成分 这方面应用的例子是X射线荧光光谱分析和电子探针 X射线在工业和科学技术中的应用主要分三方面 三 X射线的性质 1 本质 波长极短的电磁波 波长 0 01 10nm 1912年劳厄指导的衍射实验证实 2 分类 硬X射线 波长短的X射线 如 X射线衍射分析常用波长约0 05 0 25nm 金属材料透视检验的波长更短 约0 005 0 1nm 软X射线 波长长的X射线 如用于医学透射的X射线 硬软程度表示穿透能力的强弱 波长越短 穿透力越强 3 单位 nm kX 晶体学单位 1nm 10 10 9m1kX 1 0020772 0 000053 1973年值 4 波粒二象性X射线的客观属性 波动性场合 X射线之间相互作用时表现 以一定的频率和波长在空间传播 干涉 衍射等 反映物质运动的连续性 粒子性 突出 场合 X射线与电子 原子间相互作用时表现 它是由大量的不连续粒子流构成的 这些粒子流称为光子 X射线以光子的形式辐射和吸收时具有质量 能量和动量 在与物质相互作用时交换能量 如光电效应等 反映物质运动的分立性 描述波动性参量 频率 波长 描述粒子性参量 能量 动量 关系 普朗克常数h 6 625 10 34J s当X射线与其它元素的原子或电子交换能量时只能一份一份地以最小能量单位 h 被原子或电子吸收 四 X射线的产生 1 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 2 产生条件 产生自由电子的电子源 如加热钨丝发射热电子 设置自由电子撞击靶子 如阳极靶 用以产生X射线 施加在阴极和阳极之间的高压 用以加速自由电子朝阳极靶方向加速运动 将阴 阳极封闭在 10 3Pa的高真空中 保持两级纯洁 促使加速电子无阻地撞击到阳极靶上 接变压器 玻璃 钨灯丝 金属聚灯罩 铍窗口 金属靶 冷却水 电子 X射线 X射线 3 过程演示 五 X射线管 封闭电子式X射线管实物图 结构示意图 电子式X射线管实质上是一个真空二极管 10 3 10 4Pa 其结构为 阴极 发射电子的灯丝 W丝阳极 又称靶 使电子突然减速和发射X射线 常用靶材 Cu Fe Co Ni Cr Mo Ag W等高速运动电子的动能仅1 左右转变成X射线 99 转变成热能 为避免烧熔靶面 常通水冷却 聚焦罩 聚焦电子束 灯丝外设置 其电位较阴极低100 400V 用高熔点金属钼或钽制造 焦点 阳极靶面被电子束轰击的地方 正是从这块面积上发射出X射线 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 较小的焦点 可以提高分辩率 窗口 X射线从管内出射的地方 常开设2或4个 窗口材料要有足够强度并尽可能少地吸收X射线 常用铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃 窗口与靶面常成6o的斜角 X射线管中发出的X射线在各个方向不同 越接近与电子束垂直的方向 强度越高 对于直角靶面 最好沿靶面方向接收 但靶面不可能绝对光滑平整 大部分X射线将被吸收而减弱 故常在与靶面成6o的方向接收 X射线接收方向 上述常用X射线管的功率为500 3000W 目前还有旋转阳极X射线管 细聚焦X射线管和闪光X射线管 因阳极不断旋转 电子束轰击部位不断改变 故提高功率也不会烧熔靶面 目前有100kW的旋转阳极 其功率比普通X射线管大数十倍 旋转阳极靶示意图 第二节X射线谱 X射线谱 X射线的强度随波长变化的关系曲线 X射线有两种波谱 一 连续X射线谱二 特征X射线谱 钼靶X射线管发出的X射线谱 一 连续X射线谱 由波长连续变化的X射线构成 和白光相似 是多种波长的混合体 故也称白色X射线或多色X射线 特点 每条曲线都有一强度最大值和一个波长极限值 短波限 0 波长从短波限向长波方向伸展 可达无穷大 呈丘包状 连续谱示意图 1 实验规律 当提高管电压U时 i Z不变 各波长X射线的强度都提高 短波限 0和强度最大值对应的 m减小 当保持管电压一定 提高管电流i 各波长X射线强度一致提高 但 0和 m不变 在相同管电压和管电流下 阳极靶材的原子序数Z越高 连续谱的强度越大 但 0和 m相同 管电压U 管电流i和阳极靶材原子序数对连续谱影响 2 产生机理 能量为eU的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 碰撞一次产生一个能量为h 的光子 这样的光子流即为X射线 单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的 极大数量的电子射到阳极靶上的条件和时间不可能是一样的 绝大多数电子要经历多次碰撞 产生能量各不相同的辐射 因此出现连续X射线谱 3 短波限 连续X射线谱在短波方向有一个波长极限 称为短波限 0 它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线 相互关系 式中 电子电荷e 1 602 10 19C U 电子通过两极时的电压降 普朗克常数h 6 626 10 34J S X射线传播速度c 2 998 108m S 1 0 nm U 千伏 短波限只与管电压有关 不受其它因素的影响 当固定管电压 增加管电流或增大阳极靶材原子序数时 0不变 仅使各波长X射线强度增高 绝大多数到达阳极靶面的电子经多次碰撞消耗其能量 每次碰撞产生一个光量子 故其能量均小于电子能量 而得波长大于 0的不同波长的辐射 构成连续谱 4 X射线的强度 X射线的强度是指垂直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 s X射线的强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的 即I nhv 在连续谱中 强度最大值不在短波限处 而是位于1 5 0附近 连续谱中 每条曲线下的面积表示各种波长X射线的强度总和 也就是阳极靶发射出的X射线的总能量 I连与管电压 管电流 阳极靶的原子序数存在如下关系 Z为阳极靶的原子序数 U为管电压 千伏 i为管电流 毫安 K 1 1 1 5 10 9 5 X射线管的效率 X射线管的效率 是指电子流能量中用于产生X射线的百分数 即随着原子序数Z的增加 X射线管效率增加 W Z 74 U 100KV 则 1 二 特征X射线谱 钼靶X射线管发出的X射线谱 U 35KV 特征X射线谱由一定波长的若干X射线叠加在连续X射线谱上构成 它和单色的可见光相似 具有一定的波长 故称单色X射线 每种元素只能发出一定波长的单色X射线 它是元素的标志 故也称为标识X射线 1 特征X射线谱的特征2 产生机理3 莫塞莱定律4 特征X射线的强度5 阳极靶的选择 1 特征X射线谱的特征 当管电压超过某临界值时特征谱才会出现 该临界电压称激发电压 不同的阳极靶 激发电压不同 产生的特征谱的波长也不同 当管电压继续增加时 特征谱强度增加 但对应的波长保持不变 特征谱的波长不受管电压 管电流的影响 只决定于阳极靶材元素的原子序数 特征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 特征X射线的产生 2 产生机理 原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级 在电子轰击阳极的过程中 当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时 于是在低能级上出现空位 系统能量升高 处于不稳定激发态 较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁 并以光子的形式辐射出标识X射线谱 机理 由不同外层上的电子跃迁至同一内层上来而辐射的特征谱线属于同一线系 并按电子跃迁所跨越的电子能级数目多少的顺序 将这同一线系的谱线分别标以 等符号 K层电子被击出时 原子系统能量由基态升到K激发态 高能级电子向K层空位跃迁时产生K系辐射 L K填充空位时 产生K 辐射 M K填充空位时产生K 辐射 L系辐射 M L 产生L 辐射 N L 产生L 辐射 M系辐射 K系谱线 l 1 j 0 1 K系谱线 K 光子的能量大于K 光子的能量 但K层与L层为相邻能级 故L层电子向K层跃迁的几率远大于M层跃迁的几率 所以K 谱线的强度约为K 的五倍 电子跃迁选择定则 l 1 j 0 1K 双线系电子分别由L 和L 两个亚层跃迁到K层时产生的辐射 L 亚层上四个电子跃迁至K层几率比L 上二个电子跃迁几率大一倍 故K 1谱线的强度约为K 2的两倍 双线的波长相差很小 一般情况下分辨不开 统称为K 线 3 莫塞莱定律 特征X射线谱的波长只与阳极靶物质的原子结构有关 与其它外界因素无关 是物质的固有特性 莫塞莱定律 特征谱波长与阳极靶原子序数的关系 K 为常数X射线光谱分析的基本依据 4 特征谱的强度 特征谱强度与管电压 U 管电流 i 的关系 c为常数 n为常数 K系n 1 5 L系n 2U激为特征谱激发电压 K系 U激 UK 多晶材料的衍射分析中希望应用以特征谱为主的单色光源 即尽可能高的I特 I连 U UK 4时 I特 I连最大 此时连续谱造成的衍射背影最小 X射线管适宜的工作电压 U 3 5 UK 5 阳极靶选择 由于L系 M系特征谱线波长较长 容易被物质吸收 所以在晶体衍射分析中常用K系谱线 轻元素的K系辐射波长值大 容易被X射线管窗口 甚至空气所吸收而不好利用 太重元素靶材所产生的K系谱线 其波长又太短 且连续辐射所占比例又太大 所以 采用单色辐射的衍射实验宜用Cr Fe Co Cu Mo等靶材的X射线管 第三节X射线与物质的相互作用 X射线与物质相互作用时 产生各种不同的和复杂的过程 就其能量转换而言 一束X射线通过物质时 可分为三部分 一部分被散射 一部分被吸收 一部分透过物质继续沿原来的方向传播 其强度的衰减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 一 X射线的散射二 X射线的吸收三 吸收限的应用四 X射线的衰减规律五 X射线与物质相互作用总结 一 X射线的散射 当入射线与原子内受核束缚较紧的电子相遇时 光量子能量不足以使原子电离 但电子可在X射线交变电磁场作用下发生受迫振动 这样的电子就成为一个电磁波的发射源 向周围辐射与X射线波长相同的辐射 因为各电子所散射的射线波长相同 有可能相互干涉 故称相干散射 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线波长相同的散射X射线 相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础 1 相干散射 经典散射 汤姆逊散射 2 非相干散射 量子散射 X射线光量子与自由电子或受核束缚较弱的电子碰撞 将一部分能量给予电子 使其动量提高 成为反冲电子 光子损失了能量 并且改变了运动方向 能量减少 波长增加 这就是非相干散射 散射线分布于各个方向 波长随散射方向不同而改变 不能产生干涉现象 1923年康普顿发现并用量子理论解释这一现象 故称康普顿效应或量子散射 非相干散射的波长变化为 非相干散射不能参与晶体对X射线的衍射 但也无法防止 它分布于各个方向 强度随sin 的增加而增大 在衍射分析中形成背底 给衍射图象带来不利影响 特别对轻元素 电子受核的束缚弱 二 X射线的吸收 物质对X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 X射线发生了能量损耗 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 这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应 1 光电效应2 俄歇效应 1 光电效应 光电子和荧光X射线 当入射光量子的能量等于或略大于吸收体原子某壳层电子的结合能 即该层电子激发态能量 时 此光量子就很容易被电子吸收 获得能量的电子从内层溢出 成为自由电子 称光电子 原子则处于相应的激发态 这种原子被入射辐射电离的现象即光电效应 光电效应使被照物质处于激发态 这一激发态和由入射电子所引起的激发态完全相同 也要通过电子跃迁向较低能态转化 同时辐射被照物质的特征X射线谱 由入射X射线所激发出来的特征X射线称荧光X射线 二次特征X射线 利用荧光X射线进行成分分析 X射线荧光光谱分析 Z 20 使K层电子变成自由电子需要的能量是 K 亦即可引起激发态的入射光量子能量必须达到此值 从X射线激发光电效应的角度 称 K为激发限 从X射线被物质吸收的角度 称 K为吸收限 产生光电效应条件 X射线波长必须小于吸收限 K K nm UK KV 2 俄歇效应 原子中一个K层电子被入射光量子击出后 L层一个电子跃入K层填补空位 此时多余的能量不以辐射X光量子的方式放出 而是另一个L层电子获得能量跃出吸收体 这样一个K层空位被两个L层空位代替的过程称俄歇效应 跃出的L层电子称俄歇电子 每种原子的俄歇电子均具有一定的能量 EKLL 测定俄歇电子的能量 即可确定该原子的种类 所以可利用俄歇电子能谱作元素的成分分析 俄歇电子的能量很低 一般为几百电子伏 能够检测到的只是表面两三个原子层发出的俄歇电子 因此 俄歇谱仪是研究物质表面微区成分的有力工具 X射线的真吸收 X射线通过物质时造成的能量损失称为X射线的真吸收 X射线穿过物质时会引起热效应 一部分能量转变为热能 光电子光电效应荧光X射线俄歇电子热效应 三 吸收限的应用 通过滤波片后K 减弱甚微 K 被强烈吸收滤波片厚度以K 强度衰减到原来的一半时为最佳 IK IK 1 500Z靶 40时 Z滤 Z靶 1Z靶 40时 Z滤 Z靶 2 1 滤波片的选择 红 滤波片黑 靶 铜辐射通过镍滤波片前后的强度比较 2 根据样品成分选择阳极靶 Z靶 Z试样 1 Z靶 Z试样 红 试样黑 靶 原则 Z靶 Z试样 1或Z靶 Z试样 四 X射线的衰减规律 X射线通过物质后的衰减 X射线强度衰减量dI与入射线强度I和层厚dx有关 即 IH I0称穿透系数或透射系数 为常数 与入射的波长及物质有关 称为物质对X射线的线吸收系数 也称线衰减系数 物理意义 单位体积物质对X射线的衰减程度 与物质的密度成正比 即与物质的存在状态有关 线吸收系数 质量吸收系数 单位 cm2 g 质量吸收系数与密度无关 物理意义 单位重量物质 1CM2穿透截面积 对X射线的衰减程度 若吸收体是多元素的化合物 固溶体或混合物时 其质量吸收系数决定于各组元的质量吸收系数及各组元的质量分数 即 质量吸收系数决定于吸收物质的原子序数和X射线的波长 关系为 物质的原子序数越大 对X射线的吸收能力越强 对一定的吸收体 X射线的波长越短 穿透能力越强 表现为吸收系数的下降 但随波长的降低 质量吸收系数并非呈连续变化 而是在某些波长位置上突然升高 出现了吸收限 K为常数 质量吸收系数与波长的关系曲线 产生光电效应条件 X射线波长必须小于吸收限 光电效应解释吸收突变 当入射波长非常短时 它能打出K电子 形成K吸收 但因其