X射线的产生及其物理作用ppt课件.ppt

第一章X射线衍射分析 材料研究方法的研究对象是材料的组织 成分及结构 采用的手段及方法是基于检测对象对电磁波及特征射线的反应 基础是材料的结构及电磁辐射 1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现X射线 至今因应用X射线研究取得成果而获诺贝尔奖的高达22个之多 其中物理奖6个 化学奖12个 生物医学奖4个 1908 1911年 巴克拉发现物质被X射线照射时会产生次级X射线 次级X射线除与初级X射线有关 还与被照射物质组成的元素有关 1912年 劳厄等提出X射线是电磁波的假设 并推测波长与晶面间距相近的X射线通过晶体时 必定会发生衍射现象 该假设被弗里德利希 W Friedrich 实验证实 X射线衍射学 英国物理学家布拉格 Bragg 父子提出了X射线 选择反射 的观点 导出了著名的布拉格方程 1913年据此制作出了X射线分光计 1914年 莫塞莱实验发现不同材料同名特征谱线的波长与原子序数间存在定量对应关系 提出了著名的莫塞莱定律 诞生了材料物相快速无损检测分析方法 x射线光谱学 伟大的发现 一 电磁辐射基础二 X射线谱三 X射线与物质的相互作用四 X射线的探测与防护 第一节X射线的产生及其物理作用 一 电磁辐射基础 1 原子的组成原子 Atom 原子核 核外电子电子波 粒二象性轨道非固定 几率最大的分布构成电子云层 近似认为核外电子在各自的轨道 称原子轨道 上运动并用 电子 壳 层 形象化描述电子的分布状况 2 电子运动状态 1 每一运动状态具有确定的能量 不同状态能量数值不同 变化呈不连续 量子化 能级图 把不同的能量数值 按一定比例 用一定高度的水平线代表 并将其按大小顺序排列 由下至上能量增大 而构成的梯级图形 一般最底层值为0 2 为清晰准确表征核外电子的运动 能量 状态 提出五个参量 主量子数n 角量子数l 磁量子数m 自旋量子数s及自旋磁量子数ms 5量子数也相应表征了电子的能量状态 能级 原子中的电子能级示意图 2 电子运动状态 表1 n l m对核外电子状态的表征意义 2 电子运动状态 3 原子的激发 1 基态 原子核外电子按照能量最低原理 泡利不相容原理 洪特规则 分布于各能级上 处于能量最低状态 称为基态 参见无机化学 泡利不相容原理 原子中每个电子必须有独自一组四个量子数 一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子 能量最低原则 电子总是按能量最低的状态分布 洪特规则 由原子光谱的事实总结出的多条规则 其基本原则是 基态多电子原子的电子总是首先自旋平行地 单独地填入简并轨道 一 电磁辐射基础 2 激发态 激发 原子由基态转变为高能态 激发态 的过程 激发条件 较高能级是空的或未填满 由泡利不相容原理决定 吸收能量等于两能级能量差 愈接近原子核 电子能级愈低 电子愈稳定 愈远离 愈高 不稳定 电子可以在轨道间跃迁 低能级轨道 高能级轨道 吸收能量 一 电磁辐射基础 3 激发能 电子激发前后所处能级 能量 之差 不稳定 存在10 8 10 10s后返回基态 4 电子 能级 跃迁 原子中电子受激向高能级跃迁或由高向低能级的跃迁 分为 辐射跃迁 多余能量以电磁辐射形式放出 无辐射跃迁 多余能量转化为内能 5 电离能 使原子中电子脱离原子核束缚的能量 eV 分为一次电离 二次电离等 一 电磁辐射基础 4 辐射的吸收与发射电磁波通过某物质时 从能量角度说分为 部分被散射 部分被吸收 部分被透过 1 辐射的吸收实质 吸收辐射光子能量发生粒子的能级跃迁 h E E2 E1不同物质因能级跃迁类型不同 对辐射的吸收不同 能级跃迁不同 辐射被吸收程度对 或 的分布 吸收光谱不同 一 电磁辐射基础 热能 透射I0 散射X射线 能级跃迁 一 电磁辐射基础 2 辐射的发射物质吸收能量后产生电磁辐射的现象 实质是辐射跃迁 物质粒子发射辐射的强度对 或 的分布称为发射光谱 光致发光粒子则称为荧 磷 光光谱 不同物质具有特定的特征发射光谱 荧光吸收一次光子与发射二次光子的时间短 10 8 10 4 而磷光的时间长 在10 4 10s间 一 电磁辐射基础 3 光谱的分类吸收 发射 散射 拉曼散射谱 吸收与发射光谱按发生作用的物质微粒不同 可分为原子光谱与分子光谱 由于物质微粒能级跃迁的类型不同 能级差不同 吸收与发射光谱波长范围不同 红外 紫外 可见光 X射线谱按强度对波长的分布分为 故除单晶衍射外 尽量扣除连续谱 以减轻对分析的干扰 一 电磁辐射基础 1 X射线的产生原理阴极发射并在管电压作用下高速运动电子与物质碰撞产生 1 能量 其余99 转为热能 2 X射线产生条件1 产生自由电子2 使电子做定向高速运动3 运动路径设置使其突然减速的障碍物 二 X射线的产生及X射线谱 3 X射线管相当于一个真空度为10 5 10 7mmHg的大真空二极管 1 基本组成1 阴极 W丝制成 发射热电子 2 阳极 亦称靶 使电子突然减速 发射X射线 常用靶材 Cr Co Ni Cu Ag W等 二 X射线的产生及X射线谱 3 窗口 X射线从阳极向外射出区 铍制 高真空 对X射线吸收小 4 焦点 阳极靶被电子轰击发射出X射线处 二 X射线的产生及X射线谱 二 X射线的产生及X射线谱 2 分类1 细聚焦X射线管2 旋转阳极X射线管按灯丝 1 密封式灯丝管2 可折式灯丝X射线管4 X射线分类 0 01 100 1 硬X射线 波长较短 能量较高 穿透力强 用于无损探伤 0 05 1 及金属的物相分析 0 5 2 5 2 软X射线 10 100 穿透力弱 主要用于医学 二 X射线的产生及X射线谱 5 X射线谱指X射线强度随波长变化的关系曲线 分为 1 连续X射线谱1 定义 具有连续波长 亦称多色X射线 为高速运动的电子被靶突然阻止而产生 绝大多数电子经历多次碰撞 产生能量各不相同的辐射 形成连续谱 二 X射线的产生及X射线谱 K态 击走K电子 L态 击走L电子 M态 击走M电子 N态 击走N电子 击走价电子 中性原子 Wk Wl Wm Wn 0 原子的能量 连续X射线产生过程 电子冲击阳级靶 X射线射出 演示过程 回车键 2 短波限连续波在短波方向上有一波长极限 短波限 0 是指光子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线 只与管电压有关 eU h max hc 0 0 hc eU 1 24 v nm e 电子电荷 等于1 6 10 19C U 电子通过两极时的电压降 h 普朗克常数 等于6 626 10 34J s实际必有部分电子能消耗于阳极靶的激发 且一个电子能量也可能转化为n个光子或分次转化 故实际 0 即 1 24 v且连续分布 二 X射线的产生及X射线谱 3 X射线强度指垂直于X射线传播方向的单位面积在单位时间内所通过的光子数目的能量总和 用I表示 单位J cm2 s I由光子能量h 及其数目n共同决定 I nh Imax在1 5 0处 此时波长记为 m 连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度 也是阳极靶射出X射线的总能量 I连 iZUmi 电流 U 电压 m 2 Z 原子序数 1 1 1 4 10 9阳极靶只能影响连续谱的强度 不能影响其波长分布 二 X射线的产生及X射线谱 4 连续X射线的效率 射线管效率 n I连 功率 iiZU2 iV iZU i 1 1 1 4 10 9可见效率低 多发热 故要用高熔点金属做阳极且水冷 小结 连续X射线谱 a 同一阳极靶 管电压U不变 提高管电流I 各波长射线的强度I提高 但 0和 m不变 b 提高管电压 i Z不变 各波长射线的I增大 但短波限 0和强度最大时对应的 m减小 c U与i相同时 原子序数Z越高 连续谱的I越大 但 0和 m不变 二 X射线的产生及X射线谱 2 特征 标识 X射线1 定义 在连续谱基础上叠加若干条具有一定波长的谱线 这些谱线强度峰的波长反应了物质原子序数的特征 所以叫特征X射线 由特征射线组成的谱线叫特征X射线谱 激发电压 产生特征X射线的最低电压UK 临界电压 二 X射线的产生及X射线谱 2 特征 电压达到V临界时 特征谱线的 不变 强度按n次方的规律增大 即 波长反映了原子序数的特征 如 钼靶K系特征X射线有两个强度高峰K 和K 波长分为0 71 和0 63 I特征 Ki U U临界 nn 1 5 2 I特 I连在U U临界 3 5时最大 二 X射线的产生及X射线谱 3 机理 能级跃迁如 K层电子被击出时 系统能量由基态升高到K激发态 高能层电子向K层空位填充时 产生K系辐射 把其中L层电子填充空位称为K 辐射M层电子填充空位产生K 辐射 二 X射线的产生及X射线谱 K态 击走K电子 L态 击走L电子 M态 击走M电子 N态 击走N电子 击走价电子 中性原子 Wk Wl Wm Wn 0 原子的能量 标识X射线产生过程 K激发 L激发 Ka辐射 K辐射 L辐射 过程演示 任意键 由能级知K 辐射光子能量大于K 光子 但因K层与L层为相邻能级 L填充几率大 故实际K 强度约为K 强度的5倍 同理 L层电子被激发而产生的特征X射线称为L系辐射或L系射线 L层内不同亚能级电子向K层跃迁所发射的K 1和K 2的关系是 K 1 K 2 IK 1 2IK 2对于多重线系 如L2及L3层电子向K层跃迁 形成的 K 有如下关系 K 2 3 K 1 1 3 K 2 二 X射线的产生及X射线谱 4 莫塞莱定律标识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 莫塞莱定律 标识X射线谱的波长 与原子序数Z的关系为 C及 为与线系有关的常数 二 X射线的产生及X射线谱 5 X射线管工作电压的选择在多晶材料的衍射分析中 总是希望应用以特征谱为主的单色光源 即I特 I连尽可能高 为了使K系谱线突出 x射线管适宜的工作电压一般比K系激发电压高3 5倍 即 V工作 3 5 V临界 即VK 下表给出常用x射线管的适宜工作电压及特征谱波长等数据 6 标识谱的强度 I特 随管电压 V 和管电流 i 的提高而增大其关系的实验公式为 I特 Ki V工作 Vn mK 常数m 常数 K系m 1 5 L系m 2Vn 标识谱的激发电压 对K系 Vn VK 二 X射线的产生及X射线谱 二 X射线的产生及X射线谱 X射线与物质发生相互作用后 内容和过程复杂 然就其能量转换而言 一束X光通过物质时 分为三部分 散射 吸收 透过 三 X射线与物质的相互作用 1 X射线的散射X射线被物质散射时 产生相干散射和非相干散射 1 相干散射 物质中电子在X射线作用下振动 产生的新电磁波波长和频率相同 位相差恒定 产生干涉现象 发生相干散射 2 非相干散射特征 X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子发生非弹性碰撞使波长增大 电子获得能量成为反冲电子 位向差不恒定 无干涉发生 三 X射线与物质的相互作用 2 X射线的吸收X射线通过物质时发生能量损失 吸收的能量引发物质中原子内部的电子跃迁 发生X射线的光电效应和俄歇效应 1 二次特征辐射当入射x射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层电子时 产生光电效应形成二次特征辐射 与此能量阈值相应的波长称为物质的吸收限 亦称为K系特征辐射的激发限 用 K代表 产生光电效应的条件 X射线光子波长必须小于吸收限 k 辐射条件 激发限 K 1 24 VK nm VK 把原子中K壳层电子击出原轨道所需要的最小激发电压 三 X射线与物质的相互作用 K在讨论光电效应产生的条件时叫做K系激发限 若讨论x射线被物质吸收 光电吸收 时 又可把 K叫吸收限 推倒 为产生K系荧光辐射 入射光子的能量h 必须大于或等于K层电子的逸出功WK 即h hc eVK hc eVK 1 24 VK K说明 当入射x射线波长刚好小于等于 K时 可发生此种物质对波长为 k的X射线的强烈吸收 而且正好在 K 1 24 VK时吸收最为严重 形成所谓的吸收边 此时荧光散射也最严重 三 X射线与物质的相互作用 吸收限的应用 可利用 K 1 24 VK计算激发电压 滤波片的选择a 使滤片吸收限位于辐射源的K 和K 间尽量靠近K 强烈吸收K b 因滤片厚对K 吸收增大 K 强度减小到一半时 K K 将由滤前1 5 1 500 故尽量将K 吸收一半 c 实验确定 Z靶 40时 Z片 Z靶 1Z靶 40时 Z片 Z靶 2 三 X射线与物质的相互作用 阳极靶的选择 阳极靶波长稍大于试样的K吸收限 Z靶 Z试样 1此时 入射X射线不在试样上产生荧光X射线 吸收又最小 减轻衍射花样的背底强度 三 X射线与物质的相互作用 2 X射线的吸收X射线透过物质时 因散射和吸收作用 透射方向强度必定减弱 1 朗伯定律 单色光照射到均匀介质上 均匀介质对光强的衰减程度 即介质原子对入射光子的吸收几率 与介质的厚度 t 成正比 dIt It dt 比例常数 与入射线波长及物质有关 称为该物质对入射X射线的衰减系数 亦称为线衰减系数 上式积分得 It I0e tt为介质厚度 I I0称为穿透系数It 投射强度 I0 入射线的强度 的物理意义 单位体积物质引起的相对衰减量 三 X射线与物质的相互作用 2 质量吸收 衰减 系数 m若 为物质的密度 表示X射线通过单位长度物质时强度的衰减 设 m 称 m为质量吸收系数 则 It I0e t m m的物理意义 X射线通过单位面积 单位质量物质后强度的相对衰减量 各元素有各自确定的质量吸收系数 对单元素物质 有 m K 3Z3K 常数 入射波长Z 原子序数 三 X射线与物质的相互作用 吸收限与质量吸收的关系 吸收限由光电效应引起 由于存在 k 使 m随 的变化不连