第1章 X射线性质及产生20119

1.1X-Ray的性质1.2X-Ray的产生1.3X-Ray谱1)连续X射线谱及其产生机理2)特征X射线谱及其产生机理（重点，难点）1.4X射线与物质的相互作用1.4.X射线的散射1.4.射线的吸收1.4.射线的衰减规律1.5吸收限的应用1.6X射线的探测与防护,第1章X射线性质及产生,1.1X-Ray的性质,X射线是一种电磁波，波长范围如图1.1,具有波粒二象性,图1.1电磁波谱,（1）波动性,表现形式：以一定频率和波长在空间传播;干涉及衍射效应；如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。X射线的波长范围：0.01100或者10-8-10-12m,硬x射线：0.05-2.50.5-2.5主要用于晶体结构分析0.05-1主要用于金属探伤等软x射线：10-100主要用于医学,换算关系：1nm=10-9m=10,（2）粒子性,表现形式:以光子（光量子）形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量;在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；二次电子等。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6.62510-34J.s;cX射线的速度，等于2.998108m/s.,X射线产生核心装置：X射线管与X射线同步辐射,1.2X-Ray的产生,高速运动的电子与物体碰撞时，与物质内层电子相互作用发生能量转换，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；绝大部分（99左右）能量转变成热能使物体温度升高。,（1）X-Ray的产生原理,（2）产生条件,1.产生自由电子-电子源，如加热钨丝产生热电子2.使电子作定向的高速运动-施加在阳极和阴极（钨丝）间的电压,常规的X射线产生装置,8,3.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。4.真空-把阴极和阳极密封在真空度高于10-3Pa的真空中，保持两极洁净并使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。,（3）产生条件,常规的X射线产生装置,X射线产生,原子序数越大，X射线波长越短，能量越大，穿透能力越强。,（3）X射线管,焦斑阳极靶面被电子束轰击的区域,X射线从焦斑区域出发焦斑的形状对X射线衍射图的形状、清晰度、分辨率有较大影响,在与焦斑短边垂直处，可得到正方形焦点，即电光源在与焦斑长边垂直处，可得到细线型焦点，即线光源,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,X射线管剖面示意图,（4）过程演示,1.3X射线谱,由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：(1)连续（白色）X射线(2)特征（标识）X射线,X射线谱指的是X射线的强度随波长变化的关系曲线。X射线强度大小由单位面积上的光量子数决定。,连续X射线谱,特征X射线谱,（1）连续X射线,具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。,产生机理演示过程短波限X射线的强度,连续X射线谱产生机理,能量为eV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hv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很多的，绝大多数电子要经历多次碰撞，逐渐地损耗自身的能量，即产生多次辐射，由于多次辐射中光子的能量不同，因此出现连续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,电子冲击阳极靶,X射线射出,演示过程,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。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。相互关系为：式中e电子电荷，等于（库仑）V管电压h普朗克常数，等于c光速2.998*108m/s,X射线的强度,X射线的强度是指在单位时间内通过垂直于X射线传播方向的单位面积上光子数目（能量）的总和。常用单位是J/cm2.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1.50,而不在0处。,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，也是阳极靶发射出的X射线的总能量。实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系：且X射线管的效率为:,20,1.强度随波长连续变化，2.每条曲线都对应有一个最短的波长（短波限0）和一个强度最大值3.短波限0与管电压有关,因此，管电压既影响连续X射线谱的强度，也影响其波长范围。,当增加X射线管的电压，连续X射线谱有下列特征,Page21,连续谱与电流、电压和靶材的关系,练习题,1.试计算波长0.71（Mo-K）和1.54（Cu-K）的X射线束，其频率和每个量子的能量。,Mo靶X射线:,Cu靶X射线:,练习题,2.试计算用50千伏操作时，X射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的X射线短波限为多少？,1.产生机理2.特征X射线的特性管电压特征强度特征特征波长取决于原子序数-莫塞莱定律3.K系激发机理,(2)特征X射线谱,Mo的特征X射线谱,Page25,1.特征X射线产生机理,X射线管中，阴极发射的电子束轰击阳极内层电子击出低能级上出现空位系统处于激发状态（不稳定）较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁（系统能量重新降低而趋于稳定）多余的能量以光子的形式向外辐射特征X射线。辐射光子的能量为：hn2-n1En2-En1En2和En1分别为高能级和低能级电子的能量,特征x-ray产生的机理,X射线的物理基础,2.特征X射线的特性,(1)激发管电压特征：每一条谱线对应一定的激发电压，只有当管电压超过激发电压时才能产生相应的特征谱线，且靶材原子序数越大其激发电压越高。当电压达到临界电压时，特征谱线的波长不再变，强度随电压增加。,K系特征X射线的强度与管电压、管电流的关系为：,(2)强度特征：每个特征射线都对应一个特定的波长，不同靶材的特征谱波长不同。如管电流和管电压V的增加只能增强特征X射线的强度，而不改变波长。,2.特征X射线的特性,K2和n是常数；V和Vk分别是工作电压和K系激发电压；i管电流,同系（例如K1、L1等）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。且存在如下关系：莫塞莱定律：同系特征X射线谱的波长或频率与原子序数Z关系为：,2.特征X射线的特性莫塞莱定律(3),C，C1与为常数,或者,30,莫塞莱定律,K1:C=3*103=2.9,K1:C1=5.2*107=2.9,由能级可知K辐射的光子能量大于K的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率大，所以K的强度约为K的5倍。产生K系激发要阴极电子的能量eVk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk就是激发电压。,返回莫赛莱定律,K系激发机理,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层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生K辐射；M层电子填充空位时产生K辐射。,表1.1,连续X射线谱,特征X射线谱,1.强度随波长连续变化2.强度与管电压、管电流、原子序数有关3.其产生：高能电子的能量损失频率有关（电子能量X射线光子能量）,1.波长一定而强度很强2.与靶材有关，有一个激发电压有关，与管电流无管3.特征谱的产生与靶材原子内部结构有关如K，K（核外不同能级之间能量差X射线光子能量）,连续谱与特征谱的比较,1.4X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。,X射线的散射；X射线的吸收；X射线的衰减规律；吸收限的应用；,1.4.1X射线的散射,X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射（也称为经典散射）非相干散射,相干散射:（汤姆逊散射/弹性散射）,X射线与物质的作用,相干散射是X射线在晶体中产生衍射的基础,A.与物质原子中束缚力较大的电子（内层电子）的作用。,B.电子作受迫振动发射电磁波，称散射波。,C、各散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的干涉条件，可产生干涉作用。,特点：,38,1.4.2非相干散射（康普顿散射/非弹性散射）,X射线与物质的作用,特点：A.X射线与束缚力较小的外层电子或自由电子碰撞,B.外层电子成为反冲电子，X射线光子能量减小，波长的改变：=0.0024(1-cos2),C、由于散射X射线的波长随散射方向而变，不能产生干涉效应。故这种X射线散射称为非相干散射。,非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应或康普顿-吴有训效应。,在非相干散射中，除康普顿散射外，还有拉曼散射、热漫散射、黄昆散射（了解）。拉曼散射：是X射线光子能量比壳层电子临界激发能小得非常多时发生的共振散射。应用：利用拉曼散射可以测量物质内的电子状态变化。,X射线与物质的作用,热漫散射：是X射线光子与声子（谐振动的能量的量子化）碰撞造成的。光子的能量损失很少，可以把它看成晶格热振动造成的晶格畸变引起的漫散射。应用：利用热漫散射可以测定物质的特征温度等热学性质，判断原子间结合力。,X射线与物质的作用,黄昆散射：是晶格静畸变引起的漫散射，这种散射引起的X射线能量损失也很少。应用：利用黄昆散射可以测定晶体缺陷及其附近的应力场、原子偏聚、短程有序等。,1.4.2X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射线的非热能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。,光电效应；俄歇效应。热能,光电效应,以光子激发原子所发生的激发和辐射过程。当一个具有足够能量的X射线光子与物质中的原子相互碰撞时，从原子内部（例如K层）击出一个电子，同时发生辐射而产生特征X射线。被击出的电子称为光电子；所辐射的次级X射线称为标识X射线或荧光X射线。,X射线与物质的作用,激发K系光电效应时，X射线光子的能量必须大于（其临界值应等于）为击出一个K层电子所作的功：,X射线与物质的作用,X射线与物质的作用,k从激发光电效应的角度说，称为激发限波长，意义是只有入射的X射线波长达到或小于它时，才能激发物质的二次特征X射线。,从X射线被吸收的角度看，称为吸收限波长。意义：当入射的X射线的波长达到或小于k它时，入射X射线将被该物质强烈吸收，并产生光电效应。,在不同的场合，对于K有不同的要求：衍射分析中，荧光X射线增加衍射花样的背底，因此要尽量避免。(阳极材料的K大于样品物质的K)X射线荧光分析中，希望得到尽可能强的荧光X射线，因此，激发源的K应小于样品物质的K,X射线与物质的作用,俄歇电子,处于电离态的原子中的电子发生能级跃迁（退激）时，所释放的能量使另一核外电子被电离，此电子即为俄歇电子。即：当特征X-Ray光子的能量足够大时，可以再次激发原子的外层电子，使之成为自由电子，并勉出样品。俄歇电子的能量范围：501500eV。,X射线与物质的作用,1.4.3X射线的衰减规律（由于散射+吸收而引起的衰减）,当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减,衰减的程度与材料的厚度，密度有关。,54,I0入射X射线强度，Ix为穿透厚度为x的物质后的X射线强度，l为线衰减系数，衰减与散射的关系很小，因此，l也称线吸收系数（单位为cm-1）,它与物质的种类、密度和X射线的有关。,单位为cm2/g,则：,实际中最常用的是物质的质量吸收系数um,为物质的密度。质量吸收系数的意义是单位质量物质对X射线的衰减程度。,X射线与物质的作用,质量吸收系数与物质的密度和状态无关，而与物质的原子序数（即原子的种类）和入射X射线的波长有关。它们的关系为：,K为常数。质量吸收系数反映了不同物质对X射线的吸收程度。,X射线与物质的作用,图1.11Pt（Z=78）的质量吸收系数m随入射X射线波长的变化,1）吸收系数随波长的增大而增大,且在一定区间内是连续变化的。这是因为X射线的波长越长越容易被物质所吸收。,X射线与物质的作用,2）在某些波长的位置上产生跳跃式的突变。即吸收限或激发限的存在。,如果吸收体中是由两种以上的元素组成的化合物或混合物、或溶液，其总的质量吸收系数为：,um=w1um1+w2um2+wpumpw1,w2和wp为该吸收体中各组分的质量分数um1,um2和ump为该吸收体中各组分的质量吸收系数,X射线与物质的作用,计算SiO2对Cu的K辐射的质量吸收系数（1.5418）已知原子量Si=28.08,O=16.0。,X射线与物质的作用,例题：,则SiO2的质量吸收系数为：,解：查附表2得Si、O对Cu的K辐射的质量吸收系数m（Si）=60.3,m（O）12.7,思考题,特征X射线与荧光X射线（二次特征X射线）的区别是什么？,X射线与物质相互作用的总结,吸收,透射X射线，强度I=I0e-md,散射,俄歇效应,