x射线性质实用教案

1、 本章主要(zhyo)学习的内容: 1.X射线的性质,本质和产生 2.X射线谱-连续谱,特征谱 3.X射线与物质的相互作用第1页/共81页第一页，共82页。lX射线是1895年11月8日由德国物理学家伦琴（W.C. Rntgen）在研究真空管高压放电(fng din)现象时偶然发现的。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(xngzh).1901年伦琴获诺贝尔奖1912年劳埃进行了晶体的X射线衍射实验第2页/共81页第二页，共82页。 研究真空高压放电效应时，发现凳子上的镀有氰亚研究真空高压放电效应时，发现凳子上的镀有氰亚铂酸钡的硬纸板发出荧光。分析认为可能是存

2、在一铂酸钡的硬纸板发出荧光。分析认为可能是存在一种不同于可见光的射线，且可能是由真空管加上高种不同于可见光的射线，且可能是由真空管加上高电压时引起的，他试着用黑纸挡、用木块挡都挡不电压时引起的，他试着用黑纸挡、用木块挡都挡不住，甚至住，甚至(shnzh)(shnzh)可以透过人的骨骼！可以透过人的骨骼！ 由于当时对这种射线的本质和特性尚无了解，故取由于当时对这种射线的本质和特性尚无了解，故取名为名为X X射线，后人也叫伦琴射线。射线，后人也叫伦琴射线。第3页/共81页第三页，共82页。二、应用二、应用(yngyng) 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(jnin)伦琴发现X

3、射线100周年发行的纪念(jnin)封第4页/共81页第四页，共82页。与与X X射线及晶体衍射射线及晶体衍射(ynsh)(ynsh)有关的部分诺贝尔奖获得者名单有关的部分诺贝尔奖获得者名单 第5页/共81页第五页，共82页。 物质的性质、材料的性能决定于它们的组成和微物质的性质、材料的性能决定于它们的组成和微观结构。观结构。 如果如果(rgu)(rgu)你有一双你有一双X X射线的眼睛，就能把物质射线的眼睛，就能把物质的微观结构看个清清楚楚明明白白！的微观结构看个清清楚楚明明白白！ X X射线衍射将会有助于你探究为何成份相同的材料，射线衍射将会有助于你探究为何成份相同的材料，其性能有时会差异

4、极大其性能有时会差异极大. . X X射线衍射将会有助于你找到获得预想性能的途径。射线衍射将会有助于你找到获得预想性能的途径。第6页/共81页第六页，共82页。钢铁中的碳化物、夹杂物、残余奥氏体的定性分析钢铁中的碳化物、夹杂物、残余奥氏体的定性分析(dngxngfnx)与定量分析、化学热处理的表面相分析、与定量分析、化学热处理的表面相分析、表面堆焊、喷焊物相的分析。表面堆焊、喷焊物相的分析。 1、物相分析、物相分析(fnx) 可以确定可以确定固溶体的类型固溶体的类型（例如：体心立方）、固溶体（例如：体心立方）、固溶体中中溶质组元的含量溶质组元的含量（如（如M体中的含碳量）。体中的含碳量）。2、

5、固溶体分析、固溶体分析 第7页/共81页第七页，共82页。测定测定(cdng)粗晶粒的平均大小、微晶粒的平均晶粒粗晶粒的平均大小、微晶粒的平均晶粒度等。度等。3、晶粒大小的测定、晶粒大小的测定(cdng)可以测定材料的宏观可以测定材料的宏观(hnggun)、显微内应力、显微内应力. 4、应力测定、应力测定半导体材料、激光材料、磁性材料单晶体，其取半导体材料、激光材料、磁性材料单晶体，其取向可用向可用X射线法测定射线法测定 5、晶体取向的测定、晶体取向的测定 第8页/共81页第八页，共82页。 人的肉眼看不见人的肉眼看不见X X射线，但射线，但X X射线能使气体电离，射线能使气体电离，使照相底片

6、感光，能穿过不透明的物体，还能使荧使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。光物质发出荧光。 X X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。当穿过物体时仅部分被散射。 X X射线对动物有机体（其中包括射线对动物有机体（其中包括(boku)(boku)对人体）对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。第9页/共81页第九页，共82页。X射线的本质*电磁波的一种(y zhn)，波长约108cm左右*X射线具有波粒二相性（de Broglie）第10页/共81页第

7、十页，共82页。(1) X射线是一种本质与可见光完全相同的电磁波（或射线是一种本质与可见光完全相同的电磁波（或电磁辐射）。电磁辐射）。(2) X射线以光速传播，传播速度射线以光速传播，传播速度2.9981010厘米厘米/秒。秒。(3) X射线波长常用射线波长常用(chn yn)的单位是埃的单位是埃()、1 =10-8cm。1nm=10(4) X射线的波长范围为射线的波长范围为1000.01。可见光的波长范。可见光的波长范围围40007000。 第11页/共81页第十一页，共82页。X X射线两边射线两边(lingbin)(lingbin)分别与分别与紫外线及紫外线及射线相重叠。在电射线相重叠。

8、在电磁波谱中，其位置如图。磁波谱中，其位置如图。#一般把短波长的X射线称为硬X射线，反之则为软X射线。硬软程度(chngd)表示它的穿透能力的强弱。#用于金属探伤的X射线波长约为10.05。第12页/共81页第十二页，共82页。(1) X(1) X射线是波长较短的电磁波。波动理论对射线是波长较短的电磁波。波动理论对X X射线光电射线光电效应、荧光辐射现象无法解释。说明波动性只是反映了效应、荧光辐射现象无法解释。说明波动性只是反映了X X射线本性的一个方面。射线本性的一个方面。(2) (2) 在大量科学实验基础上，人们又认识到在大量科学实验基础上，人们又认识到X X射线本性的射线本性的另一个方面

9、另一个方面粒子性（或微粒性）。粒子性（或微粒性）。X X射线是由大量以射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续粒子流。这些粒子叫做光光速运动的粒子组成的不连续粒子流。这些粒子叫做光子子(gungz)(gungz)（或光量子），每个光子（或光量子），每个光子(gungz)(gungz)具有的具有的能量为能量为=hv=hv。( (硬硬X X射线穿透能力强，还是软射线穿透能力强，还是软X X射线穿透能力强？射线穿透能力强？) )第13页/共81页第十三页，共82页。其中其中vx射线的频率，射线的频率，h普朗克常数普朗克常数(chngsh)。h=6.2610-34焦焦秒秒=6.2610-27尔格尔格秒

10、秒对不同频率的对不同频率的X射线，光子的能量是不同的。频率越高，射线，光子的能量是不同的。频率越高，光子的能量就越大。光子的能量就越大。(3)波动性与粒子性相并存称为波动性与粒子性相并存称为X射线的波粒二象性。射线的波粒二象性。那么，那么，X射线的波长为什么会在那么一个范围之内，它的射线的波长为什么会在那么一个范围之内，它的强度又与哪些因素有关呢？强度又与哪些因素有关呢？第14页/共81页第十四页，共82页。实验证明，实验证明，X X射线是高速运动的粒子射线是高速运动的粒子(lz)(lz)与某种与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互

11、作用而产生的。互作用而产生的。X X射线产生的几个基本条件：射线产生的几个基本条件：第15页/共81页第十五页，共82页。产生并发射自由电子（加热钨灯丝）。产生并发射自由电子（加热钨灯丝）。在真空中（一般为在真空中（一般为10-610-6毫米汞柱）迫使自由电子朝毫米汞柱）迫使自由电子朝一定方向高速运动（加一很高的管电压）。一定方向高速运动（加一很高的管电压）。在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（阳极在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电子突然靶），使高速运动的电子突然(trn)(trn)受阻。受阻。第16页/共81页第十六页，共82页。 X X射线管的结构射线管的结构

12、(jigu)(jigu)第17页/共81页第十七页，共82页。 阴极阴极- -发射电子。一般由发射电子。一般由钨丝钨丝(w s)(w s)制成，通电制成，通电加热后释放出热辐射电子。加热后释放出热辐射电子。 阳极阳极- -靶，使电子突然减靶，使电子突然减速并发出速并发出X X射线。射线。窗口-X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂构成的林德曼玻璃(b l)。窗口与靶面常成3-6的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。第18页/共81页第十八页，共82页。 高速电子转换成高速电子转换成X X射线的效率只有射线的效率只有1%1%，其余，其余99%99%都都作为热而

13、散发。所以作为热而散发。所以(suy)(suy)靶材料要导热性能靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此因此X X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极. . 焦点焦点-阳极靶表面被电子轰击的一块面积，阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X X射线射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是状是X X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于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灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点. .

14、X X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分辨率；高强度则可缩短暴光时间提高分辨率；高强度则可缩短暴光时间. .第19页/共81页第十九页，共82页。 旋转阳极X射线管、细聚焦X射线管和闪光X射线管。 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，功率比普通(ptng)X射线管大数十倍(常用X射线管的功率为5003000W)。 旋转(xunzhun)阳极第20页/共81页第二十页，共82页。旋转(xunzhun)阳极第21页/共81页第二十一页，共82页。X X射线强度射线强度() () 随波长随

15、波长()()而变化的关系曲线而变化的关系曲线(qxin)(qxin)，称为，称为X X射线谱。射线谱。X X射线谱由两部分组成，即射线谱由两部分组成，即: : 连续X射线谱 X射线谱 特征（标识）X射线谱第22页/共81页第二十二页，共82页。l从某一短波(dunb)限（ 。）开始，直到波长等于无穷大 的一系列波长所构成的X射线谱。二、连续二、连续(linx)X射线谱的定义射线谱的定义 第23页/共81页第二十三页，共82页。1 1、( (见图）管压很见图）管压很低时，小于低时，小于20kv20kv的的曲线是连续变化的，曲线是连续变化的，故称之连续故称之连续X X谱，即谱，即连续谱。连续谱。

16、2 2、当逐步增加、当逐步增加X X射射线管的管电压线管的管电压(diny)(diny)时，连续时，连续X X射线谱发生如下变射线谱发生如下变化。化。第24页/共81页第二十四页，共82页。l管电压既影响连续管电压既影响连续X射线谱射线谱强度，也影响其波长范围强度，也影响其波长范围,随管电压升高随管电压升高:l各种波长的各种波长的X射线的相对强射线的相对强度一致增高。度一致增高。l具有最高强度射线的波长具有最高强度射线的波长逐渐逐渐(zhjin)变小，曲线变小，曲线峰值向左方移动。峰值向左方移动。l短波限逐渐短波限逐渐(zhjin)变小变小（0向左方移动），波谱向左方移动），波谱变宽。变宽。第

17、25页/共81页第二十五页，共82页。1 1、经典物理的电动力学理论、经典物理的电动力学理论一个带有负电荷的电子在受到这样一种加速度时（指一个带有负电荷的电子在受到这样一种加速度时（指X X射线管中射线管中高速运动着的电子到达阳极靶表面突然受到阻止时，产生高速运动着的电子到达阳极靶表面突然受到阻止时，产生(chnshng)(chnshng)极大的负加速度），电子周围的电磁场将发生急剧极大的负加速度），电子周围的电磁场将发生急剧的变化，此时必然要产生的变化，此时必然要产生(chnshng)(chnshng)一个电磁波，或至少一个一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和

18、条件不可电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X X射线谱。射线谱。 第26页/共81页第二十六页，共82页。 q=0.01库仑库仑tqi 16191025.6106020.101.0n -（个）（个）也就是说，也就是说，1 1秒钟内有秒钟内有0.010.01库仑的电量到达阳极靶。库仑的电量到达阳极靶。电子电子(dinz)(dinz)的电荷的电荷e=1.6020e=1.602010-1910-19库仑库仑则则1 1秒钟到达阳极上的电子秒钟到达阳极上的电子(dinz)(di

19、nz)数数: :第27页/共81页第二十七页，共82页。讨论：讨论： 如此大数量的电子射到阳极靶上的条件如此大数量的电子射到阳极靶上的条件和时间不可能是一样和时间不可能是一样(yyng)的；的；因而电磁脉冲也各不相同，从而形成了因而电磁脉冲也各不相同，从而形成了具有各种波长的连续具有各种波长的连续X射线谱。射线谱。第28页/共81页第二十八页，共82页。从灯丝发射出的电子经高压电场加速，使电场的位能从灯丝发射出的电子经高压电场加速，使电场的位能(winng)转化为电子的动能。转化为电子的动能。NoImageNoImageeVmv 221电子被阳极突然阻止时，动能的一部分将转化为一个或几个X射线

20、光子，其余(qy)转变为热能（或光子逸出）。第29页/共81页第二十九页，共82页。当一个电子的动能当一个电子的动能(dngnng)(dngnng)毫无损失地全部转化为一个毫无损失地全部转化为一个X X射线射线光子时，此光子的能量为：光子时，此光子的能量为：l0echhveV m最大221eVhc0l其中其中hh普朗克常数普朗克常数, cX, cX射线速度射线速度, e, e电子电子(dinz)(dinz)电荷电荷V4.120l （埃）（埃） V千伏千伏第30页/共81页第三十页，共82页。讨论：讨论：（1 1）当）当V=20V=20、3030、4040、5050千伏时，千伏时，0=0.620

21、=0.62、0.410.41、 0.31 0.31、0.250.25。（2 2）短波限）短波限00与管电压与管电压(diny)(diny)成反比。成反比。（3 3）绝大多数高速电子与阳极靶撞击时，很大一）绝大多数高速电子与阳极靶撞击时，很大一部分能量部分能量P P消耗转化为热能、光电子逸出等情况。消耗转化为热能、光电子逸出等情况。即：即：peVhchvpm-l2210ll-peVhcl那么，连续那么，连续(linx)射线的强度与哪些因素有关呢？射线的强度与哪些因素有关呢？第31页/共81页第三十一页，共82页。 量子力学概念，当能量为量子力学概念，当能量为evev的电子与靶的原子整体碰的电子与

22、靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生式辐射出去，每碰撞一次，产生(chnshng)(chnshng)一个能量一个能量为为hvhv的光子，即的光子，即“韧致辐射韧致辐射”。 大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生有多次碰撞，因而产生(chnshng)(chnshng)不同能量不同强度不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。的光子序列，即形成连续谱。 极限情况下，能量为极限情况下，能量为evev的电子在碰撞中一下子把能量的电子

23、在碰撞中一下子把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短波长，即短波限波长，即短波限00。都有一个最短波长，称之短波限。都有一个最短波长，称之短波限00，强度的最大值在，强度的最大值在00的的1.51.5倍倍. .4. 量子理论(lln)连续X射线谱的解释第32页/共81页第三十二页，共82页。* *垂直于垂直于X X射线传播方向的单位面积上，在单位时间内所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。通过的光子数目的能量总和。* *常用单位是尔格常用单位是尔格/ /厘米厘米22秒秒* *绝对强度的测量比较困难，常采用

24、照相底片绝对强度的测量比较困难，常采用照相底片(dpin)(dpin)的黑度作为相对比较标准。的黑度作为相对比较标准。1 1、定义、定义(dngy)(dngy)： 第33页/共81页第三十三页，共82页。 常数常数 z阳级靶的原子序数阳级靶的原子序数 i管电流管电流(dinli)（毫安）（毫安） V管电压（千伏）管电压（千伏）?阳极靶可以影响连续谱的强度，能不能影响连续谱波长的分布阳极靶可以影响连续谱的强度，能不能影响连续谱波长的分布?答案是不能。答案是不能。第34页/共81页第三十四页，共82页。连续连续X X射线的效率射线的效率:指电子流能量指电子流能量(nngling)(nngling)

25、中用于中用于产生产生X X射线的百分数，射线的百分数， ZViViZVXXaah2射线管的功率射线总强度连续=ZV=ZV第35页/共81页第三十五页，共82页。讨论：讨论： 当采用钨阳极当采用钨阳极Z=74Z=74 V=100 V=100千伏，千伏，=1.1=1.11.51.510-610-61%1%$管中电子与阳极撞击时，绝大部分生成热能管中电子与阳极撞击时，绝大部分生成热能而损失掉。而损失掉。#这就是为什么要采用高熔点的钨、钼作阳极，这就是为什么要采用高熔点的钨、钼作阳极，或导热性好的银、铜作阳极，并用或导热性好的银、铜作阳极，并用(bn yn)(bn yn)冷却水强烈地冷却阳极。冷却水强

26、烈地冷却阳极。第36页/共81页第三十六页，共82页。1 1、特征、特征(tzhng)X(tzhng)X射线谱形成射线谱形成 *钼靶X射线管当管电压等于或高于20KV时，除连续X射线谱外，位于一定波长(bchng)处还叠加有少数强谱线，反映了靶材料的特征，称之为特征X射线，并由它们构成特征X射线谱（见图).第37页/共81页第三十七页，共82页。*当管电压超过(chogu)某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。*当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，特征谱对应的波长保持不变。第38页/共81页第三十八页，共82页。钼靶特征x射线分别为K、K,位于(wiy)0.71和0.63处.

27、K线又可细分为K1、K21-2=0.004*X射线衍射中，一般采用强度高的K1:2 2 1aaKKII1:5baKKII第39页/共81页第三十九页，共82页。1 1、产生特征、产生特征X X射线所需的最低管电压（射线所需的最低管电压（V V激），对不激），对不同同(b tn)(b tn)的阳极靶是不同的阳极靶是不同(b tn)(b tn)的，它由阳的，它由阳极靶的原子数极靶的原子数Z Z所决定。所决定。( (阳极靶不同阳极靶不同(b tn)(b tn)，所，所产生的特征产生的特征X X射线谱的波长也不相同射线谱的波长也不相同) )。2 2、当管电压超过、当管电压超过V V激后，管电压进一步升

28、高，特征激后，管电压进一步升高，特征X X射线射线不变。强度按不变。强度按n n次方的规律增大（次方的规律增大（n = 1.5n = 1.52 2 ）。）。3 3、当、当V/ VV/ V激激=3=35 5时时, , 连特II最大最大第40页/共81页第四十页，共82页。原子是由带正电的原子核和与绕核旋转的电子原子是由带正电的原子核和与绕核旋转的电子(dinz)(dinz)组成。电子组成。电子(dinz)(dinz)分布在不同能级的电子分布在不同能级的电子(dinz)(dinz)壳层上。距核最近的第一层壳层上。距核最近的第一层电子电子(dinz)(dinz)的能量最低，称为的能量最低，称为K K

29、层，第二层为层，第二层为L L层，依次为层，依次为M M、N N、O O、P P等层（图），各层上电子等层（图），各层上电子(dinz)(dinz)的能量为的能量为: :1、特征、特征(tzhng)X射线的产生射线的产生 22242)(2 p-znhmeEn第41页/共81页第四十一页，共82页。当高速的阴极电子流冲击阳极靶时，可将阳极靶内当高速的阴极电子流冲击阳极靶时，可将阳极靶内层层(ni cn)(ni cn)的某些电子击出，转移到能量较高的的某些电子击出，转移到能量较高的外部壳层上，或击出原子系统之外而使原子电离，外部壳层上，或击出原子系统之外而使原子电离，原子处于激发状态，其能量高于正

30、常状态，是不稳原子处于激发状态，其能量高于正常状态，是不稳定的。定的。假定假定K K层电子被激发后，由层电子被激发后，由L L层跃迁来一个补充电子，层跃迁来一个补充电子，其降低的能量其降低的能量 这就是这就是(jish)(jish)波长一定的特征波长一定的特征X X射线射线,K X,K X射线。射线。lneechhKLKL-KLhceel-第42页/共81页第四十二页，共82页。K层电子被激发，其它高能级的外层电子跃入而产层电子被激发，其它高能级的外层电子跃入而产生生(chnshng)的特征的特征X射线为射线为K系系X射线。射线。2、K系系X射线射线 由由L层层K层跃迁产生层跃迁产生(chns

31、hng)的的X射线，称射线，称为为K射线。射线。由由M层层K层跃迁产生层跃迁产生(chnshng)的的X射线，称射线，称为为K射线。射线。 3、K、K 第43页/共81页第四十三页，共82页。要获得要获得K系射线，必须使高速电子的动能系射线，必须使高速电子的动能(dngnng)足以把原子中足以把原子中K层电子击出。层电子击出。即即evx k,x-未饱和的最外层能量未饱和的最外层能量 V激K是完全由阳极靶决定的，每种阳极靶有固定的激发(jf)电压。K最短KV激 412.l最短最大kkkxehceheVlnee-第44页/共81页第四十四页，共82页。K K层电子被激发后，层电子被激发后，L L层

32、电子向层电子向K K层跃迁层跃迁(yuqin)(yuqin)的的几率要比几率要比M M层层KK层跃迁层跃迁(yuqin)(yuqin)的几率大很多倍，的几率大很多倍，所以所以I / I 4I / I 45 5。 5、IK、IK 同一壳层上的电子并不处于同一壳层上的电子并不处于(chy)(chy)同一能量状态，同一能量状态，分属于若干个亚能级。分属于若干个亚能级。K1K1、 K 2 K 2 是是L L层中的两层中的两个亚能级电子向个亚能级电子向K K层跃迁，辐射出来的两根谱线。层跃迁，辐射出来的两根谱线。 6、K1、K 2： 第45页/共81页第四十五页，共82页。7.7.当当L L层电子填充层

33、电子填充K K层后，原子由层后，原子由K K激发状态变成激发状态变成L L激发状态，此时更外层如激发状态，此时更外层如M M、NN层的电子将填层的电子将填充充L L层空位，产生层空位，产生L L系辐射系辐射(fsh).(fsh).8.8.当原子受到当原子受到K K激发时，除产生激发时，除产生K K系辐射系辐射(fsh)(fsh)外，还将伴生外，还将伴生L L、MM等系的辐射等系的辐射(fsh)(fsh)。K K系辐射系辐射(fsh)(fsh)因波长短而不被窗口完全吸收外，因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长被吸收。其余各系均因波长长被吸收。第46页/共81页第四十六页，共82页。小

34、结(xioji)连续谱连续谱(软软X射线射线)高速运动的高速运动的粒子能量转粒子能量转换成电磁波换成电磁波谱图特征谱图特征: :强度随波长强度随波长连续变化连续变化是衍射分析的是衍射分析的背底背底; ;医学采用医学采用特征谱特征谱(硬硬X射线射线)高能级电子高能级电子回跳到低能回跳到低能级多余能量级多余能量转换成电磁转换成电磁波波仅在特定波仅在特定波长处有特别长处有特别强的强度峰强的强度峰 衍射分析采用衍射分析采用第47页/共81页第四十七页，共82页。l X射线照射到物质射线照射到物质(wzh)上与物质上与物质(wzh)相互相互作用是个很复杂的过程。可归结为三个能量转换作用是个很复杂的过程。

35、可归结为三个能量转换过程：过程：lE1：散射能量；：散射能量；lE2：吸收能量，热和光电效应、俄歇效应等，：吸收能量，热和光电效应、俄歇效应等，lE3：透过物质：透过物质(wzh)能量。能量。第48页/共81页第四十八页，共82页。第49页/共81页第四十九页，共82页。 入射入射X射线射线散射散射相干散射相干散射非相干散射非相干散射+反冲电子反冲电子穿透穿透吸收吸收光电子光电子+二次特征辐射二次特征辐射二次电子二次电子+俄歇效应俄歇效应热能热能第50页/共81页第五十页，共82页。(1)(1)当当X X射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时, , 光子把能量

36、光子把能量全部转给电子，电子受迫振动全部转给电子，电子受迫振动, ,其振动的频率与入射其振动的频率与入射X X射线的频射线的频率相同。率相同。(2)(2)任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，向四周辐射任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，向四周辐射电磁波，频率与带电粒子的振动频率相同。电磁波，频率与带电粒子的振动频率相同。(3)(3)由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干方向上各散射波符合相干(xinggn)(xinggn)条件，称为相干条件，称为相干(xinggn)(xinggn)散射。相干散射

37、。相干(xinggn)(xinggn)散射是散射是X X射线在晶体中产生衍射现象的基射线在晶体中产生衍射现象的基础。础。一、 X射线的散射(snsh) 第51页/共81页第五十一页，共82页。2.不相干散射X射线经束缚力不大的电子（如轻原子中的电子）或自由电子散射后，可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿一吴有训散射,也称之为不相干散射，是因散射线分布于各个方向，波长各不相等(xingdng)，不能产生干涉现象。第52页/共81页第五十二页，共82页。 入射X射线遇到束缚力不大的电子时，将电子撞至一方，成为反冲电子。入射线的能量对电子

38、作功而消耗一部份后，剩余部份以X射线向外辐射。散射(snsh)X射线的波长（）比入射x射线的波长（）长，其差值与角度之间存在如右关系：=-=0.0024(1-cos2)不相干散射在衍射(ynsh)图相上成为连续的背底，其强度随（sin/）的增加而增大，在底片中心处（射线与底片相交处）强度最小，越大，强度越大。 第53页/共81页第五十三页，共82页。二 X射线的吸收(xshu) 物质对X射线的吸收，是指X射线通过物质时光子的能量变成了其他形式时能量。有时将X射线通过物质时造成的能量损失称为(chn wi)真吸收。 X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射X射线的能量变成光电子、俄歇电子

39、和荧光X射线的能量，使X射线强度被衰减，是物质对X射线的真吸收过程。第54页/共81页第五十四页，共82页。2.1 光电效应(un din xio yng)当激发二次特征(tzhng)辐射时，原入射X射线光子的能量转变为电子的能量，使电子逸出原子之外。这种电子称为光电子，这一过程称为光电效应。第55页/共81页第五十五页，共82页。入射的入射的X射线光子的能量射线光子的能量(nngling)必须等于或大于将必须等于或大于将K层电子击出所需的能量层电子击出所需的能量(nngling)。 hv激激KeV激激K 入激入激K产生产生K系激发的最长波长系激发的最长波长,又称为又称为K系特征辐射的激系特征

40、辐射的激发限。从发限。从X射线激发光电效应射线激发光电效应(un din xio yng)的角度，的角度，称称K为激发限；从为激发限；从X射线被物质吸收的角度，则称射线被物质吸收的角度，则称K为吸收为吸收限。限。eV激激KKch激l （） K激lKKVevhc激激4 .12KKV激激4 .12l第56页/共81页第五十六页，共82页。2. 荧光(ynggung)X射线当入射光量子能量足够大时,击出原子内部电子(dinz)(如K层电子(dinz)），所击出的电子(dinz)即为光电子(dinz)同时原子的外层电子(dinz)要向内层的空位跃迁，辐射出波长一定的特征X射线，这种由X射线激发所产生的

41、特征X射线即为二次特征X射线或荧光X射线第57页/共81页第五十七页，共82页。 俄歇（Auger，M.P.）在1925年发现，原子(yunz)中K层的一个电子被打出后处于K激发态，能量为EK。如果一个L层电子来填充这个空位，K电离就变成L电离，能量由EK变成EL，此时将释放EK-EL的能量。 释放出的能量，可能产生荧光X射线，也可能给予L层的电子，使其脱离原子(yunz)产生二次电离。即K层的一个空位被L层的两个空位所代替，这种现象称俄歇效应.俄歇效应(xioyng)第58页/共81页第五十八页，共82页。 从L层跳出原子的电子称KLL俄歇电子。每种原子的俄歇电子均具有一定的能量，测定俄歇电

42、子的能量，即可确定该种原子的种类，可以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eV，平均自由程非常短，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(yul)工具。 第59页/共81页第五十九页，共82页。光电效应(un din xio yng)小结光电子光电子被被X X射线击出壳层的电子即射线击出壳层的电子即光电子光电子, ,它带有它带有壳层的特征能量壳层的特征能量, ,所以可用来进行成分分所以可用来进行成分分析析(XPS)(XPS)俄歇电子俄歇电子 高能级的电子回跳高能级的电子回跳, ,多余能量将同能级的多余能量将同能级

43、的另一个电子送出去另一个电子送出去, ,这个被送出去的电子这个被送出去的电子就是就是俄歇电子俄歇电子带，有壳层的特征能量带，有壳层的特征能量(AES)(AES)二次荧光二次荧光 高能级的电子回跳高能级的电子回跳, ,多余能量以多余能量以X X射线形式射线形式发出发出. .这个二次这个二次X X射线就是射线就是二次荧光，二次荧光，也称也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量荧光辐射同样带有壳层的特征能量第60页/共81页第六十页，共82页。小结(xioji)散射散射散射无能量损失或损失相对较小散射无能量损失或损失相对较小相干散射是相干散射是X X射线衍射基础射线衍射基础, ,只有相干散射才只有相干散射

44、才能产生衍射能产生衍射. .散射是进行材料晶体结构分析的工具散射是进行材料晶体结构分析的工具吸收吸收吸收是能量的大幅度转换吸收是能量的大幅度转换, ,多数在原子壳层多数在原子壳层上进行上进行, ,从而带有壳层的特征能量从而带有壳层的特征能量, ,是揭示材是揭示材料成分的因素料成分的因素吸收是进行材料成分分析的工具，吸收是进行材料成分分析的工具，可以在分可以在分析析成分成分的同时告诉我们的同时告诉我们元素价态元素价态第61页/共81页第六十一页，共82页。X X射线穿过物质时，由于经典射线穿过物质时，由于经典(jngdin)(jngdin)散射、散射、量子散射、原子激发等现象而消耗入射量子散射、

45、原子激发等现象而消耗入射X X射线射线的能量。因此，入射的能量。因此，入射X X射线的强度将显著地衰射线的强度将显著地衰减下来。减下来。第62页/共81页第六十二页，共82页。（1 1）实验）实验(shyn)(shyn)规律：规律：通过厚度为通过厚度为dxdx的无穷小薄层物的无穷小薄层物质时，质时，X X射线强度衰减量射线强度衰减量dIdI正正比于入射线强度比于入射线强度I I和层厚和层厚dx.dx.dI- IdxdI- Idx或或dI = -lIdx dI = -lIdx （1 1）ll单位为厘米单位为厘米- -1 1，线吸收系数，线吸收系数, ,负号表示强度的变化由强变弱。负号表示强度的变

46、化由强变弱。第63页/共81页第六十三页，共82页。积分得到：积分得到： Ix= I0e-x Ix= I0e-xl= l= 1n1n（Ix/I0Ix/I0）/x /x * * *ll物理意义物理意义: :在在X X射线的传播方向上，单位长度上射线的传播方向上，单位长度上X X射射线强度衰减程度。线强度衰减程度。* * *ll与物质的密度与物质的密度成正比，即与物质的存在状态有关。成正比，即与物质的存在状态有关。因为因为(yn wi)(yn wi)物质的密度越大，物质的密度越大，X X射线遇到的原子愈多，射线遇到的原子愈多，散射和吸收越强烈。散射和吸收越强烈。第64页/共81页第六十四页，共82

47、页。1)1)定义定义(dngy)m(dngy)m/称质量衷减系数，单位称质量衷减系数，单位cm2cm2g.g.2 2）mm的物理意义：表示单位重量的物质引起的的物理意义：表示单位重量的物质引起的X X射线的射线的衰减量。衰减量。3)m3)m与入射与入射X X射线波长及元素的原子序数射线波长及元素的原子序数Z Z的关系。实验的关系。实验证明：证明：mK3Z3, KmK3Z3, K为常数为常数4)4)工作中有时需要计算工作中有时需要计算i i个元素组成的化合物、混合物、个元素组成的化合物、混合物、合金和溶液等的质量衰减系数合金和溶液等的质量衰减系数mm。由于。由于mm与物质的存在与物质的存在状态无

48、关，衰减系数可按下式计算：状态无关，衰减系数可按下式计算：m=1m1+2m2+imi m=1m1+2m2+imi 第65页/共81页第六十五页，共82页。.X射线的吸收(xshu)曲线 X射线通过物质时的衰减，吸收和散射的结果(ji gu)。 如果用m仍表示散射系数m表示吸收系数。 大多数情况下吸收系数比散射系数大得多，故mm。典型(dinxng)吸收曲线第66页/共81页第六十六页，共82页。 从荧光X射线的产生(chnshng)机理，可以解释图中的吸收突变。 当入射波长非常短时，它能够打出K电子，形成K吸收。但因其波长太短，K电子不易吸收这样的光子能量，因此衰减系数小。典型(dinxng)

49、吸收曲线随着波长的逐渐增加，K电子也越来越容易吸收这样的光子能量，因此衰减系数也逐渐增大(zn d)，直到K吸收限波长为止。第67页/共81页第六十七页，共82页。 如果入射X射线的波长比K稍大一点，此时入射光子的能量已无法打出K电子，不产生K吸收。 对L层电子来说，入射光子的能量又过大，也不易被吸收，因此，入射X射线的波长比K稍大一点时，衰减系数有最小值。 同理，可以(ky)解释K吸收限至L吸收限之间曲线的变化规律。典型吸收(xshu)曲线第68页/共81页第六十八页，共82页。X射线的衰减(shui jin)小结宏观表现宏观表现强度衰减与穿过物质的质量和厚度有强度衰减与穿过物质的质量和厚度有关，是关，是X X射线透射学的基础，这就是质射线透射学的基础，这就是质厚衬度厚衬度微观机制微观机制散射和吸收消耗了入射线的能量，这散射和吸收消耗了入射线的能量，这与吸波原理是一样与吸波原理是一样第69页/共81页第六十九页，共82页。 在衍射分析工作中，我们只希望是在衍射分析工作中，我们只希望是kk辐射的衍射辐射的衍射线条，但线条，但X X射线管中发