材料分析方法X射线物理学原理PPT学习教案

1、会计学1材料分析方法材料分析方法X射线物理学原理射线物理学原理第1页/共62页 1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究真空管的高压放电时，偶然发现镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。经仔细分析，认为这是真空管中发出的一种射线引起的。由于当时对这种射线不了解，故称之为X射线。后来也称伦琴射线。 第2页/共62页伦琴发现，不同物质对X射线的穿透能力是不同的。他用X射线拍了一张其夫人手的照片。很快，X射线发现仅半年时间就在医学上得到了应用。 1896年，伦琴将他的发现和初步的研究结果发表在英国的Nature杂志上。 1910年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。

2、第3页/共62页X射线管产生X射线第4页/共62页1236541-高压变压器;2-钨丝变压器；3-X射线管；4-阳极；5-阴极；6-电子；7-X射线7X射线产生装置第5页/共62页接变压器玻璃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40KV高压钨灯丝第6页/共62页nmmmmcmmkm波长（）射线可见光微波无线电波UVIR射线第7页/共62页第8页/共62页布喇格 W.L.对X射线本质的争论：粒子流？电磁波？认为X射线是物质粒子流的科学家中有W. H. 布拉格。他的儿子W. L. 布拉格 则对X射线的波动性进行的研究，并给出了著名的布拉格方程。 第9页/共62页物理依托学

3、科究基地 对X射线波动性最完美的研究是德国物理学家劳厄（Laue）。1912年，劳厄是德国慕尼黑大学非正式聘请的教授。一天著名物理学家索末菲的一名研究生厄瓦耳向他请教关于光在晶体中散射的数学分析问题。在讨论中劳厄想到了一个问题，就问厄瓦耳，如波长比晶体中原子的间距比小，会发生什么情形？厄瓦耳说，他的公式应当包括这种情形，并将公式抄了一份给劳厄。讨论时，劳厄若有所思 第10页/共62页物理依托学科究基地 爱因期坦称，劳厄的实验“ 物理学最美的实验”。它一箭双雕地解决了X射线的波动性和晶体的结构的周期性。 1912年，德国物理学劳厄等人利用晶体光栅观察到X射线的衍射现象，证实X射线的本质是电磁波第

4、11页/共62页波动性)(2cos0tyAA第12页/共62页粒子性式中h普朗克常数，等于6.62510-34J.s cX射线的速度，等于2.998108m/s.hp hch波长短，粒子性表现突出第13页/共62页第14页/共62页cv nmmo1 . 010A110hvJ108 . 21023. 410625. 6)Hz(1023. 41071. 0/10315183418108hvcvMo靶X射线:第15页/共62页X射线管X射线谱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。 第16页/共62页l由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型：(1

5、)连续（白色）X射线谱(2)特征（标识）X射线谱X射线谱第17页/共62页连续谱随管电流、管电压、阳极靶的原子序数的变化关系第18页/共62页第19页/共62页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WkWlWmWn0原子的能量连续X射线产生过程电子冲击阳极靶X射线射出第20页/共62页eVhc00maxhcheV或者式中 e 电子电荷，等于 （库仑）V管电压h普朗克常数，等于C19106 . 1sj3410625. 6第21页/共62页VV4 .121000300108 . 41010310625. 610810270第22页/共62页kgm

6、311011. 9Jsh3410625. 6smc/1038Ce19106 . 1eVhc0eVm20210mp 第23页/共62页0第24页/共62页miZVKdII10)(连式中：K1和m都是常数，m 2， K1 1.11.410-9；Z为阳极靶材料的原子序数。经验公式第25页/共62页ZVKiViZVKXX121电子流功率射线功率射线管效率例如，当采用钨靶（Z=74），管电压为100KV时，X射线管的效率1%。这是由于在X射线管中，高速运动的电子轰击阳极靶时，其能量的绝大部分（99%）转化为热能而损失，只有极少部分的能量转化为X射线。所以X射线管工作时必须有良好的循环水冷却，以防止阳极靶

7、熔化。第26页/共62页第27页/共62页X第28页/共62页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辐射第29页/共62页K辐射可细分为 K1(=0.70926)及K2(=0.71354)两条谱线， K1与K2的强度比为2:1。辐射机理第30页/共62页l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l产生K系激发必须阴极电子的能量eVk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk就是激发电压即产生特征谱线的临界电

8、压。第31页/共62页ZC1C，为常数莫赛来定律第32页/共62页nkVViKI2标第33页/共62页K K系系标识标识X X射射线谱线谱的波的波长长和工作和工作电压电压阳极靶元 素原子序数K1K2K K KVKKV工作电压（KV）Cr242.289622.935122.29092 .084802.07015.982025Fe261.935971.939911.93731.756531.74337.102530Co271.788921.792781.79021.620751.60817.7130Ni281.657841.661691.65911.500101.48808.293035CuCu2

9、9291.540511.540511.544331.544331.54181.54181.392171.392171.38041.38048.868.8635403540Mo420.709260.713540.71070.632250.619820.65055Ag470.559410.563810.56090.497010.485525.55560第34页/共62页X射线的衰减第35页/共62页第36页/共62页dxIIIIIlxdxxdxxx负号表示dIx与dx符号相反为常数，称为线性吸收系数l第37页/共62页tleII0tleII0透射系数第38页/共62页dxIIIIIlxdxxdxx

10、xl的物理意义为X射线通过单位体积物质时强度的相对衰减量。 对于同一物质，线吸收系数正比于它的密度。引入质量吸收系数m， m= l /dxIdIxxl第39页/共62页tleII0m= l /mtmmeIeII00m= t，为单位面积厚度为t 的体积中的物质的质量。m的物理意义：密度为的单位物质单位面积上所引起的强度的相对衰减量。是反映物质本质的吸收特性的物理量。第40页/共62页piimiiipillmww11)(33KZml经验公式Z为吸收物质的原子序数，为X射线的波长，K为常数第41页/共62页第42页/共62页第43页/共62页的光子能量等于或者略大于原子某壳层电子的结合能。第44页/

11、共62页同样会产生辐射，即产生特征X射线。第45页/共62页级（或二次）X射线，或称为荧光X射线。第46页/共62页KKKhcWhMKMKKhhWWhLKLKKhhWWh第47页/共62页第48页/共62页歇电子能谱。故可利用俄歇电子能谱做元素的成分分析。KLILIILIIIMKLILIIKLL俄歇跃迁第49页/共62页吸收真吸收光电效应俄歇效应非热能吸收热能吸收第50页/共62页lK的强度约为K的5倍l为了简化谱线，避免干扰，通常用滤波片把K线过滤掉，只留下K线。第51页/共62页最佳。 Z靶40时 Z滤片=Z靶-2第52页/共62页第53页/共62页第54页/共62页电子将入射X射线向其四周散射；或者说入射波将自身的能量传给电子，而电子又将该能量转化为与入射波长相同的散射X射线。第55页/共62页X 射 线电子将入射X射线向其四周散射；或者说入射波将自身的能量传给电子，而电子又将该能量转化为与入射波长相同的散射X射线。第56页/共62页PR入射X射线散射X射线电子2)22cos1(1094. 722260RIIe)22cos1()()4(2222020meRII