X射线的性质学习课程

1、2021-11-201.1引言 1895年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了一种新型的辐射，肉眼看不见，可使照相底片感光，并有很强的穿透力。X射线的本质、它与物质相互作用的基木原理己被深人研究，并在科学研究、医疗与技术工程上获得广泛应用，相应的设备和方法也在不断的发展中。第1页/共43页第一页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-202两个重要人物：伦琴（W.C. Rntgen）劳埃（M. von Laue）1895年伦琴在研究阴极射线时发现了X射线。1912年劳埃发现了X射线在晶体中的衍射现象。第2页/共43页第二页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20第3页/共43

2、页第三页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-201.2 X射线的本质 X射线属于电磁波或电磁辐射 具有粒子性和波动性特点 波长为10-8cm，与晶体的晶格常数同一数量级第4页/共43页第四页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20X射线和可见光相比，其波长比可见光短，介于紫外线与射线之间，约为102到102埃的范围。频率大约是可见光的103倍，所以它的光子能量比可见光的光子能量大得多，表现明显的粒子性。由于X射线波长短，光子能量大的两个基本特性。第5页/共43页第五页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20 X射线以光子的形式辐射和吸收时具有质量、能量、动量 波长

3、短，能量和动量大，穿透能力强 X射线的波动性表现在干涉和衍射 X射线的粒子性表现与物质相互作用交换能量hcEhhcEhhP第6页/共43页第六页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-207 用于晶体结构分析的X射线波长： 0.250.05nm （硬X射线） 金属零件的无损探伤： 0.10.005nm 用于医学透视及安检的X射线波长则很长： 1100nm（软X射线）第7页/共43页第七页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-201.3 X射线的产生及X射线管 X射线是由高速运动着的带电（或不带电）粒子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互作用而产生的 产生自由电子

4、；电子定向高速运动；设置使其突然减速的障碍物 X射线管带冷却水的大灯泡第8页/共43页第八页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20 X射线管实际上是一只真空二极管， 它有两个电极：作为阴极的用于发射电子的灯丝（钨丝）和作为阳极的用于接受电子轰击的靶（又称对阴极）。 X射线管供电部分至少包含有一个使灯丝加热的低压电源和一个给两极施加高电压的高压发生器。 由于总是受到高能量电子的轰击，阳极还需要强制冷却。 当灯丝被通电加热至高温时（达2000），大量的热电子产生，在极间的高压作用下被加速，高速轰击到靶面上。高速电子到达靶面，运动突然受阻，其动能部分转变为辐射能，以X射线的形式放出，这种

5、形式产生的辐射称为轫致辐射。第9页/共43页第九页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20 轰击到靶面上电子束的总能量只有极小一部分转变为X射线能，靶面发射的X射线能量与电子束总能量的比率可用下面的近似公式表示： = 1.1109 Z V 式中Z为靶材组成元素的原子序数，V为X射线管的极间电压（又称管电压），以伏特为单位。例如对于一只铜靶的X射线管，在30KV工作时，= 0.1%，而一只钨靶的X射线管在100KV条件下工作时，也不过= 0.8%。可见X射线管产生X射线的能量效率是十分低的，但是，目前X射线管仍是最实用的发生X射线的器件。 因为轰击靶面电子束的绝大部分能量都转化为热能，

6、所以，在工作时X射线管的靶必须采取水冷（或其他手段）进行强制冷却，以免对阴极被加热至熔化，受到损坏。也是由于这个原故，X射线管的最大功率受到一定限制，决定于阳极材料的熔点、导热系数和靶面冷却手段的效果等因素。同一种冷却结构的X射线管的额定功率，因靶材的不同是大不相同的。例如，铜靶（铜有极佳的导热性）和钼靶（钼的熔点很高）的功率常为相同结构的铁、钴、铬靶的两倍。第10页/共43页第十页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20第11页/共43页第十一页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20 在晶体衍射实验中，常用的X射线管按其结构设计的特点可分为三种类型： 1. 可拆式管这种

7、X射线管在动真空下工作，配有真空系统，使用时需抽真空使管内真空度达到105毫帕或更佳的真空度。不同元素的靶可以随时更换，灯丝损坏后也可以更换，这种管的寿命可以说是无限的。 2. 密封式管这是最常使用的X射线管，它的靶和灯丝密封在高真空的壳体内。壳体上有对X射线“透明”的X射线出射“窗孔”。靶和灯丝不能更换，如果需要使用另一种靶，就需要换用另一只相应靶材的管子。这种管子使用方便，但若灯丝烧断后它的寿命也就完全终结了。密封式X射线管的寿命一般为10002000小时，它的报废往往并不是与因灯丝损坏，而是由于靶面被熔毁或因受到钨蒸气及管内受热部分金属的污染，致使发射的X射线谱线“不纯”而被废用。 3.

8、 转靶式管这种管采用一种特殊的运动结构以大大增强靶面的冷却，即所谓旋转阳极X射线管，是目前最实用的高强度X射线发生装置。管子的阳极设计成圆柱体形，柱面作为靶面，阳极需要用水冷却。工作时阳极圆柱以高速旋转，这样靶面受电子束轰击的部位不再是一个点或一条线段而是被延展成阳极柱体上的一段柱面，使受热面积展开，从而有效地加强了热量的散发。所以，这种管的功率能远远超过前两种管子。 对于铜或钼靶管，密封式管的额定功率，目前只能达到2 KW左右，而转靶式管最高可达90 KW。第12页/共43页第十二页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-201.4 X射线谱 由X射线管所得到的X射线，按其特征可以分成

9、两部分：连续光谱和特征光谱，后者只与靶的组成元素有关。第13页/共43页第十三页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-2014连续X射线谱 X射线强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱。 连续谱受管电压U，管电流i和阳极靶材的原子序数Z的作用，其相互关系见图： 连续谱的总强度决定于上述U、i、Z三因素： 21iZUKdIISWL连ZUKiUI1连图1图2 X射线波长从一最小值短波限SWL向长波方向伸展第14页/共43页第十四页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-2015 连续谱的形成及存在短波限的量子力学解释：在管电压U作用下，电子到达阳极靶时动能为eU，若一个电子在与阳极靶

10、碰撞时，把全部能量都给予一个光子，这就是一个光子所可能获得的最大能量，即hmax = eU，此光量子的波长即为短波限SWLSWL，SWLcheUmax如果一个电子射入物质后在发生有效碰撞（产生光量子）之前速度有所降低，则碰撞产生光量子的能量就会减小。由于多种因素使得发生有效碰撞的电子速度可以从零到初速连续的取值，因而出现了连续光谱，其波长自m开始向长波方向伸展。连续光谱的短波限SWL只决定于X射线管的工作高压。第15页/共43页第十五页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20 X射线的强度是指垂直于X射线传播方向的单位面积上单位时间内光量子数目能量的总和。 强度由光子的能量和光子的数

11、目决定 最大值不在m，而在1.5m 选用重金属靶并施以高电压 Inh2XXmiIiZViZVZViV连连续 射线总强度射线管功率第16页/共43页第十六页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-2017 当加于X射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值UK时，在连续谱的某些特定的波长位置会出现一系列强度峰，峰窄而尖锐。它们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材的标志或特征。故称为特征谱或标识谱。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。Mo靶35kV特征特征X X射线谱射线谱 第17页/共43页第十七页，编辑于星期日：八点 三十

12、分。2021-11-2018 特征X射线产生的机理经典原子模型原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上。最内层（K层）能量最低。图阴极射出的电子流轰击到靶面，如果能量足够高，靶内一些原子的内层电子会被轰出，使原子处于能级较高的激发态第18页/共43页第十八页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20K层电子被击出称为K激发态，L层电子被击出称为L激发态，依次类推。图1.6b表示的是原子的基态和K、L、M、N等激发态的能级图，原子的激发态是不稳定的，寿命不超过10-8秒，此时内层轨道上的空位将被离核更远轨道上的电子所补充，从而使原子能级降低，这时，多余的能量便以光量子的形式辐射出来。 第1

13、9页/共43页第十九页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20 图1.6a描述了上述激发机理。处于K激发态的原子，当不同外层的电子（L、M、N层）向 K层跃迁时放出的能量各不相同，产生的一系列辐射统称为K系辐射。 基于上述机制产生的X射线，其波长只与原子处于不同能级时发生电子跃迁的能级差有关，而原子的能级是由原子结构决定的，因此，这些有特征波长的辐射将能够反映出原子的结构特点，我们称之为特征光谱。 22242)(2ZnhmeEn)()(1212nnnnEEh第20页/共43页第二十页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-2021X射线辐射过程.swf第21页/共43页第二十一

14、页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20莫塞莱定律K与靶材物质主量子数有关的常数屏蔽常数，与电子所在的壳层位置有关()K Z第22页/共43页第二十二页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-2023 原子内层电子被击出而造成空位是产生特征辐射的前提。 而欲击出靶材原子内层电子，比如K层电子，由阴极射来的电子的动能就必须大于（至少等于）K层电子与原子核的结合能EK，或K电子逸出所做的功WK，即eUK=-EK=WK，这个UK便是阴极电子击出靶材原子K电子所需的临界激发电压。MgKLM入射电子二次电子（自由电子）MgK光子MgK光子第23页/共43页第二十三页，编辑于星期日：八点

15、 三十分。2021-11-2024 特征谱的强度随管电压（U）和管电流（i）的提高而增大，其关系的实验公式如下：I特K3 i ( U - Un)m 另外，X射线连续谱只增加衍射花样的背底，不利于衍射花样分析，因此总希望特征谱线强度与连续谱线强度之比越大越好。实践和计算表明，当工作电压为K系激发电压的35倍时，I特 / I连最大。第24页/共43页第二十四页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20第25页/共43页第二十五页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-2026 照射到物质上的X射线，除一部分可能沿原入射线束方向透过物质继续向前传播外，其余的，在与物质相互作用的复杂物理

16、过程中被衰减吸收，其能量转换和产物可归纳于后图。图第26页/共43页第二十六页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-2027 物质对X射线的散射主要是电子与X射线相互作用的结果。物质中的核外电子有两大类，相应产生两种散射效应。 相干散射coherent scattering（弹性散射或汤姆逊散射） 经典散射 当X射线与原子中受核束缚较紧的内层电子相撞时，电子受X射线电磁波的影响而绕其平衡位置发生受迫振动，于是变加速振动着的电子便以自身为中心，向四周辐射新的电磁波，其波长与入射X射线波长相同，且彼此间有确定的周相关系。可以发生相互干涉，故称相干散射。 射线的散射第27页/共43页第二十七

17、页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-2028 非相干散射incoherent scattering （康普顿-吴有训效应） 量子散射 当X射线光子与原子中受束缚力弱的电子（如原子中的外层电子、自由电子等）发生碰撞时，电子被撞离原子并带走光子的一部分能量而成为反冲电子。光子损失了能量波长变长并改变了2角，不能产生干涉效应，故叫非相干散射。 根据能量和动量守恒定律，推出第28页/共43页第二十八页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20第29页/共43页第二十九页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20 射线的吸收 射线穿过物质之后，强度会衰减。前面已经指出，这是因

18、为X射线同物质相互作用时经历各种复杂的物理、化学过程，从而引起各种效应转化了入射线的部分能量。如下图所示： 第30页/共43页第三十页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20实验证明，X射线穿透物质后的强度衰减与射线在物质中经过的距离成正比。假设入射线的强度为I0，进入一块密度均匀的吸收体，在x处时其强度为Ix，当通过厚度dx时强度的衰减为dI，定义l为X射线通过单位厚度时被吸收的比率，则有： -dI /Ix= l dx考虑边界条件并进行积分，则得： Ix = I0 e- x 式中l称为线衰减系数， x为试样厚度。第31页/共43页第三十一页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-1

19、1-20衰减至少应被视为物质对入射线的散射和吸收的结果，系数应该是这两部分作用之和。但由于因散射而引起的衰减远小于因吸收而引起的衰减，故通常直接称为线吸收系数，而忽略散射的部分。第32页/共43页第三十二页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20332. 质量吸收系数 为了避开线吸收系数随吸收体物理状态不同而改变的困难，可以用l /代替l，为吸收物质的密度，这样：ttmleIeII00称（单位为cm2g-1），表示单位重量物质对X射线的吸收程度。质量吸收系数与波长和吸收物质的原子序数Z存在函数关系：334ZKm第33页/共43页第三十三页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-

20、20 对于非单质元素组成的复杂物质，如固溶体、金属间化合物对于非单质元素组成的复杂物质，如固溶体、金属间化合物等，其质量吸收系数决定于各组元的质量吸收系数等，其质量吸收系数决定于各组元的质量吸收系数 mi及各组元及各组元的质量分数的质量分数 i 。niimim1第34页/共43页第三十四页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-2035注意，随波长的降低，m并非呈连续的变化，而是在某些波长位置上突然升高，出现了吸收限。（右图）这种带有特征吸收限的吸收系数曲线称为该物质的吸收谱。二、X射线的真吸收1. 光电效应 当入射X射线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时，此光量子就

21、很容易被电子吸收，获得能量的电子从内层逸出成为自由电子，称光电子，原子则处于相应的激发态。这种光子击出电子的现象即为。此效应消耗大量入射能量，表现为吸收系数突增，对应的入射波长即为。第35页/共43页第三十五页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20362. 荧光X射线 （二次特征X射线）3. 俄歇（Auger）效应一次特征X射线的一部分能量转变为所照射物质的二次特征辐射，体现出物质对入射X射线的吸收。该吸收非常强烈，吸收系数变化。010.swf第36页/共43页第三十六页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20第37页/共43页第三十七页，编辑于星期日：八点 三十分。20

22、21-11-2038荧光辐射：当入射X射线（光量子）的能量等于或略大于被照射物质原子某壳层电子的结合能时，将该壳层电子击出而使原子处于激发态，原子外层高能态电子向内层空位跃迁，辐射出具有特定波长值的X射线，这种由入射X射线所激发出来的特征X射线辐射称为荧光辐射。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射线的方式放出，而是另一个L层电子获得能量跃出吸收体，这样的一个K层空位被两个L层空位代替的过程称为俄歇效应，跃出的L层电子称俄歇电子。 荧光效应用于重元素（Z 20）的成分分析，俄歇效应用于表层轻元素的分析。第38页/共43页第三十八页，编辑于星期日：八点 三十分。2021-11-20俄歇效应每种物质