第一章 X射线物理基础

1、第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础X射线衍射分析射线衍射分析谭红琳谭红琳 1、X射线物理基础射线物理基础 2、X射线运动学衍射原理射线运动学衍射原理 3、多晶体的、多晶体的X射线衍射分析射线衍射分析 4、X射线衍射方法的实际应用射线衍射方法的实际应用 5、宏观应力测定、宏观应力测定第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础材料：你们最关心的是什么？性能：你认为与哪些因素有关？结构：有哪些检测分析技术？绪论第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 物质的性质、材料的性能决定于它们的组物质的性质、材料的性能决定于它们的组成和微观结构。成和微观结构。 如果你有一双如果你有一双X射线的

2、眼睛，就能把物质的射线的眼睛，就能把物质的微观结构看个清清楚楚明明白白！微观结构看个清清楚楚明明白白！ X射线衍射将会有助于你探究为何成份相同射线衍射将会有助于你探究为何成份相同的材料，其性能有时会差异极大的材料，其性能有时会差异极大. X射线衍射将会有助于你找到获得预想性能射线衍射将会有助于你找到获得预想性能的途径的途径第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础第一章第一章 X X射线物理学基础射线物理学基础 内容提要：内容提要： 第一节第一节 X X射线的性质射线的性质 第二节第二节 X X射线的产生射线的产生 第三节第三节 X X射线谱射线谱 第四节第四节 X X射线与物质的相互作用射

3、线与物质的相互作用 第五节第五节 X X射线的衰减规律射线的衰减规律 第六节第六节 吸收限的应用吸收限的应用第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础引言引言X射线学的发展射线学的发展及分支及分支 1895年德国物理学家年德国物理学家“伦伦琴琴”发现发现X射线射线。1901年，伦琴获诺贝尔物理学奖。年，伦琴获诺贝尔物理学奖。之后建立了之后建立了“X射线透射学射线透射学”，最早应用于医学，后应用于工业无损探伤。，最早应用于医学，后应用于工业无损探伤。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 1912年，年，德国物理学家德国物理学家“劳劳埃埃”发现了发现了X射线在晶体中的射线在晶体中的衍射现

4、象。衍射现象。 （两方面意义：肯定了（两方面意义：肯定了X X射线射线的本质；证实了晶体结构的本质；证实了晶体结构的猜的猜想。）想。） 获获1914年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 获获1915年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。 之后发展了之后发展了X X射线学的另一分支：射线学的另一分支：“X X射线衍射学射线衍射学”（或（或“X X射线晶体学射线晶体学” ” ）。）。1913年，年，英国物理学英国物理学家家“布拉格布拉格”父子提出父子提出了著名的布拉格方程，了著名的布拉格方程，是是X射线的衍射学的理射线的衍射学的理论基础。论基础。第

5、一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 1914年，年，莫塞莱发现不同元素的同名特征莫塞莱发现不同元素的同名特征X谱谱线的波长和原子序数有定量的对应关系。线的波长和原子序数有定量的对应关系。 发展了第三个发展了第三个分支分支 “X射线光谱学射线光谱学”。（。（即即根据根据X X射线光谱，研究物质的原子结构和成分。）射线光谱，研究物质的原子结构和成分。）第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础1、衍射分析技术的发展与与X X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单 年 份学 科得奖者内 容1901物理伦琴Wilhelm Conral Rontg

6、enX射线的发现1914物理劳埃Max von Laue晶体的X射线衍射亨利.布拉格Henry Bragg劳伦斯.布拉格Lawrence Bragg.1917物理巴克拉Charles Glover Barkla元素的特征X射线1924物理卡尔.西格班Karl Manne Georg SiegbahnX射线光谱学戴维森Clinton Joseph Davisson汤姆孙George Paget Thomson1954化学鲍林Linus Carl Panling化学键的本质肯德鲁John Charles Kendrew帕鲁兹Max Ferdinand Perutz1962生理医学Francis H

7、.C.Crick、JAMES d.Watson、Maurice h.f.Wilkins脱氧核糖核酸DNA测定1964化学Dorothy Crowfoot Hodgkin青霉素、B12生物晶体测定霍普特曼Herbert Hauptman卡尔Jerome Karle鲁斯卡E.Ruska电子显微镜宾尼希G.Binnig扫描隧道显微镜罗雷尔H.Rohrer布罗克豪斯 B.N.Brockhouse中子谱学沙尔 C.G.Shull中子衍射直接法解析结构1915物理晶体结构的X射线分析1937物理电子衍射1986物理1994物理1962化学蛋白质的结构测定1985化学第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学

8、基础X射线学的分支射线学的分支X射线透射学射线透射学X射线衍射学射线衍射学X射线光谱学射线光谱学第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础第一节第一节 X X射线的性质射线的性质 X X射线的射线的波长范围波长范围：10-310nm。 一、一、 X射线的性质射线的性质 不可见不可见，但它能使一些气体或其他物质电离，但它能使一些气体或其他物质电离，使照相底片感光，使荧光物质发光。使照相底片感光，使荧光物质发光。 穿透性强穿透性强，并，并可被物质吸收和散射可被物质吸收和散射。 软软X X射线射线: :波长较长的软波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析

9、可用于分析非金属的分析。 硬硬X X射线射线：波长较短的硬波长较短的硬X射线能量较高，穿透性射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。 常用于金属零件的探伤和医学上的透视分析。常用于金属零件的探伤和医学上的透视分析。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 折射率折射率1 X射线穿过不同媒质时，呈直线传播，在电场和射线穿过不同媒质时，呈直线传播，在电场和磁场中也不发生偏转，因此不能用常规方法使磁场中也不发生偏转，因此不能用常规方法使X射线会聚或发散。射线会聚或发散。 对生物细胞有很强的杀伤作用。对生物细胞有很强的杀伤作用

10、。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础二、二、 X射线的本质射线的本质 1 1、X X射线的本质射线的本质 也是也是电磁波电磁波，即也是一种无静止质量并以光速运动的光子。即也是一种无静止质量并以光速运动的光子。 第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础2 2、X X射线的波粒二象性射线的波粒二象性 波动性波动性的表现：的表现：以一定的频率和波长在空间传播，以一定的频率和波长在空间传播，例如以晶体作衍射光栅时观察到的例如以晶体作衍射光栅时观察到的X X射线的衍射现射线的衍射现象；象； 描述波动性的物理量：描述波动性的物理量：频率频率、波长、

11、波长 粒子性的表现：粒子性的表现：以光子形式辐射和吸收时具有一以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量，定的质量、能量和动量，如光电效应等。如光电效应等。 描述粒子性的物理量：描述粒子性的物理量：能量能量E E、动量、动量P P 表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；二次电子等。电效应；二次电子等。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 波动性和粒子性之间存在下述关系：波动性和粒子性之间存在下述关系：hchEchhp0.050.25nm范围适于范围适于 结构分析结构分析0.0050.1nm范围适于范围适于 探伤分析探伤分析式中

12、式中h普朗克常数，等于普朗克常数，等于6.62510-34 J.s; cX射线的速度，等于射线的速度，等于2.998 1010 cm/s.第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础相关习题： 1.试计算波长试计算波长0.71A（Mo-K）和和1.54A（Cu- K）的的X射线束，其频率和每个量射线束，其频率和每个量子的能量？子的能量？ 第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础第二节第二节 X X射线的产生射线的产生 一、一、X射线产生原理射线产生原理 实验证明：高速运动的带电的基本粒子突实验证明：高速运动的带电的基本粒子突然受阻时，随着能量的消失和转化，就会然受阻时，随着能量的消失和转化

13、，就会产生产生X射线。射线。 实际用于获得实际用于获得X射线的带电粒子是射线的带电粒子是电子电子。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 电子式电子式X射线管产生射线管产生X射线射线的条件：的条件： (1) 产生电子的电子源；产生电子的电子源；灯丝灯丝+高真空高真空 (2) 使电子作定向高速使电子作定向高速运动；运动；高电压高电压 (3) 在高速电子流的运在高速电子流的运动路径上设置障碍物，动路径上设置障碍物，使电子突然受阻。使电子突然受阻。阳极阳极靶靶 (4) 封闭在高真空中，封闭在高真空中，真空度高于真空度高于10-3Pa。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础二、 X射线管射

14、线管 1、封闭电子式封闭电子式X射线管的结构射线管的结构 封闭电子式封闭电子式X射线管与其结构示意图射线管与其结构示意图第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 (1) 阴极：阴极：钨丝；加热钨丝发射热电子；钨丝；加热钨丝发射热电子； (2) 阳极阳极/靶靶：使电子突然减速并发射：使电子突然减速并发射X射线的地方。射线的地方。 不同的靶面材料用于获得不同波长的不同的靶面材料用于获得不同波长的X X射线。射线。 (3) 阴极和阳极之间的阴极和阳极之间的高压高压使电子作定向高速运动；使电子作定向高速运动； (4) 阴、阳极都密封在阴、阳极都密封在高真空管高真空管中，真空度中，真空度10-3Pa

15、。 其他组成部分：金属聚焦罩、冷却水、铍窗口。其他组成部分：金属聚焦罩、冷却水、铍窗口。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 高速运动的电子与物质碰撞时被突然减速或停止高速运动的电子与物质碰撞时被突然减速或停止运动，其大部分动能（运动，其大部分动能（99%）转变为热能使物）转变为热能使物体升温，而一小部分动能（体升温，而一小部分动能（1%）则转变为光能）则转变为光能以以X射线形式向外界释放。射线形式向外界释放。 封闭电子式封闭电子式X X射线管的功率有限，为射线管的功率有限，为5005003000W3000W。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 2 2、旋转阳极、旋转阳极 大

16、功率大功率X X射线源需要用旋射线源需要用旋转阳极。转阳极。 因阳极不断旋转，电子束因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。高功率也不会烧熔靶面。 目前有目前有100kW100kW的旋转阳极。的旋转阳极。 第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础第三节第三节 X X射线谱射线谱 X X射线谱射线谱：X X射线强度随波长变化的关系曲线。射线强度随波长变化的关系曲线。 X X射线的强度射线的强度 X X射线的强度：单位时间内，通过与射线的强度：单位时间内，通过与X X射线传播方射线传播方向垂直的单位面积上的向垂直的单位面积上的X X射线光量子的能

17、量总和。射线光量子的能量总和。用用I I表示。表示。 常用单位：常用单位：J/cmJ/cm2 2ss。 强度为光子流密度和每个光子的能量的乘积。强度为光子流密度和每个光子的能量的乘积。( (光光子流密度：单位时间内通过单位截面的光量子数子流密度：单位时间内通过单位截面的光量子数目。目。) ) 即即X X射线的强度（射线的强度（I I）是由光量子的能量（）是由光量子的能量（h h）及）及它的数目（它的数目（n n） 决定，决定，I= n hI= n h。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 由由热阴极热阴极X X射线管发出的射线管发出的X X射线分为两种类型：射线分为两种类型： (1)(

18、1)连续连续X X射线谱射线谱； (2)(2)特征特征X X射线谱射线谱（又称标识（又称标识X X射线谱）。射线谱）。 它们对应两种它们对应两种X X射线辐射的物理过程。射线辐射的物理过程。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础一、连续一、连续X X射线谱射线谱 1 1、定义、定义 X X射线谱中，强度随波长连续变化射线谱中，强度随波长连续变化的部分，称为的部分，称为连续连续X X射线谱射线谱，简称，简称连续谱。连续谱。 2 2、连续连续谱的特点谱的特点 不同管压下，连续谱在短波方不同管压下，连续谱在短波方向都有一个突然截止的波长极限向都有一个突然截止的波长极限值，称为值，称为短波限短波

19、限，用，用0 0表示。表示。 X X射线波长射线波长由大于由大于0的所有辐射的所有辐射组成组成； 强度存在一最大值（约强度存在一最大值（约1.5 1.5 0 0处，用处，用m m表示表示 ）。）。 对同一靶材，不同管压、管流对同一靶材，不同管压、管流下的连续谱的变化规律。下的连续谱的变化规律。maxmin1240minhceVhhcnmeVV第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础3 3、连续、连续X X射线谱的解释射线谱的解释 连续谱的产生连续谱的产生 量子理论：量子理论： 当能量为当能量为eVeV的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其

20、中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为产生一个能量为hvhv的光子。的光子。 由于大量电子射到阳极上的时间和条件不尽相同，仅有一由于大量电子射到阳极上的时间和条件不尽相同，仅有一少部分电子能产生极限能量交换，少部分电子能产生极限能量交换，绝大多数电子经绝大多数电子经多次碰多次碰撞撞完成能量交换，而辐射出波长大于完成能量交换，而辐射出波长大于0 0 的的不同波长的不同波长的X X射线，形成连续谱。射线，形成连续谱。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础产生机理 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

21、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射线射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连连续续X射线谱射线谱第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础连续X射线谱的总强度（能量）2d )(minKiZVII连续IIi1i2i3管流i3 i2 i1MoAgW不同阳极第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 管电压和靶材一定，提高管电流，各波长X射线强度都提高，但min和max不变 管电流和靶材一定，提高管电压，各波长X射线强度都提高，min和max减小 管电压和管电流一定，靶材的原子序数

22、z越高，连续谱强度越高，但min和max相同影响因素第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 短波限短波限 极限情况下，能量为极限情况下，能量为eVeV的电子在一次碰撞中将其在电的电子在一次碰撞中将其在电场中加速得到的全部动能转给一个光子，则此光子的场中加速得到的全部动能转给一个光子，则此光子的能量最大，波长最短，相当于短波限能量最大，波长最短，相当于短波限0 0的的X X射线。射线。0maxhcheUeUhc0表明：表明：0只与管电压有关，不受其它因素的影响只与管电压有关，不受其它因素的影响； 随管电压增加，随管电压增加，0向短波方向移动。向短波方向移动。第一章第一章 X射线物理学基础射

23、线物理学基础 强度最大值位于强度最大值位于1.51.50 0附近附近 X X射线强度由每个光子的能量射线强度由每个光子的能量hvhv和单位时间通过单和单位时间通过单位面积的光子数目位面积的光子数目n n两个因素决定两个因素决定, ,即即I=I=nhvnhv。 在碰撞过程中，能产生极限能量交换的电子仅占在碰撞过程中，能产生极限能量交换的电子仅占一少部分，而其他大量电子会产生多次碰撞完成一少部分，而其他大量电子会产生多次碰撞完成能量交换，因此虽然短波限对应的光子能量最大，能量交换，因此虽然短波限对应的光子能量最大，但光子数目不多，故强度的极大值不在但光子数目不多，故强度的极大值不在0 0处，而处，

24、而位于位于1.51.50 0附近。附近。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 对同一靶材，不同管压、管流下的连续谱的变对同一靶材，不同管压、管流下的连续谱的变化规律。化规律。 U管管升高，各辐射强度升高，升高，各辐射强度升高，0和和 max （最大辐（最大辐射时的波长）均减小；射时的波长）均减小； 解释：当加大管压时，击靶电子的动能、电子与靶材原子解释：当加大管压时，击靶电子的动能、电子与靶材原子的碰撞次数和辐射出来的的碰撞次数和辐射出来的X X射线光子的能量都会增加，射线光子的能量都会增加，因因此随管压的增加，各波长此随管压的增加，各波长X X射线的强度均增加。射线的强度均增加。 管

25、电压不变时，随管电流的升高，各辐射强度均管电压不变时，随管电流的升高，各辐射强度均升高，但升高，但0和和max保持不变。保持不变。不同的靶面物质发射不同的靶面物质发射的连续谱具有相似的的连续谱具有相似的特征特征第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础二、特征二、特征X X射线谱射线谱 1 1、定义、定义 当当U管管超过某临界值后，超过某临界值后，叠加叠加在连续谱上的强度很高且具有在连续谱上的强度很高且具有一定波长的一定波长的X X射线谱，称为射线谱，称为特特征征X X射线谱射线谱，简称特征谱。，简称特征谱。 如钼靶如钼靶X X射线管，当管电压等射线管，当管电压等于或高于于或高于20kV20kV时，则除连续谱时，则除连续谱外，位于一定波长处外，位于一定波长处（0.063nm0.063nm和和0.071nm0.071nm）, ,叠加叠加有少数强谱线。有少数强谱线。第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础 2 2、特点、特点 产生特征产生特征X X射线的条件：射线的条件：管电管电压超过与靶材相应的某一特定值压超过与靶材相应的某一特定值U UK K； 对一定的靶材，特征