第二章X射线及其与物质的相互作用

1、第二章第二章 X射线及其与物质的相互作用射线及其与物质的相互作用2.1 X射线的性质射线的性质hP Eh X射线可看成具有一定能量射线可看成具有一定能量E、动量、动量P的的X光子光子流流h为普朗克常量，为普朗克常量，h = 6.63 10-34Js。 X射线的是一种电磁波，波长范围为射线的是一种电磁波，波长范围为0.001 10nm，具有波粒二象性，即具有波动性和，具有波粒二象性，即具有波动性和 粒子性。粒子性。硬硬X射线：射线：波长较短、能量较高，穿透性较强，适波长较短、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。用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。软软X射线：射线：波长

2、较长、能量较低，穿透性弱，可用波长较长、能量较低，穿透性弱，可用于非金属材料的分析。于非金属材料的分析。（1）使一些物质发出可见的荧光；）使一些物质发出可见的荧光； X射线可产生物理、化学和生化作用，引起各射线可产生物理、化学和生化作用，引起各种效应，如：种效应，如：（3 3）破坏物质的化学键，形成新键，促进物质合）破坏物质的化学键，形成新键，促进物质合成；成；（2 2）使离子固体发出黄褐色或紫色的光；）使离子固体发出黄褐色或紫色的光；（4 4）引起生物效应，导致新陈代谢发生变化。）引起生物效应，导致新陈代谢发生变化。高速运动的电子流高速运动的电子流高能高能辐射流辐射流在突然被减速时在突然被减

3、速时均能产生均能产生X射线射线2.2 X射线的产生射线的产生 射线射线X 射线射线中子流中子流 X射线管射线管 X射线管的工作原理射线管的工作原理X射线管射线管电子枪：产生电子并将电子束聚焦，电子枪：产生电子并将电子束聚焦，钨丝烧成螺旋式，通以电流钨丝烧钨丝烧成螺旋式，通以电流钨丝烧热放出自由电子。热放出自由电子。金属靶：发射金属靶：发射X射线，阳极靶通常射线，阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材料制由传热性好熔点较高的金属材料制成，如钨、铜、钴、镍、铁等。成，如钨、铜、钴、镍、铁等。 整个整个X射线光管处于真空状态。当阴极和阳极射线光管处于真空状态。当阴极和阳极之间加以数十千伏的高电压时，阴

4、极灯丝产生的电之间加以数十千伏的高电压时，阴极灯丝产生的电子在电场的作用下被加速并以高速射向阳极靶，经子在电场的作用下被加速并以高速射向阳极靶，经高速电子与阳极靶的碰撞，从阳极靶产生高速电子与阳极靶的碰撞，从阳极靶产生X射线，射线，这些这些X射线通过用金属铍（厚度约为射线通过用金属铍（厚度约为0.2mm）做成）做成的的X射线管窗口射出，即可提供给实验所用。射线管窗口射出，即可提供给实验所用。2.3 X射线管的射线管的X射线谱射线谱1.连续连续X射线谱：射线谱：强度随波长连续变化的光谱。强度随波长连续变化的光谱。 X射线连续谱的射线连续谱的强度随着强度随着X射线管的射线管的管电压增加而增大管电压

5、增加而增大 ,最大强度所对应的最大强度所对应的波长波长 max变小，变小，短波短波限限 0减小；连续谱中减小；连续谱中接近最短波长处的接近最短波长处的辐射较多。辐射较多。连续谱总强度为：连续谱总强度为：A为常数，为常数，Z为阳极材料的原子序数，为阳极材料的原子序数，m接近于接近于2。mIAZi U 总总管管管管短波限为：短波限为：01240U 管管max01.5 当能量为当能量为eU的电子与阳极靶的原子碰撞时，电的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子损失自己的能量，其动能的一部分以子损失自己的能量，其动能的一部分以X射线光子射线光子的形式辐射出来，其余部分转变为热能。在与阳极的形式辐射出来，其余部分

6、转变为热能。在与阳极靶相碰的众多电子中，有的辐射一个光子，有的则靶相碰的众多电子中，有的辐射一个光子，有的则多次碰撞辐射多个能量各异的光子，它们的总和就多次碰撞辐射多个能量各异的光子，它们的总和就构成连续谱。构成连续谱。连续谱的量子理论解释：连续谱的量子理论解释：短波限的量子理论解释：短波限的量子理论解释： 因为光子的能量来源于高速电子的能量，所以因为光子的能量来源于高速电子的能量，所以光子的能量一般小于电子的能量；但也有一些电子光子的能量一般小于电子的能量；但也有一些电子是通过一次碰撞将其动能毫无保留地全部地转变为是通过一次碰撞将其动能毫无保留地全部地转变为光子的能量，此时一个光子的能量为：

7、光子的能量，此时一个光子的能量为：maxeUh 式中式中e是电子电荷，等于是电子电荷，等于1.602 10-19C；U是电子是电子通过两极时的电压降；通过两极时的电压降；h是普朗克常数是普朗克常数;和和是是X射线的频率和波长。射线的频率和波长。0hc X射线射线特征谱特征谱只有当管电压超过只有当管电压超过一定值一定值U激激时才会时才会产生，只取决于产生，只取决于X射线管的阳极靶材射线管的阳极靶材料，不同的靶材具料，不同的靶材具有其特有的特征谱有其特有的特征谱线。特征谱线又称线。特征谱线又称为标识谱。为标识谱。2.特征特征X射线谱：射线谱：波长一定、强度很大的光谱。波长一定、强度很大的光谱。特征

8、谱的原子理论解释：特征谱的原子理论解释：K系标识系标识X射线：射线：从从L，M，N 壳层中的电壳层中的电子跃入子跃入K壳层空位时所释放的壳层空位时所释放的X射线，分别射线，分别称之为称之为K 、 K 、 K 谱谱线，共同构成线，共同构成K系系标识标识X射线。射线。LKKhcEE E与与Z的平方成正比，所以有的平方成正比，所以有1()C Z 这称为这称为莫塞莱定律莫塞莱定律。2.4 X射线在物质中的衰减射线在物质中的衰减1.衰衰减定律减定律（1）衰）衰减定律减定律 透过厚度元透过厚度元dx的的X射线强度为射线强度为Ix+dx，则，则强度的相对变化为：强度的相对变化为：ddlIxI 0lllII

9、e 穿透系数穿透系数 I/I0 ：I/I0愈小愈小,表示表示X射线被衰减的程度愈射线被衰减的程度愈大。大。质量衰减系数质量衰减系数 m：是单位质量物质对：是单位质量物质对X射线的衰减射线的衰减程度，其值的大小与温度、压力等物质状态参数无程度，其值的大小与温度、压力等物质状态参数无关，但与关，但与X射线波长及被照射物质的原子序数有关。射线波长及被照射物质的原子序数有关。（2）衰）衰减系数减系数线衰减系数线衰减系数 l ：当：当X 射线透过单位长度物质时强度射线透过单位长度物质时强度衰减的程度，衰减的程度， l值愈大，则强度衰减愈快。值愈大，则强度衰减愈快。lm 为被照射物质的密度。为被照射物质的

10、密度。0mmmII e 衰减定律还可以写作：衰减定律还可以写作： 工作中有时需要计算工作中有时需要计算n个元素组成的化合物、混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物、合金和溶液等的质量衰减系数m ，由于，由于m与与物质的存在状态无关，因此衰减系数可按下式求物质的存在状态无关，因此衰减系数可按下式求 （3）复合物的衰）复合物的衰减系数减系数1212nmmmnmWWW 式中式中Wn为吸收体中各组元的质量分数，而为吸收体中各组元的质量分数，而m为各组为各组元在一定元在一定X射波长时的质量衰减系数。射波长时的质量衰减系数。 2.散射与吸收散射与吸收 X射线通过物质时的衰减是由吸收和

11、散射造射线通过物质时的衰减是由吸收和散射造成的成的 。因此。因此质量衰减系数质量衰减系数 m可以写作可以写作（1）质量散射系数）质量散射系数m与质量吸收系数与质量吸收系数mmmm 在大多数情况下吸收系数比散射系数大得多，在大多数情况下吸收系数比散射系数大得多，故故 mm 。质量吸收系数与波长的三次方和元素的。质量吸收系数与波长的三次方和元素的原子序数的三次方近似地成比例，因此原子序数的三次方近似地成比例，因此mKZ33 吸收与波长及原子序数的关系吸收与波长及原子序数的关系 m与与 的关系曲线中的一些突变对应的波长称的关系曲线中的一些突变对应的波长称吸收限。与吸收限。与K层电子对应的吸收称层电子

12、对应的吸收称K吸收限，常用吸收限，常用 K表示。与表示。与L层对应的吸收称层对应的吸收称L吸收限，因吸收限，因L层有层有三个亚层，因此有三个吸收限。同理三个亚层，因此有三个吸收限。同理M层有五个层有五个吸收限。吸收限。（2）X射线的吸收机制射线的吸收机制 物质对物质对射线的吸收，是指射线的吸收，是指射线通过物质时射线通过物质时光子的能量变成了其他形式时能量。光子的能量变成了其他形式时能量。射线通过物射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射X射线的射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光能量变成光电子、俄歇电子和荧光射线的能量，射线的能量，使使X射线强度被衰

13、减，是物质对射线强度被衰减，是物质对射线的吸收过程。射线的吸收过程。 （3）X射线散射射线散射相干散射：相干散射：当入射当入射X射线与散射射线与散射X射线波长相同时，射线波长相同时，相位滞后恒定，散射线之间能相互干涉。相位滞后恒定，散射线之间能相互干涉。非相干散射：非相干散射：当散射当散射X射线波长与入射射线波长与入射X射线波长不射线波长不同时，散射线之间不相干。康普顿散射即为同时，散射线之间不相干。康普顿散射即为非相干非相干散射。散射。3.滤波片滤波片 X射线管中发出的标识射线管中发出的标识射线，除射线，除K辐射外，辐射外，还含有还含有K辐射和连续谱。在一些衍射分析工作中，辐射和连续谱。在一

14、些衍射分析工作中，只希望只希望K辐射的衍射线条出现，因辐射的衍射线条出现，因K辐射的存在，辐射的存在，会使衍射花样复杂化。在会使衍射花样复杂化。在X射线出射的路径上放射线出射的路径上放置一定厚度的置一定厚度的滤波片滤波片，可以简便地将，可以简便地将K和连续谱和连续谱衰减到可以忽略的程度。衰减到可以忽略的程度。 当滤波片材料的当滤波片材料的K吸收限位于吸收限位于K和和K辐射之辐射之间时，因它们所处位置吸收系数相差悬殊，故通间时，因它们所处位置吸收系数相差悬殊，故通过滤波片后过滤波片后K减弱甚微减弱甚微K则被大大削弱，从而起则被大大削弱，从而起到将到将K滤去的作用。滤去的作用。 从实验测定的各种阳极靶的标识谱和各种物质从实验测定的各种阳极靶的标识谱和各种物质的的K吸收限数值，可以将滤波片的选择规则归纳为吸收限数值，可以将滤波片的选择规则归纳为 （