X射线性质1课件

1、现代材料微观分析方法材料科学与工程学院 罗 勇材料学院 A411本章主要学习的内容: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本章重点:X射线本质X射线产生的条件X射线谱本章难点:X射线连续谱、特征谱的解释2. X射线与物质的相互作用一、X射线的发现1-1 引 言 1895年11月8日，德国物理学家伦琴发现X射线提问1：如何发现的？思考1：该发现对我们有何启发？1.偶然性与必然性2.学习的态度威廉康拉德伦琴(1845-1923)不同物质对X射线的穿透能力是不同的。伦琴用X射线拍了一张其夫人手的照片。X射线被发现三个月之后，维也纳医院在外科治疗中便首

2、次运用X射线为病人拍片。X射线在医学上得到了应用，发展了X射线照像术。 进一步发现：1896年1月23日伦琴在他的研究所作了第一个关于X射线的学术报告。 1896年，伦琴将他的发现和初步的研究结果写了一篇论文，发表在英国的Nature杂志上。他的发现在社会上引起了轰动，也为他赢得了很大的荣誉。 1901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。伦琴的研究情况：思考2：伦琴的研究对我们学习有何借鉴？人类揭开研究微观世界序幕的“三大发现”1895年德国科学家伦琴发现伦琴射线1896年法国的克勒尔发现放射性1897年英国的汤姆逊发现电子看待X射线发现的意义：人类光源制造史

3、上的三次革命1879年爱迪生发明电灯1896年Muller发明X射线管1960年美国梅曼发明激光器纪念X射线发现100周年纪念X射线发现115周年-2010年因对X射线及应用作出贡献而获诺贝尔奖的科学家1901年- W.K Rontgen (伦琴)-发现X射线 （物理）1914年- M.V Laue (劳厄)-发现晶体的X衍射衍射（物理）1915年-WH.WL.Bragg (布拉格) 用X射线分析晶体结构（物理）1917年-C.G Barkla (巴克拉)-发现X射线对元素的特征发射（物理）1924年-M.G Siegbahn (塞格巴恩)-研究X射线光谱学（物理）1927年-A.H Comp

4、ton (康普顿)-发现散射X射线的波长变化（物理）1936年-P.J.W Debye (德拜)-X射线偶极矩和衍射及气体中的电子研究（化学）1946年-H.I Muller (马勒) -X射线辐照引起变异（生理学或医学）可以测定粗晶粒的平均大小、微晶粒的平均晶粒度等。3、晶粒大小的测定可以测定材料的宏观、显微内应力 4、应力测定半导体材料、激光材料、磁性材料单晶体，其取向可用X射线法测定。 5、晶体取向的测定 X射线的本质？Titanium carbide面心立方TiC的标准衍射图谱 物相分析X射线应用实例-古埃及木制“猫棺”X射线应用实例-卡拉瓦乔17世纪代表作“牧羊人的朝拜”X射线应用广

5、告X射线反射镜广告X射线望远镜拍摄的太空照片1-2 X射线的本质对X射线本质的争论，焦点集中在它是： 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射线的波动性进行了深入的研究，并给出了著名的布拉格方程。X射线的本质先回顾一下光的本质 波动说与微粒说的交锋（历时三百多年） 波动说：意大利的格里马第、英国的玻义耳、英国的胡克、荷兰的惠更斯、英国的托马斯.杨、荷兰的菲涅耳、德国的夫琅和施维尔德；微粒说：牛顿、拉普拉斯、赫兹、康普顿；光的波动说光可以象波那样运动，把它的信息从一个地方带到另一个地方。同时，波的传播需要媒介。而光能够在真空中传播

6、，那么，真空中有媒介吗？宇宙空间充满了一种无处不在、又看不见摸不着的非物质性的媒介，它就是以太，光可以在以太中传播。光的问题圣经：神说，要有光，就有了光。（光是黑暗的反面）古希腊：光是一种象从水龙头射出的水那样从人们的眼睛射出的东西。毕达哥拉斯：光是由发光体向四面八方射出的一种东西，它碰到障碍物就立刻被弹开。光是怎样越过空间进入人的眼睛里的？光是凉的还是热的？光动不动？它动得有多快？问题交锋与论战波有衍射现象，但光沿直线传播，又有谁见过光拐弯呢？微粒相碰，应彼此弹开，但两束光相遇，彼此交叉而过，互不影响，为何呢？科学上的争论就是这样，一旦产生便要寻个水落石出！科学的探索不是坐软卧车厢，那儿有唯

7、一太平的轨道。科学的远征是在巨浪滔天的大洋上航行，可能要用青春和生命去殉自己的事业，唯有清醒和坚定的人才能达到目的地。Science is always wrong. It never solves a problem without creating ten more. _George Bernard Shaw交锋之一：由光的颜色引发的争论1655年，意大利数学教授格里马第提出了光的衍射现象，成为光波动学说的倡导者。1663年，英国科学家波义耳提出物体的颜色不是物体本身的性质，而是光照射在物体上产生的效果。英国物理学家胡克提出“光是以太的一种纵向波”，认为光的颜色由其频率决定。1672年，牛

8、顿在关于光和色的新理论中用微粒说来阐述了光的颜色理论。1672年2月，由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会否定了牛顿的论文。1675年12月，牛顿在说明在我的几篇论文中所谈到的光的性质的一个假说一文中，再次反驳胡克的波动说，重申了他的微粒说。波动学初胜 （17世纪中期）交锋之二：两大理论学说的建立荷兰天文学家、物理学家、数学家惠更斯继承并完善了胡克的观点，提出了波动学说比较完整的理论。光是一种机械波，光波是一种靠物质载体来传播的纵向波。由此证明了光的反射定律和折射定律，解释了衍射、双折射和牛顿环。例子：如果光是由粒子组成的，那么光在传播过程中粒子必然相互碰撞，一定会导致光的传播方向改变

9、。1678年，惠更斯向巴黎科学院提交了他的光学论著光论，他系统的阐述了光的波动理论。另一方面，牛顿的微粒学说逐步建立起来了。牛顿修改和完善了他的光学著作光学。实例1：光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物，不会产生影子；实例2：冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质，波动说无法解释。此外，牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界，并与他的质点力学体系融为一体，为微粒说找到了坚强的后盾。1703年，胡克去世，惠更斯也相继去世，波动说一方无人应战。牛顿由于其对科学界所作出的巨大贡献，成为了当时无人能及的一代科学巨匠，人们重复他的实验，坚信与他相同的结论。整个十八世纪，几乎无人向微粒

10、说挑战。微粒说完胜（18世纪）交锋之三：托马斯.杨等人建立波的新理论英国物理学家托马斯.杨对牛顿的光学理论产生了怀疑，于1800年写成论文关于光和声的实验和问题。他指出光是以纵波形式传播的，同时还指出光的不同颜色和声的不同频率是相似的。经过百年的沉默之后，波动学说终于重新发出了它的呐喊，光学界沉闷的空气再度活跃起来。1801年，托马斯.杨进行了著名的杨氏双缝干涉实验，出现了黑白条纹，证明了光是一种波。1801年，托马斯.杨在英国皇家学会的哲学会刊上发表论文，分别对“牛顿环”和自己的实验进行解释，首次提出光的干涉概念和干涉定律。1803年，托马斯.杨写成了论文物理光学的实验和计算，对光的衍射进行

11、进一步解释，认为衍射是由直射光束与反射光束干涉形成的。1807年，杨氏把实验和理论编入了自然哲学讲义，他认为光是一种纵波，在理论上遭到了尖刻的批评。1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射现象，批驳了杨氏的波动说。1809年，马吕斯发现了光的偏振现象，证明光不可能是纵波。1811年，布吕斯特发现了光的偏振现象的经验定律。这一现象使波动学说陷入了困境，有利于微粒说的方向发展。1817年，杨氏重新提出光是一种横波的假说，成功的解释了光的偏振现象，建立了新的波动学说。1817年，土木工程师菲涅尔提出各种波的干涉使合成波具有显著的强度。（与杨氏的理论正好相反）随后他以杨氏理论为基础，成功进行干涉实

12、验，建立了光波的横向传播理论。1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。至此，新的波动学说牢固的建立起来了，微粒说开始转向劣势。波动学强势回归（19世纪）交锋之四：以太学说的失败，光电效应的发展，重振了微粒说。光的波动学说的建立，使人们开始为光波寻找载体。以太成为了十九世纪的众焦点之一。菲涅尔：横向波的介质应为类固体，但固体会干扰天体的自由运转。泊松：如果以太是类固体，在光的横向振动中必然要有横向振动，这与新的波动理论相矛盾。1839年，柯西提出第三种以太说-消极的可压缩的介质，可以解决问题。1887年，英国物理学家迈克尔逊与化学家莫雷以“以太漂流”实验否定了以太的存在。十

13、九世纪中后期，波动学在论战中取得了决定性的胜利，但在为光波找载体时遇到的困难，却预示着波动说面临危机。1887年，德国科学家赫兹发现光电效应，光的粒子性再次被证明。1921年，爱因斯坦提出波粒二象性，圆满的解决了这一问题，并获得了诺贝尔物理学奖。1921年，康普顿在试验中证明了X射线的粒子性。1927年，杰默尔和汤姆森证明了电子束具有波的性质。随后，人们证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线具有波的性质。两者合二为一（20世纪初）在新的事实与理论面前，光的波动说和微粒说之争以“光具有波粒二象性”而落下了帷幕。光的波动说与微粒说之争从17世纪初笛卡尔提出的两点假说开始，至20世纪初以光波粒二象性告

14、终，前后共经历了三百多年的时间。随着科学的不断向前发展，在光的本性问题上是否还会有新的观点、新的论据出现呢？波粒二象性真的就是最后的结果吗？在群星璀璨的科学史上，不断有新星划破长空，不断有陈星殒坠尘埃。对X射线波动性最完美的研究是德国物理学家劳厄（Laue）。提问2： 如何研究？X射线的本质劳厄第一次X射线衍射实验所用的仪器。所用的晶体是硫酸铜光的干涉和衍射开始试验：X射线的本质劳厄法X射线衍射实验的基本装置与所拍的照片X射线的本质爱因期坦称，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结构的周期性。 思考3：如何对他的试验进行评价？X射线的本质X射线的本质是一种电

15、磁波，它具有波粒二象性。 在X射线衍射分析中应用的主要是它的波动性，反映在传播过程中发生干涉、衍射作用。 在与物质相互作用，进行能量交换时，则表现出它的粒子性。 X射线的本质X射线的波动性： 它以一定的波长和频率在空间传播。X射线作为电磁波的具有电场矢量和磁场矢量。X射线的波长范围：100- 0.01 或 10-0.001 nmX射线的本质X射线两边分别与紫外线及射线相重叠。波长的单位：nm（纳米） 法定单位： （埃）过去的常用单位： KX 晶体学单位（不常用） 换算关系： 1 nm =10-9 m =10 硬X射线： 范围 （0.05-2.5 ） 0.05- 1 主要用于金属探伤等 0.5-

16、2.5 主要用于晶体结构分析软X射线： 10-100 主要用于医学熟记的一些知识：X射线的本质X射线粒子性：X射线的粒子性表现在它是由大量的不连续的粒子流构成的。它具有一定能量和动量。 *对不同频率的X射线，光子的能量是不同的。频率越高，光子的能量就越大。X射线的本质能量和动量p与X射线光子的频率v和波长之间的关系如下： =hv =hc/ ph/ h为普朗克常数 ，h=6.625x10-34J.s，c 为光速c=2.998x108 m/s 1-3 X射线的产生及X射线管一、X射线产生 X射线是高速运动的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。提问3：能否提炼出产

17、生的条件？X射线产生的几个基本条件：1、产生并发射自由电子（加热钨灯丝）2、在真空中（一般为10-6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）。3、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受阻。二 X射线管的结构阴极-发射电子。一般由钨丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。阳极-靶，使电子突然减速并发出X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。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。高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发。所以靶材料要导热性能好，常

18、用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极.焦点-阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是X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.X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.具体的一些细节：二 X射线管的结构上述常用X射线管的功率为5003000W。目前还有旋转阳极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，其功率比普通X射线管大数十倍。 1-4 X射线谱

19、一、 X射线谱X射线强度() 随波长()而变化的关系曲线，称为X射线谱。X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射线谱二、连续X射线谱(白色X射线) 1、(见图）管压很低时，小于20kv的曲线是连续变化的，故称之连续X谱，即连续谱。 思考4：管压高于20kV时会发生什么？2、当逐步增加X射线管的管电压时，连续X射线谱发生如下变化。（1）各种波长的X射线的相对强度一致增高。（2）具有最高强度射线的波长逐渐变小，曲线峰值向左方移动。（3）短波限逐渐变小（即0向左方移动），波谱变宽。3、管电压既影响连续X射线谱的强度，也影响其波长范围连续X射线的产生机理1、经典物理的电动力

20、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X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X射线谱。思考5：能否举例？2、若管电流i=10毫安（1秒钟内阳极靶上发出的电磁波有多少个？） 也就是说，1秒钟内有0.01库仑的电量到达阳极靶。电子的电荷e=1.60210-19库仑则1秒钟到达阳极上的电子数: n=6.2510163、短波限0存在的原因 从灯丝发射出的电子经高压电场加速

21、，使电场的位能转化为电子的动能。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射线光子，其余转变为热能（或光子逸出）。短波限0的计算当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一个X射线光子时，此光子的能量为：l0echhveV m=最大221eVhc=0lV4.120=l （埃） V千伏4. 量子理论连续X射线谱的解释量子力学概念，当能量为eV的电子与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式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子，即“韧致辐射”。大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。极限情况下

22、，能量为eV的电子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波长，即短波限0。强度的最大值在0的1.5倍处出现。辐射强度 （） 1、定义：垂直于X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。常用单位是尔格/厘米2秒绝对强度的测量比较困难，常采用照相底片的黑度作为相对比较标准。2、连续X射线谱的总强度 常数 z阳级靶的原子序数 i管电流（毫安） V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?答案：不能。效率连续X射线的效率:指电子流能量中用于产生X射线的百分数ZViViZVXXaah=2射线管的功率射线总强度连续讨论：当采用

23、钨阳极Z=74，V=100千伏，=1.11.510-6 ，1% 管中电子与阳极撞击时，绝大部分生成热能而损失掉。 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，并用冷却水强烈地冷却阳极。三、 特征X射线谱*钼靶X射线管当管电压加到25KV时，Mo靶的连续X射线谱上出现了二个尖锐的峰K (0.071nm)和K (0.063nm)，该峰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).当管电压超过某临界值时，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。K波长比K长，K与K强度比约为5：1，放大看

24、，K还分为K1和K2两条线。K1和K2强度比约为 2:1随着电压的增大，其强度进一步增强，但波长不变，也就是说，这些谱线的波长与管压和管流无关，它与靶材有关。对给定的靶材，它们的这些谱线是特定的。因此，称之为特征X射线谱或标识X射线谱。产生特征X射线的最低电压称激发电压。特征X射线产生机理原子内部电子的分布 原子内部的电子分布在不同的壳层上K、L个壳层上的电子具有不同的能量k、L光谱学定义，电子跃迁到K层产生的辐射称为K系辐射，依次还有L系、M系辐射等。氢原子轨道能量E1=-13.6 eVEn=-|E1|/n2特征X射线产生机理并按电子跃迁时所跨跃的能级数目不同，进行进一步的标识。跨跃1个能级

25、的标记为，2个能级的标记为等，L K跃迁为K，M K跃迁为KK最短KV激 412.=l最短最大kkkxehceheVlnee=-莫塞莱定律特征X射线谱的频率（或波长）只与阳极靶物质的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。19131914年莫塞莱发现物质发出的特征谱波长与它本身的原子序数间存在以下关系： K-与靶材物质（主量子数）有关的常数。-与电子所在的壳层位置有关，称为屏蔽常数。根据莫塞莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素-X射线光谱分析的基本依据 1-5 X射线与物质的相互作用 X射线照射到物质上与物质相互作用是

26、个很复杂的过程。可归结为三个能量转换过程：E1散射能量E2吸收能量，包括真吸收变热部分和光电效应、俄歇效应E3透过物质X射线与物质的相互作用入射X射线散射相干散射非相干散射+反冲电子穿透吸收光电子+二次特征辐射二次电子+俄歇效应热能X射线与物质的相互作用一、X射线的散射1）相干散射（汤姆逊散射） A、与物质原子中束缚较紧的电子作用。B、散射波随入射X射线的方向改变了，但频率（波长）相同。C、各散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的干涉条件，可产生干涉作用。相干散射是X射线在晶体产生衍射的基础。一、X射线的散射2）非相干散射（康普顿散射）A、X射线作用于束缚较小的外层电子或自由电子。

27、B、散射X射线的波长变长了。散射X射线波长的改变与传播方向存在如下的关系：=0.0024(1-cos2) C、由于散射X射线的波长随散射方向而变，不能产生干涉效应。故这种X射线散射称为非相干散射。非相干散射不能参与晶体对X射线的衍射，只会在衍射图上形成不利的背景。 二、X射线的吸收物质对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。二、X射线的吸收1）光电效应 当用X射线轰击物质时

28、，若X射线的能量大于物质原子对其内层电子的束缚力时，入射X射线光子的能量就会被吸收，从而导致其内层电子（如K层电子）被激发，并使高能级上的电子产生跃迁，发射新的特征X射线。这种以光子激发电子所发生的激发和辐射过程称为光电效应。被击出的电子称光电子。光电效应k 从激发光电效应的角度说，称为激发限波长，意义是只有入射的X射线波长达到或小于它时，才能激发物质的二次特征X射线。从X射线被吸收的角度看，称为吸收限波长。意义是当入射的X射线的波长达到它时，入射X射线将被该物质强烈吸收，并产生光电效应。nm2）俄歇效应当高能级的电子向低能级跃迁时，能量不是产生二次X射线，而是被周围某个壳层上的电子所吸收，并

29、促使该电子受激发逸出原子成为二次电子。这种效应是俄歇1925年发现的。故称俄歇效应，产生的二次电子称俄歇电子。二次电子具有特定的能量值。可以用来表征这些原子。利用该原理制造的俄歇能谱仪主要用于分析材料表面的成分。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工具。三、X射线的衰减规律与吸收系数 X射线穿过物质时，由于经典散射、量子散射、原子激发等现象而消耗入射X射线的能量。因此，入射X射线的强度将显著地衰减下来。1.线吸收系数为物质的线吸收系数，其意义是当X射线通过物质时，在X射线传播方向上，单位长度上X射线强度的衰减程度（cm-1 ）。它与物质的种类、密度和X射线波长有关。 2.质量吸收系数质量吸收系数的意义是单位质量物质对X射线的衰减程度。（单位cm2g）m与入射X射线波长及元素的原子序数Z的关系。实验证明：mK3Z3, K为常数如果吸收体中是由两种以上的元素组成的化合物或混合物、或溶液，其总体的质量吸收系数为： m=1m1+2m2+imi 3.X射线的吸收曲线1）吸收系数随波长的增大而增大, 且在一定区间内是连续变化的。这是因为X射线的波长越长