现代材料检测 第一章 射线物理学基础

现代材料检测第一章射线物理学基础1第1页，共61页，2023年，2月20日，星期六概论材料分析测试技术：是关于材料成分、物相结构、微观形貌和晶体缺陷等的现代分析、检测技术及其有关理论知识的科学。第2页，共61页，2023年，2月20日，星期六概论材料显微组织结构和成分？---以控制材料性能？显微组织结构（相成分及分布、晶体结构、晶体缺陷、晶粒大小和形貌、界面、内应力等）----性能（力学、物理）采用现代检测分析技术：三个部分第3页，共61页，2023年，2月20日，星期六本课程内容及要求内容：X－射线衍射分析的基本原理、实验方法及应用；透射电镜、扫描电镜等电子显微分析技术的基本原理与方法及应用；高聚物材料等分析测试技术基本原理及应用。课时分配：16+2；18+4；14+2第4页，共61页，2023年，2月20日，星期六第5页，共61页，2023年，2月20日，星期六2.

目的：掌握基本原理、过程、装备及应用，掌握基本知识、技能、必要的基础理论。3.

要求：不同材料，正确选择其分析检测方法；能分析检测结果；可以与检测专业人员商讨材料分析研究的实验方案；具备从事材料分析检测工作的基本能力和新技术的自学能力。第6页，共61页，2023年，2月20日，星期六4.

难点：测试方法的基本原理及其相关理论的了解5.

重点：测试技术的应用－根据不同的材料及其性能要求采取相应的分析测试技术并分析其结果第7页，共61页，2023年，2月20日，星期六X射线的应用包括：物相分析：测得的点阵平面间距及衍射强度测定点阵参数取向分析：测定单晶取向和多晶的结构晶粒大小宏观应力：测量点阵平面在不同方向上的间距的变化对晶体结构不完整性的研究：对层错、位错等合金相变：有序无序转变等结构分析：对新发现的合金相进行测定，确定点阵类型、点阵参数、对称性、原子位置等晶体学数据液态金属和非晶态金属研究非晶态金属和液态金属结构第8页，共61页，2023年，2月20日，星期六底片显影后的手指骨

世界上第一位诺贝尔奖获得者？FrauRöntgen'shand第9页，共61页，2023年，2月20日，星期六第一章

X射线的性质1.X－射线的发现与产生1.1X－射线的发现：

1895年，德国物理学家伦琴在研究真空管高压放电现象时偶然发现，也叫伦琴射线。因此，1901年成为世界上第一位诺贝尔奖获得者。第10页，共61页，2023年，2月20日，星期六与X射线及晶体衍射有关的

部分诺贝尔奖获得者第11页，共61页，2023年，2月20日，星期六1895年，德国物理学家伦琴（Röntgen,W.C.）发现X射线1912年，德国物理学家劳厄（Von.Laue,M）等人发现X射线在晶体中的衍射现象，确证X射线是一种电磁波1912年，英国物理学家布·喇格父子(Bragg,W.H;Bragg,V.L.)

开创X射线晶体结构分析的历史第12页，共61页，2023年，2月20日，星期六

凡是高速运动的电子流或其它高能辐射流（如γ射线，X射线，中子流等）被突然减速时均能产生X射线。1.2X－射线的产生：第13页，共61页，2023年，2月20日，星期六1.2X－射线的产生：

高速运动着的带电（或不带电）与某种物质相撞击后突然减速或停止运动，粒子的大部分动能（约99％）都转变为热能，小部分能量（约1％）转化为X射线能量。

图1－1X射线管剖面示意图第14页，共61页，2023年，2月20日，星期六1.2.1X－射线产生的基本条件：产生自由电子；使电子作定向高速运动；在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物；第15页，共61页，2023年，2月20日，星期六1.2.2X－射线产生装置示意图解释：阴极发射电子；阳极又称为靶。使电子突然减速并发射X射线；铍窗口X射线射出的通道。要求足够的强度以维持管内的高真空，对X射线的吸收较小。第16页，共61页，2023年，2月20日，星期六1.3X－射线的本质属电磁波或电磁辐射，具有波粒二象性（波动性和粒子性）。－波粒二象性是X射线的客观属性，不同条件下分别突出地表现其两方面地特性我们需同时接受波动性和粒子性两种模型

第17页，共61页，2023年，2月20日，星期六1.3X－射线的本质波动性表现为：－以波动的形式传播，具有一定的频率和波长－波动性特征反映在物质运动的连续性和在传播过程中发生的干涉、衍射现象第18页，共61页，2023年，2月20日，星期六1.3X－射线的本质粒子性突出表现为：－在与物质相互作用和交换能量的时候－X射线由大量的粒子流(能量E、动量P、质量m)构成，粒子流称为光子－当X射线与物质相互作用时，光子只能整个被原子或电子吸收或散射（以一个光子的能量为单位）第19页，共61页，2023年，2月20日，星期六波长(0.001-10nm)能量和动量很大，具有穿透性。晶体结构分析(0.25-0.05nm)

电磁波谱波动性和粒子性参量之间关系：ε＝hυ＝hc/λh为普朗克常数桥梁作用第20页，共61页，2023年，2月20日，星期六2.X－射线谱

X射线管阳极靶发射出的X射线谱分为两类：连续X射线谱和特征X射线谱。

第21页，共61页，2023年，2月20日，星期六图2－1各管电压下Mo阳极的X射线谱返回第22页，共61页，2023年，2月20日，星期六2.1连续X射线谱定义定义：波长在一定范围连续分布的X射线，I和λ构成连续X射线谱当管压很低（小于20KV时），由某一短波限λ0开始直到波长无穷大λ∞，波长连续分布随管压增高，X射线强度增高，连续谱峰值所对应的波长（1.5λ0处)向短波端移动λ0正比于1/V,与靶元素无关第23页，共61页，2023年，2月20日，星期六强度I：由单位时间内通过与X射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数的能量总和决定（粒子性观点描述）单位时间通过垂直于传播方向的单位截面上的能量大小，与A2成正比（波动性观点描述）第24页，共61页，2023年，2月20日，星期六2.2短波限的出现对X射线管施加不同电压时，在X射线的强度I随波长λ变化的关系曲线中，在各种管压下的连续谱都存在一个最短的波长值λ0，称为短波限。第25页，共61页，2023年，2月20日，星期六经典电动力学概念解释：

一个高速运动电子到达靶面时，因突然减速产生很大的负加速度，负加速度引起周围电磁场的急剧变化，产生电磁波，且具有不同波长，形成连续X射线谱。2.3连续X射线谱的形成：第26页，共61页，2023年，2月20日，星期六量子理论解释：*电子与靶经过多次碰撞，逐步把能量释放到零，同时产生一系列能量为hυi的光子序列，形成连续谱*存在ev=hυmax

，υmax=hc/λ0,λ0为短波限，从而推出λ0＝1.24/V（nm)（V为电子通过两极时的电压降，与管压有关）。*一般ev≥hυ,在极限情况下，极少数电子在一次碰撞中将全部能量一次性转化为一个光量子第27页，共61页，2023年，2月20日，星期六X射线连续谱变化规律解释：λ0＝1.24/V（nm)式说明，短波限只与管压有关，固定管压，改变管电流和靶时，λ0不变。管压增高，电子与靶碰撞次数及X射线光量子的能量增高，所以连续谱各波长的强度相应增高，各曲线峰值对应的λ值和λ0都向短波方向移动。第28页，共61页，2023年，2月20日，星期六2.4X射线管的效率ηη＝KZV为提高效率，Z，V必大。常选用钨靶，高管电压。K为常数，Z为阳极靶原子序数，V为管电压第29页，共61页，2023年，2月20日，星期六3.

特征（标识）X射线谱3.1特征X射线谱的定义对于一定元素的靶，当管压小于某一限度时，只激发连续谱，管压增高，射线谱曲线只向短波方向移动，总强度增高，本质上无变化。当管压超过某一临界值后，在连续谱某几个特定波长的地方，强度突然显著增大，峰窄且尖锐，这些峰对应的波长只与靶的原子序数有关，与管压和管电流无关。因这种强度峰的波长反映了物质的原子序数特征，故叫特征X射线，由特征X射线构成的X射线谱叫特征X射线谱。（图3－1）

第30页，共61页，2023年，2月20日，星期六3.2临界激发电压产生特征X射线需要的最低电压叫激发电压。（见图3－1）第31页，共61页，2023年，2月20日，星期六图3－1特征X射线谱和Kα

双重线第32页，共61页，2023年，2月20日，星期六3.3特征X射线谱产生的机理高速运动的粒子（电子或光子）将靶材原子核外电子击出去，或击到原子系统外，或填到未满的高能级上，原子的系统能量升高，处于激发态。为趋于稳定，原子系统自发向低能态转化：较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，这一降低的能量以一个光子的形式辐射出来变成光子能量，且这降低能量为固定值（因原子序数固定），因而λ固定，所以辐射出特征X射线谱。第33页，共61页，2023年，2月20日，星期六K系激发（K系辐射）：原子处于激发态后，外层电子便向内层跃迁，同时辐射出特征X射线。我们把K层电子被击出的过程叫K系激发，随之的电子跃迁所引起的辐射叫K系辐射。（图3－2）第34页，共61页，2023年，2月20日，星期六

图3－2原子能级示意图第35页，共61页，2023年，2月20日，星期六3.3特征X射线谱产生的机理？临界激发电压eVk=-Ek=Wk？Kα

线比Kβ线波长长而强度高：能量差△εkL=hc/λKα△εKM=hc/λKβ,△εkL<△εKM,故λKα>λKβ;

跃迁几率LK>5倍跃迁几率MK，故IKα>IKβ第36页，共61页，2023年，2月20日，星期六不同阳极靶元素的原子序数与特征谱波长之间的关系：莫塞莱定律：特征X射线谱的频率或波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，与其他外界因素无关。是X射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的理论基础。利用标样定K和σ，确定原子序数Z。

第37页，共61页，2023年，2月20日，星期六在X射线衍射中，主要是利用Kα线作辐射源因为：L系和M系射线波长太长，容易被物质吸收；X射线连续谱只增加衍射花样的背底，不利于衍射花样的分析，希望I特征/I连续越大越好当工作电压为K系激发压3-5倍时，I特征/I连续最大第38页，共61页，2023年，2月20日，星期六4.X射线与物质的相互作用X射线的散射；X射线的吸收；X射线的衰减规律；吸收限的应用；实验室条件下对X射线的安全防护第39页，共61页，2023年，2月20日，星期六4.X射线与物质的相互作用

当一束X射线通过物质时，其能量可分为三部分，即一部分被散射，一部分被吸收，而其余部分则透过物质继续沿原来的方向传播。第40页，共61页，2023年，2月20日，星期六X射线与物质的相互作用

散射能量；吸收能量；透过物质传播的能量。4.1x-射线的散射（两种散射效应）相干散射：对象：物质原子中束缚较紧的内层电子能量来源：撞击光子的全部能量效应：电子绕其平衡位置发生受迫振动，并作为新波源向四周辐射电磁波，叫X射线散射波特点：散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的光干涉条件，可发生干涉作用故称为相干散射。

(一个电子散射X射线的强度Ie）

第41页，共61页，2023年，2月20日，星期六一个电子将X射线散射后，在距电子为R处P点的强度Ie可表示为：第42页，共61页，2023年，2月20日，星期六汤姆孙公式的分析：电子对X射线的散射特点：与入射波频率无关强度与到电子的距离的平方成反比，散射线强度很弱，是大量电子散射波干涉结果一束非偏振的入射X－ray经过电子散射后，其散射强度在空间各个方向是不相同的，被偏振化了第43页，共61页，2023年，2月20日，星期六汤姆孙公式的分析：2θ＝0，散射强度最大为1，垂直方向为1/2偏振化的程度取决于散射角2θ的大小。将称为偏振因子（极化因子）。任何物质的散射因子定义为相当于汤姆孙公式散射的电子数（绝对单位），晶体中散射的基本单元是电子。(原子核散射强度极弱)第44页，共61页，2023年，2月20日，星期六非相干散射：对象：物质原子中束缚力不大的外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子能量来源：撞击光子的一部分动能效应：成为反冲电子，原X射线光子因部分能量损失，波长增加，与原方向偏离2θ

角特点：量子散射波散布于空间各方向、频率不相同、位相不存在确定关系，不能发生干涉作用故称为非相干散射。第45页，共61页，2023年，2月20日，星期六4.2x-射线的衰减物质对X射线的吸收：X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗，其强度发生衰减。主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应(荧光X射线)和俄歇效应。第46页，共61页，2023年，2月20日，星期六4.2.1二次特征辐射光电效应是入射X射线的光量子与物质原子中电子相互碰撞时产生的物理效应。当入射光量子的能量足够大时，可以从被照射物质的原子内部击出一个电子，同时原子的外层高能态电子要向内层空位跃迁，辐射出波长一定的特征X射线。这种由X射线激发所产生的特征X射线称为二次特征X射线或荧光X射线。4.2x-射线的吸收第47页，共61页，2023年，2月20日，星期六激发二次特征辐射时，入射X射线光量子的能量被激发出的电子吸收，并转变为电子能量，使电子逸出原子外，这种电子称光电子，也称光电效应。第48页，共61页，2023年，2月20日，星期六4.2.1二次特征辐射

产生K系荧光辐射时，入射光子的能量必须大于或等于K层电子的逸出功：Vk为K系辐射的激发电压第49页，共61页，2023年，2月20日，星期六4.2.1二次特征辐射K系辐射的激发限：

只有入射X射线的λ≤λK＝1.24/VK(nm)时，才能产生K系荧光辐射，在讨论光电效应产生条件时，λK

叫K系辐射激发限；在讨论X射线被物质吸收（光电吸收）时，λK

叫吸收限。第50页，共61页，2023年，2月20日，星期六4.2.2俄歇电子

入射X射线光子激发物质原子中的电子，产生电子跃迁，同时将释放能量，一种方式是产生荧光辐射；另一种是被邻近电子或较外层电子所吸收，促使该电子受激发逸出原子外，变成二次电子，叫俄歇电子。第51页，共61页，2023年，2月20日，星期六图4－1光电子、俄歇电子和荧光X射线三种过程示意图见第52页，共61页，2023年，2月20日，星期六4.2x-射线的衰减4.2.3X射线的衰减规律（物质对X射线的吸收与吸收系数）当X射线通过物质时，由于散射和吸收等作用，其强度发生衰减，其衰减量正比于通过物质的厚度dx线吸收系数μ：－dI/I=μdxX射线在传播方向上，单位长度的强度衰减程度。质量吸收系数μm：μ

m＝μ/ρ

ρ物质密度μ

m＝Kλ3Z3（单位重量物质对X射线的衰减量）

随λ减小，μ

m减小，至λk时，突变增大。λk吸收限第53页，共61页，2023年，2月20日，星期六因此，当波长变短时，质量吸收系数变小当波长减小到λK时，质量吸收系数突变（增大），这是由于入射光子能量hυ达到了激发该物质K层电子的数值，从而大量被吸收，同时引起二次特征辐射。当X射线通过多种元素组成的物质时，其质量吸收系数为：N－N种元素组成，Wi为各元素的质量分数，为第i元素的质量吸收吸收第54页，共61页，2023年，2月20日，星期六物质对X射线的吸收由两种方式：散射吸收，能量占极少部分真吸收：是激发原子内部电子跃迁及热振动引起的，如物质吸收X射线时产生的光电效应（逃出光电子）、荧光X射线、俄歇电子等上述吸收构成用质量吸收系数μ/

ρ

表征的全吸收。4.2x-射线的吸收