第三章-1-射线物理基础

第三章

X射线衍射分析13.1X射线的物理学基础1985年，德国物理学家伦琴发现了X射线，并研究了X射线的产生、传播、穿透力等性质；在1901年获得了“诺贝尔奖”。1912年，德国物理学家劳厄进行了晶体的X射线衍射实验，证实其为一种电磁波，于1914年获得“诺贝尔奖”。同年，英国物理学家亨利·布拉格和他儿子劳伦斯·布拉格利用X射线测定了NaCl晶体的结构，从此开创了X射线晶体结构分析的历史；父子俩于1915年共同获得“诺贝尔奖”。据统计，从X射线的发现到应用，在此领域中获得

“诺贝尔奖”就高达17个之多。2李鸿章的X光照片，据说是中国第一个接受X光检查的人33.1.1X射线的性质本质——是一种波长很短的电磁波。波长：10-2~102Ǻ4X射线的本质特性：波粒二象性（X射线的客观属性）波动性:——以一定的频率和波长在空间中传播，反映物质运动的连续性。注:（1）波长=传播速度c/振动频率（2）硬X射线：波长短，穿透力强，常用金属探伤（1~0.05Ǻ）

(3)软X射线：波长长，穿透力弱，常用于晶体结构分析（2.5~0.5Ǻ)5X射线的本质微粒性——以光子形式辐射和吸收时，具有一定的质量、能量和动量，反映物质运动的分立性。注：（1）X射线在空间传播时，可看成是大量以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子（2）能量和动量：（3）每个光量子的能量h是X射线的最小能量单位。6X射线与可见光的区别1、X射线的穿透能力很强，能穿透可见光不能穿透的物质，可进行无损检测；2、X射线沿直线传播，其传播方向不因电场或磁场的存在发生偏转，且折射率几乎等于1，不能利用折射而聚焦；3、肉眼不可见，但可使照相底片感光；能够与原子作用，使外层电子跃迁产生可见光，使气体发生电离；4、能杀死生物细胞和组织；5、通过晶体时能发生衍射，可以利用X射线研究晶体内部结构。73.1.2X射线的产生——X射线是高速运动的自由电子(流)与金属相撞击后突然减速，并与该金属中的内层电子相互作用而产生的。产生X射线装置的基本条件：（a）阴极：产生并发射自由电子，加热钨丝；（b）阳极：接受电子的撞击而发射X射线，多为Cr、Fe、Co等纯金属；（c）阴极与阳极需置于真空中。8X射线管的实物图11X射线管的工作原理钨丝（阴极）通电自由电子加速碰撞金属靶热能X射线122、同步辐射X射线源原理：利用高速运动的电子会辐射电磁波。装置组成：1）注入器：产生电子并使之加速到一定能量后送入储存环中；2）电子储存环：储存电子，并使之做圆周运动，发出同步辐射；3）光束线：对引出的同步辐射进行切割、聚焦和单色化处理，获得满足实验要求的辐射线。特点：强度高，可达常规X射线机的103~104倍。13安装内部主体上海应用物理研究所同步辐射加速器143.1.3X射线谱X射线强度随波长而变化的曲线，称X射线谱主要分两种类型：（1）连续X射线谱（2）特征X射线谱15连续X射线谱（白光X射线）特点：1）强度随波长连续变化

I=nh2）每条曲线都有一个强度最大值，并在短波方向有一波长极限，称短波限（

o)

eV=hvmax=hc/λ0

λ0=1.24/V（nm）（e为电子电荷，V为管电压，h为普朗克常量，c为光速）16连续X射线谱（白光X射线）3)连续谱受管电压(V)、管电流(i)和阳极靶材的序数z作用①i、z不变，V增加,X射线强度增加，最大强度对应的波长λmax和短波限λ0均减小；②

V、z不变，i增加,X射线强度增加，最大强度对应的波长λmax和短波限λ0均保持不变；③i、V不变，Z增加,X射线强度增加，最大强度对应的波长λmax和短波限λ0均保持不变；

max和

o仅取决于管电压V，与其他因素无关17连续X射线谱（白光X射线）4）对连续X射线谱的解释经典物理学理论认为：一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，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。18连续X射线谱（白光X射线）量子力学理论认为：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”；由于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X射线谱。19特征X射线谱(1)产生当管电压超过某临界值时，特征谱就会出现，该临界电压称激发电压。如右图钼靶X射线管在35KV电压下的谱线，其特征x射线分别位于0.63Å和0.71Å；处，后者的强度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的K系，记为Kα和Kβ

；激发电压V与阳极靶材料有关；与激发层有关20（2）机理根据原子结构的壳层模型，原子中的电子分布在以原子核为核心的若干壳层上，依次称为Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ……壳层，分别相应于主量子数n=1、２、３、４……每个壳层上最多只能容纳２n2个电子，处在主量子数为n的壳层上的电子，其能量为：21当高能电子撞击阳极靶时，会将阳极物质原子中K层电子撞出电子壳层，在K壳层中形成空位，原子系统能量升高，使体系处于不稳定的激发态，按能量最低原理，L、M、N层中的电子会跃入K层的空位，为保持体系能量平衡，在跃迁的同时，这些电子会将多余的能量以X射线光量子的形式释放，分别称为Kα、Kβ、Kγ谱线，共同构成K系标识X射线。其频率可用下式表示：2223（3）规律（1）阳极靶元素的特征谱按照波长增加的次序分为K、L、M…等若干谱系，每个谱线系又分若干亚系，如Kα、Kβ……；（2）每个谱线对应一定的激发电压，该电压与阳极靶材料有关，且靶元素的原子序数越大其激发电压越高；24（3）特征X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质，它是物质的固有特征。管电流i与管电压V的增加只能增强特征X射线的强度，而不改变波长。（4）同一靶材K、L、M系谱线中，以K系谱线的波长最短，能量最高；（5）同一谱系中，如K系，Kβ的波长小于Kα，但Kα的强度却比Kβ大得多。25小结连续谱高速运动的粒子能量转换成电磁波谱图特征:强度随波长连续变化是衍射分析的背底;是医学采用的特征谱高能级电子回跳到低能级多余能量转换成电磁波仅在特定波长处有特别强的强度峰衍射分析采用263.1.4X射线与物质的作用X射线与物质的相互作用十分复杂，会产生一系列的物理、化学和生化过程，引起各种效应。当一束X射线通过物质时，其能量可分为三部分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。271、X射线的吸收~X射线能量在通过物质时转变为其它形式能量，主要由原子内部电子跃迁而引起，如产生的光电效应和俄歇效应。强度为I0的X射线，透过厚度为d的物质后强度为I，I＜I0，在物质内去一厚度单元dx，透过前后的X射线强度分别为Ix和Ix+dx。则相对强度变化为：28Id/I0称为X射线的穿透系数。Id/I0＜1Id/I0值越小，表明X射线被衰减的程度越大。上式中，为线吸收系数，与X射线束的波长和被照射物质的元素组成和状态有关。物理意义：X射线穿透单位长（1cm）物质时强度衰减的程度。1、X射线的吸收对上式积分可得：291、X射线的吸收在计算过程中，为了消除吸收系数对物理状态的依赖性，可使用质量吸收系数来替代：的大小取决于X射线的波长及被照射物质的原子序数，与温度、压力等物质状态参数无关。对于含两种以上元素的复杂物质，其质量吸收系数可用下式表示：第i中元素的质量吸收系数第i中元素的质量分数，可通过化学配比和相对原子质量计算30Attention！X射线透过物质后强度的减弱是x射线光子数的减少，而不是X射线能量的减少。所以，透射X射线能量和传播方向基本与入射线相同。X射线与物质的相互作用实质上是X射线与原子的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被X射线电磁波的振荡电场加速。短波长的X射线易穿过物体，长波长X射线易被物体吸收。313由于不同物质的质量吸收系数不同，所以，同一束射线穿过含有不同物质的吸收体系时，其透过的辐射因吸收不同而产生差异，通过分析这些差异，能够检测出吸收体物质中存在的缺陷，如气泡，裂纹，杂质，等。Attention！322、X射线的散射相干散射不相干散射332、X射线的散射（1）相干散射（经典散射）——X射线作用于束缚力较大的电子（内层电子）产生的1）过程:X射线将能量传给电子电子有一定加速度振动振动=X散射波=振动=x，位向固定2）相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。342、X射线的散射（2）不相干散射~量子散射、