第1章 X射线物理学基础.ppt

1、1,材料分析方法,陈 康 敏 2003年6月,2,第一章 X射线物理学基础,3,第一节 X射线的性质 第二节 X射线的产生与X射线谱 第三节 X射线与物质的相互作用,第一章 X射线物理学基础,4,第一节 X射线的性质,1. X射线的发现: 1895年11月8日，德国物理学家伦琴（ W. Rntgen ）在研究真空管高压放电现象时偶然发现涂有氰亚铂酸钡硬纸板发出浅绿色荧光，试着木块、硬橡胶等挡也挡不住，甚至可透过人的骨骸!,当时对此射线本质尚无了解，故取名X射线（伦琴射线）。 这一伟大发现，伦琴于1901年第一位诺贝尔奖获得者。,威廉康拉德伦琴（18451923）摄于1896年,5,2. 伦琴夫

2、人的手 摄于1895年12月22日,六个星期后，伦琴确认是一种新射线，才告诉自己夫人。 1895年12月22日，他邀请夫人来到实验室，用光电管照射15分钟，拍下第一张人手X射线照片。 伦琴发现X射线后，一个月内发表了一种新射线的文章，引起社会各界强烈的反应，各国竞相开展试验研究。,6,3. X射线在医学界应用 X射线透视学,虽未了解此现象本质，但其有强大穿透力，能透过人体显示骨骼，迅速被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有力工具，产生了X射线透视学。后来又用于金属探伤，对工业技术也有很大促进作用。,X射线最初医疗诊断1896.2.3美国Dr. Edwin Frost (1866-1935

3、),7,4. X射线本质的认识,18951897年间，通过一系列实验，搞清了X射线产生、传播、穿透力等特性： 1. X射线虽人眼看不见，但能使某些物质发出荧光。使照相底片感光，使气体、原子电离。 2. X射线沿直线传播，经电场或磁场不发生偏转。 3. X射线有很强穿透力，通过物质时可被吸收而强度衰减。 4. X射线还能杀伤生物细胞等特性。 但对X射线本质的认识，是对晶体结构的研究，即与X射线在晶体中发生衍射现象是分不开的。,8,5. X射线衍射现象发现（一）,1912年，德国物理学家劳埃（M. Von Laue）利用晶体作为天然光栅成功观察到了X射线衍射现象。 他用CuSO45H2O进行实验，

4、获得了第一张X射线衍射照片。 1914年，获诺贝尔物理学奖。,Max von Laue 马克斯 冯 劳埃(1879-1960),CuSO45H2O衍射照片 世界上第一张X射线衍射照片,9,5. X射线衍射现象的发现（二）,X射线衍射现象发现： 1.肯定了X射线的本质。即是一种电磁波，有波动性。 2.证实了晶体结构的周期性。为晶体微观结构研究提供了崭新的方法。 晶体结构认识：从微米纳米级，有更接近本质的认识。 用X射线研究晶体结构工作X射线晶体学或X射线衍射学。,10,6.布拉格定律的建立和莫塞莱定律的发现,英国布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.bragg）对此进行开创性工作。 1912年

5、，W.L.布拉格进行了劳埃实验后认为：衍射斑点的产生是射线受到类似镜面“反射”的结果。并从劳埃方程式导出布拉格方程，推算出KCl及NaCl原子排列方式，并真正测量了X射线波长。 后一工作导致1913-1914年莫塞莱（H.G.J.Moseley)定律的发现。,11,7、莫塞菜定律,1913年，英国物理学家莫塞莱（18871915 ）在研究X射线光谱时发现：特征X射线频率或波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构（原子序数），此规律称莫塞莱定律。,式中： K与靶材物质主量子数有关的常数； 屏蔽常数，与电子所在的壳层位置有关。,成为X射线荧光分析和电子探针微区成分分析的理论基础。,或,12,第一节、X

6、射线的性质,一、 X射线的波动性 1.X射线与可见光、红、紫外线等相同，均属电磁波，它是由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作用而产生的，它同时具有波动性和粒子性。 2.X射线波长比可见光短得多，约与晶体晶格常数同一数量级，在0.1nm左右。因此，其能量大、穿透能力强。 3.X射线与可见光一样，以光速呈直线传播，在真空中传播速度2.998108m/s。,13,一、 X射线的波动性,4. X射线波长法定单位为：nm，以前也常用埃（）。,（1nm=10-9m10 ）,X 射线波长：100.001nm，两边与紫外线及射线 重叠。 晶体结构分析：波长在0.25 0.05nm， 金属探伤：波长约为0.1

7、0.005nm或更短， 波长较短的X 射线，习惯上称为“硬X射线”。 波长较长的X射线称为“软X射线。,14,常见的各种电磁波的波长与频率,可见光,紫外线,红外线,微波,X射线,波长, 射线,频率,标准无线电波,长波,TV/FM,短波,长波,15,X射线波动性的表现（1）,1、X射线波动性：以一定频率和波长在空间传播，具有干涉与衍射现象；描述参量：频率和波长 。 2、电磁波（横波），具有电场矢量E和磁场矢量H，以相同周相，在两相互垂直平面内作周期振动，且与传播方向垂直，传播速度光速。 3、X射线分析：主要考虑电场矢量E引起的物理效应。,16,X射线波动性的表现（2）,4、电场矢量E 随传播时间

8、或距离呈周期性波动，波振幅为 A（或E0）。 一束沿 x 轴方向传播的波长为的X射线波方程为：,图1-2 E 的变化 (a) x一定时E 随t 的变化；(b) t一定时E 随x 的变化,17,X射线波方程,一束沿 x 轴方向传播波长为的X射线波方程为： 若以表示相位，即 令 则 当t=0 ，A=A0 ei，ei称为“相位因子”。,18,二、 X射线的粒子性,1、实验证实X射线是波长极短的电磁波，有干涉与衍射现象。但波动性无法解释X射线的光电效应、荧光辐射等现象。 2、按波动理论：物质中电子吸收X射线能量是连续的，当能量积累到一定程度就能放出电子。即：不论X射线频率如何低，只要入射强度大，时间长

9、，总会发生光电效应的。 但实验结果，产生光电效应条件：不在于X射线强度与照射时间，而在于其频率（或）。这与波动理论相矛盾性。 表明：X射线还有粒子性。,19,二、 X射线的粒子性,3、粒子性表现：以光速运动的大量微观粒子组成不连续粒子流。称为“光子”或“光量子”。描述参量为能量E、动量P。 4、波动性与粒子性描述参量间的关系：,X射线频率； h普朗克常数（6.62610-34 Js ） c X射线传播速度（2.998108m/s）,20,二、 X射线的粒子性,5. 粒子性突出表现： X射线在与物质（原子或电子）相互作用时，有交换能量，光子能量能被原子或电子吸收或被散射。 光电效应、荧光辐射等正

10、是X射线粒子性的明显表现。,21,三、 X射线的强度,1. X射线强度用波动性观点描述： 单位时间内通过垂直于传播方向的单位截面上的能量大小，强度与波振幅 A2 成正比。,2. X射线强度用粒子性观点描述： 单位时间内通过与传播方向相垂直的单位截面的光量子数目。 3. 绝对强度单位是J(m2s)，但难以测定，常用相对强度，如：底片相对黑度、探测器（计数管）计数值等。,22,X射线波粒二相性,1. X射线波动性：反映物质运动的连续性； X射线粒子性：反映物质运动分立性。 2. 对同一辐射所具有的波动性与粒子性的描述： 可用时间和空间展开的数学形式来描述； 可用统计学法确定某时间、位置粒子出现概率

11、来描述。 因此，须同时接受波动和粒子两种模型。 3. X射线上述特性，成为研究晶体结构、进行元素分析、医疗透视和工业探伤等方面的有力工具。,23,第二节 X射线的产生与X射线谱,一、X射线产生： 1. X射线：高速运动带电粒子（电子）与某物质相撞击后突然减速或被阻止，与该物质中内层电子相互作用而产生的。 2. X射线产生条件： 1）产生并发射自由电子（加热W灯丝发射热电子）； 2）在真空中迫使电子作定向的高速运动（加速电子）； 3）在电子运动路经上设障碍，使其突然减速或停止（靶） 据此，就可理解X射线发生器的构造原理了。,24,二、X射线管的结构（1）,1. 阴极：发射电子。由钨丝制成，通以一

12、定电流加热后便能释放出大量的热激发电子。 2. 阳极： “靶” (target) 。使电子突然减速并发射X射线的地方。由不同的金属组成，常用靶材有Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W 等，根据不同需要选用。,阴极,阳极,25,二、X射线管的结构（2）,3. 窗口：X射线射出通道，常有两个或四个。 窗口材料：既有足够强度以维持管内高真空，又对X射线吸收较小。常用对X射线穿透性好的轻金属铍（Be）。 4. 聚焦罩：加在阴极灯丝外，使灯丝与聚焦罩保持约400V电位差，可聚焦电子束。,窗口,26,二、X射线管的结构（3）,5. 冷却系统：X射线发射向四周发散，大部分被管壳吸收，少量通过窗口得以

13、利用。只有1能量转化为X射线，99转变为热能，故靶须水冷，以防止阳极过热的熔化。,冷却水,27,荷兰Philips公司第二代陶瓷X射线管,焦点三维精确定位 (预校准模块化的基础） 陶瓷灯体 绝缘度高 重量轻 超长寿命 无需校准,28,美国热电瑞士ARL公司,新型陶瓷X光管 X-ray Tubes,Ceramic Tube（陶瓷光管）,Glass Tube（玻璃光管）,Possible targets are Cu, Cr, Fe, Co or Mo 可有的靶材为： Cu，Cr，Fe，Co 或Mo,29,三、 X射线光管的分类,a. 按制造材料可分：玻璃光管和金属陶瓷光管。 b. 按阳极靶可动与

14、否：固定靶 X 光管；自转靶 X 光管。,日本理学公司 自转铜靶阳极,30,四、X射线焦点 （1）,1. 焦点：阳极靶面被电子束轰击并发出X射线的区域。 尺寸和形状：取决于灯丝，螺线形灯丝产生长方形焦点。,靶的焦点形状及接收方向,2. 衍射工作，希望X光有： 较小焦点（分辨本领高） 较高强度（曝光时间短） X射线出射角： 常与靶面成3o8o（常为6o）,31,四、X射线管的焦点 （2）,3. 焦点形状：1l0mm长方形。表观焦点：在出射方向上X射线束的截面积，缩小。,靶的焦点形状及接收方向,4. 窗口 在与焦点长边和短边相对位置。 短边：表观焦点正方，强度高。 长边：表观焦点线状，强度弱。,3

15、2,五、X 射线谱,（一）连续X射线谱 1. 对X光管施不同电压，再测X射线强度和波长，得强度与波长关系曲线，称为X射线谱。,Mo阳极靶不同管压下连续X光谱,2. 如：Mo靶V20kV时，曲线连续变化，称连续X射线谱（或白色X射线）。,33,（二）连续X射线谱实验规律,1. 不同管压下，各连续谱均有强度最大值；随管压V 强度；最高强度波长m （移向短波端）。 2. 在短波端均有最短极限波长称短波限SWL ，随管压 短波限SWL（移向短波端）。,a）管压影响 b）管流影响 c）靶材影响,34,3. X光最高强度约在1.5SWL处。 4. 管压不变，管流强度，但SWL 、m不变。 5.管压和管流相

16、同，靶材Z强度，但SWL、m不变。,a）管压影响 b）管流影响 c）靶材影响,35,（三）量子理论解释连续谱形成机理（1）,1. 量子理论观点： 能量 e V 电子与靶原子碰撞，电子失去部分能量，并辐射出光子。每次碰撞产生一个能量为 h的光子，称此辐射为“韧致辐射”。 如：当管流 I =10mA时，电子数目 n 6.241016个/秒。 如此多电子到达靶上时间和条件都不相同，且大多数电子须经多次碰撞，逐步把能量释放直到零，这样产生一系列能量为 hi 的光子序列，即形成连续谱。,36,何以存在短波限SWL？,极限情况：极少数电子一次碰撞将全部能量一次性转化为一个光子，此光子具最高能量和最短波长（

17、短波限SWL）。 一般情况：光子能量电子能量。 极限情况：光子能量电子能量，即,将V和以kV和nm为单位，其它常数代入上式，则有：,37,连续谱强度极大值存在原因： X 射线强度：指在垂直于X光传播方向的单位面积上，在单位时间内光量子数目的能量总和。 即由光子能量 h和光子数量 n 两因素决定的。则：,38,（四）连续X射线辐射强度和发射效率（1）,1. 连续X射线总强度（靶发出X光总能量）与连续谱强度分布曲线下所包络的面积成正比。,式中：Z阳极靶的原子序数；,i管电流（mA）；,V管压（KV）；,K1常数约为1.11.610-9。,39,2. X射线管效率：若X射线管仅产生连续谱时，若输入功

18、率为iV，则产生连续X射线效率或X射线管效率：,可见，管压，靶材Z，管效率； 因常数K1(1.11.4）10-9，很小，即使用W靶（Z=74），管压为100kV时，1（Cu：0.1），效率是很低的。 为提高光管发射连续X射线的效率： 选用重金属靶， 施以高电压，就是这个道理。,40,（五）特征（标识）X射线谱,一、特征X射线谱的形成 1. 当管电压V增高到大于阳极靶材相应的某个临界值VK时，即,则在连续谱的某特定波长处出现一些强度高峰，峰窄而尖锐的线形光谱。 如：Mo靶35kV (0.063nm和0.071nm )的谱线示于图。,41,一、特征X射线谱的形成,2. 改变管流、管压，这些谱线只改

19、变强度，而峰位所对应的波长不变。 即特征波长只与靶原子序数Z有关，而与电压等无关，故称特征X射线。 3. 产生特征X射线的最低电压叫激发电压。,特征X射线,42,二、实验规律,1. 激发电压：取决于阳极靶的原子序数Z。对不同阳极靶临界激发电压是不同的。 2. 阳极靶（Z）不同，所产生的特征X射线的波长也不同。 3. 当管压超过激发电压时，特征X射线波长不变，而强度按n次方的规律增大。,式中：i 管流，V管压，n常数（1.52)， C比例常数，与特征X射线波长有关。,4. X光管压V（35）V激时，特征X射线与连续X射线的比率为最大。,43,三、产生机理的分析（1）,特征X射线产生机理与连续X射

20、线不同，它与阳极靶物质的原子结构紧密相关的。,内层电子跃迁辐射X射线示意图,1. 若高速电子的动能足够大，将K壳层中某个电子击出。 2. 则在被击出电子的位置出现空位，原子系统能量升高，处于 “激发态”（能量为EK） 。 3. 若L壳层电子 K壳层后，此时能量EL ，能量降低。,44,三、产生机理的分析（2）,4. 这多余能量以一个X射线光量子的形式辐射出来， 则光子能量：,5. 对原子序数 Z 的物质，各原子能级的能量是固有的，所以，EKL便为固有值，也是固有的。这也就解释了特征X射线波长为一定值（特征值）的原因。,内层电子跃迁辐射X射线示意图,45,Balmer线系，,K 激发态,L 激发

21、态,M 激发态,N 激发态,L K K谱线 (跨越 1个能级 ) M K K谱线 (跨越 2个能级 ) N K K谱线 (跨越 3个能级 ),ML L谱线 (跨越 1个能级 ) NL L谱线 (跨越 2个能级 ) 依次类推还有M线系 。,原子能级示意图,即n = 2 时称为巴耳末线,46,三、产生机理的分析（5）,6. K线比K线 波长长而强度高,在原子系统中，各能级能量不同，且各能级间能量差也不均布，愈靠近原子核的相邻能级间的能量差愈大。,另外，因由LK层电子跃迁几率比由MK层约大5倍左右，故K线强度要比K线高5倍左右。,47,三、产生机理的分析（4）,7. 同一壳层还有若干个亚能级，电子所

22、处能量不同，其能量差也固定。如： L 层：8个电子分属于L，L，L三个亚能级； 不同亚能级上电子跃迁会引起特征波长的微小差别。实验证明：,K由Kl 和 K2 双线组成的。 Kl：L K 壳层； K2： L K 壳层；,K双重线,48,三、产生机理的分析（3）,8. 又因 LK (Kl)的跃迁几率较 LK (K2)的大一倍，故组成 K 两条线的强度比为：,如：W靶：Kl0.0709nm，K20.0714nm，一般情况下是分不开的，K线波长取其双线波长的加权平均值：,49,几种常见阳极靶材和特征谱参数,50,第三节 X射线与物质的相互作用,X射线与物质相互作用是个复杂过程。 一束X射线通过物体后，

23、其强度将被衰减，这是被散射和吸收的结果，且吸收是造成强度衰减的主要原因。,51,一、X射线的散射,一、X射线的散射 X射线照射物质上时，偏离了原来方向的现象。主要是核外电子与X射线的相互作用，会产生两种散射效应。 1、相干散射（coherent scattering） 入射X射线与物质原子中内层电子作用，当X光子能量不足以使电子激发时，把能量转给电子，电子则绕其平衡位置发生受迫振动，成为发射源向四周辐射与入射X光波长（振动频率）相同电磁波（散射波）。 各电子散射波振动频率相同、位相差恒定，符合干涉条件，发生相互干涉，称为相干散射。,52,1、相干散射（弹性散射或汤姆逊散射）,2、英国物理学家J

24、.J.汤姆逊（J.J.Thomson，1856-1940)用经典方法研究了此现象，并推导出相干散射强度的汤姆逊散射公式，也称汤姆逊散射。 当入射X射线为非偏振时，在空间一点P的相干散射强度：,I0入射线强度； 04107 mkgC-2 fe27.9410-30m2,电子散射因素fe,偏振因数,53,2非相干散射（康普顿吴有训效应）,2、非相干散射：（incoherent scattering） X光子与外层价电子相碰撞时的散射。可用一个光子与一个电子的弹性碰撞来描述。, 电子：将被撞离原方向并带走光子部分动能成为反冲电子； X光量子：因碰撞而损失部分能量，其波长增加，并与原方向偏离2角。,X射

25、线非相干散射,54, 能量守恒定律：散射光子和反冲电子能量之和等于入射光子能量。可导出散射波长的增大值为:,2：为入射光与散射光 的传播方向间夹角。,X射线非相干散射, 可见，散射光波长变化与入射光波长 无关，只与散射角 2 有关。,55, 经典电磁理论：不能解释存在及随2而改变现象，此散射现象和定量关系遵守量子理论规律，也叫量子散射。,X射线非相干散射, 此空间各方向散射波与入射波波长不同，位相关系也不确定，不产生干涉效应，称非相干散射。 非相干散射：不参与对晶体的衍射，只会增加衍射背底，对衍射不利。 入射波长越短、被照射物质元素越轻，此现象越显著。,56, 非相干散射效应：由美国物理学家康

26、普顿（A.H.Compton）在1923年发现的，也称康普顿散射。 我国物理学家吴有训参加了实验工作，故称康吴效应。 因此，康普顿于1927年获诺贝尔物理学奖。,1927年的A.H.康普顿,中国物理学家吴有训,57,二、X射线的吸收,（一）透射系数与吸收系数 1. X光通过物质而强度衰减，或被物质吸收。 当强度为 I0 的X射线照射到厚度 t 的均匀物质上，在通过深度为 x 处的dx厚度的物质时，强度衰减与dx成正比。,对0t积分,l为常数，称为线吸收系数。,称为透射系数。,58,2. 线吸收系数l：表征X射线通过单位厚度物质的相对衰减量，与物质种类、密度、X光波长有关。用质量吸收系数m cm

27、2g ：,吸收体密度，物质固有值；,物质固有值，可查表。,59,3. m 物理意义：X射线通过单位面积上单位质量物质后强度相对衰减量。 m与物质密度和状态无关；而与物质原子序数 Z 和X射线波长有关。其经验公式为：,对一定的吸收体，波长越短，穿透能力越强，吸收系数下降， 但随波长降低，并非呈连续变化，而在某波长突然升高，出现吸收限。,60,4. 多元素化合物、固溶体或混合物质量吸收系数计算：,混合物、化合物的质量吸收系数：为各组分的质量吸收系数（mi ）与其质量分数（ Wi ）乘积的平均值。,5. 设含组分1、2的物质，质量分数：W1、W2；则混合物质量吸收系数： （W1W2）1,61,（二）X射线的真吸收,一、光电效应： 1.光电效应：当入射X光子能量足够大，将内层电子击出，成为自由电子（称光电子），原子则为激发态，外层电子向内层空位跃迁，并辐射出一定波长的特征X射线。 为区别入射X射线，称其为二次特征X射线或荧光X射线。,以入射X射线激发原子所发生的激发和辐射的现象称为“光电效应”。,入射X射线,62,2. 光电效应：使入射X射线消耗大量的