第一章 X射线的性质.ppt

1、第一章X 射线的性质,1.1 X射线的物理学基础,1.1.1 X射线的本质 1895年德国科学家伦琴在研究高能电子与物质相互作用时发现了一种射线由于其不可见、不可知其本质，故命名为X射线。 基本特征：a）穿透力强医疗 b）能使底片感光 c）能使荧光物质发光 d）能使气体电离 e）对生物细胞有杀伤作用 研究发现X-射线和无线电波、可见光一样都是电磁波，只不过波长很短，在1061010CM之间。图11光谱与分析方法的对应图。,它与其他电磁波一样，具有波粒二象性 即：它既有波动的属性，同时又具有粒子的属性 X射线之间相互作用 表现出波动性 与粒子相互作用 表现出粒子的特性 这种光量子的能量、动量波长

2、遵循爱因斯坦公式：即波粒二象性的统一联系。 式中 h普朗克常数，等于66251034J.S cX射线的速度，等于2.998108 msc X射线的波长较可见光短得多，所以能量和动量很大，具有更强的穿透能力。,1.1.2 X射线的产生 获得X射线的方法是多种多样的，如同步辐射等等，但大多数射线源都是由X射线发生器产生的，最简单的X射线发生器是X射线管。 下面以常用的封闭式X射线管为例来说明X射线管的基本构造。图12是X射线管的剖面示意图。 主要有以下几个部分组成： (1) 阴极：阴极是发射电子的地方。它是由绕成 螺线形的钨丝制成。 (2) 阳极：又称靶，材料有Cu 、 Cr、Fe、Co等 。 (

3、3) 窗口：材料是铍片 。 (4) 焦点：指阳极靶面被电子束轰的地方,1.1.3 X射线谱 由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型。 (1) 连续X射线谱 ： 定义：高速运动的带电粒子受阻而减速时，都会产生电磁辐射，这种辐射称之为韧致辐射。由于电子与阳极碰撞的无规律性，因而其X射线的波长是连续分布的 ，故叫做连续X射线谱。其谱形如图1-5 (2) 特征X射线 ： 定义：原子外层电子向内层跃迁所产生的X射线叫做特征X射线，又叫标识X射线。由特征X射线构成的X射线谱叫特征x射线谱，产生的原理见图16。 特征X射线产生的根本原因 是原子内层电子的跃迁，它的波 长与原子序数服从莫塞莱定律。,(3)

4、X射线的强度 强度定义：在垂直于X射线传播方向的单位截面上在单位时间内通过的光子能量的总和。 即：X射线强度 I 是由 光子的能量 h 和它的数目n 这两个因素决定的，即 : I = n h X射线管在一定的管电压下每秒钟所发射的连续X射线总强度就用连续谱中每条曲线下的面积表示： I连 =0I d . (其中 I 称为对于波长 的强度密度。) 用Kulenkampff 的经验公式： I d = Ai Z（1/2）（1/0 1/）d . 积分后得到的总强度即发射X射线的总能量，为： I连 =0 I d = AiZ / 202 = K i Z U2. (A、K均为常数),1.1.4 X射线的性质

5、一：X射线的散射 物质对X射线的散射主要是电子与x射线的相互作用的结果。核外电子可分为两大类：原子核束缚不紧的和原子核束缚较紧的电子，X射线照射到物质表面后对于这两类电子会产生两种散射效应。 (1)相干散射：与原子相互作用后光子的能量（波长）不变，而只是改变了方向。这种散射称之为相干散射。相干散射的首要条件是入射X射线的波长，必须一致。这就决定了X射线衍射只能用特征X射线来进行。 (2)非相干散射:与原子相互作用后光子的能量一部分传递给了原子，这样入射光的能量改变了，方向亦改变了，它们不会相互干涉。称之为非相干散射。,二：X射线的真吸收 吸收: 物质对X射线的吸收指的是x射线能量在通过物质时转

6、变为其它形式的能量。对X射线而言，即发生了能量损耗。有时把X射线的这种能量损耗称为真吸收。 (1) 光电效应 当一个具有足够能量的光子从原于内部击出一个K层电子时，同样会发生象电子激发原子时类似的辐射过程，即产生标识X射线。这种以光子激发原子所发生的激发和辐射过程称为光电效应，被击出的电子称为光电子，所辐射出的次级标识X射线称为荧光X射线(或称二次标识X射线)。 光子 击出某层电子 光电效应,(2) 俄歇效应 处于K激发态的原子能量(EKEL)如还能继续产生二次电离使另一个核外电子脱离原子变为二次电子，如EKELEL，它就可能使L、M、N等层的电子逸出，这种二次电子称为KL电子，它的能量有固定

7、值，近似地等于“EK-EL”这种具有特征能量的电子就是俄歇电子。,三：X射线的衰减规律 （1）质量吸收系数 实验证明：当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质小的距离成正比，如图17所示。 强度的相对变化为： 质量吸收系数: m= /, m=K3Z3 吸收系数与波长并不是单调的增减关系，一般时，波长越短，穿透能力越强，吸收系数越小，但在吸收体的K、L线系区，吸收系数跳跃上升这表明，吸收体对X射线发生了真吸收，该波长点称之为吸收体的吸收限。,(2) 激发限和吸收限 定义：要激发被照物质产生K系荧光辐射，入射X射线必须具有的波长的临界值0. 能量

8、转换：入射X光子的能量必须大于或至少等于从被照物质原子中击出 一个k层电子所需做的功： wk = h k= hc / k= eu k k = hc /eu k = 12.4 / u k ( A) 从激发光电效应的角度，称 k 为 激发限。 然而，从吸收入射X射线的角度，称 k 为 吸收限。 这一光电吸收过程同样可以发生在L， M， N，系：,（3）吸收限的应用,选靶： 选靶的目的：不产生样品的 k 系荧光，试样对入射X射线的吸收也最小。 选靶的方法：选靶材料的单色 X射线波长k稍大于样品的k 原则：Z靶 Z 样品 +1； 或 Z靶 Z样品 这样选择就可避免样品的真吸收 例： 纯 Fe26 试样

9、用 Co27 靶最理想，也可用 Fe 靶。不可用 Ni 28 靶、Cu29 靶。（ Fe: k =1.74A0 , k =1.79A0 , k =1.94A0 ） 若试样由多种元素组成，原则上应以其全部组元中原子序数最小的元素来选靶,滤波： 目的：许多X射分析工作，都要求使用单色底X射线，但是一般我们是用的靶材K线系射线均有两条线K、K，K线强度高选此作为分析用；而射线K是有害的必须滤去它。 方法：利用吸收限两边吸收系数相差十分悬殊的特点，选取一适当厚度的材料，使它的吸收限正好位于入射线靶的K线与K线之间，将此材料放入入射线与分析试样之间即可滤去K线，如下图18 。 原则： Z靶40时 Z滤波

10、片= Z靶-2 例： Mo42 靶Zr40滤波 Cu29靶 Ni28 滤波 示意图一、示意图二。,四：X射线的防护 X射线对人体有害的，且其损害性是一个积累过程，实验时，应尽可能避免一切不要的照射 同时亦不必紧张，任何现代分析仪器均有较好的防护措施，只要严格遵守实验室的有关规定，安全是绝对有保障的。,本章小结 一. X射线与物质的相互作用 穿透 入射 X射线透过物质沿原方向的传播 相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子相互作用，散射波 之间发生相互干涉的散射现象称为相干散射。 散射 非相干散射: 入射 X射线与试样物质中的电子产生弹性碰撞， 产生新的光子和反冲电子的过程（康吴效应） 吸收

11、入射 X射线的能量在通过物质时，转变为其它形式的能量，其 本身能量被消耗的现象,入射x射线,强度I0,散射 X射线,相干,非相干,电子,反冲电子,俄歇电子,光电子,荧光X射线,透射x射线,热能,康普顿效应,光电效应,俄歇效应,图1-9. X射线与物质的相互作用,1,二. 重要的概念和公式： 1.高能粒子与物质相互作用 特征辐射（特征X射线）：入射电子，击出k层电子，发出具有特定波长的x光子。 光电效应（荧光辐射）：入射x光子，击出内层电子光电子，发出x光子(荧光X射线)。 俄歇效应：入射x光子，击出一个k层电子，L层一电子跃入 填充，再使L层上一电子成自由电子(KL2L2 Auger电子)。,

12、2 . X射线与物质相互作用 穿透系数：单色 x 射线穿过一层均匀物质时，强度衰减的程度: It / I0 = e t = e m t , m = / . 线吸收系数 (cm-1)： 表征沿x射线穿透方向上单位体积物质对x射线强度的衰减程度。它与物质的密度成正比： =m =（ iwi）m . 质量吸收系数 m (cm2g-1 )： 表征单位重量物质对x射线的吸收程度。不随物态变化而变化，故对波长一定的物质，m为一定值。 m= miwi ， m= K33,3.基本概念 连续谱的短波限0： 阴极电子与 靶 作用产生 X光子时, 所能产生的 X射线的最短波长，对应电子能量最大转变的极限情形。 eu

13、= hm = hc / 0 , 而 0 = k / u = 12. 4 / u (nm). 标识谱的激发限（吸收限）K：被照物质产生 k系荧光辐射时, 射X射线必须具有的波长的临界值。 k = hc /eu k = 12.4 / u k ( A). 吸收曲线（m -）上的尖锐突变点对应的能量转变： wk = h k= hc / k= eu k .,4Moseley 定律： (1/ ) = K(Z ) . 或 = K(Z ) . 5强度：在x射线传播方向上单位面积、单位时间内所通过的光子的总能量。 总强度：连续谱强度曲线下的面积，即阳极靶发射出的X射线的总能量。,作 业 1： 1.计算0.071

14、nm(MoK)和0.154nM(CuK)的x射线的振动频率和能量。 2.计算当管电压为50 kV时，电子在与靶碰撞时的速度与动能以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大功能。 3.分析下列荧光辐射产生的可能性，为什么? (1) 用CuKX射线激发CuK荧光辐射； (2) 用CuKX射线激发CuK荧光辐射； (3) 用CuKX射线激发CuL荧光辐射。 4.简要论述在硅酸盐材料中，组织、成份、工艺对材料性能的影响，并举例说明之。 5.在高能电子与物质相互作用时，能激发哪些X射线，它们有哪些特点。,图12 X射线管剖面示意图,图13 X射线靶及接收方向,图14 靶焦点形状示意图,图,图15 钼阳极X射线管的X射线谱,图16 原子的能级示意图,图17 X射线经过物质的吸收,图18 滤波片的作用,Push-Plug Optics for the D8 ADVANCE: Whats the Principle?,Fixed measurement circle diameter for