电磁辐射与材料的相互作用.ppt

1、第二章 电磁辐射与材料的相互作用,第一节 X射线的产生及其与物质的 相互作用 一、X射线的产生与X射线谱 二、X射线与物质的相互作用 三、X射线的防护,第二章 电磁辐射与材料的相互作用,电磁波是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等等。人眼可接收到的电磁辐射，波长大约在380至780纳米之间，称为可见光。只要是本身温度大于绝对零度的物体，都可以发射电磁辐射，而世界上并不存在温度等于或低于绝对零度的物体。电磁波向

2、空中发射或泄露的现象，叫电磁辐射。电磁波不需要依靠介质传播，各种电磁波在真空中速率固定，速度为光速。,电磁波的产生,电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，变化的电场会产生磁场（即电流会产生磁场），变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变,X-射线： 一种波长介于紫外线和射线之间的具有较短波长的电磁波。,一、X射线的产生，发现与X射线谱,X射线波长1012108m. 用于XRD的波长： 1010m,X

3、射线的发现,失之交臂,1836年，英国科学家迈克尔.法拉第（Michael Faraday，1791-1867）（左图）发现，在稀薄气体中放电时会产生一种绚丽的辉光。后来，物理学家把这种辉光称为“阴极射线”，因为它是由阴极发出的。 1861年，英国科学家威廉.克鲁克斯（William Crookes，1832-1919）（右图）发现通电的阴极射线管在放电时会产生亮光，于是就把它拍下来，可是显影后发现整张干版上什么也没照上，一片模糊。他以为干版旧了，又用新干版连续照了三次，依然如此。克鲁克斯的实验室非常简陋，他认为是干版有毛病，退给了厂家。他也曾发现抽屉里保 存在暗盒里的胶卷莫名其妙地感光报废了

4、，他找到胶片厂商，指斥其产品低劣一个伟大的发现与他失之交臂。 在伦琴发现X光的五年前，美国科学家古德斯柏德在实验室里偶然洗出了一张X射线的透视底片。但他归因于照片的冲洗药水或冲洗技术，便把这一“偶然”弃之于垃圾堆中。,X射线是一种电磁波，所以具有波粒二象性。,X射线波动性与微粒性的关系： E = h = hc/ 式中 h 普朗克常数 h = 6.626181034Js； c 光速 c = 3 108m s1； E、 、 X射线光子的能量、 频率、波长。,X射线与可见光相比， 共性:波粒二象性 不同： X射线波长短、能量大 不同体现在： 穿透能力强。能穿透可见光不能穿透的物质，如生物的软组织等。

5、,X射线穿过不同媒质时折射和反射极小，仍可视为直线传播。 通过晶体时发生衍射，因而可用X射线研究晶体的内部结构。,prism,window,1. X射线的产生 装置：在实验室里, 产生X射线是利用具有高真空度的X射线管1源X射线的产生 (1)X射线管； (2)基本原理: 在管电压(V)作用下,从阴极发射电子，电子向靶材(阳极)高速运动，导致靶材发射辐射。 阳极（靶子）可用钨、钼等重金属制成，也可用铬、铁等轻金属制成，这完全由X射线管的具体用途而定。 (3)按射线谱特征, 分为连续X射线和特征X射线两类,问题：X射线衍射仪上，X射线管在那里？,原理：把用一定材料(Cu等)制作的阳极（称为靶）和阴

6、极（钨丝）密封在一个玻璃-金属管壳内。 当钨丝被34A的电流加热后，发出热电子。,在阳极和阴极间加直流高压V， 阴极产生的热电子将在电场作用下奔向阳极，并撞击金属靶。 电子的突然减速或停止运动,使大部分（99）能量转变成热能,小部分（1）转变为X射线。,为避免靶材熔解，加循环冷却水 X射线在与靶面约成6角处的强度最大， 按此角度在管上开一窗口，让X射线透过 窗口材料：对X射线吸收少的Be,X射线的产生条件 (简述）:,1.产生自由电子； 2.使电子作定向的高速运动; 3.在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。,X射线谱分类,X射线管发出的X射线分为两类： （1）具有连续波长的X射

7、线，称为连续谱； （2）波长确定的X射线，称为特征谱。,2 .连续X射线谱,定义：由某一最短波长（0，称短波限）开始，强度（I）随波长连续变化的X射线谱。,产生的机理：当高速运动的电子击靶后，电子被减速。电子所减少的能量（E）转为所发射X射线光子能量（h），即h=E。由于击靶的电子数目极多，击靶时穿透的深浅不同、损失的动能不等，因此，由电子动能转换为X射线光子的能量有多有少，从而形成一系列不同频率、不同波长的X射线，构成了连续谱。,电子初始动能为E0； 击靶后电子的动能变 为En ； 则E0 - En = h为所发射X射线光子的能量,极端情况: 电子与靶材相撞，其能量（eV）全部转变为辐射光子

8、能量，此时光子能量最大、波长最短，因此连续谱有一个下限波长0 即 电子动能=电子由阴极至阳极时电场所做的功=X射线光子能量,短波限产生的原因：,例：设 X 射线管电压为100kV。问电子刚 碰到靶时的速度多大？连续X 射线谱的最短波 长和相应光子能量为多大？,例：设 X 射线管电压为100kV。问电子刚 碰到靶时的速度多大？连续X 射线谱的最短波 长和相应光子能量为多大？,解：,例：若已知 X 射线管上的电压增加了一倍后，连续 X 射线谱的最短波长变化了0.5，试求该波长的最小值。,例：若已知 X 射线管上的电压增加了一倍后，连续 X 射线谱的最短波长变化了0.5，试求该波长的最小值。,解：,

9、例：如果要得到最短波长为0.5的X射线， 至少要加多大的电压于X射线管？在此情况下， 电子运动到阳极有多大的动能？,例：如果要得到最短波长为0.5的X射线， 至少要加多大的电压于X射线管？在此情况下， 电子运动到阳极有多大的动能？,X射线的强度：垂直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。 常用的单位是J/cm2s。 X射线的强度I：由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的,即I=nhv。,连续X射线的强度,连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。 实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系： X射线管的

10、效率为:,连续X射线,X射线的强度,当管电流不变时， V 0I() 曲线上移,连续谱：管电压V, 电流 i, 靶材等影响,(2) 当管电压不变时， i I()曲线上移 (0不变）,(3) 在相同的管电压和电流下, 靶材原子序数（Z） I()曲线上移 (0不变）,3 .特征X射线谱,定义：在某些特定波长位置出现的叠加在连续谱上的高而狭仄的谱线。,当加于X射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值Uk时，在连续谱的某些特定的波长位置上，会出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，他们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材的标志或特征，故称为特征谱或标识谱。 当电压达

11、到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随电压增加。 如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为K和K，波长分别为0.71和0.63。,特征（标识）X射线的特征,原子结构(回顾） 原子由原子核及绕核运动的电子组成。 电子分布在不同能级的壳层上， 离核最近的K层能级最低，其次L、M、N等能级逐渐增高。,特征谱产生的机理,标识X射线谱的产生相理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。 原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。 在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的

12、空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。,特征X射线光子能量跃迁前后能级差 例：若K层产生空位，L层电子向K层 跃迁，则辐射的X射线光子能量： hL K = EL EK,特征X射线的命名 若K层产生空位，L层或M层或更外层电子向K层跃迁， 产生的X射线统称为K系特征辐射， L层电子填充空位时，产生K辐射；M层电子填充空位时产生K辐射。,距K层越远的能级，电子向K层跃迁的几率越小，辐射光子数越少， 常见K，K辐射（忽略其它） 若M或N层电子L层（空位）跃迁， 谱线记为L，L，射线， 称为L系特征辐射等。,由能级可知K辐射的光子能量大于K的能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充几率大，所

13、以K的强度约为K的5倍。 产生K系激发要阴极电子的能量eUk至少等于击出一个K层电子所作的功Wk。Uk就是激发电压。,特征（标识）X射线谱,K系激发,莫赛莱（Moseley)定律,原子的电子层受激发产生的X射线的频率的平方根与元素原子序数成线性比,式中C：与靶材物质主量子数有关的常数 ：是屏蔽常数，与一电子所在的壳层位置有关,可见：原子序数 K线系波长 例：Cu (Z=29) 靶X射线： K1 = 1.5406 Mo (Z=42) 靶X射线： K1 = 0.7093 ,莫塞来定律应用,二、X射线与物质的相互作用,X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束X射线通

14、过物质时，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。,X射线被物质散射时，产生两种现象： 相干散射； 非相干散射。,（1）X射线的散射,当入射X光子与物质中的某些电子（例如内层电子）发生碰撞时，由于这些电子受到原子的强力束缚，光子的能量不足以使电子脱离所在能级的情况下，此种碰撞可以近似地看成是刚体间的弹性碰撞，其结果仅使光子的前进方向发生改变，即发生了散射，但光子的能量并未损耗，即散射线的波长等于入射线的波长。此时各散射线之间将相互发生干涉，故成为相干散射。相干散射是引起晶体产生衍射线的根源,相干散射（coherent scattering）,非相干散

15、射 （incoherent scattering 量子散射）,当入射X射线光子与物质中的某些电子（例如外层电子）发生碰撞时，由于这些电子与原子间的结合松弛，可以近似地看成是自由电子，碰撞的结果，X射线光子将一部分能量传递给电子，使电子脱离原子而形成反冲电子，同时光子本身也改变了原来的前进方向，发生了散射。这种散射由于各个光子能量减小的程度各不相同，即每个散射光子的波长彼此不等，因此相互不会发生干涉，故称为不相干散射。不相干散射线比入射X射线的能量小、波长大。在X射线衍射分析中只增加连续背景，给衍射图带来不利影响。 非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称

16、康普顿-吴有训效应。 非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。,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。 主要表现在对物质原子中的内层电子的激发和随后产生的各种过程。 它主要包括光电效应（二次特征幅射）和俄歇效应等。,（2）X射线的吸收,光电效应,当用X射线轰击物质时，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，从而也导致其内层电子（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。若能量不足，则电子会释出能量，能量重新成为光子离开，电子能量恢复到吸收之前，

17、无法逃逸离开金属。,爱因斯坦,光电效应,光电效应,为与入射的X射线相区别，我们称X射线激发的特征X射线为二次特征X射线或荧光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。 被击出的电子称光电子。 产生的二次特征X射线的波长与激发它们所需的能量取决于物质的原子种类和结构。,光电效应,要使K层电子产生光电效应： hvWk; Wk= eVk 其中：Wk为K层电子的逸出功 k：能引起光电效应的入射X射线的最大波长（nm） Vk：激发电压，kV 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射线吸收的角度看，称为

18、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射线将被强烈吸收，并产生光电效应。, 光电效应产生光电子，是X射线光电子能谱分析的技术基础。 光电效应使原子产生空位后的退激发过程产生俄歇电子或X射线荧光辐射是X射线激发俄歇能谱分析和X射线荧光分析方法的技术基础。,光电效应的应用：,俄歇效应,由于光电效应，处于激发态的原子患有一种释放能量的方式，即俄歇效应。 原子中的一个K层电子被入射光量子击出后，L层一个电子跃入K层填补空位，此时多余的能量不以辐射X光量子的方式放出，而是另一个L层的电子获得能量跃出吸收体，这样的一个K层空位被两个L层空位代替的过程称为俄歇效应。 跃出的L层电子俄歇电子。

19、,俄歇效应,三、X射线的衰减,定义：入射X射线通过物质，沿透射方向强度显著下降的现象 原因：由于X射线与物质发生相互作用，其能量转换或损失,朗伯定律：X射线通过物质时，其强度按指数规律衰减。,m 为X射线通过单位质量物质时能量的衰减，亦称单位质量物质对X射线的吸收 为物质密度 样品厚度t,例1.在实验室里,利用X射线管产生X射线, 其窗口材料由薄Be片（0.2mm厚）制成。试计算0.2mm厚Be片对CuK辐射的透射因子(I透射/I入射)为多少? (Be的密度= 1.85g.cm-3 ， m= 1.35 cm2.g-1） 解： It/I0 = exp(- m*t) = exp(-1.35 * 1

20、.85 * 0.02) = 0.95,如果吸收体由两种以上元素组成，其总的质量衰减系数m可按下式计算： m m1 w1 + m2 w2 + miwi 式中mi为第i种元素的质量衰减系数， wi为其质量分数。,化合物m的计算：,例子: 已知，原子量Si=28.09，O=16.0；质量吸收系数 Si = 60.3，O = 12.7 (见书 P324) 。计算SiO2对Cu K辐射(= 1.54187) 的质量吸收系数? 解： wsi = 28.09/(28.09+ 216.0) = 0.467 wO = 216.0/(28.09+ 216.0) = 0.533 则SiO2的质量吸收系数 m si

21、wsi + o wo 60.3 0.467 + 12.7 0.533 34.93 cm2.g-1,硬X射线：波长较短（0.01nm0.1nm之间）的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。 软X射线：波长较长（0.1nm以上）的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析。,软X射线和硬X射线,质量衰减系数与波长、原子序数的关系,质量衰减系数与波长、原子序数的关系,K大致是一个常数,通常在34之间，与吸收物质和射线波长有关,（一）对于低能（长波）软X射线，各元素 的质量衰减系数近似地适合下式,1、一定，z愈大的物质，吸收本领愈强。,由上式可得出两个有用的结论

22、：,人体骨的主要成分Ca 、P,Z较大，吸收强。肌肉的成分H、O、C原子系数较小，吸收弱。,在做胃肠造影时需先服用钡盐 （Z=56），由于吸收强，可以 显示胃肠的阴影。,用铅（Z=82）作防护X射线的材料。,2、当z一定时，波长愈长的X射线，愈容 易被吸收。,因此，可通过改变波长来控制射线对人体 的贯穿深度，从而达到治疗不同深度部位疾病 的目的。,（二）对于高能（短波）硬X射线，吸收系数与原子系数无关。,若放射诊断采用波长太短的X射线，骨骼的阴影将不太明显。,四、X射线的防护,（1）X射线设备的操作人员可能遭受电震和辐射损伤两种危险。 电震的危险在高压仪器的周围是经常存在的，X射线的阴极端为危险的源泉。在安装时可以把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等方法加以保证。 （2）辐射损伤：过量的X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使