现代微观分析一.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,当时，他发现凳子上的,镀有氰亚铂酸钡,的硬纸板发出荧光。他分析，这可能是存在一种不同于可见光的射线，且可能是由真空管加上高电压时引起的，他试着用,黑纸挡、用木块挡都挡不住，甚至可以透过人的骨骼！,由于当时对这种射线的本质和特性尚无了解，故取名为,X射线,，后人也叫,伦琴射线。,伦琴的这一伟大发现使得他于1901年成为诺贝尔奖获得者。,1-1 引 言,一、X射线的发现,X射线是1895年11月8日由德国物理学家,伦琴,（W.C.Rntgen）在研究,真空管高压放电现象时偶然发现的,。,X射线的发现，引起了科学界的浓厚兴趣。,1、6个月后，医学界就已普遍将X射线运用于诊断及医疗。,2、机场、火车站。,3、金属探伤（包括焊缝）。,二、应用,钢铁中的,碳化物、夹杂物、残余奥氏体,的定性分析与定量分析、,化学热处理的表面相分析,、表面堆焊、喷焊物相的分析。,三、X射线分析在金属材料领域的应用,1、物相分析,可以确定,固溶体的类型,（例如：体心立方）、固溶体中,溶质组元的含量,（如M体中的含碳量）。,2、固溶体分析,X射线两边分别与紫外线及,射线相重叠。在电磁波谱中，其位置如图书中1-1所示。,一般把波长短的X射线称为,硬X射线,，反之则为,软X射线,。,硬软程度表示它的穿透,能力的强弱。,用于金属,探伤的X射线波长约为10.05。接下来，我们要讨论X射线的粒子性。,(1)我们知道，X射线是波长较短的电磁波。,然而，波动理论对X射线光电效应、荧光辐射现象无法解释。,这种矛盾，说明波动性只是反映了X射线本性的一个方面。在大量科学实验基础上，人们又认识到X射线本性的另一个方面粒子性（或微粒性）。,X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续粒子流。这些粒子叫做光子（或光量子），每个光子具有的能量为=h,v,。,(硬X射线的穿透能力强，还是软X射线的的射透能力强？),2,、,X,射线的粒子性,其中,v,x射线的频率，h普朗克常数。,h=6.2610,-34,焦秒=6.2610,-27,尔格秒,由上式可知，对不同频率的X射线，光子的能量是不同的。频率越高，光子的能量就越大。,波动性与粒子性相并存的性质称为X射线的波粒二象性。,那么，X射线的波长为什么会在那么一个范围之内，它的强度又与哪些因素有关呢？,实验证明，,高速运动,着的,电子,突然,被阻止,时，伴随着电子动能的消失或转化，会产生X射线。,X射线产生的几个,基本条件：,1-3 X射线的产生及X射线管,一、X射线产生的条件,1、产生并发射自由电子（例如加热钨灯丝发射热电子）。,2、在真空中（一般为10,-6,毫米汞柱）迫使自由电子朝一定方向高速运动（加一很高的管电压）。,3、在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电子突然受阻。,这样，靶面上就会发出X射线。（见图1-3）,X射线强度随波长而变化的关系曲线，称为X射线谱。,X射线谱可视作由两部分组成，即,连续X射线谱和特征X射线谱。,1-4 X射线谱,一、X射线谱,1、定义：,连续X射线谱,X射线谱,特征（标识）X射线谱,从某一短波限（入。）开始，直到波长等于无穷大,的一系列波长所构成的X射线谱。,二、连续X射线谱的定义,三、连续X射线的产生及其规律,1、高速运动的电子被阳极靶突然阻止，连续X射线产生。,（1）各种波长的X射线的相对强度一致增高。,（2）具有最高强度射线的波长逐渐变小，曲线峰值向左方移动。,（3）短波限逐渐变小（即,0,向左方移动），波谱变宽。,3、管电压既影响连续X射线谱的强度，也影响其波长范围,2、当逐步增加X射线管的管电压时，连续X射线谱发生如下变化。(见下页图1-5）,四、连续X射线的产生机理,1、按照经典物理的电动力学理论，一个带有负电荷的电子在受到这样一种加速度时,（指X射线管中高速运动着的电子到达阳极靶表面突然受到阻止时，产生极大的负加速度），,电子周围的电磁场将发生急剧的变化，,此时必然要产生一个电磁波（最少一个电磁脉冲）。,q,=0.01库仑,16,19,10,25,.,6,10,6020,.,1,01,.,0,=,n,=,-,（个）,也就是说，1秒钟内有0.01库仑的电量到达阳极靶。,电子的电荷e=1.6020,10,-19,库仑,则1秒钟到达阳极上的电子数(n)为多少？,2,、若管电流,i,=10,毫安（,1,秒钟内阳极靶上发出的电磁波有多少个？）,讨论：,如此极大数量的电子射到阳极靶上的条件和时间不可能是一样的，因而电磁脉冲也各不相同，从而形成了具有各种波长的连续X射线谱。,从灯丝发射出的电子经高压电场加速，使电场的位能转化为电子的动能。,3,、短波限,0,存在的原因,电子被阳极突然制止时，其动能的一部分将转化为一个或几个X射线光子，其余部分转变为热能（或光子逸出）。,当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一个X射线光子时，此光子的能量为：,l,e,c,h,hv,eV,m,=,=,=,=,最大,2,2,1,eV,hc,=,0,l,其中h普朗克常数,cX射线速度,e电子电荷,V,4,.,12,0,=,l,（埃）,V千伏,讨论：,（1）当V=20、30、40、50千伏时，,0,=0.62、0.41、0.31、0.25。,（2）短波限,0,与管电压成反比。,（3）绝大多数高速电子与阳极靶撞击时，很大一部分能量P消耗转化为热能、光电子逸出等情况。即：,p,eV,hc,hv,p,m,-,=,=,=,-,l,2,2,1,0,l,l,-,=,p,eV,hc,那么，连续射线的强度与哪些因素有关呢？,是指垂直于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。,常用单位是,尔格/厘米,2,秒,其绝对强度的测量比较困难，常采用照相底片的黑度作为相对比较标准。,五、辐射强度(I),1、定义：,常数,z阳级靶的原子序数,i,管电流（毫安）,V管电压（千伏）,阳极靶可以影响连续谱的强度，能不能影响连续谱波长的分布?,答案是不能。,2,、连续,X,射线谱的总强度,六、效率,产生连续X射线的效率,ZV,iV,iZV,X,X,a,a,h,=,=,=,2,射线管的功率,射线总强度,连续,=ZV,讨论：,当采用钨阳极Z=74,V=100千伏，=1.11.510,-6,1%,这是因为管中电子与阳极撞击时，绝大部分生成热能而损失掉。,这就是为什么要采用高熔点的钨、钼作阳极，或导热性好的银、铜作阳极，并用冷却水强烈地冷却阳极。,七、（标识）特征X射线谱,1、特征X射线谱的形成,由于它们的波长反映了靶材料的特征，因此称之为特征X射线，并由它们构成特征X射线谱（见图16）。,当管电压超过某一临介值V,激,后，例：钼靶超过20千伏，在连续X射线谱某几个特定波长的地方，强度突然显著地增大。,2,、,K,、,K,射线,在X射线衍射中，一般采用,强度高的K,例如:钼靶的K系X射线中,=0.63,=0.71,K,线又可细分为K,1,、K,2,1,2,=0.004,1,:,2,2,1,a,a,K,K,I,I,1,:,5,b,a,K,K,I,I,八、实验规律,1、产生特征X射线所需的最低管电压（V,激,），对不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶的原子数Z所决定。,（阳极靶不同，所产生的特征X射线谱的波长也不相同）。,2、当管电压超过V,激,后，管电压进一步升高，特征X射线不变。,强度按n次方的规律增大（n=1.5,2）。,3、当V/V,激,=3,5时,连,特,I,I,最大,我们知道，原子是由带正电的原子核和与绕核旋转的电子组成。电子分布在不同能级的电子壳层上。,距核最近的第一层电子的能量最低，,称为K层，第二层为L层，依次为,M、N、O、P等层（图2-7），各层,上电子的能量为:,九、特征X射线产生机理,1、特征X射线的产生,2,2,2,4,2,),(,2,p,-,-,=,z,n,h,me,E,n,当高速的阴极电子流冲击阳极靶时，可将阳极靶内层的某些电子击出，转移到能量较高的外部壳层上，或击出原子系统之外而使原子电离，原子处于激发状态，其能量高于正常状态，是不稳定的。,假定K层电子被激发后，由L层跃迁来一个补充电子，其降低的能量,这就是波长一定的特征X射线,K,X,射线。,l,n,e,e,c,h,h,K,L,K,L,=,=,-,-,K,L,hc,e,e,l,-,=,K层电子被激发，其它高能级的外层电子跃入而产生的特征X射线为K系X射线。,2、K系X射线,由子由L层K层跃迁产生的X射线，称为K,射线。,由子由M层K层跃迁产生的X射线，称为K,射线。,3、K,、K,要获得K系射线，必须使高速电子的动能足以把原子中K层电子击出。,即,ev,x,-,k,x,未饱和的最外层（X层）,4,、激发电压,V,激,V,激K,是完全由阳极靶决定的，每种阳极靶有固定的激发电压。,K最短,K,V,激,4,12.,=,l,最短,最大,k,k,k,x,e,hc,e,h,e,V,l,n,e,e,=,-,K层电子被激发后，L层电子向K层跃迁的几率要比M层K层跃迁的几率大很多倍，所以I,/I,45。,5、I,K,、I,K,同一壳层上的电子并不处于同一能量状态，而分属于若干个亚能级。K,1,、,K,2,是L层中的两个亚能级电子向K层跃迁，辐射出来的两根谱线。,6、K,1,、K,2,：,十、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，而与其它外界因素无关。莫塞莱在1914年总结发现了这一规律。,K与靶材物质（主量子数）有关的常数。,与电子所在的壳层位置有关，称为屏蔽常数。,同系特征X射线的波长，随阳极靶的原子序数的增加而变短。,如果知道了,v,或，可确定该物质的原子系数。,),(,s,v,-,=,Z,K,特征X射线波长与阳极靶原子系数关系。,X射线照射到物质上与物质相互作用是个很复杂的过程。可归结为三个能量转换过程：E,1,散射能量；E,2,吸收能量，包括真吸收转变热部分和光电效应、俄歇效应，E,3,透过物质。,一、X射线的散射,X射线与原子核束缚不紧的和较紧的电子作用，会产生两种散射。,1-5 X射线与物质的相互作用,（,1）当X射线通过物质时，当和物质中的内层电子相撞时，光子把能量全部转给电子，,电子受迫振动。,振动的频率与入射X射线的频率相同。,（2）被加速的电子变成了一个新的电磁波源，向四周各方向发射电磁波，即X射线散射波。,（3）散射波之间符合：,振动方向相同、频率相同、位向差恒定，,可发生干涉作用，故称为相干散射。,1,、相干散射（经典散射，汤姆逊散射）,（1）当X射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子碰撞时，电子被撞出原来的轨道，成为反冲电子，入射光子自身也被撞偏了一个角度2（见图19）。,2,、非相干散射（,量子散射、,康普顿吴有训效应）,（2）入射光子的能量=散射光子能量+反冲电子的能量。,根据动量和能量守恒定律：,=-=0.0243(1-cos2)(),、,分别为散射线和入射线的波长。,二、二次特征辐射（荧光辐射）,1、二次特征辐射的概念,当X射线光子具有足够高的能量时，将把物质原子中的内层电子打击出来，从而产生新的特征辐射，称为二次特征辐射。,2,、产生条件激发限,入射的X射线光子的能量必须等于或大于将K层电子击出所需的能量。,h,v,激K,eV,激K,入,激K,产生K系激发的最长波长,又称为K系特征辐射的激发限。,eV,激K,K,c,h,激,l,（,）,K,激,l,K,K,V,ev,hc,激,激,4,.,12.,=,K,K,V,激,激,4,.,12,=,l,当激发二次特征辐射时，原入射X射线光子的能量转变为电子的能量，使电子逸出原子之外。这种电子称为光电子，此时的吸收称为,真吸收。,这一过程称为,光电效应。,三、吸收与光电效应,四、俄歇效应,（见图111）,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层填补空拉。其释放的能,量为E,1,=,L,-,K,。如果这一能量不是以辐射,X光量子的方式放出，而是把L层的另一电子,击出原子体系。这个被击出的二次电子就称,为俄歇电子。俄歇电子的能量有固定值。从L,层逃出的电子称KLL电子，当然也有KMM电子。,E=E,1,E,2,E,2,=0-,L,E=,L,-,K,-（0-,L,）。,E=,L,+,L,-,K,2,2,2,4,2,),(,2,n,p,e,-,-,=,Z,h,me,n,入射X射线,散射,相干散射,非相干散射+反冲电子,穿透,吸收,光电子+二次特征辐射,二次电子+俄歇效应,热能,讨论：,俄歇电子的能量只有几百电子伏特（很低），只有金属表层几个原子层的俄歇电子才能逸出表面。,每种物质俄歇电子能量的大小只取决于该物质的原子能级结构，是一种元素的固有特征。,利用俄歇效应设计的俄歇谱仪可对固体表层元素,进行分析。,X射线穿过物质时，由于经典散射、量子散射、原子激发等现象而消耗入射,X射线的能量,。,因此，入射X射线的强度将显著地衰减下来。,五、X射线的衰减,（1）实验规律：,通过厚度为dx的无穷小薄层物质时，X射线强度衰减量dI正比于入射线强度I和层厚dx.,dI-Id,x,或dI=-,l,Id,x,（1）,l,单位为厘米,-1,，线,吸收系数,负号表示强度的,变化由强变弱。,1,、衰减规律,（2）计算,由（1）式得：,l,nI=-,l,x,+C（2）,当,x,=0时，I=I,0,C=,l,nI,0,，代入（2）式得,l,nI,l,nI,0,=-,l,x,l,nI/I,0,=-,l,x,或,I =I,0,e,-,x,I/I,0,称为穿透系数或透射因数。,（3）,l,的物理意义在X射线的传播方向上，单位长度上X射线强度衰减程度。,d,I=-,l,Idx,（1）线吸收系数,l,l,正比于物质的密度，为什么？,这时因为物质的密度越大，X射线遇到的原子愈多，散射和吸收越强烈。,（2）质量吸收系数,m,2,、质量吸收系数,m,1）定义：,m,与物质的密度无关。,2）,m,的物理意义,表示单位重量的物质引起的X射线的相对衰减量。,（3）,m,与入射X射线波长及元素的原子序数Z的关系。,实验证明：,m,3,Z,3,（见图110）,（4）,K,（吸收限）,当波长减小到数值,K,时，,m,产生一个突变突然增大。,这是由入射线光子能量h,v,达到了,激发该元素K层电子的数值，从,而大量地被吸收。,K,K,V,激,激,4,12.,=,l,（1）滤波片,1）在X射线衍射分析中，大多数情况下都希望得到单一波长的X射线。,然而，K系特征谱线包括K,、K,。,2）吸收限为,K,的物质，可强烈地吸收,K,这些波长的入射X射。而对,K,的入射线吸收很少。,3、吸收限的应用,3）可以选择,K,刚好位于辐射X射线K,、K,之间的，并尽量靠近K,的金属薄片作为滤波片（见图112）。,4）滤波片放在X射线源与试样,之间。这时滤波片对K,射线,产生强烈吸收，而对K,却吸,收很少。只剩下K,辐射。,5）滤波片的厚度:滤波片太厚，对K,线的吸收增加。,实验表明：,当K,线的强度被吸收到原来的一半时，,I,/I,将由原来的1/5提高到1/500左右。,6）滤波片材料的选择（见表11）,由表11可总结如下规律：当Z,靶,40时，则Z,片,=Z,靶,1,当Z,靶,40时，则Z,片,=Z,靶,2,7,）阳极靶的选择,为了避免在试样上产生荧光辐射，增加衍射花样的背底,若试样吸收限为,K,则靶的K,波长应大于试样,K,，并尽量靠近,K,，为什么？,a）不产生荧光辐射；b）吸收小,Z,靶,Z,试,+1,例如分析Fe试样时，应该用C,0,=27靶，或Fe=26靶。,不用Ni靶，否则，会产生较高背底水平（产生荧光辐射）。,Fe,K,=1.7429 Ni：,K,=1.6591,人体受过量的X射线照射会受到伤害，造成局部组织损伤，坏死或其它疾患。,例如，使人精神衰退、头晕、毛发脱落、血液的组成及性能变坏、影响生育。,1-6 入射线,的安全,防护,一、危害,1、尽量避免手和身体直接暴露在X光束下。,2、仪器正常工作后，离开X射线室。,3、重金属铅屏或铅玻璃可有效挡住X射线。,4、穿防护衣。,5、工作场所须通风（由于高压及X射线的电离作用）。,6、对专职人员应定期检查身体。,二、防护,