X射线的产生及其物理作用.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,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,*,第一章,X,射线衍射分析,材料研究方法的研究对象是材料的组织、,成分及结构；,采用的手段及方法是基于检测对象对电磁,波及特征射线的反应；,基础是材料的结构及电磁辐射。,1895,年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现,X,射线，至今因应用,X,射线研究取得成果而获,诺贝尔奖,的高达,22,个之多，其中,物理奖,6,个，,化学奖,12,个，,生物医学奖,4,个。,1908,1911,年，巴克拉发现物质被,X,射线照射时会产生次级,X,射线。次级,X,射线除与初级,X,射线有关，还与被照射物质组成的元素有关。,1912,年，劳厄等提出,X,射线是电磁波的假设，并推测波长与晶面间距相近的,X,射线通过晶体时，必定会发生衍射现象，该假设被弗里德利希,(W.Friedrich),实验证实,X,射线衍射学,。,英国物理学家布拉格,(Bragg),父子提出了,X,射线“选择反射”的观点，导出了著名的布拉格方程。,1913,年据此制作出了,X,射线分光计；,1914,年，莫塞莱实验发现不同材料同名特征谱线的波长与原子序数间存在定量对应关系，提出了著名的莫塞莱定律，诞生了材料物相快速无损检测分析方法,x,射线光谱学,。,伟大的发现,一、电磁辐射基础,二、,X,射线谱,三、,X,射线与物质的相互作用,四、,X,射线的探测与防护,第一节,X,射线的产生及其物理作用,一、电磁辐射基础,1.,原子的组成,原子,(Atom),原子核,+,核外电子,电子,波,-,粒二象性,轨道非固定，几率最大的,分布构成电子云层，,近似,认为核外电子在各自的轨,道,(,称原子轨道,),上运动并,用“电子,(,壳,),层”形象化描,述电子的分布状况,2.,电子运动状态,（,1,）,每一运动状态具有确,定的能量，不同状态能,量数值不同，变化呈不,连续（量子化）。,能级图：,把不同的能量,数值（按一定比例）用,一定高度的水平线代表，,并将其按大小顺序排列,（由下至上能量增大）,而构成的梯级图形。,一般最底层值为,0,。,（,2,）,为,清晰准确,表征核外电子的运动（能量）状态，提,出五个参量：,主量子数,n,、角量子数,l,、磁量子数,m,、自旋量子数,s,及,自旋磁量子数,m,s,，,5,量子数也相应表征了电子的能量状态,(,能级,),。,原子中的电子能级示意图,2.,电子运动状态,量子数,原子轨道,电子（壳）层,电子能级,n,电子离核的平均距离,原子轨道离核的平均距离，,n,越大距离越远,电子层离核的平均距离，,n,相同的电子分布在同一亚层,电子主能级，,n,越大能级越高,l,电子轨道运动角动量大小,原子轨道形状,电子亚层（电子支壳层），同一电子层对应于,l,的,n,个取值分为,n,个亚层,亚能级，同一主能级对应,l,取值分为,n,个亚能级,j,越大，亚能级越高,m,轨道角动量在外磁场方向分量的大小,原子轨道在空间的伸展方向,电子亚层含有不同伸展方向的轨道数,亚能级的分裂，当有外磁场存在时，同一亚能级对应于,m,的取值分裂为,2l,1,个间隔更小的能级,表,1.n,、,l,、,m,对核外电子状态的表征意义,2.,电子运动状态,3.,原子的激发,(,1),基态：,原子核外电子按照能量最低原理、泡利不相容原理、洪特,规则，分布于各能级上，处于能量最低状态，称为基态。（参见,无,机化学）,泡利不相容原理：,原子中每个电子必须有独自一组四个量子数，,一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；,能量最低原则,：电子总是按能量最低的状态分布。,洪特规则：,由原子光谱的事实总结出的多条规则。其基本原则是：,基态多电子原子的电子总是首先自旋平行地、单独地填入简并轨道,。,一、电磁辐射基础,(2),激发态、激发,原子由基态转变为高能态（激发态）的过程。,激发条件,：,：较高能级是空的或未填满，由泡利不相容原理决定,：吸收能量等于两能级能量差。,愈接近,原子核，电子能级,愈低,，电子,愈稳定,；,愈远离,，,愈高,，,不稳定,。,电子可以在轨道间跃迁：低能级轨道,高能级轨道（吸收能量）,各层的轨道数为,n,2,电子层,电子亚层（,s.p.d.f.g,）,不同轨道,s,亚层,1,个轨道,p,亚层,3,个，,px,py,pz,d,亚层,5,个，,dxy,dyz,dzx,dz,2,dx,2,-y,2,f,亚层,7,个，,g,亚层,9,个,一、电磁辐射基础,（,3,）激发能,电子激发前后所处能级（能量）之差。不稳,定，存在,10,8,10,10,s,后返回基态。,（,4,）电子（能级）跃迁,原子中电子受激向高能级跃迁或,由高向低能级的跃迁。分为：,辐射跃迁,多余能量以电磁辐射形式放出；,无辐射跃迁,多余能量转化为内能。,（,5,）电离能,使原子中电子脱离原子核束缚的能量（,eV,）,分为,一次电离、二次电离,等。,一、电磁辐射基础,4,辐射的吸收与发射,电磁波通过某物质时，从能量角度说分为：部分被散射，,部分被吸收，部分被透过。,（,1,）辐射的吸收,实质,：,吸收辐射光子能量发生粒子的能级,跃迁，,h,=,E=E,2,E,1,不同物质因能级跃迁类型不同,对辐射的吸收不同,能级跃迁,不同,辐射,被,吸收程度对,或,的分布,吸收光谱不同,一、电磁辐射基础,热能,透射,I,0,散射,X,射线,荧光,X,射线（能级差），产生光电效应，,X,射线波长必须小于吸收限,k,。,能级差,为,周围某壳层上电子吸收受激逸出成为二次电子,俄歇电子,吸收,X,光子,失去内层电子,外层电子填充放能,能级跃 迁,一、电磁辐射基础,（,2,）辐射的发射,物质吸收能量后产生电磁辐射的现象，实质是辐射跃迁。,物质粒子发射辐射的强度对,或,的分布称为,发射光谱,，光致,发光粒子则称为,荧（磷）光光谱,。不同物质具有特定的特征发射光,谱；荧光吸收一次光子与发射二次光子的时间短（,10,8,10,4,），,而磷光的时间长，在,10,4,10s,间。,一、电磁辐射基础,（,3,）光谱的分类,吸收、发射、散射（拉曼散射谱）。,吸收与发射光谱按发生作用的物质微粒不同，可分为,原子光谱,与,分子光谱,。,由于物质微粒能级跃迁的类型不同能级差不同吸收与发射,光谱波长范围不同红外、紫外、可见光、,X,射线谱,按强度对波长的分布分为：,故除单晶衍射外，尽量扣除连续谱，以减轻对分析的干扰。,一、电磁辐射基础,1,X,射线的产生原理,阴极发射并在管电压作用下高速运动电子与物质碰,撞产生（,1,能量），其余,99,转为热能。,2,X,射线产生条件,1,）产生自由电子,2,）使电子做定向高速运动,3,）运动路径设置使其突然减速的障碍物,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,3,X,射线管,相当于一个真空度为,10,5,10,7,mmHg,的大真空二极管,（,1,）基本组成,1,）阴极,：,W,丝制成，发射热电子。,2,）阳极,：亦称靶,使电子突然减速，发射,X,射线。,常用靶材：,Cr,、,Co,、,Ni,、,Cu,、,Ag,、,W,等,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,3,）窗口,X,射线从阳极向外射出区，铍制，高真空，对,X,射线吸收小。,4,）焦点,阳极靶被电子轰击发射出,X,射线处。,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,接变压器,玻璃,钨灯丝,金属聚灯罩,铍窗口,金属靶,冷却水,电子,X,射线,X,射线,X,射线管剖面示意图,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,（,2,）分类,1,）细聚焦,X,射线管,2,）旋转阳极,X,射线管,按灯丝：,1,）密封式灯丝管,2,）可折式灯丝,X,射线管,4,X,射线分类,（,0.01,100,）,（,1,）硬,X,射线,波长较短，能量较,高，穿透力强，用于无损探伤（,0.05,1,）,及金属的物相分析（,0.5,2.5,）,。,（,2,）软,X,射线,（,10,100,）：穿透力弱，主要用于医学。,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,5,X,射线谱,指,X,射线强度随波长变化的关系曲线，分为：,（,1,）连续,X,射线谱,1,）定义：具有连续波长，,亦称多色,X,射线。为高速运动,的电子被靶突然阻止而产生，,绝大多数电子经历多次碰撞，,产生能量各不相同的辐射，,形成连续谱。,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,K,态（击走,K,电子）,L,态（击走,L,电子）,M,态（击走,M,电子）,N,态（击走,N,电子）,击走价电子,中性原子,Wk,Wl,Wm,Wn,0,原子的能量,连续,X,射线产生过程,电子冲击阳级靶,X,射线射出,演示过程,（回车键）,2,）短波限,连续波在短波方向上有一波长极限,短波限,（,0,），是指光子,一次碰撞就耗尽能量所产生的,X,射线。,只与管电压有关,。,eU=h,max,=hc/,0,0,=hc/eU=1.24/v(nm),e,电子电荷，等于,1.610,19,C,；,U,电子通过两极时的电压降；,h,普朗克常数，等于,6.62610,34,Js,实际必有部分电子能消耗于阳极靶的激发，且一个电子能量也可,能转化为,n,个光子或分次转化，故实际,0,即,1.24/v,且连续分布。,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,3,）,X,射线强度,指垂直于,X,射线传播方向的单位面积在单位时间内所通过的光,子数目的能量总和。用,I,表示，单位,J/cm,2,.s,。,I,由光子能量,h,及其数目,n,共同决定,:,I,nh I,max,在,1.5,0,处，此时波长记为,m,。,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,靶射出,X,射线的总能量：,I,连,iZU,m,i,电流；,U,电压；,m2,；,Z,原子序数；,（,1.1,1.4,）,10,-9,阳极靶只能影响连续谱的强度，,不能影响其波长分布。,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,4,）连续,X,射线的效率,（射线管效率）,n,I,连,/,功率,i,iZU,2,/iV,i,ZU,i,（,1.1,1.4,）,10,-9,可见效率低，多发热，故要用高熔点金属做阳极且水冷。,小结（连续,X,射线谱）,：,a,、同一阳极靶，管电压,U,不变，提高管电流,I,，各波长射线的强度,I,提高，但,0,和,m,不变；,b,、提高管电压（,i,、,Z,不变），各波长射线的,I,增大，但短波限,0,和强度最大时对应的,m,减小；,c,、,U,与,i,相同时，原子序数,Z,越高，连续谱的,I,越大，但,0,和,m,不变。,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,(2),特征（标识）,X,射线,1,）定义,：在连续谱基础上,叠加若干条具有一定波长的,谱线，这些谱线,强度峰的波,长反应了物质原子序数的特,征，所以叫,特征,X,射线,；由,特征射线组成的谱线叫,特征,X,射线谱,。,激发电压,：产生特征,X,射线,的最低电压,U,K,临界电压。,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,2,）特征,：,电压达到,V,临界,时，特征谱,线的,不变，强度按,n,次方的,规律增大。即：,波长反映了,原子序数的特征。,如,:,钼靶,K,系特征,X,射线有两个强度高峰,K,和,K,，波长分为,0.71,和,0.63,.,I,特征,Ki,（,U-U,临界,）,n,n=1.5,2,I,特,/I,连,在,U/U,临界,3,5,时最大。,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,3,）机理：能级跃迁,如：,K,层电子被击出,时，系统能量由基态,升高到,K,激发态，高,能层电子向,K,层空位,填充时，产生,K,系辐,射；把其中,L,层电子,填充空位称为,K,辐射,M,层电子填充空位产,生,K,辐射。,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,K,态（击走,K,电子）,L,态（击走,L,电子）,M,态（击走,M,电子）,N,态（击走,N,电子）,击走价电子,中性原子,Wk,Wl,Wm,Wn,0,原子的能量,标识,X,射线产生过程,K,激发,L,激发,Ka,辐射,K,辐射,L,辐射,过程演示,（任意键）,由能级知,K,辐射光子能量大于,K,光子，但因,K,层与,L,层为相邻能级，,L,填充几率大，故,实际,K,强度约为,K,强度的,5,倍,。,同理，,L,层电子被激发而产生的特征,X,射线称为,L,系辐射,或,L,系射线，,L,层内不同亚能级电子向,K,层跃迁所发射的,K,1,和,K,2,的关系是,K1,K2,，,I,K1,2I,K2,对于多重线系，如,L,2,及,L,3,层电子向,K,层跃迁，形成的,K,有如下关系,K,2/3,K1,+1/3,K2,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,4,）莫塞莱定律,标识,X,射线谱的频率和波长只取,决于阳极靶物质的原子能级结构，,是物质的固有特性。,莫塞莱定律,：,标识,X,射线谱的波长,与原子序数,Z,的关,系为：,C,及,为与线系有关的常数。,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,5,）,X,射线管工作电压的选择,在多晶材料的衍射分析中，总是希望应用以特征谱为主的单,色光源，即,I,特,I,连,尽可能高。为了使,K,系谱线突出，,x,射线管,适宜的工作电压一般比,K,系激发电 压高,3,5,倍，即：,V,工作,=,（,3,5,）,V,临界,（即,V,K,）；下表给出常用,x,射线管的适宜工作电压及特,征谱波长等数据。,6,）标识谱的强度,(I,特,),随管电压,(V),和管电流,i,的提高而增大,其关系的实验公式为：,I,特,Ki,（,V,工作,V,n,）,m,K,常数,m,常数，,K,系,m,1.5,，,L,系,m,2,V,n,标识谱的激发电压，对,K,系，,V,n,V,K,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,二、,X,射线的产生及,X,射线谱,X,射线与物质发生相互作用后，内容和过程复杂，然就其能量转换而言，一束,X,光通过物质时，分为三部分：散射、吸收、透过。,俄歇电子,热能,透射,X,射线衰减后的强度,I,0,散射,X,射线,电子,荧光,X,射线,相干的,非相干 的,反冲电子,光电子,康普顿效应,俄歇效应,光电效应,三、,X,射线与物质的相互作用,1,X,射线的散射,X,射线被物质散射时，产生相干散射和非相干散射。,（,1,）相干散射,：,物质中电子在,X,射线作用下振动，产生的新电磁波,波长和频率相同，位相差恒定，产生干涉现象，发生相干散射。,（,2,）非相干散射特征,：,X,射线光子与束缚力不大的外层电子或自由电子发生非弹,性碰撞使波长增大；,电子获得能量成为反冲电子；,位向差不恒定，无干涉发生。,三、,X,射线与物质的相互作用,2,X,射线的吸收,X,射线通过物质时发生能量损失，吸收的能量引发物质中原,子内部的电子跃迁，发生,X,射线的,光电效应,和,俄歇效应,。,（,1,）二次特征辐射,当入射,x,射线光子能量达到某一阈值可击出物质原子内层电子时，产生光电效应形成二次特征辐射。与此能量阈值相应的波长称为物质的,吸收限,亦称为,K,系特征辐射的,激发限,，用,K,代表。,产生光电效应的条件：,X,射线光子波长必须小于,吸收限,k,。,辐射条件：激发限,K,1.24/V,K,（,nm,）,V,K,把原子中,K,壳层电子击出原轨道所需要的最小激发电压；,三、,X,射线与物质的相互作用,K,在讨论光电效应产生的条件时叫做,K,系激发限,；若讨论,x,射线被,物质吸收,(,光电吸收,),时，又可把,K,叫,吸收限,。,推倒,:,为产生,K,系荧光辐射，入射光子的能量,h,必须大于或等于,K,层,电子的逸出功,W,K,，即,h,hc/,eV,K,hc/eV,K,=1.24/V,K,=,K,说明,：当入射,x,射线波长刚好小于等于,K,时，可发生此种物质对波,长为,k,的,X,射线的强烈吸收，而且正好在,K,1,24,V,K,时吸收最,为严重，形成所谓的吸收边，此时荧光散射也最严重。,三、,X,射线与物质的相互作用,吸收限的应用：,可利用,K,=1.24/V,K,计算激发电压,滤波片的选择,a,、使滤片吸收限位于辐射源的,K,和,K,间尽量靠近,K,，强烈吸收,K,；,b,、因滤片厚对,K,吸收增大，,K,强度减小到一半时，,K,/K,将由滤前,1/51/500,故尽量将,K,吸收一半；,c,、实验确定：,Z,靶,40,时，,Z,片,Z,靶,1 Z,靶,40,时，,Z,片,Z,靶,2,三、,X,射线与物质的相互作用,阳极靶的选择：阳极靶波长稍大于试样的,K,吸收限，,Z,靶,Z,试样,1,此时：入射,X,射线不在试样上产生荧光,X,射线，吸收又最小，减轻衍,射花样的背底强度。,三、,X,射线与物质的相互作用,（,2,）,X,射线的吸收,X,射线透过物质时，因散射和吸收作用，透射方向强度必定减弱。,1,）朗伯定律,：单色光照射到均匀介质上，均匀介质对光强的衰减,程度，即介质原子对入射光子的吸收几率，与介质的厚度（,t,）成,正比。,d,I,t,/,I,t,=-dt,比例常数，与入射线波长及物质有关，称为该物质对入射,X,射线的,衰减系数,，亦称为,线衰减系数,。,上式积分得：,I,t,=,I,0,e-,t,t,为介质厚度；,I/I,0,称为,穿透系数,I,t,投射强度；,I,0,入射线的强度,的物理意义,：单位体积物质引起的相对衰减量。,三、,X,射线与物质的相互作用,2,）质量吸收（衰减）系数,m,若,为物质的密度，,表示,X,射线通过单位长度物质时强度的衰减。设,m,/,，称,m,为质量吸收系数；则：,I,t,=,I,0,e-,tm,m,的物理意义,：,X,射线通过单位面积，单位质量物质后强度,的相对衰减量。,各元素有各自确定的质量吸收系数；对单元素物质，有,m,K,3,Z,3,K,常数,入射波长,Z,原子序数,三、,X,射线与物质的相互作用,吸收限与质量吸收的关系：,吸收限由光电效应引起，由于存在,k,，使,m,随,的变化不连,续，其间被尖锐的突变分开。,吸收限与原子能级的精细结构对应。,3,）复杂物质的质量吸收系数,若由,n,个元素组成，则,（,m,）,j,元素,j,的质量衰减系数；,w,j,元素,j,的质量分数。,三、,X,射线与物质的相互作用,（一）,X,射线的探测方法,1,照相法,利用,X,射线透过后在底片上还原成银的数量导致的黑,度不同来探测。,2,辐射探测器法,X,射线光子对气体和某些固态物质的电离作用检测。,（二）防护,1,用铅屏蔽；,2,不能把器官暴露在射线下；,3,正常工作后，立即离开；,4,铅手套，眼镜，围裙。,不防护后果：组织坏死，神经衰弱，头晕，脱发，血液及生育问题,四、,X,射线的探测与防护,此课件下载可自行编辑修改，供参考！,感谢您的支持，我们努力做得更好！,