第三章-1-X射线物理基础.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,*,第三章,X射线衍射分析,1,3.1 X射线的物理学基础,1985年，德国物理学家,伦琴,发现了X射线，并研究了X射线的产生、传播、穿透力等性质；在,1901年,获得了“诺贝尔奖”。,1912年，德国物理学家,劳厄,进行了晶体的X射线衍射实验，证实其为一种电磁波，于,1914年,获得“诺贝尔奖”。,同年，英国物理学家,亨利布拉格,和他儿子,劳伦斯布拉格,利用X射线测定了NaCl晶体的结构，从此开创了X射线晶体结构分析的历史；父子俩于,1915年,共同获得“诺贝尔奖”。,据统计，从X射线的发现到应用，在此领域中获得“诺贝尔奖”就高达17个之多。,2,李鸿章的X光照片，据说是中国第一个接受X光检查的人,3,3.1.1 X射线的性质,本质,是一种波长很短的,电磁波,。,波长：,10,-2,10,2,4,X射线的本质,特性,：,波粒二象性,（X射线的客观属性）,波动性:,以一定的频率和波长在空间中传播，反映物质运动的,连续性,。,注:,（,1）波长=传播速度c/振动频率,（2）硬X射线：波长短，穿透力强，常用金属探伤（10.05）,(3),软X射线：波长长，穿透力弱，常用于晶体结构分析（2.50.5),5,X射线的本质,微粒性,以光子形式辐射和吸收时，具有一定的质量、能量和动量，反映物质运动的,分立性,。,注,：（1）,X射线在空间传播时，可看成是大量以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子,（2）能量和,动量：,（3）每个光量子的能量h 是X射线的最小能量单位。,6,X射线与可见光的区别,1、X射线的穿透能力很强，能穿透可见光不能穿透的物质，可进行无损检测；,2、X射线沿直线传播，其传播方向不因电场或磁场的存在发生偏转，且折射率几乎等于1，不能利用折射而聚焦；,3、肉眼不可见，但可使照相底片感光；能够与原子作用，使外层电子跃迁产生可见光，使气体发生电离；,4、能杀死生物细胞和组织；,5、通过晶体时能发生衍射，可以利用X射线研究晶体内部结构。,7,3.1.2 X射线的产生,X射线是,高速运动,的,自由电子,(流)与金属相撞击后,突然减速,，并与该金属中的内层电子相互作用而产生的。,产生X射线装置的,基本条件,：,（a）阴极：产生并发射自由电子，加热钨丝；,（b）阳极：接受电子的撞击而发射X射线，多为Cr、Fe、Co等纯金属；,（c）阴极与阳极需置于真空中。,8,X射线管的实物图,11,X射线管的工作原理,钨丝,（阴极）,通电,自由电子,加速,碰撞金属靶,热能,X射线,12,2、同步辐射X射线源,原理：,利用高速运动的电子会辐射电磁波,。,装置组成：,1）,注入器,：产生电子并使之加速到一定能量后送入储存环中；,2）,电子储存环,：储存电子，并使之做圆周运动，发出同步辐射；,3）,光束线,：对引出的同步辐射进行切割、聚焦和单色化处理，获得满足实验要求的辐射线。,特点,：,强度高，,可达常规X射线机的,10,3,10,4,倍。,13,安装,内部,主体,上海应用物理研究所同步辐射加速器,14,3.1.3 X射线谱,X射线强度随波长而变化的曲线，称,X射线谱,主要分两种类型：,（1）,连续,X射线谱,（2）,特征,X射线谱,15,连续X射线谱,（白光X射线）,特点：,1）强度随波长,连续变化,I=nh,2）每条曲线都有一个,强度最大值,，并在短波方向有一波长极限，,称短波限,（,o,),eV=hv,max,=hc/,0,0,=1.24/V（nm）,（,e为电子电荷，V为管电压，h为普朗克常量，c为光速,）,16,连续X射线谱,（白光X射线）,3)连续谱受管电压(,V,)、管电流(,i,)和阳极靶材的序数,z,作用,i、z不变，,V 增加,X射线,强度增加,，最大强度对应的波长,max,和短波限,0,均,减小,；,V、z不变，,i增加,X射线,强度增加，,最大强度对应的波长,max,和短波限,0,均,保持不变,；,i、V不变，,Z 增加,X射线,强度增加,，最大强度对应的波长,max,和短波限,0,均,保持不变,；,max,和,o,仅取决于,管电压V,，,与其他因素无关,17,连续X射线谱,（白光X射线）,4）对连续X射线谱的解释,经典物理学,理论认为：一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成,连续X射线谱,。,18,连续X射线谱,（白光X射线）,量子力学理论,认为：当能量为eV的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子，即“韧致辐射”；,由于大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成,连续X射线谱,。,19,特征X射线谱,(1)产生,当管电压超过某临界值时，特征谱就会出现，该临界电压称,激发电压,。,如右图钼靶X射线管在,35KV,电压下的谱线，其特征x射线分别位于,0.63,和,0.71,；处，后者的强度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的K系，记为,K,和,K,；,激发电压V,与,阳极靶材料,有关；与,激发层,有关,20,（2）机理,根据原子结构的壳层模型，原子中的电子分布在以原子核为核心的若干壳层上，依次称为、壳层，分别相应于主量子数n=1、每个壳层上最多只能容纳n,2,个电子，处在主量子数为 n 的壳层上的电子，其能量为：,21,当高能电子撞击阳极靶时，会将阳极物质原子中K层电子撞出电子壳层，在K壳层中形成空位，原子系统能量升高，使体系处于不稳定的激发态，按能量最低原理，,L、M、N,层中的电子会跃入K层的空位，为保持体系能量平衡，在跃迁的同时，这些电子会将多余的能量以X射线光量子的形式释放，分别称为,K,、K,、K,谱线，共同构成,K系,标识X射线。其频率可用下式表示：,22,23,（3）规律,（1）阳极靶元素的特征谱按照波长增加的次序分为K、L、M等若干谱系，每个谱线系又分若干亚系，如K,、K,；,（2）每个谱线对应一定的激发电压，该电压与阳极靶材料有关，且靶元素的原子序数越大其激发电压越高；,24,（3）特征X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质，它是物质的固有特征。管电流i与管电压V的增加只能增强特征X射线的强度，而不改变波长。,（4）同一靶材K、L、M系谱线中，以K系谱线的波长最短，能量最高；,（5）同一谱系中，如K系，K,的波长小于K,，但K,的强度却比K,大得多。,25,小结,连续谱,高速运动的粒子能量转换成电磁波,谱图特征:,强度随波长连续变化,是衍射分析的背底;,是医学采用的,特征谱,高能级电子回跳到低能级多余能量转换成电磁波,仅在特定波长处有特别强的强度峰,衍射分析采用,26,3.1.4 X射线与物质的作用,X射线与物质的相互作用十分复杂，会产生一系列的物理、化学和生化过程，引起各种效应。,当一束X射线通过物质时，其能量可分为三部分：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,。,27,1、X射线的吸收,X射线能量在通过物质时转变为其它形式能量，主要由原子内部电子跃迁而引起，如产生的光电效应和俄歇效应。,强度为I,0,的X射线，透过厚度为d的物质后强度为I，II,0,，在物质内去一厚度单元dx，透过前后的X射线强度分别为I,x,和I,x+dx,。则相对强度变化为：,28,I,d,/I,0,称为X射线的穿透系数。,I,d,/I,0,1,I,d,/I,0,值越小，表明X射线被衰减的程度越大。,上式中，为,线吸收系数,，与X射线束的,波长,和被照射物质的元素,组成和状态,有关。,物理意义,：X射线穿透单位长（1cm）物质时强度衰减的程度。,1、X射线的吸收,对上式积分可得：,29,1、X射线的吸收,在计算过程中，为了消除吸收系数对物理状态的依赖性，可使用质量吸收系数 来替代 ：,的大小取决于X射线的,波长,及被照射物质的,原子序数,，与温度、压力等物质状态参数无关。,对于含两种以上元素的复杂物质，其质量吸收系数可用下式表示：,第i中元素的质量吸收系数,第i中元素的质量分数，可通过化学配比和相对原子质量计算,30,Attention！,X,射线透过物质后强度的减弱是,x,射线光子数的减少，而不是,X,射线能量的减少。所以，,透射,X,射线能量和传播方向基本与入射线相同,。,X,射线与物质的相互作用实质上是,X,射线,与,原子,的相互作用，其基本原理是原子中受束缚电子被,X,射线电磁波的振荡电场加速。,短波长的,X,射线易穿过物体，长波长,X,射线易被物体吸收。,31,3 由于不同物质的质量吸收系数 不同，所以，同一束射线穿过含有不同物质的吸收体系时，其透过的辐射因吸收不同而产生差异，通过分析这些差异，能够检测出吸收体物质中存在的缺陷，如,气泡，裂纹，杂质,，等。,Attention！,32,2、X射线的散射,相干散射,不相干散射,33,2、X射线的散射,（1）相干散射（经典散射）,X射线作用于,束缚力较大,的电子（内层电子）产生的,1）过程:X射线将能量传给电子电子有一定加速度 振动,振动,=,X,散射波=,振动,=,x,，位向固定,2）相干散射是X射线在晶体中产生,衍射现象的基础。,34,2、X射线的散射,（2）不相干散射,量子散射、康-吴效应,X射线作用于,束缚力较小,的电子或,自由,电子产生的。,1）过程：X射线撞击电子电子成为反冲电子，X射线被散射，且各散射波波长不同；,2）不相干散射,对衍射分析不利,在衍射图相上成为,连续的背底,，其强度随（sin/）的增加而增大,35,小结,本节主要讲述了三个问题:,1.X射线的性质、本质和X射线的产生,2.X射线谱-连续谱,特征谱,3.X射线与物质的相互作用,36,思考题,1、X射线的定义、性质及产生?,2、X射线的波长、能量、频率三者之间的关系?,3、连续X射线谱的产生机理?为什么有一个短波的局限,0,?,0,与什么有关?,4、特征X射线是如何产生的?它有什么特点?,5、X射线与物质的作用有几种形式？,6、质量吸收系数有何应用？多种元素构成的复杂物质，其质量吸收系数如何计算？,37,