X射线物理学基础讲义省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1895年伦琴发觉X射线以后很长一段时间内，人们只认识到这种肉眼看不见、穿透能力很强射线所展现出来一些现象特征，诸如穿越磁场时不偏转；能使底片感光，使荧光物质发光和使气体电离；对生物细胞有杀害作用等。直到发觉了晶体衍射现象和康普顿效应以后，人们才逐步揭示X射线真谛。第3页X射线和无线电波、红外线、可见光、紫外线、射线、宇宙射线一样，本质上同属于电磁波。只不过彼此占据不一样波长范围而已。X射线波 长 很 短，大 约 在0.01100 之间，在电磁波谱中，它与紫外线及射线相互搭接。电磁波谱电磁波谱第4页E EHH电磁波传输电磁波传输示意图示意图E E：电场强度矢量：电场强度矢量：电场强度矢量：电场强度矢量HH：磁场强度矢量：磁场强度矢量：磁场强度矢量：磁场强度矢量电磁波是一个横波，它由交替改变电场和磁场组成。电场和磁场矢量总是以相同周相，在两个相互垂直平面内作周期振动。电磁波传输方向总是与矢量E E E E和H H H H 振动方向垂直，传输速度等于光速。在在在在X X X X射线分析试验中，我们统计是电场强度矢量射线分析试验中，我们统计是电场强度矢量射线分析试验中，我们统计是电场强度矢量射线分析试验中，我们统计是电场强度矢量E E E E起起起起作用物理效应！作用物理效应！作用物理效应！作用物理效应！第5页X射线即使和可见光一样（没有静止质量，但有能量），与光传输相关一些现象（如反射、折射、散射、干涉、以及偏振）都会发生，但因为相对可见光而言，X射线波长要短得多（光量子能量对应要高得多），上述物理现象在表现方式上与可见光存在很大差异。nX射线只有当它几乎平行擦过光洁固体表面时，才有可能发生类似于可见光那样全反射；nX射线穿过不一样媒质时，几乎不发生偏折（X射线折射率十分靠近1，只在 数量级上有差异）。不能象可见光一样使不能象可见光一样使X射线会聚、发散、和变向，射线会聚、发散、和变向，使得使得X射线无法制成显微镜！射线无法制成显微镜！第6页n硬X射线：波长较短硬X射线能量较高，穿透性较强，适合用于金属部件无损探伤及金属物相分析。用于金属探伤X射线波长约为0.10.005nm或者更短，而用于晶体结构分析X射线波长约在0.250.05nm之间。n软X射线：波长较长软X射线能量较低，穿透性弱，可用于医学和非金属分析。第7页X射线与其它微观粒子一样，既含有波动特征，又含有粒子特征。描述X射线波动性质物理量，如频率，波长和描述其粒子性光量子能量E、动量P之间，遵照爱因斯坦关系式：式中 h：普朗克常数，等于6.625 J.s;c：X射线速度，等于2.998 cm/s.第8页小结nX射线本质上属于电磁波，它与无线电波、可见光等并没有本质区分；它所展示出来一些特殊属性是因为其波优点于特定范围造成；nX射线能够分为硬X射线和软X射线，波长短称为硬X射线，其能量高、穿透力强；波长长称为软X射线，其能量低、穿透力差。第9页1-1 X射射线线本本质质1-2 X射射线线谱谱1-3 X射射线线与与物物质质相相互互作作用用1-4 X射射线线防防护护1-5 总总结结第10页高速运动电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子运动受阻失去动能，其中一小部分（1左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99左右）能量转变成热能使物体温度升高。第11页X射线产生机理，按量子理论观点，源自两个物理过程：n阴极射出高速电子与靶材碰撞，运动受阻而减速，其损失动能便以X射线光子形式辐射出来，所以这种辐射称之为韧致辐射；因为高速电子碰撞过程和条件是千变万化，因而X射线光量子波长必定是按统计规律连续分布，覆盖一个很大波长范围，故称这种辐射为连续辐射（或称白色X射线）；n当阴极电子动能足够大时，其中一部分电子将有可能将靶材原子某个内层电子击出到电子未添满外层，此时原子将处于不稳定高能激发态，各外层电子便争相向内层跃迁，以填补被击出电子空位，以使系统能量回到低能稳定态。外层电子向内层跃迁过程中所降低能量，便转而以一个X射线光量子形式向外辐射。X射线光量子波长由电子跃迁所跨越两个能级能量差来决定。因为这种X射线波长能够标识原子原子序数特征，故称这种辐射为特征辐射或者标识辐射。第12页X射线谱一、连续X射线谱含有连续波长X射线，其强度与波长关系曲线即为连续X射线谱。短波限在不一样管压下连续谱短波端，都有一个突然截止极限波长0，称之为短波限。短波限只与阴极射线管电压相关，短波限只与阴极射线管电压相关，短波限只与阴极射线管电压相关，短波限只与阴极射线管电压相关，而与电流强度无关，电流强度改而与电流强度无关，电流强度改而与电流强度无关，电流强度改而与电流强度无关，电流强度改变只会改变连续变只会改变连续变只会改变连续变只会改变连续X X射线谱对应强射线谱对应强射线谱对应强射线谱对应强度，不会改变短波限位置。度，不会改变短波限位置。度，不会改变短波限位置。度，不会改变短波限位置。第13页用量子理论很轻易解释短波限问题，即假如在外加电压U作用下，击靶时电子最大动能就是eU，极限情况是电子在一次碰撞中将全部能量都转化为一个光量子，这个含有最高能量光量子波长就是短波限0.其中U是电压；e是电子电荷；h是普朗克常量；c是光速。第14页X射线强度 X射线强度是指垂直X射线传播方向单位面积上在单位时间内所经过光子数目标能量总和。常用单位是J/cm2.s.X射线强度I是由光子能量hv和它数目n两个因素决定,即I=nhv.连续X射线强度最大值在1.50,而不在0处。第15页连续X射线谱中每条曲线下面积表示连续X射线总强度。也是阳极靶发射出X射线总能量。n试验证实，I与管电流i、管电压U、阳极靶原子序数Z存在以下关系：且X射线管效率为:其中K1是常数，其值约为:可见要提升可见要提升可见要提升可见要提升X X射线管发射连续射线管发射连续射线管发射连续射线管发射连续X X射线效率，就要选取重金射线效率，就要选取重金射线效率，就要选取重金射线效率，就要选取重金属靶并施以高电压！属靶并施以高电压！属靶并施以高电压！属靶并施以高电压！第16页二、特征（标识）X射线谱当X射线管压超出一定值时，会在一些特定波长位置处出现强度很高、非常狭窄谱线叠加在连续谱强度分布曲线上。改变管流、管压，这些谱线只改变强度，而波长值固定不变。这么谱线称之为特征X射线谱或者标识X射线谱。第17页特征X射线产生示意图h:普朗克常量；n2,n1:电子跃迁前后所在能级；c:光速第18页特征X射线命名规则我们定义由不一样外层上电子跃迁到同一内层而辐射特征谱线属于同一线系，如从L、M、N层上电子跃迁到K层时产生特征X射线都属于K系特征谱线。按电子跃迁时所跨越电子能级数目标多少，将同一线系谱线分别标以、等符号。如电子从L层跃迁到K层时，跨越了一层，所以其特征谱线为K线，而电子从M层跃迁到K层时，要跨越两层，所以其特征谱线记为K线，依次类推。第19页电子能级间能量差并不是均等分布，愈靠近原子核，相邻能级间能量差愈大，所以同一靶材、系谱线中，以K系谱线波长最短，而L系谱线波长又短于M系；另外，在同一线系各谱线间，如在K系谱线中，必定有：第20页原子中同一壳层上电子并不处于同一能量状态，而分属于若干个亚能级。如L层中8个电子分属于L、L、L三个亚能级；L亚能级上电子不能跃迁到K能级上（选择定则），所以K线是电子从L 到K（K）、L 到K（K）跃迁时辐射出来K 和K两根谱线组成，L层上四个电子跃迁到K层几率比L 层两个电子跃迁到K层几率大一倍，所以组成K线两根线强度比为二比一。双线波长相差很小，在结构分析中惯用K系谱线中：普通情况下是分辨不出来，这时K线波长是用双线波长加权平均值来表示：第21页特征谱线波长随原子序数Z增大而变短，波长和原子序数之间关系符合莫塞莱定律：K和是常数特征谱线辐射强度随管流i、管压U增大而增大。K系谱线强度经验公式为：A：百分比常数；Uk：K系谱线临界激发电压；n:常数，约为1.5经验表明，欲得到最大特征X射线与连续X射线强度比，X射线管工作电压应选在35Uk时为最正确。第22页小结n连续X射线是高速运动电子运动受阻而减速时，因为能量降低而产生辐射，其波长能够是任意值，它不需要击出靶材原子内层电子；n特征X射线是在靶材原子内层电子被击出以后，外层电子向内层跃迁时产生；对于确定元素其波长是特定。第23页1-1 X射射线线本本质质1-2 X射射线线谱谱1-3 X射射线线与与物物质质相相互互作作用用1-4 X射射线线防防护护1-5 总总结结第24页一、X射线散射A)相干散射 物质中电子在X射线电场作用下，产生强迫振动。这么每个电子在各方向产生与入射X射线同频率电磁波。这种散射就是相干散射，又称为经典散射或者汤姆逊散射。第25页n nX X射射线线光光子子与与束束缚缚力力不不大大外外层层电电子子 或或自自由由电电子子碰碰撞撞时时电电子子取取得得一一部部分分动动能能成成为为反反冲冲电电子子，X X射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。射线光子离开原来方向，能量减小，波长增加。n n非非相相干干散散射射是是康康普普顿顿（A.H.ComptonA.H.Compton）和和我我国国物物理理学学家家吴吴有有训训等等人人发发觉觉，亦亦称称康康普普顿顿效效应应。非非相相干干散散射射突突出出地地表表现现出出X X射射线线微微粒粒特特征征，只只能能用用量量子子理理论论来来描描述述，亦亦称称量量子子散散射射。它它会会增增加加连连续续背背影影，给给衍衍射射图图象象带带来来不不利利影影响响，尤尤其其对轻元素。对轻元素。B）非相干散射第26页二、X射线吸收A）光电效应与荧光辐射当入射X射线光量子能量足够大时，一样能够将原子内层电子击出，这就是光电效应。被击出电子称为光电子。受激原子外层电子向内层跃迁时，一样会辐射出波长严格一定特征X射线。由X射线激发产生特征辐射称为二次特征辐射。二次特征辐射本质上属于光致发光荧光现象，故也称这种辐射为荧光辐射。第27页欲激发原子产生K系荧光辐射，入射X射线光量子能量必须大于或者最少等于从原子中击出一个K层电子所做功Wk.k是为激发被照射物质产生K系荧光辐射，入射X射线须含有波长临界值，普通称之为被照射物质大量吸收X射线吸收限。荧光辐射光量子能量一定小于激发它产生入射X射线光量子能量。荧光辐射对荧光辐射对荧光辐射对荧光辐射对X X射线衍射分析是有害，它增加衍射花样背底，射线衍射分析是有害，它增加衍射花样背底，射线衍射分析是有害，它增加衍射花样背底，射线衍射分析是有害，它增加衍射花样背底，但它是但它是但它是但它是X X射线光谱或能谱分析基础！射线光谱或能谱分析基础！射线光谱或能谱分析基础！射线光谱或能谱分析基础！第28页光电效应光电效应-光电子和荧光光电子和荧光X X射线射线示意图示意图第29页B）俄歇效应原子K层电子被X射线击出后，处于激发态，当L层电子向K层跃迁时，将释放出E=Ek-El能量，这个能量能够用荧光X射线形式释放，也能够被原子内部某个电子（内层或者外层）所吸收，使这个电子受激发而逸出原子成为自由电子，这就是俄歇效应，这个电子就是俄歇电子。俄歇电子能量为：E=Ek-El-El俄俄歇歇电电子子能能量量与与入入射射X射射线线波波长长无无关关，仅仅与与产产生生俄俄歇歇效效应应物物质质元元素素种种类类相相关关。俄俄歇歇电电子子能能量量很很低低，普普通通只只有有几几百百电电子子伏伏特特，所所以以，只只有有表表面面几几层层原原子子所所产产生生俄俄歇歇电电子子才才能能逸逸出出表表面面被被探探测测，所所以以俄俄歇歇电电子子能能够够带带来来物物质质表表层层化化学学成成份份信信息息，俄俄歇歇电电子子显显微微镜镜就就是是表表面面物物理理研研究究主主要要工具之一。工具之一。第30页光电效应-俄歇效应示意图第31页热能透射X射线衰减后强度I0散射X射线电子荧光X射线相干非相干 反冲电子俄歇电子光电子康普顿效应俄歇效应 光电效应C)热能第32页三、X射线衰减当一束X射线经过物质时，因为散射和吸收作用以及热能转变，使其透射方向上强度衰减。衰减程度与所经过物质距离成正比。IT:透射束强度；I0:入射束强度；t：物质厚度；：物质密度；m:物质质量吸收系数。第33页X射线吸收曲线质量吸收系数与入射X射线波长和被照射物质原子序数有以下函数关系：K是常数。试验表明第34页四、吸收限应用A）依据样品成份选择靶材X射线结构分析要求尽可能少激发样品荧光辐射，以降低衍射花样背底。为此，最好使入射X射线波长略长于样品K系吸收限k，或者短很多。实践表明，选择靶材实践表明，选择靶材实践表明，选择靶材实践表明，选择靶材标准是：标准是：标准是：标准是：Z Z靶靶靶靶ZZ样样样样+1+1；Z Z靶靶靶靶ZZ样样样样第35页B）滤波片选择n在在一一些些衍衍射射分分析析工工作作中中，我我们们只只希希望望是是k辐辐射射衍衍射射线线条条，但但X射射线线管管中中发发出出X射射线线，除除k辐辐射射外外，还还含含有有K辐辐射射和和连连续续谱谱，它它们会使衍射花样复杂化。们会使衍射花样复杂化。n取取得得单单色色光光方方法法之之一一是是在在X射射线线出出射射路路径径上上放放置置一一定定厚厚度度滤滤波波片片，能能够够简简便便地地将将K和和连连续续谱谱衰衰减减到到能够忽略程度。能够忽略程度。n n1：Z靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶-1；n n2：Z靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶-2 第36页n n对于几个阳极靶常采取滤波片对于几个阳极靶常采取滤波片阳极靶阳极靶滤滤波片波片靶靶 材材原子原子序数序数K K 波波长长 K K 波波长长 材料材料原子原子序数序数 K K 厚度厚度*mmmmI/II/I0 0(K(K)CrCr24242.29092.29092.084802.08480V V23232.26902.26900.0160.0160.500.50FeFe26261.93731.93731.756531.75653MnMn25251.89641.89640.0160.0160.460.46CoCo27271.79021.79021.620751.62075FeFe26261.74291.74290.0180.0180.440.44NiNi28281.65911.65911.500101.50010CoCo27271.60721.60720.0130.0130.530.53CuCu29291.54181.54181.392171.39217NiNi28281.48691.48690.0210.0210.400.40MoMo42420.71070.71070.632250.63225ZrZr40400.68880.68880.1800.1800.310.31AgAg47470.56090.56090.497010.49701RhRh45450.53380.53380.0790.0790.290.29n n*滤波后滤波后K/KK/K强度比为强度比为1/6001/600第37页小结nX射线与物质相互作用包含二个方面，分别是物质对X射线散射、物质对X射线吸收；nX射线散射包含相干散射和非相干散射，相干散射又称为经典散射或者汤姆逊散射；而非相干散射是因为X射线与原子外层电子发生碰撞后能量降低引发散射；nX射线吸收主要是因为X射线光子击出原子内层电子产生光电效应，并由此引发荧光辐射和俄歇效应。第38页1-1 X射射线线本本质质1-2 X射射线线谱谱1-3 X射射线线与与物物质质相相互互作作用用1-4 X射射线线防防护护1-5 总总结结第39页n nX X射射线线设设备备操操作作人人员员可可能能遭遭受受电电震震和和辐辐射射损损伤伤两两种危险。种危险。n n电电震震危危险险在在高高压压仪仪器器周周围围是是经经常常地地存存在在，X X射射线线阴阴极极端端为为危危险险源源泉泉。在在安安装装时时能能够够把把阴阴极极端端装装在在仪仪器器台台面面之之下下或或箱箱子子里里、屏屏后后等等方方法法加加以以确确保。保。n n辐辐射射损损伤伤是是过过量量X X射射线线对对人人体体产产生生有有害害影影响响。可可使使局局部部组组织织灼灼伤伤，可可使使人人精精神神衰衰颓颓、头头晕晕、毛毛发发脱脱落落、血血液液组组成成和和性性能能改改变变以以及及影影响响生生育育等等。安安全全办办法法有有：严严格格恪恪守守安安全全条条例例、配配带带笔笔状状剂剂量量仪仪、防防止止身身体体直直接接暴暴露露在在X X射射线线下下、定定时时进进行行身体检验和验血。身体检验和验血。第40页总结总结nX射线本质上属于电磁波，它与无线电波、可见光等并没有本质区分；n连续X射线是高速运动电子运动受阻而减速时，因为能量降低而产生辐射，其波长能够是任意值，特征X射线是在靶材原子内层电子被击出以后，外层电子向内层跃迁时产生；对于确定元素其波长是特定；nX射线与物质相互作用包含二个方面，分别是物质对X射线散射、物质对X射线吸收；X射线散射包含相干散射和非相干散射；X射线吸收主要是指荧光辐射和俄歇效应。第41页