射线的性质课件.pptx

,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,*,射线的性质课件,1、1,引言,1895,年德国物理学家伦琴在研究阴极射线时发现了一种新型得辐射,肉眼瞧不见,可使照相底片感光,并有很强得穿透力。,X,射线得本质、它与物质相互作用得基木原理己被深人研究,并在科学研究、医疗与技术工程上获得广泛应用,相应得设备与方法也在不断得发展中。,3,两个重要人物:,伦琴(,W、C、Rntgen,),劳埃(,M、von Laue,),1895,年伦琴在研究阴极射线时发现了,X,射线。,1912,年劳埃发现了,X,射线在晶体中得衍射现象。,1、2 X,射线得本质,X,射线属于电磁波或电磁辐射,具有粒子性与波动性特点,波长为,10,-8,cm,与晶体得晶格常数同一数量级,X,射线与可见光相比,其波长比可见光短,介于紫外线与,射线之间,约为,10,2,到,10,2,埃得范围。频率大约就是可见光得,10,3,倍,所以它得光子能量比可见光得光子能量大得多,表现明显得粒子性。由于,X,射线波长短,光子能量大得两个基本特性。,X,射线以光子得形式辐射与吸收时具有质量、能量、动量,波长短,能量与动量大,穿透能力强,X,射线得波动性表现在干涉与衍射,X,射线得粒子性表现与物质相互作用交换能量,8,用于晶体结构分析得,X,射线波长:,0、250、05nm,(硬,X,射线),金属零件得无损探伤,:,0、10、005nm,用于医学透视及,安检,得,X,射线波长则很长:,1100nm,(软,X,射线),1、3 X,射线得产生及,X,射线管,X,射线就是由高速运动着得带电(或不带电)粒子与某种物质相撞击后猝然减速,且与该物质中得内层电子相互作用而产生得,产生自由电子;电子定向高速运动;设置使其突然减速得障碍物,X,射线管,带冷却水得大灯泡,X,射线管实际上就是一只真空二极管,它有两个电极:作为阴极得用于发射电子得灯丝(钨丝)与作为阳极得用于接受电子轰击得靶(又称对阴极)。,X,射线管供电部分至少包含有一个使灯丝加热得低压电源与一个给两极施加高电压得高压发生器。,由于总就是受到高能量电子得轰击,阳极还需要强制冷却。,当灯丝被通电加热至高温时(达,2000,),大量得热电子产生,在极间得高压作用下被加速,高速轰击到靶面上。高速电子到达靶面,运动突然受阻,其动能部分转变为辐射能,以,X,射线得形式放出,这种形式产生得辐射称为轫致辐射。,轰击到靶面上电子束得总能量只有极小一部分转变为,X,射线能,靶面发射得,X,射线能量与电子束总能量得比率,可用下面得近似公式表示:,=1、110,9,Z V,式中,Z,为靶材组成元素得原子序数,V,为,X,射线管得极间电压(又称管电压),以伏特为单位。例如对于一只铜靶得,X,射线管,在,30KV,工作时,=0、1%,而一只钨靶得,X,射线管在,100KV,条件下工作时,也不过,=0、8%,。可见,X,射线管产生,X,射线得能量效率就是十分低得,但就是,目前,X,射线管仍就是最实用得发生,X,射线得器件。,因为轰击靶面电子束得绝大部分能量都转化为热能,所以,在工作时,X,射线管得靶必须采取水冷(或其她手段)进行强制冷却,以免对阴极被加热至熔化,受到损坏。也就是由于这个原故,X,射线管得最大功率受到一定限制,决定于阳极材料得熔点、导热系数与靶面冷却手段得效果等因素。同一种冷却结构得,X,射线管得额定功率,因靶材得不同就是大不相同得。例如,铜靶(铜有极佳得导热性)与钼靶(钼得熔点很高)得功率常为相同结构得铁、钴、铬靶得两倍。,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,在晶体衍射实验中,常用得,X,射线管按其结构设计得特点可分为三种类型:,1、,可拆式管,这种,X,射线管在动真空下工作,配有真空系统,使用时需抽真空使管内真空度达到,10,5,毫帕或更佳得真空度。不同元素得靶可以随时更换,灯丝损坏后也可以更换,这种管得寿命可以说就是无限得。,2、,密封式管,这就是最常使用得,X,射线管,它得靶与灯丝密封在高真空得壳体内。壳体上有对,X,射线“透明”得,X,射线出射“窗孔”。靶与灯丝不能更换,如果需要使用另一种靶,就需要换用另一只相应靶材得管子。这种管子使用方便,但若灯丝烧断后它得寿命也就完全终结了。密封式,X,射线管得寿命一般为,10002000,小时,它得报废往往并不就是与因灯丝损坏,而就是由于靶面被熔毁或因受到钨蒸气及管内受热部分金属得污染,致使发射得,X,射线谱线“不纯”而被废用。,3、,转靶式管,这种管采用一种特殊得运动结构以大大增强靶面得冷却,即所谓旋转阳极,X,射线管,就是目前最实用得高强度,X,射线发生装置。管子得阳极设计成圆柱体形,柱面作为靶面,阳极需要用水冷却。工作时阳极圆柱以高速旋转,这样靶面受电子束轰击得部位不再就是一个点或一条线段而就是被延展成阳极柱体上得一段柱面,使受热面积展开,从而有效地加强了热量得散发。所以,这种管得功率能远远超过前两种管子。,对于铜或钼靶管,密封式管得额定功率,目前只能达到,2 KW,左右,而转靶式管最高可达,90 KW,。,1、4 X,射线谱,由,X,射线管所得到得,X,射线,按其特征可以分成两部分:连续光谱与特征光谱,后者只与靶得组成元素有关。,16,1、4、1,连续,X,射线谱,X,射线强度随波长连续变化得谱线称连续,X,射线谱。,连续谱受管电压,U,管电流,i,与阳极靶材得原子序数,Z,得作用,其相互关系见图:,连续谱得总强度决定于上述,U,、,i,、,Z,三因素:,图,1,图,2,X,射线波长从一最小值,短波限,SWL,向长波方向伸展,17,连续谱得形成及存在短波限得量子力学解释:,在管电压,U,作用下,电子到达阳极靶时动能为,eU,若一个电子在与阳极靶碰撞时,把全部能量都给予一个光子,这就就是一个光子所可能获得得最大能量,即,h,max,=,eU,此光量子得波长即为短波限,SWL,如果一个电子射入物质后在发生有效碰撞(产生光量子)之前速度有所降低,则碰撞产生光量子得能量就会减小。由于多种因素使得发生有效碰撞得电子速度可以从零到初速连续得取值,因而出现了连续光谱,其波长自,m,开始向长波方向伸展。,连续光谱得短波限,SWL,只决定于,X,射线管得工作高压。,X,射线得强度就是指垂直于,X,射线传播方向得单位面积上单位时间内光量子数目能量得总与。,强度由光子得能量与光子得数目决定,最大值不在,m,而在,1、5m,选用重金属靶并施以高电压,19,当加于,X,射线管两端得电压增高到与阳极靶材相应得某一特定值,U,K,时,在连续谱得某些特定得波长位置会出现一系列强度峰,峰窄而尖锐。它们得波长对一定材料得阳极靶有严格恒定得数值,此波长可作为阳极靶材得标志或特征。故称为特征谱或标识谱。,特征谱得波长不受管电压、管电流得影响,只决定于阳极靶材元素得原子序数。,Mo,靶,35kV,1、4、2,特征,X,射线谱,20,特征,X,射线产生得机理,经典原子模型,原子内得电子分布在一系列量子化得壳层上。最内层(,K,层)能量最低。,图,阴极射出得电子流轰击到靶面,如果能量足够高,靶内一些原子得内层电子会被轰出,使原子处于能级较高得激发态,K,层电子被击出称为,K,激发态,L,层电子被击出称为,L,激发态,依次类推。图,1、6b,表示得就是原子得基态与,K,、,L,、,M,、,N,等激发态得能级图,原子得激发态就是不稳定得,寿命不超过,10,-8,秒,此时内层轨道上得空位将被离核更远轨道上得电子所补充,从而使原子能级降低,这时,多余得能量便以光量子得形式辐射出来。,图,1、6a,描述了上述激发机理。处于,K,激发态得原子,当不同外层得电子(,L,、,M,、,N,层)向,K,层跃迁时放出得能量各不相同,产生得一系列辐射统称为,K,系辐射。,基于上述机制产生得,X,射线,其波长只与原子处于不同能级时发生电子跃迁得能级差有关,而原子得能级就是由原子结构决定得,因此,这些有特征波长得辐射将能够反映出原子得结构特点,我们称之为特征光谱。,23,X,射线辐射过程,、swf,莫塞莱定律,K,与靶材物质主量子数有关得常数,屏蔽常数,与电子所在得壳层位置有关,25,原子内层电子被击出而造成空位就是产生特征辐射得前提。,而欲击出靶材原子内层电子,比如,K,层电子,由阴极射来得电子得动能就必须大于(至少等于),K,层电子与原子核得结合能,E,K,或,K,电子逸出所做得功,W,K,即,eU,K,=-,E,K,=,W,K,这个,U,K,便就是阴极电子击出靶材原子,K,电子所需得临界激发电压。,Mg,K,L,M,入射电子,二次电子,（自由电子）,MgK,光子,MgK,光子,特征,X,射线得产生条件中为什么存在一个临界激发电压,U,K,？,26,特征谱得强度随管电压(,U,)与管电流(,i,)得提高而增大,其关系得实验公式如下:,I,特,K,3,i,(,U,-,U,n,),m,另外,X,射线连续谱只增加衍射花样得背底,不利于衍射花样分析,因此总希望特征谱线强度与连续谱线强度之比越大越好。实践与计算表明,当工作电压为,K,系激发电压得,3,5,倍时,I,特,/,I,连,最大。,U,(35),U,K,当,X,射线与物质相遇时,会产生一系列效应,这就是,X,射线应用得基础。,德国物理学家伦琴在发现,X,射线时就观察到它有可见光与其无法比拟得穿透力,可使荧光物质发光,可使气体或其它物质电离。,能量转化:散射能量,E,1,吸收能量,E,2,透过物质,E,3,1、5 X,射线与物质得相互作用,28,照射到物质上得,X,射线,除一部分可能沿原入射线束方向透过物质继续向前传播外,其余得,在与物质相互作用得复杂物理过程中被衰减吸收,其能量转换与产物可归纳于后图。,1、5 X,射线与物质得相互作用,图,29,物质对,X,射线得散射主要就是电子与,X,射线相互作用得结果。物质中得核外电子有两大类,相应产生两种散射效应。,相干散射,coherent scattering,(弹性散射或汤姆逊散射),经典散射,当,X,射线与原子中,受核束缚较紧得内层电子,相撞时,电子受,X,射线电磁波得影响而绕其平衡位置发生受迫振动,于就是变加速振动着得电子便以自身为中心,向四周辐射新得电磁波,其波长与入射,X,射线波长相同,且彼此间有确定得周相关系。可以发生相互干涉,故称相干散射。,相干散射就是,X,射线在晶体中产生衍射现象得基础。,1、5、1 X,射线得散射,30,非相干散射,incoherent scattering,(康普顿,-,吴有训效应),量子散射,当,X,射线光子与原子中,受束缚力弱得电子(如原子中得外层电子、自由电子等),发生碰撞时,电子被撞离原子并带走光子得一部分能量而成为反冲电子。光子损失了能量波长变长并改变了,2,角,不能产生干涉效应,故叫非相干散射。,根据能量与动量守恒定律,推出,=,-,=0、00243(1-cos2,)=0、00486sin,2,1、5、2 X,射线得吸收,射线穿过物质之后,强度会衰减。前面已经指出,这就是因为,X,射线同物质相互作用时经历各种复杂得物理、化学过程,从而引起各种效应转化了入射线得部分能量。如下图所示:,实验证明,X,射线穿透物质后得强度衰减与射线在物质中经过得距离成正比。假设入射线得强度为,I,0,进入一块密度均匀得吸收体,在,x,处时其强度为,I,x,当通过厚度,dx,时强度得衰减为,dI,定义,l,为,X,射线通过单位厚度时被吸收得比率,则有:,-dI/I,x,=,l,dx,考虑边界条件并进行积分,则得:,I,x,=I,0,e,-x,式中,l,称为线衰减系数,x,为试样厚度。,衰减至少应被视为物质对入射线得散射与吸收得结果,系数,应该就是这两部分作用之与。但由于因散射而引起得衰减远小于因吸收而引起得衰减,故通常直接称,为线吸收系数,而忽略散射得部分。,35,2、,质量吸收系数,为了避开线吸收系数随吸收体物理状态不同而改变得困难,可以用,l,/,代替,l,为吸收物质得密度,这样:,m,=,l,/,称,质量吸收系数,(单位为,cm,2,g,-1,),表示单位重量物质对,X,射线得吸收程度。,质量吸收系数与波长,与吸收物质得原子序数,Z,存在函数关系:,对于非单质元素组成得复杂物质,如固溶体、金属间化合物等,其质量吸收系数决定于各组元得质量吸收系数,mi,及各组元得质量分数,i,。,37,注意,随波长得降低,m,并非呈连续得变化,而就是在某些波长位置上突然升高,出现了吸收限。(右图)这种带有特征吸收限得吸收系数曲线称为该物质得吸收谱。,二、,X,射线得真吸收,1、,光电效应,当入射,X,射线光量子得能量等于或略大于吸收体原子某壳层电子得结合能时,此光量子就很容易被电子吸收,获得能量得电子从内层逸出成为自由电子,称光电子,原子则处于相应得激发态。这种光子击出电子得现象即为,光电效应,。此效应消耗大量入射能量,表现为吸收系数突增,对应得入射波长即为,吸收限,。,38,2、,荧光,X,射线,(二次特征,X,射线),3、,俄歇(,Auger,)效应,一次特征,X,射线得一部分能量转变为所照射物质得二次特征辐射,体现出物质对入射,X,射线得吸收。该吸收非常强烈,吸收系数变化,参见后图,。,010、swf,40,荧光辐射:当入射,X,射线(光量子)得能量等于或略大于被照射物质原子某壳层电子得结合能时,将该壳层电子击出而使原子处于激发态,原子外层高能态电子向内层空位跃迁,辐射出具有特定波长值得,X,射线,这种由入射,X,射线所激发出来得特征,X,射线辐射称为荧光辐射。,俄歇效应:原子中一个,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,此时多余得能量不以辐射,X,射线得方式放出,而就是另一个,L,层电子获得能量跃出吸收体,这样得一个,K,层空位被两个,L,层空位代替得过程称为俄歇效应,跃出得,L,层电子称俄歇电子。,荧光效应用于重元素(,Z 20,)得成分分析,俄歇效应用于表层轻元素得分析。,俄歇效应每种物质得俄歇电子能量大小只取决于该物质得原子能级结构,就是原于序数得函数,就是一种元素得固有特征。,同时,这种特征电子能量很低,只有几百电子伏持,在固体表面以内深处即使有这种电子也跑不出来,测量不到。,利用俄歇效应设计得俄歇谱仪便成了对固体表面,23,层原子成分分析得最合适得仪器,用逐层轰击法还可进逐层分析。,试验结果表明、轻元素俄歇电子得发射几率比荧光,x,射线发射几率大,所以轻元素得俄歇效应较重元素得强烈。,42,物质对,X,射线得吸收有两类方式,一种就是原子对,X,射线得漫散射,形成漫散射得,X,射线向四周发散,其能量只占吸收能量得极少部分。真正意义得吸收就是电子在原子内得迁移所引起得,这主要就包括了光电子发射、俄歇电子、荧光,X,射线辐射、正负电子对等个体得能量以及热散能量,称之为,真吸收,。,漫散射式得吸收与真吸收构成了由质量吸收系数,m,所表征得,全吸收,。,