第一章 X射线物理学基础.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,*,第一章,X,射线物理学基础,1985,年德国物理学家伦琴,发现，故又称伦琴射线。,威尔姆,康拉德,伦琴（德语：,Wilhelm Conrad Roentgen,，,1845.3.27-1923.2.10,）,1910,年诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于这一发现而获得了这一年的诺贝尔奖物理学奖。,1-1,X,射线的本质,1-2,X,射线的产生,及,X,射线谱,1-3,X,射线与物质相互作用,1-4,X,射线的探测与防护,返回,主要内容,X,射线的本质是,电磁辐射,，与可见光完全相同。,X,射线是一种,波长很短,的,电磁波,，具有,波粒二象性,，能被物质吸收，会产生干涉、衍射和光电效应等现象。,与可见光比较，差别主要在,波长和频率,。,1-1 X,射线的性质,劳埃,亨利,布拉格,劳伦斯,布拉格,电磁波谱,10,22,10,20,10,18,10,16,10,14,10,12,10,10,10,8,10,6,10,4,10,-14,10,-12,10,-10,10,-8,10,-6,10,-4,10,-2,10,0,10,2,10,4,波长/,m,频率/,Hz,宇宙线,射线,X,射线,紫 外,可见光,微 波,红 外,无线电,（参见,P6,图1-1）,电磁波谱,(1),波动性,X,射线的波长范围：,0.01-10,nm,用于衍射分析（,晶体结构）的,X,射线的波长范围为,0.05-0.25 nm,。,0.05-1,主要用于金属探伤等,表现形式：在晶体作衍射光栅观察到的,X,射线的衍射现象,，即证明了,X,射线的,波动性,。,光的衍射,硬,X,射线：,波长较短（,0.01nm,0.1nm,之间）的硬,X,射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。,软,X,射线：,波长较长,（,0.1nm,以上）的软,X,射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析。,X,射线的分类,X,射线波长的度量单位常用埃（,）,或晶体学单位（,kX）,表示；通用的国际计量单位中用纳米（,nm）,表示，它们之间的换算关系为：,1nm=10,=10,-9,m,1kX=1.0020772,0.000053,(1973,年值)。,(2),粒子性,特征表现,:,以光子形式辐射和吸收时具有的一定的,质量、能量和动量,。,表现形式,:,在与物质相互作用时,交换能量,。,如光电效应；二次电子等。,X,射线的频率,、,波长,以及其光子的能量,E、,动量,p,之间存在如下关系：,式中,:,h,普朗克常数，等于6.62,6,10,-34,Js;c,光速，等于2.998,10,10,cm/s.,相关习题：,1.试计算波长0.71,（Mo-K）,和1.54,（Cu-K）,的,X,射线束的频率和每个光量子的能量解答,解答：,波动性,粒子性,波粒二象性,（,wave-particle duality,）：一切物质同时具备波的特质及粒子的特质。,波粒二象性是量子力学中的一个重要概念。,1-1 X,射线的性质,1-2 X,射线的产生及,X,射线谱,(1)产生原理,(2)产生条件,(3)过程演示,(4),X,射线管,(5)其它,X,射线装置,（,1,）产生原理,高速运动的电子与物体碰撞时，发生,能量转换,。,电子的运动受阻失去动能，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。,（,2,）产生条件,产生,自由电子,；,使电子作,定向的高速运动,;,在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然,减速或停止,。,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,（,3,）过程演示,(4)X,射线管,X,射线管的结构；,特殊构造的,X,射线管；,市场上供应的种类。,X,射线管的结构,封闭式,X,射线管实质上就是一个大的真空,（,10,-5,10,-7,mmHg,）,二极管。基本组成包括：,(1),阴极,：阴极是发射电子的地方。,(2),阳极,：亦称靶，是使电子突然减速和发射,X,射线的地方。,(3)窗口：窗口是,X,射线从阳极靶向外射出的地方。,(4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出,X,射线。,X,射线管的结构,特殊构造的,X,射线管,(1)细聚焦,X,射线管；,(2)旋转阳极,X,射线管。,市场上供应的种类,(1)密封式灯丝,X,射线管；,(2)可拆式灯丝,X,射线管。,（,4,）,X,射线谱,由,X,射线管发射出来的,X,射线可以分为两种类型：,连续,X,射线谱；,特征,X,射线谱。,连续,X,射线,具有连续波长的,X,射线，构成连续,X,射线谱，它和可见光相似，亦称多色,X,射线。,产生机理；,短波限；,X,射线的强度,。,产生机理,能量为,eV,的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为,hv,的光子，这样的光子流即为,X,射线,。,单位时间内到达阳极靶面的电子数目是,极大量,的，绝大多数电子要经历,多次碰撞,，产生能量各不相同的辐射，因此出现,连续,X,射线谱。,连续,X,射线,短波限,连续,X,射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限,0,。,它是由光子,一次,碰撞就耗尽能量所产生的,X,射线。,它只与管电压有关，不受其它因素的影响。,相互关系为：,连续,X,射线,式中：,e,电子电荷，等于,1.602,10,-19,C,；,V,电子通过两极时的电压降，,V,；,h,普朗克常数，,6.626,10,-34,J,s,。,习题,试计算用50千伏操作时，,X,射线管中的电子在撞击靶时所发射的,X,射线短波限为多少？,连续,X,射线,X,射线的强度,X,射线的强度：垂直,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,。,常用的单位是,J/cm,2,s,。,X,射线的强度,I,：由光子能量,hv,和它的数目,n,两个因素决定的,即,I=nhv,。,连续,X,射线强度最大值在,1.5,0,而不在,0,处。,连续,X,射线,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。也是阳极靶发射出的,X,射线的,总能量,。,实验证明，,I,与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系：,X,射线管的效率为:,连续,X,射线,X,射线的强度,特征（标识）,X,射线谱,在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，它和可见光中的单色相似，亦称,单色,X,射线,。,标识,X,射线的特征,产生机理,过程演示,K,系激发机理,莫塞莱定律,标识,X,射线的强度特征,特征（标识）,X,射线的特征,当加于,X,射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值,U,k,时，在连续谱的某些特定的波长位置上，会出现,一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱,，他们的波长对,一定材料的阳极靶有严格恒定的数值,，此波长可作为阳极靶材的标志或特征，故称为特征谱或标识谱。,当电压达到临界电压时，标识谱线的,波长不再变,，,强度随电压增加,。,如钼靶,K,系标识,X,射线有两个强度高峰为,K,和,K,，,波长分别为0.71,和0.63,。,特征（标识）,X,射线谱,产生机理,标识,X,射线谱的产生相理与阳极物质的,原子内部结构紧密,相关的。,原子系统内的电子按,泡利不相容原理和能量最低原理,分布于各个能级。,在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于,不稳定激发态,。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出,标识,X,射线谱,。,特征（标识）,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,K,辐射,K,辐射,L,辐射,过程演示,特征（标识）,X,射线谱,K,系激发机理,K,层电子被击出时，原子系统能量由基态升到,K,激发态，高能级电子向,K,层空位填充时产生,K,系辐射。,L,层电子填充空位时，产生,K,辐射；,M,层电子填充空位时产生,K,辐射。,特征（标识）,X,射线谱,标识,X,射线产生过程,由能级可知,K,辐射的光子能量大于,K,的能量，但,K,层与,L,层为相邻能级，故,L,层电子填充几率大，所以,K,的强度约为,K,的5倍。,产生,K,系激发要阴极电子的能量,eV,k,至少等于击出一个,K,层电子所作的功,W,k,。,V,k,就是激发电压。,特征（标识）,X,射线谱,K,系激发机理,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,关系为：,特征（标识）,X,射线谱,特征,X,射线的强度特征,K,系特征,X,射线的强度,I,与管电压,U,、管电流,i,的关系为：,I,特,=K,3,i,（,U-U,n,）,m,当,I,特,/,I,连,最大，工作电压为,K,系激发电压的3,-,5倍时，连续谱造成的衍射背影最小。,特征（标识）,X,射线谱,13 X,射线与物质相互作用,X,射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过程。就其能量转换而言，一束,X,射线通过物质时，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。,X,射线的散射,；,X,射线的吸收,；,X,射线的衰减规律；,吸收限的应用；,总结,。,（,1,）,X,射线的散射,X,射线被物质散射时，产生两种现象：,相干散射；,非相干散射。,相干散射（,coherent scattering,）,物质中的电子在,X,射线电场的作用下，产生,强迫振动,。,这样每个电子在各方向产生与入射,X,射线,同频率,的电磁波。,新的散射波之间发生的干涉现象称为,相干散射,。,X,射线的散射,非相干散射,（,incoherent scattering,量子散射）,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获得一部分动能成为反冲电子，,X,射线光子离开原来方向，,能量减小,，波长增加的非相干散射波。,非相干散射是康普顿（,A.H.Compton）,和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称,康普顿,-,吴有训效应,。,非相干散射突出地表现出,X,射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称,量子散射,。,它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。,X,射线的散射,（,2,）,X,射线的吸收,物质对,X,射线的吸收：,X,射线能量在通过物质时,转变为其它形式的能量,，,X,射线发生了,能量损耗,。,主要表现在对物质原子中的,内层电子的激发,和,随后产生的各种过程,。,它主要包括,光电效应,（二次特征幅射）和,俄歇效应,等。,光电效应,俄歇效应,光电效应,当用,X,射线轰击物质时，若,X,射线的能量,大于,物质,原子对其内层电子的束缚力,时，入射,X,射线光子的能量就会被吸收，从而也导致其,内层电子（如,K,层电子）被激发,，并使高能级上的,电子,产生跃迁，发射新的特征,X,射线。,爱因斯坦,光电效应,光电效应,为与入射的,X,射线相区别，我们称,X,射线激发的特征,X,射线为,二次特征,X,射线,或,荧光,X,射线,。这种原子被入射辐射电离的现象称为,光电效应,。,被击出的电子称,光电子,。,产生的二次特征,X,射线的波长与激发它们所需的能量取决于物质的原子种类和结构。,光电效应,(nm),要使,K,层电子产生光电效应：,hv,W,k,;,W,k,=eV,k,其中：,W,k,为,K,层电子的逸出功,k,：,能引起光电效应的入射,X,射线的最大波长（,nm,）,V,k,：激发电压，,kV,k,从激发光电效应的角度说，称为,激发限波长,，意义是只有入射的,X,射线波长,达到或小于,它时，才能激发物质的二次特征,X,射线。,从,X,射线吸收的角度看，称为,吸收限波长,。意义是当入射的,X,射线的波长达到它时，入射,X,射线将被强烈吸收，并产生光电效应。,K,线和,K,线发射分别对应于,L,到,K,和,M,到,K,能级之间的电子跃迁，因此，对于一个给定的元素，就有,k,吸收,k,发射,k,发射,俄歇效应,由于光电效应，处于激发态的原子还有一种释放能量的方式，即俄歇效应。,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,层填补空位，此时多余的能量不以辐射,X,光量子的方式放出，而是另一个,L,层的电子获得能量跃出吸收体，这样的一个,K,层空位被两个,L,层空位代替的过程称为俄歇效应。,跃出的,L,层电子,俄歇电子,。,能量,E,kLL,是吸收体元素的特征。,荧光,X,射线,和,俄歇电子,都是被照物质化学成分的信号。,俄歇效应,（,3,）,X,射线的衰减规律,当一束,X,射线通过物质时，由于,散射,和,吸收,的作用使其透射方向上的强度衰减。,衰减的程度,与所经过物质中的,距离,成,正比,。,式,其中,：,m,质量衰减系数,质量衰减系数,m,表示,单位重量物质,对,X,射线强度的衰减程度。,质量衰减系数与波长和原子序数,Z,存在如下近似关系：,K,为常数,m,随,的变化是不连续的，其间被尖锐的突变分开。突变对应的波长为,K,吸收限。,（,4,）吸收限的应用,吸收限主要是由,光电效应,引起的。,当,X,射线的波长等于或小于,时光子的能量,E,到击出一个,K,层电子的功,W，X射线被吸收，激发光电效应,使,m,突变性增大。,吸收限与原子能级的,精细结构,对应。,如,L,系有三个副层，有三个吸收限。,滤波片的选择,:,(1)它的吸收限位于辐射源的,K,和,K,之间，且尽量靠近,K,。,强烈吸收,K,，K,吸收很小；,k,k,k,（,4,）吸收限的应用,滤波片的选择,:,(2)滤波片的选择以将,K,强度降低一半最佳。,Z,靶,40时，,Z,滤片,=,Z,靶,-1；,Z,靶,40,时，,Z,滤片,=,Z,靶,-2；,（,4,）吸收限的应用,阳极靶的选择,:,（1）阳极靶,K,波长稍,大于,试样的,K,吸收限；,（2）试样对,X,射线的吸收最小。,Z,靶,Z,试样,+1。4,）吸收限的应用,/nm,m,（,cm,2,/g),光源的波长与试样吸收谱的关系,（,5,）,X,射线与物质相互作用的总结,=,0,0,反冲电子,俄歇电子,光电子,不相干散射,俄歇效应,光电效应,+,-,swL,0,I,0,m,t,热能,透射,X,射线衰减后的强度,散射,X,射线,电子,荧光,X,射线,k,0,相干散射,F(,滤波片,),散射,吸收,透过,1-4 X,射线的探测与防护,（1),X,射线的探测；,（2）,X,射线的安全防护。,X,射线的探测,荧光屏法；,照相法；,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可以用来检查,X,射线的存在与否和测量其强度。按照这种原理制成的探测,X,射线的仪器电离室和各种计数器。,PRM-3020 X,、,及中子射线快速检测仪,PRM-3020,X,射线的安全防护,X,射线设备的操作人员可能,遭受电震,和,辐射损伤,两种危险。,电震的危险在高压仪器的周围是经常存在的，,X,射线的,阴极端,为,危险的源泉,。在安装时可以把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等方法加以保证。,辐射损伤：,过量的,X,射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人的精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液的组成和性能改变以及影响生育等。,安全措施,：严格遵守安全条例、配带笔状剂量仪、避免身体直接暴露在,X,射线下、定期进行身体检查和验血。,知识要点,1.X,射线的发现。,2.X,射线的性质。,3.X,射线管的结构和组成，各个部分的作用。,4.X,射线与物质相互作用。,作业,1,、名词解释,相干散射 不相干散射 俄歇效应,荧光辐射 光电效应,2,、试计算用50千伏操作时，,X,射线管中的电子在撞击靶时所发射的,X,射线短波限为多少？,3,、简述,X,射线的产生及其与物质的相互作用。,