xray原理及与物质作用实用教案

会计学1xray原理原理(yunl)及与物质作用及与物质作用第一页，共78页。第1页/共77页第二页，共78页。第2页/共77页第三页，共78页。第3页/共77页第四页，共78页。第4页/共77页第五页，共78页。hp hchAI2第5页/共77页第六页，共78页。第6页/共77页第七页，共78页。第7页/共77页第八页，共78页。第8页/共77页第九页，共78页。第9页/共77页第十页，共78页。第10页/共77页第十一页，共78页。第11页/共77页第十二页，共78页。第12页/共77页第十三页，共78页。第13页/共77页第十四页，共78页。第14页/共77页第十五页，共78页。第15页/共77页第十六页，共78页。是连续变化是连续变化的，故称之的，故称之连 续连 续 X X 射 线射 线谱，即连续谱，即连续谱。谱。第16页/共77页第十七页，共78页。形成连续X射线谱。第17页/共77页第十八页，共78页。第18页/共77页第十九页，共78页。99的能量都转变为热能。KZViZiZVKXX2射线管功率射线总强度连续第19页/共77页第二十页，共78页。第20页/共77页第二十一页，共78页。第21页/共77页第二十二页，共78页。LKLKKhhWWh第22页/共77页第二十三页，共78页。第23页/共77页第二十四页，共78页。连续谱连续谱(软软X射射线线)高速运动的高速运动的粒子能量转粒子能量转换成电磁波换成电磁波谱图特征谱图特征: :强度随波长强度随波长连续变化连续变化是衍射分析的是衍射分析的背底背底; ;是医学采用的是医学采用的特征谱特征谱(硬硬X射射线线)高能级电子高能级电子回跳到低能回跳到低能级多余能量级多余能量转换成电磁转换成电磁波波仅在特定波仅在特定波长处有特别长处有特别强的强度峰强的强度峰衍射分析采用衍射分析采用第24页/共77页第二十五页，共78页。ZK1第25页/共77页第二十六页，共78页。第26页/共77页第二十七页，共78页。第27页/共77页第二十八页，共78页。cos10243. 0 第28页/共77页第二十九页，共78页。相干散射相干散射因为是相干波所以可以干涉加强因为是相干波所以可以干涉加强. .只有相干散射才能产生衍射只有相干散射才能产生衍射, ,所以相所以相干散射是干散射是X X射线衍射基础射线衍射基础不相干散射不相干散射因为不相干散射不能干涉加强产生因为不相干散射不能干涉加强产生衍射衍射, ,所以不相干散射只是衍射的背所以不相干散射只是衍射的背底底第29页/共77页第三十页，共78页。吸收过程。第30页/共77页第三十一页，共78页。第31页/共77页第三十二页，共78页。kkkhch3104 .12kkkkkkVeVhchceV第32页/共77页第三十三页，共78页。第33页/共77页第三十四页，共78页。第34页/共77页第三十五页，共78页。光电子光电子被被X X射线击出壳层的电子即射线击出壳层的电子即光电子光电子, ,它带有它带有壳层的特征能量壳层的特征能量, ,所以可用来进行成分分析所以可用来进行成分分析(XPS)(XPS)俄歇电子俄歇电子 高能级的电子回跳高能级的电子回跳, ,多余能量将同能级的另多余能量将同能级的另一个电子送出去一个电子送出去, ,这个被送出去的电子就是这个被送出去的电子就是俄歇电子俄歇电子带有壳层的特征能量带有壳层的特征能量(AES)(AES)二次荧光二次荧光 高能级的电子回跳高能级的电子回跳, ,多余能量以多余能量以X X射线形式射线形式发出发出. .这个二次这个二次X X射线就是射线就是二次荧光二次荧光也称荧也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量光辐射同样带有壳层的特征能量第35页/共77页第三十六页，共78页。散射散射散射无能力损失或损失相对较小散射无能力损失或损失相对较小相干散射是相干散射是X X射线衍射基础射线衍射基础, ,只有相干散射才只有相干散射才能产生衍射能产生衍射. .散射是进行材料晶体结构分析的工具散射是进行材料晶体结构分析的工具吸收吸收吸收是能量的大幅度转换吸收是能量的大幅度转换, ,多数在原子壳层多数在原子壳层上进行上进行, ,从而带有壳层的特征能量从而带有壳层的特征能量, ,因此是揭因此是揭示材料成分的因素示材料成分的因素吸收是进行材料成分分析的工具吸收是进行材料成分分析的工具可以在分析可以在分析成分成分的同时告诉你的同时告诉你元素价态元素价态第36页/共77页第三十七页，共78页。xIIdIdIIdI第37页/共77页第三十八页，共78页。第38页/共77页第三十九页，共78页。大得多，故大得多，故mmmm。质。质量吸收系数与量吸收系数与波长的三次方波长的三次方和元素的原子和元素的原子序数的三次方序数的三次方近似地成比例，近似地成比例，因此因此33ZKm第39页/共77页第四十页，共78页。第40页/共77页第四十一页，共78页。宏观表现宏观表现强度衰减与穿过物质的质量和厚度有关强度衰减与穿过物质的质量和厚度有关是是X X射线透射学的基础射线透射学的基础这就是质厚衬度这就是质厚衬度微观机制微观机制散射和吸收消耗了入射线的能量散射和吸收消耗了入射线的能量这与吸波原理是一样的这与吸波原理是一样的第41页/共77页第四十二页，共78页。光的方法之一是在光的方法之一是在X X射线出射的路径射线出射的路径上放置一定厚度的上放置一定厚度的滤波片，可以简便滤波片，可以简便地将地将KK和连续谱和连续谱衰减到可以忽略的衰减到可以忽略的程度。程度。第42页/共77页第四十三页，共78页。第43页/共77页第四十四页，共78页。第44页/共77页第四十五页，共78页。第45页/共77页第四十六页，共78页。第46页/共77页第四十七页，共78页。. .n4.X4.X射线管结构与工作原理射线管结构与工作原理第47页/共77页第四十八页，共78页。第48页/共77页第四十九页，共78页。第49页/共77页第五十页，共78页。第三章第三章 X射线衍射射线衍射(ynsh)分析分析第50页/共77页第五十一页，共78页。第二章第二章 X射线衍射射线衍射(ynsh)分析分析主要主要(zhyo)内容内容X射线的物理基础射线的物理基础 X射线衍射原理（布拉格方程射线衍射原理（布拉格方程(fngchng)） 样品制备及实验方法样品制备及实验方法 X射线衍射方法在材料研究中的应用射线衍射方法在材料研究中的应用第51页/共77页第五十二页，共78页。3.1 X射线的物理射线的物理(wl)基础基础一、一、X X射线的历史射线的历史(lsh)(lsh)18951895年，著名的德国物理学家年，著名的德国物理学家(w l xu ji)(w l xu ji)伦琴伦琴发现了发现了X X射线；射线； ntgen(1845-1923) 伦琴是德国维尔茨堡大学校长，第一届诺贝尔奖获得者。1895年他发现一种穿透力很强的一种射线。后来很快在医学上得到应用，也引起各方面重视。第52页/共77页第五十三页，共78页。伦琴夫人伦琴夫人(f (f rn)rn)的手的手X X照片照片戒指戒指第53页/共77页第五十四页，共78页。3.1 X射线的物理射线的物理(wl)基础基础19121912年，德国物理学家劳厄等人发现了年，德国物理学家劳厄等人发现了X X射线在晶体射线在晶体(jngt)(jngt)中的衍射现象，确证了中的衍射现象，确证了X X射线是一种电磁波。射线是一种电磁波。 劳厄劳厄德国物理学家德国物理学家(w l xu ji)(1879-1960)第54页/共77页第五十五页，共78页。第55页/共77页第五十六页，共78页。3.1 X射线的物理射线的物理(wl)基础基础19121912年，英国物理学家年，英国物理学家BraggBragg父子利用父子利用(lyng)X(lyng)X射线衍射测定了射线衍射测定了NaCINaCI晶体的结构，从此开晶体的结构，从此开创了创了X X射线晶体结构分析的历史。射线晶体结构分析的历史。布拉格父子(f z)：因他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献，共同荣获1915年诺贝尔物理学奖。 W(H(布拉格（布拉格（William Henry Bragg 18621942）W(L(布拉格（布拉格（William Lawrence Bragg 18901971）第56页/共77页第五十七页，共78页。1. X射线是一种电磁波，具有波粒二象性；射线是一种电磁波，具有波粒二象性； 2. X射线的波长：射线的波长： 102 103 3. X射线的射线的 （ ）、振动）、振动(zhndng)频峰频峰 和传播速度和传播速度C（ms-1）符合）符合 = c / 二、二、X X射线的本质射线的本质(bnzh)(bnzh)X射线的物理射线的物理(wl)基基础础第57页/共77页第五十八页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础第58页/共77页第五十九页，共78页。4. X射线可看成具有射线可看成具有(jyu)一定能量一定能量E、动量、动量P、质量、质量m的的X光流子光流子 E = hv （3-2） P = h / （3-3） h 为普朗克常数，为普朗克常数，h = 6.62617610-27尔格，尔格，是是1900年普朗克在研究黑体辐射时首次引年普朗克在研究黑体辐射时首次引进，它是微观现象量子特性的表征。进，它是微观现象量子特性的表征。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础第59页/共77页第六十页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础1）X射线具有很高的穿透能力，可以穿过射线具有很高的穿透能力，可以穿过(chun u)黑纸黑纸 及许多对于可见光不透明的物质；及许多对于可见光不透明的物质； 2）X射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片射线肉眼不能观察到，但可以使照相底片 感光。在通过一些物质时，使物质原子中的感光。在通过一些物质时，使物质原子中的 外层电子发生跃迁发出可见光；外层电子发生跃迁发出可见光； 3）X射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织射线能够杀死生物细胞和组织，人体组织 在受到在受到X射线的辐射时，生理上会产生一定射线的辐射时，生理上会产生一定 的反应。的反应。4） X射线可被铅吸收。射线可被铅吸收。特点特点(tdin)：第60页/共77页第六十一页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础三、三、X X射线的产生射线的产生(chnshng)(chnshng) 高速高速(o s)运动的运动的电子流电子流 射线射线 X 射线射线 中子流中子流高能高能 辐射流辐射流在突然被减速在突然被减速时均能产生时均能产生X射射线线第61页/共77页第六十二页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础 X X射线管射线管第62页/共77页第六十三页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础 X X射线管射线管图图3-3 X射线管示意图射线管示意图第63页/共77页第六十四页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础 X X射线机射线机图图3-2 X射线机的主要射线机的主要(zhyo)线路图线路图第64页/共77页第六十五页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础X X射线管射线管电子枪：产生电子并将电子束聚电子枪：产生电子并将电子束聚焦焦(jjio)(jjio)，钨丝烧成螺旋式，钨丝烧成螺旋式，通以电流钨丝烧热放出自由电子。通以电流钨丝烧热放出自由电子。 金属靶：发射金属靶：发射x x射线，阳极靶通射线，阳极靶通常由传热性好熔点较高的金属材常由传热性好熔点较高的金属材料制成，如铜、钻、镍、铁、铝料制成，如铜、钻、镍、铁、铝等。等。第65页/共77页第六十六页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础 整个整个X射线光管处于真空射线光管处于真空(zhnkng)状态。状态。当阴极和阳极之间加以数十千伏的高电压时，当阴极和阳极之间加以数十千伏的高电压时，阴极灯丝产生的电子在电场的作用下被加速并阴极灯丝产生的电子在电场的作用下被加速并以高速射向阳极靶，经高速电子与阳极靶的碰以高速射向阳极靶，经高速电子与阳极靶的碰撞，从阳极靶产生撞，从阳极靶产生X射线，这些射线，这些X射线通过用射线通过用金属铍（厚度约为金属铍（厚度约为0.2mm）做成的）做成的x射线管窗射线管窗口射出，即可提供给实验所用。口射出，即可提供给实验所用。 X射线管的工作(gngzu)原理：第66页/共77页第六十七页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础 X X射线管射线管第67页/共77页第六十八页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基基础础四、四、X X射线谱射线谱特征特征X X射线谱：特定波长射线谱：特定波长(bchng)(bchng)的的X X射线。产射线。产生：电子进入到生：电子进入到 阳极内部，将内部电子激发到高阳极内部，将内部电子激发到高能态能态 上，高能电子回落到低能位时放上，高能电子回落到低能位时放出的出的X X 射线。射线。X X射射线线谱谱连续连续X X射线谱：连续的各种射线谱：连续的各种( zhn)( zhn)波长的波长的X X射射线。产生：电线。产生：电 子在阳极表面受阻而产生。子在阳极表面受阻而产生。第68页/共77页第六十九页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础1 1、连续、连续(linx)X(linx)X射线谱射线谱图图 各管电压各管电压(diny)下下W的的连续谱连续谱 右图为不同管电压下右图为不同管电压下W的连的连续续X射线谱，其射线谱，其总强度等于曲线总强度等于曲线下面的积分面积。下面的积分面积。实验表明：实验表明：I连续连续 K i Z V mk 1.1. x109 m 2i管电流，管电流， V管电压，管电压， Z原子序数原子序数 连续X射线的总强度正比于管电流、管电压及阳极材料原子序数。第69页/共77页第七十页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础图图 Mo靶靶的的X光谱（光谱（35kV时时）2 2、特征、特征(tzhng)X(tzhng)X射线谱射线谱 （标识（标识X X射线）射线） 右图为管电压右图为管电压(diny)35kV时时Mo的特征的特征X射线谱，其波长不连续，为射线谱，其波长不连续，为特定波长。特定波长。第70页/共77页第七十一页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础原子结构壳层理论原子结构壳层理论(lln) 高能电子撞击阳极靶时，会将阳极物高能电子撞击阳极靶时，会将阳极物质原子中质原子中K层电子撞出电子壳层，在层电子撞出电子壳层，在K壳层壳层中形成空位中形成空位(kn wi)，原子系统能量升，原子系统能量升高，使体系处于不稳定的激发态，按能量高，使体系处于不稳定的激发态，按能量最低原理，最低原理，L、M、N一层中的电子会跃人一层中的电子会跃人K层的空位层的空位(kn wi)，为保持体系能量平，为保持体系能量平衡，在跃迁的同时衡，在跃迁的同时，这些电子会将多，这些电子会将多余的能量以特定波余的能量以特定波长的长的X射线光量子射线光量子的形式释放，形成的形式释放，形成了特征了特征X射线。射线。第71页/共77页第七十二页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础 K系标识系标识X射线：射线： 对于对于(duy)从从L，M，N 壳壳层中电子跃入层中电子跃入K壳层空位时所释壳层空位时所释放的放的X射线，分射线，分别称之为别称之为K 、 K 、 K谱谱线，共同构成线，共同构成K系标识系标识X射线。射线。（L L、MM系特征系特征X X射线波长射线波长(bchng)(bchng)较长，强度弱，容易被吸较长，强度弱，容易被吸收，故很少）收，故很少）（每种元素都有其特定的特征（每种元素都有其特定的特征X X谱线，因此，可用特征谱线，因此，可用特征X X射线的波射线的波长长(bchng)(bchng)来识别化学元素，进而进行成分分析，如：来识别化学元素，进而进行成分分析，如：X X荧光荧光光谱分析、电子探针分析、电镜能谱分析等。）光谱分析、电子探针分析、电镜能谱分析等。）第72页/共77页第七十三页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基础基础 产生物理、化学和生化作用，引起各种效应，如：产生物理、化学和生化作用，引起各种效应，如： 使一些物质发出可见使一些物质发出可见(kjin)的荧光；的荧光； 破坏物质的化学键，使新键形成，促进物质的合成破坏物质的化学键，使新键形成，促进物质的合成 ；引起生物效应，导致新陈代谢发生变化；引起生物效应，导致新陈代谢发生变化；五、五、X X射线与物质射线与物质(wzh)(wzh)的相的相互作用互作用 X X射线与物质相互作用时，产生各种不同的和复杂的过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，一束程。就其能量转换而言，一束X X射线通过物质时，可分为三部射线通过物质时，可分为三部分：分：一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播来的方向传播。第73页/共77页第七十四页，共78页。X射线的物理射线的物理(wl)基基础础图图38 X射线与物质射线与物质(wzh)作用作用示意图示意图第74页/共77页第七十五页，共78页。散射散射(snsh)相干散射相干散射：弹性碰撞过程弹性碰撞过程，X射线光子只改变方向，射线光子只改变方向， 不发生能量损耗，波长不变。不发生能量损耗，波长不变。不相干散射不相干散射：非弹性碰撞过程非弹性碰撞过程，X射线光子不仅改变射线光子不仅改变 方向，同时还发生能量损耗，波长发生方向，同时还发生能量损耗，波长发生 改变。改变。第75页/共77页第七十六页，共78页。 物质对物质对X射线的吸收指的是射线的吸收指的是X射线能量在通过射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量，物质时转变为其它形式的能量，X射线发生了能量射线发生了能量损耗。物质对损耗。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁子跃迁(yuqin)而引起的。这个过程中发生而引起的。这个过程中发生X射射线的光电效应和俄歇效应。两种效应分别产生光电线的光电效应和俄歇效应。两种效应分别产生光电子和俄歇电子，同时产生荧光子和俄歇电子，同时产生荧光X射线。射线。第76页/共77页第七十七页，共78页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第77页/共77页第七十八页，共78页。