第一章X射线的性质

第一章第一章X X 射线的性质射线的性质1.1 1.1 X X射线的物理学基础射线的物理学基础1.1.1 1.1.1 X X射线的本质射线的本质 18951895年德国科学家伦琴在研究高能电子与物质年德国科学家伦琴在研究高能电子与物质相互作用时发现了一种射线由于其不可见、不可相互作用时发现了一种射线由于其不可见、不可知其本质，故命名为知其本质，故命名为X X射线。射线。基本特征：基本特征：a a）穿透力强穿透力强医疗医疗 b b）能使底片感光能使底片感光 c c）能使荧光物质发光能使荧光物质发光 d d）能使气体电离能使气体电离 e e）对生物细胞有杀伤作用对生物细胞有杀伤作用 研究发现研究发现X-X-射线和无线电波、可见光一样射线和无线电波、可见光一样都是电磁波，只不过波长很短，在都是电磁波，只不过波长很短，在10106 610101010CMCM之间。之间。图图1 11 1光谱与分析方法的对应图。光谱与分析方法的对应图。它与其他电磁波一样，具有它与其他电磁波一样，具有波粒二象性波粒二象性即：它既有波动的属性，同时又具有粒子的属性即：它既有波动的属性，同时又具有粒子的属性 X X射线之间相互作用射线之间相互作用 表现出波动性表现出波动性 与粒子相互作用与粒子相互作用 表现出粒子的特性表现出粒子的特性 这种光量子的能量、动量波长遵循爱因斯坦公这种光量子的能量、动量波长遵循爱因斯坦公式：即波粒二象性的统一联系。式：即波粒二象性的统一联系。式中式中 hh普朗克常数，等于普朗克常数，等于6 662510625103434J.SJ.S cX cX射线的速度，等于射线的速度，等于2.998102.998108 8 m mscsc X X射线的波长较可见光短得多，所以能量和动射线的波长较可见光短得多，所以能量和动量很大，具有更强的穿透能力。量很大，具有更强的穿透能力。1.1.2 1.1.2 X X射线的产生射线的产生 获得获得X X射线的方法是多种多样的，如同步辐射射线的方法是多种多样的，如同步辐射等等，但大多数射线源都是由等等，但大多数射线源都是由X X射线发生器产生的，射线发生器产生的，最简单的最简单的X X射线发生器是射线发生器是X X射线管。射线管。下面以常用的封闭式下面以常用的封闭式X X射线管为例来说明射线管为例来说明X X射射线管的基本构造。线管的基本构造。图图1 12 2是是X X射线管的剖面示意图。射线管的剖面示意图。主要有以下几个部分组成：主要有以下几个部分组成：(1)(1)阴极：阴极是发射电子的地方。它是由绕成阴极：阴极是发射电子的地方。它是由绕成 螺线形的钨丝制成。螺线形的钨丝制成。(2)(2)阳极阳极：又称靶，材料有：又称靶，材料有Cu Cu、Cr Cr、FeFe、CoCo等等 。(3)(3)窗口：材料是铍片窗口：材料是铍片 。(4)(4)焦点焦点：指阳极靶面被电子束轰的地方：指阳极靶面被电子束轰的地方 1.1.3 1.1.3 X X射线谱射线谱 由由X X射线管发射出来的射线管发射出来的X X射线可以分为两种类型。射线可以分为两种类型。(1)(1)连续连续X X射线谱射线谱 ：定义：高速运动的带电粒子受阻而减速时，都会产定义：高速运动的带电粒子受阻而减速时，都会产生电磁辐射，这种辐射称之为韧致辐射。由于电子生电磁辐射，这种辐射称之为韧致辐射。由于电子与阳极碰撞的无规律性，因而其与阳极碰撞的无规律性，因而其X X射线的波长是连续射线的波长是连续分布的分布的 ，故叫做连续，故叫做连续X X射线谱。其谱形射线谱。其谱形如图如图1-5 1-5(2)(2)特征特征X X射线射线 ：定义：原子外层电子向内层跃迁所产生的定义：原子外层电子向内层跃迁所产生的X X射线叫做射线叫做特征特征X X射线，又叫标识射线，又叫标识X X射线。由特征射线。由特征X X射线构成的射线构成的X X射线谱叫特征射线谱叫特征x x射线谱，产生的原理射线谱，产生的原理见图见图1 16 6。特征特征X X射线产生的根本原因射线产生的根本原因是原子内层电子的跃迁，它的波是原子内层电子的跃迁，它的波长与原子序数服从莫塞莱定律长与原子序数服从莫塞莱定律。(3)(3)X X射线的强度射线的强度 强强度度定定义义：在在垂垂直直于于X X射射线线传传播播方方向向的的单单位位截截面面上上在单位时间内通过的光子能量的总和在单位时间内通过的光子能量的总和。即：即：X X射线强度射线强度 I I 是由是由 光子的能量光子的能量 h h 和它和它的数目的数目n n 这两个因素决定的，即这两个因素决定的，即:I=n h I=n h X X射线管在一定的管电压下每秒钟所发射的连射线管在一定的管电压下每秒钟所发射的连续续X X射线总强度就用连续谱中每条曲线下的面积表射线总强度就用连续谱中每条曲线下的面积表示：示：I I连连 =0 0I I d d .(其中其中 I I 称为对于波长称为对于波长 的强度密度。的强度密度。)用用KulenkampffKulenkampff 的经验公式的经验公式：I I d d =Ai Z=Ai Z（1/1/2 2）（1/1/0 0 1/1/）d d .积分后得到的总强度即发射积分后得到的总强度即发射X X射线的总能量，射线的总能量，为：为：I I连连 =0 0 I I d d =AiZ AiZ/2/2 0 02 2 =K i Z U=K i Z U2 2.(A (A、K K均为常数均为常数)1.1.4 1.1.4 X X射线的性质射线的性质一：一：X X射线的散射射线的散射 物质对物质对X X射线的散射主要是电子与射线的散射主要是电子与x x射线的相互射线的相互作用的结果。核外电子可分为两大类：原子核束缚作用的结果。核外电子可分为两大类：原子核束缚不紧的和原子核束缚较紧的电子，不紧的和原子核束缚较紧的电子，X X射线照射到物质射线照射到物质表面后对于这两类电子会产生两种散射效应。表面后对于这两类电子会产生两种散射效应。(1)(1)相干散射相干散射：与原子相互作用后光子的：与原子相互作用后光子的能量（波能量（波长）不变长）不变，而只是，而只是改变了方向。改变了方向。这种散射称之为相这种散射称之为相干散射。相干散射的首要条件是入射干散射。相干散射的首要条件是入射X X射线的波长，射线的波长，必须一致。这就决定了必须一致。这就决定了X X射线衍射只能用特征射线衍射只能用特征X X射线射线来进行。来进行。(2)(2)非相干散射非相干散射:与原子相互作用后光子的能量一部与原子相互作用后光子的能量一部分传递给了原子，这样入射光的分传递给了原子，这样入射光的能量改变了，方向能量改变了，方向亦改变了亦改变了，它们不会相互干涉。称之为非相干散射。，它们不会相互干涉。称之为非相干散射。二：二：X X射线的真吸收射线的真吸收 吸收吸收:物质对物质对X X射线的吸收指的是射线的吸收指的是x x射线能量在通射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量。对过物质时转变为其它形式的能量。对X X射线而言，射线而言，即发生了能量损耗。有时即发生了能量损耗。有时把把X X射线的这种能量损耗射线的这种能量损耗称为真吸收称为真吸收。(1)(1)光电效应光电效应 当一个具有足够能量的光子从原于内部击出一当一个具有足够能量的光子从原于内部击出一个个K K层电子时，同样会发生象电子激发原子时类似层电子时，同样会发生象电子激发原子时类似的辐射过程，即产生标识的辐射过程，即产生标识X X射线。这种以光子激发射线。这种以光子激发原子所发生的激发和辐射过程称为光电效应，被击原子所发生的激发和辐射过程称为光电效应，被击出的电子称为光电子，所辐射出的次级标识出的电子称为光电子，所辐射出的次级标识X X射线射线称为荧光称为荧光X X射线射线(或称二次标识或称二次标识X X射线射线)。光子光子 击出某层电子击出某层电子 光电效应光电效应 (2)(2)俄歇效应俄歇效应 处于处于K K激发态的原子能量激发态的原子能量(E EK KEEL L)如还能继续如还能继续产生二次电离使另一个核外电子脱离原子变为二产生二次电离使另一个核外电子脱离原子变为二次电子，如次电子，如E EK KEEL LE EL L，它就可能使它就可能使L L、M M、N N等层的等层的电子逸出，这种二次电子称为电子逸出，这种二次电子称为KLKL电子，它的能量电子，它的能量有固定值，近似地等于有固定值，近似地等于“E EK K-E-EL L”这种具有特征能这种具有特征能量的电子就是俄歇电子。量的电子就是俄歇电子。三：三：X X射线的衰减规律射线的衰减规律 （1 1）质量吸收系数）质量吸收系数 实验证明：当一束实验证明：当一束X X射线通过物质时，由于散射和射线通过物质时，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小的距离成正比，度与所经过物质小的距离成正比，如图如图1 17 7所示所示。强度的相对变化为：强度的相对变化为：质量吸收系数质量吸收系数:m m=/,m m=K=K3 3Z Z3 3 吸收系数与波长并不是单调的增减关系，一般吸收系数与波长并不是单调的增减关系，一般时，波长越短，穿透能力越强，吸收系数越小，但时，波长越短，穿透能力越强，吸收系数越小，但在吸收体的在吸收体的K K、L L线系区，吸收系数跳跃上升这表明，线系区，吸收系数跳跃上升这表明，吸收体对吸收体对X X射线发生了真吸收，该波长点称之为吸射线发生了真吸收，该波长点称之为吸收体的吸收限。收体的吸收限。(2)(2)激发限和吸收限激发限和吸收限定义：定义：要激发被照物质产生要激发被照物质产生K K系荧光辐射，入射系荧光辐射，入射X X射线必须具有的波长的临界值射线必须具有的波长的临界值 0.0.能量转换：能量转换：入射入射X X光子的能量必须大于或至少等于光子的能量必须大于或至少等于从被照物质原子中击出从被照物质原子中击出 一个一个k k层电子所需做的功：层电子所需做的功：w wk k=h =h k k=hc hc/k k=eu eu k k k k=hc hc/eueu k k=12.4/u =12.4/u k k (A)(A)从激发光电效应的角度，称从激发光电效应的角度，称 k k 为为 激发限激发限。然而，从吸收入射然而，从吸收入射X X射线的角度，称射线的角度，称 k k 为为 吸收吸收限限。这一光电吸收过程同样可以发生在这一光电吸收过程同样可以发生在L L，M M，N N，系：系：（3 3）吸收限的应用）吸收限的应用 选靶：选靶：选靶的目的：选靶的目的：不产生样品的不产生样品的 k k 系荧光，试样对入射系荧光，试样对入射X X射线的吸收也最小。射线的吸收也最小。选靶的方法：选靶的方法：选靶材料的单色选靶材料的单色 X X射线波长射线波长k k稍大稍大于样品的于样品的k k原则：原则：Z Z靶靶 Z Z 样品样品+1+1；或或 Z Z靶靶 Z Z样品样品 这样选择就可避免样品的真吸收这样选择就可避免样品的真吸收例：例：纯纯 FeFe26 26 试样用试样用 CoCo27 27 靶最理想，也可用靶最理想，也可用 Fe Fe 靶。靶。不可用不可用 Ni Ni 28 28 靶、靶、CuCu29 29 靶。（靶。（Fe:Fe:k k=1.74A=1.74A0 0 ,k k=1.79A=1.79A0 0 ,k k=1.94A=1.94A0 0 ）若试样由多种元素组成，原则上应以其全部组若试样由多种元素组成，原则上应以其全部组元中原子序数最小的元素来选靶元中原子序数最小的元素来选靶滤波：滤波：目的目的：许多许多X X射分析工作，都要求使用单色底射分析工作，都要求使用单色底X X射线，射线，但是一般我们是用的靶材但是一般我们是用的靶材K K线系射线均有两条线线系射线均有两条线K K、K K，K K线强度高选此作为分析用；而射线线强度高选此作为分析用；而射线K K是有是有害的必须滤去它。害的必须滤去它。方法：方法：利用吸收限两边吸收系数相差十分悬殊的特利用吸收限两边吸收系数相差十分悬殊的特点，选取一适当厚度的材料，使它的吸收限正好位点，选取一适当厚度的材料，使它的吸收限正好位于入射线靶的于入射线靶的K K线与线与K K线之间，将此材料放入线之间，将此材料放入入射线与分析试样之间即可滤去入射线与分析试样之间即可滤去K K线，线，如下图如下图1 18 8。原则原则：Z靶40时 Z滤波片=Z靶-2 例：Mo42 靶Zr40滤波 Cu29靶 Ni28 滤波 示意图一、示意图二。四：四：X X射线的防护射线的防护 X X射线对人体有害的，且其损害性是一个积射线对人体有害的，且其损害性是一个积累过程，实验时，应尽可能避免一切不要的照射累过程，实验时，应尽可能避免一切不要的照射 同时亦不必紧张，任何现代分析仪器均有较好的同时亦不必紧张，任何现代分析仪器均有较好的防护措施，只要严格遵守实验室的有关规定，安防护措施，只要严格遵守实验室的有关规定，安全是绝对有保障的。全是绝对有保障的。本章小结本章小结一一.X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用穿透穿透入射入射X射线透过物质沿原方向的传播射线透过物质沿原方向的传播相干散射相干散射:入射入射X射线与试样物质中的电子相互作用，散射波射线与试样物质中的电子相互作用，散射波之间发生相互干涉的散射现象称为相干散射。之间发生相互干涉的散射现象称为相干散射。散射散射非相干散射非相干散射:入射入射X射线与试样物质中的电子产生弹性碰撞，射线与试样物质中的电子产生弹性碰撞，产生新的光子和反冲电子的过程（康吴效应）产生新的光子和反冲电子的过程（康吴效应）吸收吸收入射入射X射线的能量在通过物质时，转变为其它形式的能量，其射线的能量在通过物质时，转变为其它形式的能量，其本身能量被消耗的现象本身能量被消耗的现象入射入射x射线射线强度强度I0散射散射X射线射线相干相干非相干非相干电子电子反冲电子反冲电子俄歇电子俄歇电子光电子光电子荧光荧光X射线射线透射透射x射线射线热能热能康普顿效应康普顿效应光电效应光电效应俄歇效应俄歇效应图图1-9.X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用1二二.重要的概念和公式：重要的概念和公式：1.1.高能粒子与物质相互作用高能粒子与物质相互作用 特征辐射（特征特征辐射（特征X X射线）：射线）：入射电子入射电子，击出，击出k k层层电子，电子，发出具有特定波长的发出具有特定波长的x x光子光子。光电效应（荧光辐射）：光电效应（荧光辐射）：入射入射x x光子光子，击出内层，击出内层电子电子光电子，光电子，发出发出x x光子光子(荧光荧光X X射线射线)。俄歇效应俄歇效应：入射入射x x光子光子，击出一个，击出一个k k层电子，层电子，L L层层一电子跃入一电子跃入 填充，再使填充，再使L L层上一电子成自由电子层上一电子成自由电子(KL2L2 KL2L2 AugerAuger电子电子)。2.2.X X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 穿透系数穿透系数：单色：单色 x x 射线穿过一层均匀物质时，射线穿过一层均匀物质时，强度衰减的程度强度衰减的程度:It/IIt/I0 0=e=e t t=e=e m m t t ,m m=/.线线吸吸收收系系数数 (cm(cm-1-1)：表表征征沿沿x x射射线线穿穿透透方方向向上上单单位位体体积积物物质质对对x x射射线线强强度度的的衰衰减减程程度度。它它与与物质的密度物质的密度 成正比：成正比：=m m =（i iw wi i）m .m .质质量量吸吸收收系系数数 m m(cm(cm2 2g g-1-1 )：表表征征单单位位重重量量物物质质对对x x射射线线的的吸吸收收程程度度。不不随随物物态态变变化化而而变变化化，故故对波长一定的物质，对波长一定的物质，mm为一定值。为一定值。m m=mimiw wi i，m m=K=K 3 3 3 3 3.3.基本概念基本概念连续谱的短波限连续谱的短波限0 0：阴极电子与阴极电子与 靶靶 作用产生作用产生 X X光子时光子时,所能产生的所能产生的 X X射线的最短波长，对应电射线的最短波长，对应电子能量最大转变的极限情形。子能量最大转变的极限情形。eueu=h=h m m=hc hc/0 0 ,而而 0 0=k/u=12.4/u(nm).k/u=12.4/u(nm).标识谱的激发限（吸收限）标识谱的激发限（吸收限）K K：被照物质产生被照物质产生 k k系荧光辐射时系荧光辐射时,射射X X射线必须具有的波长的临界射线必须具有的波长的临界值。值。k k=hc hc/eueu k k=12.4/u =12.4/u k k (A).(A).吸收曲线（吸收曲线（m-m-）上的尖锐突变点对应的上的尖锐突变点对应的能量转变：能量转变：w wk k=h =h k k=hc hc/k k=eu eu k.k.4 4Moseley Moseley 定律定律：(1/(1/)=)=K(ZK(Z ).).或或 =K K(Z(Z ).).5 5强度：强度：在在x x射线传播方向上单位面积、单位时射线传播方向上单位面积、单位时间内所通过的光子的总能量。间内所通过的光子的总能量。总强度：总强度：连续谱强度曲线下的面积，即阳极连续谱强度曲线下的面积，即阳极靶发射出的靶发射出的X X射线的总能量。射线的总能量。作作 业业 1 1：1.1.计算计算0.0710.071nm(nm(MoKMoK)和和0.1540.154nMnM(CuKCuK)的的x x射线的射线的振动频率和能量。振动频率和能量。2.2.计算当管电压为计算当管电压为50 50 kVkV时，电子在与靶碰撞时的时，电子在与靶碰撞时的速度与动能以及所发射的连续谱的短波限和光子速度与动能以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大功能。的最大功能。3.3.分析下列荧光辐射产生的可能性，为什么分析下列荧光辐射产生的可能性，为什么?(1)(1)用用CuKCuKX X射线激发射线激发CuKCuK荧光辐射；荧光辐射；(2)(2)用用CuKCuKX X射线激发射线激发CuKCuK荧光辐射；荧光辐射；(3)(3)用用CuKCuKX X射线激发射线激发CuLCuL荧光辐射。荧光辐射。4.4.简要论述在硅酸盐材料中，组织、成份、工艺对简要论述在硅酸盐材料中，组织、成份、工艺对材料性能的影响，并举例说明之。材料性能的影响，并举例说明之。5.5.在高能电子与物质相互作用时，能激发哪些在高能电子与物质相互作用时，能激发哪些X X射射线，它们有哪些特点。线，它们有哪些特点。图图12X射线管剖面示意图射线管剖面示意图图图1 13 3 X X射线靶及接收方向射线靶及接收方向图图1 14 4 靶焦点形状示意图靶焦点形状示意图图图图图15钼阳极钼阳极X射线管的射线管的X射线谱射线谱图图16原子的能级示意图原子的能级示意图图图17X射线经过物质的吸收射线经过物质的吸收图图18滤波片的作用滤波片的作用Push-PlugOpticsfortheD8ADVANCE:WhatsthePrinciple?FixedmeasurementcirclediameterforBragg-BrentanoandGbelMirrorgeometryDedicatedalignmentfordivergenceslitopticsandGbelMirrorPush-PlugOpticsfortheD8ADVANCE:GbelMirror4-position rotary absorberLine focusX-ray tubeReflectometry sample stage