X射线的产生及其与物质的相互作用课件

Chapter 8: Major Element Chemistry,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,电磁辐射与材料的相互作用,第三节,X,射线的产生及其与物质的相互作用,一、,X,射线的产生与,X,射线谱,二、,X,射线与物质的相互作用,三、,X,射线的衰减,四、,X,射线的防护,电磁辐射与材料的相互作用 第三节 X射线的产生及其与物质的相,X-,射线：,一种,波长介于紫外线和,射线之间,的具有较短波长的,电磁波,。,射线,射线,紫外线,x,射线,10,8,10,12,10,10,波长, 以,m,为单位,4,10,7,7,10,7,一、,X,射线的产生与,X,射线谱,X-射线： 一种波长介于紫外线和射线之间的具有较短波长的电,X,射线波长,10,12,10,8,m.,用于,XRD,的波长：,10,10,m,可见光的波长,:,4,10,7,7,10,7,m,，,可见,:,X,射线比可见光,波长要短得多。,射线,射线,紫外线,x,射线,10,8,10,12,10,10,波长, 以,m,为单位,4,10,7,7,10,7,X射线波长1012108m.射线射线紫外线x射线,X,射线是一种电磁波，所以具有波粒二象性。,波动性,粒子流,X射线是一种电磁波，所以具有波粒二象性。 波动性粒子流,X,射线,波动性与微粒性的关系：,E = h,= hc/,式中,h,普朗克常数,h,=,6.62618,10,34,Js；,c ,光速,c = 3,10,8,m s,1,；,E、,、,X,射线光子的能量、,频率、波长。,X射线波动性与微粒性的关系：,X,射线与可见光相比，,共性:,波粒二象性,不同：,X,射线波长短、能量大,不同体现在：,穿透能力强。能穿透可见光不能穿透的物质，如生物的软组织等。,X射线与可见光相比，,X,射线穿过不同媒质时折射和反射极小，仍可视为直线传播。,通过晶体时发生衍射，因而可用,X,射线研究晶体的内部结构。,prism,window,X射线穿过不同媒质时折射和反射极小，仍可视为直线传播。pr,1.,源,X,射线的产生,装置：,在实验室里, 产生,X,射线是利用具有高真空度的,X,射线管。,1. 源X射线的产生,问题：,X,射线衍射仪上，,X,射线管在那里？,问题：X射线衍射仪上，X射线管在那里？,原理：,把用一定材料(,Cu,等)制作的阳极（称为,靶）,和阴极（钨丝）密封在一个玻璃-金属管壳内。,当钨丝被34,A,的电流加热后，发出热电子。,冷却水,靶（阳极）,铜,X,射线,X,射线,真空,钨丝,玻璃,管座（接变压器）,铍窗,聚焦罩,原理：把用一定材料(Cu等)制作的阳极（称为靶）和阴极（钨丝,在阳极和阴极间加直流高压,V,，,阴极产生的热电子将在电场作用下奔向阳极，并撞击金属靶。,电子的突然减速或停止运动,使大部分（99）能量转变成热能,小部分（1）转变为,X,射线。,冷却水,靶（阳极）,铜,X,射线,X,射线,真空,钨丝,玻璃,管座（接变压器）,铍窗,聚焦罩,在阳极和阴极间加直流高压V，冷却水靶（阳极）铜X射线X射线真,为避免靶材熔解，加循环冷却水,X,射线在与靶面约成6,角处的强度最大，,按此角度在管上开一窗口，让,X,射线透过,窗口材料：对,X,射线吸收少的,Be,冷却水,靶（阳极）,铜,X,射线,X,射线,真空,钨丝,玻璃,管座（接变压器）,铍窗,聚焦罩,为避免靶材熔解，加循环冷却水冷却水靶（阳极）铜X射线X射线真,X,射线的,产生条件 (简述）:,1.产生自由电子；,2.使电子作定向的高速运动;,3.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。,金属板,电子,束,X,射线,X射线的产生条件 (简述）:1.产生自由电子；金属板电子束,X,射线谱分类,连续谱,K,1,K,2,特征谱,K,X,射线管发出的,X,射线分为两类：,（1）具有连续波长的,X,射线，称为连续谱；,（2）波长确定的,X,射线，称为特征谱。,X射线谱分类连续谱K1K2特征谱KX射线管发出的X射线,例：,Mo,靶，当管压=15,kV,，发出连续谱,当管压= 25,kV，,则出现特征谱.,Mo,靶,25,kV,20,kV,15,kV,10kV,5,kV,特征谱,连续谱,例：Mo靶，当管压=15kV，发出连续谱, Mo靶25kV2,2,.,连续,X,射线谱,0,I,定义：,由某一最短波长（,0,，称短波限）,开始，强度（,I）,随波长连续变化的,X,射线谱。,2 .连续X射线谱0I定义：由某一最短波长（0，称短波限,产生的机理：,当高速运动的电子击靶后，电子被减速。电子所减少的能量（,E）,转为所发射,X,射线光子能量（,h,），,即,h,=,E。,由于击靶的电子数目极多，击靶时穿透的深浅不同、损失的动能不等，因此，由电子动能转换为,X,射线光子的能量有多有少，从而形成一系列不同频率、不同波长的,X,射线，构成了连续谱,。,靶材原子,E,0,E,0,E,0,E,0,h,=E,0,E,3,h,= E,0,E,1,E,2,E,3,E,1,h,= E,0,E,2,h,=E,0,电子初始动能为,E,0,；,击靶后电子的动能变,为,E,n,；,则,E,0,- E,n,= h,为所发射,X,射线光子的能量,产生的机理：当高速运动的电子击靶后，电子被减速。电子所减少的,极端情况,:,电子与靶材相撞，其能量（,eV）,全部转变为辐射光子能量，此时光子能量最大、波长最短，因此连续谱有一个下限波长,0,即 电子动能=电子由阴极至阳极时电场所做的功=,X,射线光子能量,nm,24,.,1,V,(kV),eV,hc,0,=,=,l,0,max,l,n,hc,h,= eV,=,=,2,mv,2,短波限,产生的原因,：,极端情况: 电子与靶材相撞，其能量（eV）全部转变为辐射光子,当管电流不变时，,V,0,I(),曲线上移,连续谱：管电压,V,电流,i,靶材等影响,nm,24,.,1,V,(kV),0,=,l,当管电流不变时，连续谱：管电压V, 电流 i, 靶材等影,(2) 当管电压不变时，,i, ,I(),曲线上移 (,0,不变）,nm,24,.,1,V,(kV),0,=,l,(2) 当管电压不变时，nm24.1V (kV)0=l,(3) 在相同的管电压和电流下,靶材原子序数（,Z）,I(),曲线上移 (,0,不变）,nm,24,.,1,V,(kV),0,=,l,(3) 在相同的管电压和电流下,nm24.1V (kV)0=,连续谱的总强度决定于上述,V、i、Z,三因素，即,式中,为常数.,I,0,0,izV,2,连续谱的总强度决定于上述V、i、Z三因素，即式中,为常数.,3,.,特征,X,射线谱,连续谱,K,1,K,2,特征谱,K,定义：,在某些特定波长位置出现的叠加在连续谱上的高而狭仄的谱线。,3 .特征X射线谱连续谱K1K2特征谱K定义：在某些特,原子结构(回顾）,原子由原子核及绕核运动的电子组成。,电子分布在不同能级的壳层上，,离核最近的,K,层能级最低，其次,L、M、N,等能级逐渐增高。,e,-,e,-,K,L,M,e,-,N,e,-,原子结构(回顾）e-e-KLMe-Ne-,特征谱产生的机理,e,-,K,L,M,K,管电压增加到某一临界值,(,激发电压,),，,使撞击靶材的电子能量（,eV),足够大，,可使靶原子内层产生空位,较外层电子向内层跃迁,产生波长确定的,X,射线(特征,X,射线)。,特征谱产生的机理e-KLMK管电压增加到某一临界值(激发电,特征,X,射线光子能量跃迁前后能级差,例：,若,K,层产生空位，,L,层电子向,K,层,跃迁，则,辐射的,X,射线光子能量,：,h,L,K,= E,L, E,K,e,-,K,L,M,K,特征X射线光子能量跃迁前后能级差e-KLMK,特征,X,射线的命名,若,K,层产生空位，,L,层或,M,层或更外层电子向,K,层跃迁，,产生的,X,射线,统称为,K,系特征辐射,，,分别按顺序记为,K,，K,，,射线,。,K,L,M,K,K,L,特征X射线的命名KLMKKL,距,K,层越远的能级，电子向,K,层跃迁的几率越小，辐射光子数越少，,常见,K,，K,辐射（忽略其它）,若,M,或,N,层电子,L,层（空位）跃迁，,谱线记为,L,，L,，,射线，,称为,L,系特征辐射等。,K,L,M,K,K,L,距K层越远的能级，电子向K层跃迁的几率越小，辐射光子数越少，,实例,:,由近邻,L,层电子填充,K,层的空位后所产生的特征,X,射线，称,K,辐射。例如，,CuK,= 1.5418,;,由次近邻,M,层电子填充,K,层的空位后所产生的特征,X,射线，称,K,辐射。例如，,CuK,= 1.3922,。,实例:,实际上，,K,是一个双重跃迁,，,以,Cu,为例，,K,1,=1.5405,，,K,2,=1.5443,;,原因：,分别由,L,3,层及,L,2,层电子向,K,层（空位）跃迁而产生。,K,1,K,2,= 1.540 1.544 ,l,j,L,层,K,层,实际上，K是一个双重跃迁，以Cu为例， K1=1.54,激发电压,V,K,V,L,同系各谱线：,K, ,K,特征谱线位置（波长）与靶材（,Z）,有关与,V,无关若,V,V,激发,后，,V,仅谱线强度,特征,X,射线的,一些,规律：,25,kV,35,kV,20,kV,K,K,/nm ,激发电压VKVL特征X射线的一些规律：25kV35k,莫赛莱（,Moseley),定律,表明特征谱线波长与物质原子序数的关系,),(,s,l,-,=,Z,C,1,式中,C、,与线系有关的常数,。,可见：,原子序数, ,K,线系波长,例：,Cu (Z=29),靶,X,射线,：,K,1,= 1.5406 ,Mo (Z=42),靶,X,射线,：,K,1,= 0.7093 ,莫赛莱（Moseley)定律表明特征谱线波长与物质原子序数的,X,射线照射固体物质，可能发生的各种相互作用，如下图：,二、,X,射线与物质的相互作用,热能,透射,X,射线强度,I,t,= I,0,exp(-,*,t),散射,X,射线,电子,荧光,X,射线,相干的,非相干的,反冲电子,俄歇电子,光电子,康普顿效应,俄歇效应,光电效应,入射,X,射线,强度,I,0,t,X射线照射固体物质，可能发生的各种相互作用，如下图：二、X射,当入射,X,射线光子能量 = 某一阈值，,可击出,原子,内层电子， 产生光电效应,例：,击出,K,层电子，,X,射线光子能量用于克,服,原子核,对,K,层电子,的,束缚能（,W,K,）。,h,K, hc / ,K,=,W,K,K, hc /,W,K,K,K,吸收限，使,K,层电子击出的阈值波长。,自由,光,电子,X,射线光子,物质,光电效应,当入射X射线光子能量 = 某一阈值，自由光电子X射线光子物质,光电效应产生光电子，是,X,射线光电子能谱分析的技术基础。,光电效应使原子产生空位后的退激发过程产生俄歇电子或,X,射线荧光辐射是,X,射线激发俄歇能谱分析和,X,射线荧光分析方法的技术基础。,光电效应的应用：, 光电效应产生光电子，是X射线光电子能谱分析的技术基础。,二次特征辐射(,X,射线荧光辐射),定义：,当高能,X,射线光子,击出,被照射物质原子的内层电子后，较外层电子填其空,位,而产生了次生特征,X,射线（称二次特征辐射）。,产生机理：,与一次特征,X,射线相同。,不同之处：,产生,一次特征,X,射线,时，入射线是高速运动的电子；,荧光辐射,的,入射线是高,能,X,射线光子。,K,L,荧光辐射,光子,h,2,入射,X,射线,光子,h,1,e,-,二次特征辐射(X射线荧光辐射)KL荧光辐射入射X射线e-,X,射线散射的应用：,X,射线被物质散射时，产生两种现象：,（1）,相干散射,（2）,非相干散射,相干散射是,X,射线衍射分析方法的基础。,X射线散射的应用： X射线被物质散射时，产生两种现象：,三、,X,射线的衰减,t,t,定义：,入射,X,射线通过物质，沿透射方向强度显著下降的现象,原因：,由于,X,射线与物质发生相互作用，其能量转换或损失,三、X射线的衰减tt 定义：入射X射线通过物质，沿透射,t,t,朗伯定律：,X,射线通过物质时，其强度按指数规律衰减。,tt朗伯定律：X射线通过物质时，其强度按指数规律衰减。,设强度为,I,0,的入射线透入样品厚度,x,处时强度为,I(x),I(x),通过微厚度,dx,后,其相对变化,dI(x)/I(x),与,dx,成正比,，,即:,式中：,比例系数,，,称线吸收系数,(,cm,-1,).,朗伯定律的推导：,设强度为I0的入射线透入样品厚度x处时强度为I(x), 式中,设样品厚度,t,透射强度,I,t,对式,积分，即：,得到：,设样品厚度t,透射强度It ,积分，即：得到：,由式,有,表示,X,射线通过单位长度物质时强度的衰减,又,强度为（垂直于传播方向上）单位面积的能量，,亦,为,X,射线通过单位体积物质时能量的衰减,线吸收系数,(,cm,-1,),的含义,：,由式有 表示X射线通过单位长度物质时强度的衰减线吸收,设,m,=,/, （,为物质密度,），,称,m,为质量吸收系数，则：,I,t,= I,0,exp(-,*,t) = I,0,exp(-,m*,*,t,),定义为,X,射线通过单位体积物质时能量的衰减,m,为,X,射线通过单位质量物质时,能量,的衰减，,亦称单位质量物质对,X,射线的吸收,各元素的,m,见书,P324。,质量,吸收系数,m,(,cm,2,.g,-1,),的含义,：,设 m= / （为物质密度），质量吸收系数m (,不同元素的,m,不同,Be1.35 Si60.3,C4.60 S89.1,N7.52Cl106,O12.7Br99.6,F16.4Pb232,不同元素的m不同Be1.35 Si60.3,例,1,.,在实验室里,利用,X,射线管产生,X,射线, 其窗口材料由薄,Be,片（约0.2,mm,厚）制成,。,试计算,0.2,mm,厚,Be,片,对,Cu,K,辐射的透射因子(,I,透射,/,I,入射,)为多少? (,Be,的密度,= 1.85,g.cm,-3,，,m,= 1,.3,5 cm,2,.g,-1,）,解：,I,t,/I,0,= exp(-,m*,*,t,),= exp(-,1.35 *,1.85 *,0.02,),= 0.95,例1.在实验室里,利用X射线管产生X射线, 其窗口材料由薄B,四、,X,射线的防护,X,射线等短波谱域的电磁波具有杀伤生物细胞的作用,安全措施：,（1）金属铅,m,很大，实验室常用铅屏或铅玻璃屏等屏蔽。,（2） 操作人员需遵循射线防护规定，经常监测剂量。,四、X射线的防护X射线等短波谱域的电磁波具有杀伤生物细胞的作,10. 解释名词：,K,射线与,K,射线、短波限与吸收限、线吸收系数与质量吸收系数,11. 对于同种材料，有,K,K,h,k,k,h,k,k,k,E,L, E,k,E,M, E,k,h,k,h,k,k,h,k,系荧光,，,k,k,系荧光,结论：当一次射线波长,物质某标识谱波长时，将使该物质产生相应线系的标识谱荧光辐射。,K,L,荧光辐射,光子,h,k,系荧光,入射,X,射线,光子,h,k,e,-,导致光电效应的X光子能量KL荧光辐射入射X射线e-,自学材料,自学材料,如果吸收体由两种以上元素组成，其总的质量衰减系数,m,可按下式计算：,m, ,m1,w,1,+ ,m2,w,2,+ ,mi,w,i,式中,mi,为,第,i,种元素的质量衰减系数,，,w,i,为其,质量分数。,化合物,m,的计算,：,如果吸收体由两种以上元素组成，其总的质量衰减系数m可按下式,例子,:,已知，原子量,Si=28.09，O=16.0；,质量吸收系数,Si =,60.3，,O = 12,.7 (,见书,P324),。,计算,SiO,2,对,Cu,K,辐射,(,=,1,.,54187,),的质量吸收系数?,解：,w,si,= 28.09,/,(28.09,+ 2,16.0) = 0.467,w,O,=,2,16.0/,(28.09,+ 2,16.0) = 0.533,则,SiO,2,的质量吸收系数,m, ,si,w,si,+ ,o,w,o,60.3,0.467 +,12.7 ,0.533,34.93,cm,2,.g,-1,例子: 已知，原子量Si=28.09，O=16.0；质量吸,二,、,X,射线与物质的相互作用,X,射线与物质相互作用时，会产生各种不同的和复杂的过程。但就其能量转换而言，一束,X,射线通过物质时，它的能量可分为三部分：其中一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。透过物质后的射线束由于散射和吸收的影响强度被衰减。,X,射线与物质作用除散射、吸收和通过物质外，几乎不发生折射，一般情况下也不发生反射。,二、X射线与物质的相互作用 X射线与物质相互作用时，会产生,1,、,X,射线的散射,定义：,X,射线通过物质时，其部分光子将会改变它们的前进方向这就是散射现象。,散射现象：包括相干散射和不相干散射,1、 X射线的散射定义：X射线通过物质时，其部分光子将会改变,相干散射,当入射,X,光子与物质中的某些电子（例如内层电子）发生碰撞时，由于这些电子受到原子的强力束缚，光子的能量不足以使电子脱离所在能级的情况下，此种碰撞可以近似地看成是刚体间的弹性碰撞，其结果仅使光子的前进方向发生改变，即发生了散射，但光子的能量并未损耗，即散射线的波长等于入射线的波长。此时各散射线之间将相互发生干涉，故成为相干散射。相干散射是引起晶体产生衍射线的根源。,相干散射 当入射X光子与物质中的某些电子（例如内层电子）发生,不相干散射也称康普顿效应,当入射,X,射线光子与物质中的某些电子（例如外层电子）发生碰撞时，由于这些电子与原子间的结合松弛，可以近似地看成是自由电子，碰撞的结果，,X,射线光子将一部分能量传递给电子，使电子脱离原子而形成反冲电子，同时光子本身也改变了原来的前进方向，发生了散射。这种散射由于各个光子能量减小的程度各不相同，即每个散射光子的波长彼此不等，因此相互不会发生干涉，故称为不相干散射。不相干散射线比入射,X,射线的能量小、波长大。在,X,射线衍射分析中只增加连续背景，给衍射图带来不利影响。,不相干散射也称康普顿效应 当入射X射线光子与物质中的某些电子,2,、,X,射线的吸收,物质对,X,射线的吸收是指,X,射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量。对,X,射线而言，即发生了能量损耗。有时把,X,射线的这种能量损耗称为吸收。物质对,X,射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁引起的。在这个过程中发生,X,射线的光电效应和俄歇效应，使,X,射线的部分能量转变成为光电子、荧光,X,射线及俄歇电子的能量。此外入射,X,射线的能量还消耗于产生热量。因此，,X,射线的强度被衰减。,2、X射线的吸收 物质对X射线的吸收是指X射线能量在通过物质,热能,透射,X,射线强度,I,t,= I,0,exp(-,*,t),散射,X,射线,电子,荧光,X,射线,相干的,非相干的,反冲电子,俄歇电子,光电子,康普顿效应,俄歇效应,光电效应,入射,X,射线,强度,I,0,t,热能透射X射线强度It = I0 exp(- *t) 散射,