《现代分析测试》02-03 X射线的物理基础

,第一章,X,射线的性质,X,射线于,1895,年由德国物理学家伦琴（,Rontgen,）在研究真空管高压放电现象时无意发现。,X,射线或者伦琴射线,伦琴,第一位诺贝尔奖获得者（,1901,）,发现三个月后就得到了应用,维也纳医院,W. C. R,ntgen,（,1845,1923,）,Wilhelm Conrad Rntgen discovered the X-rays in 1895. In 1901 he was honoured with the Nobel prize for physics. In 1995 the German Federal Mail edited a stamp dedicated to W. C. Rntgen.,1.1 X,射线的物理学基础,X,射线的本质,X,射线是一种本质与可见光完全相同的电磁波或电磁辐射，只不过,X,射线是,由高速带电粒子与物质原子中的内层电子作用而产生的，因此能量大，波,长短（,0.1-10 nm,），穿透物质的能力强。,10,29,10,4,10,6,10,7,10,8,10,12,10,13,10,15,波长，米,晶体衍射用,X,射线（,0.05,0.2 nm,）：硬,X,射线,金属探伤,X,射线（,0.005,0.1 nm,）：硬,X,射线,医用,X,射线（,0.5 nm,）：软,X,射线,无线电波 红外线 可见光 紫外线,X,射线,射线 宇宙射线,X,射线的物理学基础,德国维尔茨堡大学,W.C,伦琴教授,1895.12.281896.3.9,发表三篇论文，论述它,的性质：,1,，像可见光一样直线传播，经电场不发生偏转。,2,，有很强的穿透能力，所有物质多少它都能够透过。,3,，使萤光物质发光，使气体电离。,4,，使照相底片感光，而人的肉眼无法直接观察到它。,1.2 X,射线的性质,X,射线为研究材料的微观特性开辟了一个新的途径,瑞典皇家科学院院长奥得纳,(C.T.Odher),在伦琴获诺贝尔奖的致词中说：,对于这种能量辐射的真实组成，目前尚不清楚，然而，伦琴本人和后来从事这方面研究的其他科学家已发现了它的若干特殊性质。毫无疑问，当人们充分研究这种奇异的能量形式并全面探索它的广阔应用领域时，物理科学将取得许多成就。,X,射线的性质,X,射线的发现和研究历程,1895,年，伦琴发现,X,射线,(1901,年,),1907,年，亨利,布拉格（,1915,）和巴克拉（,1917,）争论,X,射线,的波粒二象性。,1912,年，劳厄（,1917,）发现,X,射线衍射，由此确定了,X,射线的,波动性。,1913,年，劳伦斯,布拉格（,1915,）提出,X,射线衍射公式，亨利,.,布拉格创建,X,射线分光仪。,1913,年，莫塞莱确定,X,射线标识谱线的规律性。,1917,年，康普顿（,1927,）研究,X,射线散射，发现康普顿效应。,1921,年，凯,西格班（,1924,）发表,X,射线光电子能谱学成果。,晶体结构分析,X,射线衍射学 物相分析,精细结构,(,EXAFS),晶体取向与织构,X,射线影像学 无损检测,X,射线能谱学 化学成分分析,X,射线在材料科学中的应用,波粒二象性是,X,射线的客观属性,1,）,X,射线具有波动的性质，有一定的频率和波长，,反映物质的连续性。,现象表现为,晶体衍射,。,2,）,X,射线具有粒子性，是具有一定能量光子的粒子,流，反映物质运动的分立性。,现象表现为,光电效应和荧光辐射,。,X,射线的物理性质,已出现的设想：晶体中呈有规律、周期性排列，组成三维原子网络，以上未能得到实验证实。,Laue,根椐理论分析预测提出：,“,晶体中原子间距与,X,射线波长相近，应当可以作为使,X,射线发生衍射的立体光栅。,”,晶体的晶面间距是,10,-10,m,与,X,射线的波长（,2,10,-10,m,）相当。,一箭双雕的实验：,X,射线的本质是短波电磁辐射；晶体结构中点阵的假设是正确的。,证明,X,射线的波动性,劳厄（,Laue,）实验（,1912,）,ZnS,的劳厄衍射照片,显示其四重对称轴,显示其三重对称轴,ZnS,的劳厄衍射结果解析,光电效应：入射,X,射线产生光电效应和荧光辐射的条件与频率,(,波长,),有关，而与强度和照射时间无关。,康普敦效应：在光的散射过程中,有些散射波的波长比入射波的波长略大。,X,射线的频率,、波长,以及其光子的能量,、动量,p,之间存在如下关系：,= h.=h.c/ p=h/,式中,h,普朗克常数，等于,6.62610,-34,J.s;,cX,射线的速度，等于,2.99810,8,m/s.,实验证明,X,射线的粒子性,1.3 X,射线的产生及,X,射线管,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。,X,射线产生的几个基本条件,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。,X,射线管的结构,阴极：又称灯丝,(,钨丝,),，通电加热后便能释放出热辐射电子。,阳极：又称靶，通常由纯金属制成,(Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag,W,等,),，使电子突然减速并发射,X,射线。阳极需要水强制冷却。,窗口：是,X,射线射出的通道，维持管内高真空，对,X,射线吸收较少，如金属铍、含铍玻璃、薄云母片。,封闭式,X,射线管实质上就是一个大的真空二极管。真空度不低于,1.3,10,-3,pa,X,射线管,1,）旋转阳极的,X,射线管,充分散热，提高,X,射线管的功率（,3KW 90KW,）。,2,）细聚焦,X,射线管,利用电磁透镜聚焦电子束，制成细焦点的,X,射线（最小,几个微米），提高,X,射线管的比功率和实验分辨率。,3),同步辐射光源,特殊结构的,X,射线管,X,射线管中的焦点,焦点是阳极靶表面被电子束轰击的一块面积，,X,射线从中发出。,在,X,射线衍射中，希望有,:,1.,较小的焦点,提高分辨率,.,2.,较强的,X,射线强度,缩短爆光时间。,靶的焦点形状及接收方向,一般采用在与靶面成一定角度的位置（,3,6,度）接受,X,射线，这样可以达到焦点缩小，相应增强,X,射线的目的。,1.4 X,射线谱,X,射线谱,：在不同管电压下所测得的,X,射线强度随波长而变化的关系曲线。它由两部分组成。,连续,X,射线谱：特征是各种波长连续变化，与可见光类似，也称白色,X,射线。,特征,X,射线谱：也称标识谱，特征是某些特定波长，其强度较高并叠加在连续,X,射线谱上。,特征,X,射线谱线的波长决定于靶料，每个元素有一套一定波长的,X,射线谱，成为这个元素的标识。,X,射线谱,0.0,1.0,2.0,3.0,l,in ,X-ray intensity (arb. units),0,1,2,3,4,5,6,K,a,K,b,5 kV,10 kV,20 kV,25 kV,Characteristic,radiation,Continuous radiation,or bremsstrahlung,l,min,15 kV,连续,X,射线谱的产生机理,1,）经典动力学解释,高速运动的电子到达靶材，导致周围电磁场的急剧变化，产生电磁波。,2,）量子理论的解释,高速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出去，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。,绝大多数到达靶上的电子时间和条件不一样，并且电子要经过多次碰撞，逐步把能量释放到零，产生能量各不相同的辐射，因此形成连续,X,射线谱,。,假设电子在一次碰撞中将全部能量一次转换为一个光量子，这个光量子具有最高能量和最短波长。,将各常数代入上式：,连续谱短波限,0,只与管电压有关，与管电流和靶材无关。,连续,X,射线谱短波限,相关习题,1.,试计算用,50,千伏操作时，,X,射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的,X,射线短波限为多少？,相关习题,1.,试计算用,50,千伏操作时，,X,射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能，所发射的,X,射线短波限为多少？,X,射线的强度,X,射线的强度是指垂直,X,射线传播方向的单位面积上单位时间内所通过的所有光子能量总和。常用的单位是,J/cm,2,s,。,X,射线的强度（,I,）是由单个光子能量,h,和数目,n,两个因素决定的，即,I=nh,。,连续,X,射线强度最大值在,1.5,0,，而不在,0,处。,连续谱强度分布曲线下所包络的面积与在一定条件下单位时间发射的连续,X,射线总强度成正比,.,其中,i,是管电流,V,是管电压,Z,为阳极靶的原子序数,其余为常数,mi=2,X,射线管发射连续,X,射线的效率,:,当用钨阳极,(Z=74),管电压为,100 kV,约为（,1.1,1.4,）,10,-9,此时, =1%.,为获得强的连续,X,射线谱,常选用原子序数较大的元素和较高的电压值。如选用,W,靶，在,60-80kV,管电压下工作。,X,射线的强度,管流、管压及阳极物质对连续谱的影响,特征（标识）,X,射线谱,0.0,1.0,2.0,3.0,l,in ,X-ray intensity (arb. units),0,1,2,3,4,5,6,K,a,K,b,5 kV,10 kV,20 kV,25 kV,Characteristic,radiation,Continuous radiation,or bremsstrahlung,l,min,15 kV,特征（标识）,X,射线谱的产生机理,标识,X,射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密相关。,特征,X,射线产生的示意图,如,L,层电子跃迁到,K,层,此时能量降低为,:,以一个光量子的形式辐射出来变成光子的能量,:,对于原子序数为,Z,的物质而言,各原子能级所具有的能量是固定的,所以,kL,变为固定值,.,也随之固定。这就是特征,X,射线波长为定值的原因。,特征（标识）,X,射线谱的产生机理,K,系激发原理,核外电子分层排布,K L M N O P,层,低,各层电子的能量,高,高 ,原子对各层电子的结合能,低,X,光量子的能量仅与原子内各层能态有关，它标识着原子的特征。,一般选用,K,作为辐射源，因为,L,和,M,系射线由于波长太长，容易被吸收。,辐射源的选择,1),需要最低的管电压,V,激,（激发电压），它由阳极靶的原子序数,Z,决定。,2),阳极靶不同，特征,X,射线谱的波长也不同。,3),连续谱只增加衍射花样的背底，不利于衍射分析，因此希望特征谱线强度与连续谱线强度之比越大越好。一般工作管电压为,K,系激发电压的,3,5,倍，,I,特,/I,连,最大。,特征,X,射线谱的几个特点,Mo,靶,X,射线管的,X,射线强度曲线,莫塞莱定律,特征,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。特征,X,射线谱的频率,与原子序数,Z,关系可以通过莫塞莱定律描述：,K,和,是两个常数。,莫塞莱定律是,X,射线荧光光谱和电子探针微区成分分析的理论基础。通过未知物质的特征,X,射线进行晶体衍射，算出特征,X,射线的波长，再根据上式算出原子序数,Z,。,Ce,和,Hf,两元素由此得到验证，同时，镍元素（,28,）与钴元素（,27,）的排列位置相互对易。,原子序数与标识,X,射,线谱波长的关系,Moseleys Law,莫塞莱定律,1.5 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（相干散射和非相干散射）,一部分被吸收（真吸收光电效应、俄歇效,应、正电子吸收、荧光,X,射线、热散能量）,一部分透过物质继续沿原来的方向传播,（波长改变和不改变部分）,X,射线与物质相互作用,相干散射,原子中的内层电子在入射,X,射线的作用下，围绕其平衡位置发生受迫振动。此时电子向四周辐射,X,射线散射波。,如果出射,X,射线振动,方向相同,，,频率相同,、,位相差恒定,可以发生干涉现象，称为相干散射。,相干散射是晶体衍射的物理基础,非相干散射（,康普顿散射,）,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,。,准直系统,入射光,0,散射光,探测器,石墨,散射体,2,康普顿研究,X,射线在石墨上的散射,波长的改变值,（,nm,）：,非相干散射会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。,又称为量子散射,非相干散射（,康普顿,-,吴有训效应,）,X,射线的吸收,X,射线通过均匀物质,其强度的衰减符合下式,:,其中,为线吸收系数,它的意义是在,X,射线的传播方向上,单位长度上的,X,射线强度衰减程度。它与物质种类，密度和,X,射线波长有关。,为便于处理,令,:,m,为质量吸收系数,它的物理意义是单位重量物质对,X,射线的衰减量,.,由于不同物质的吸收系数（,）和,I,x,不同，由此可以进行生物体透射和工业探伤研究。,对于多种元素以上的物质的吸收系数,可以通过下式得到,:,I,0,是入射,X,射线强度，,I,x,是入射,X,射线在穿过厚度为,X,的物质后的强度。,X,射线的吸收,课题练习,例：,CuO,，计算其对,Mo,K,=0.711,埃的质量吸收系数,课题练习,例：,CuO,，计算其对,Mo,K,=0.711,埃的质量吸收系数,解：由附录,2,查知 ，,Cu,及,O,的原子量,分别为,63.54,和,16,，故,Cu,在,CuO,的重量比为,80,，,O,在,CuO,的重量比为,20,，因此：,X,射线的吸收,物质对,X,射线的吸收指的是,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，它分为两类：,1,）原子对,X,射线的漫散射（小部分能量损失）。,2,）真吸收,（大部分能量损失）。,物质对,X,射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁而引起的。,二次特征辐射,俄歇,(Auger),效应,X,射线的吸收,二次特征辐射（荧光辐射）,以,X,光子激发原子所发生的激发和辐射过程成为光电效应。被击出的电子称为光电子，辐射出的次级标识,X,射线称为二次特征,X,射线或荧光,X,射线 。,一次特征,X,射线的部分能量转变为所照射物质的二次特征辐射，体现出物质对入射,X,射线的吸收。,产生荧光辐射的 条件,入射光子需满足一定的能量条件，,h,n,=W,k,因,W,k,=eU,k,，,n,=c/,l,hc/,l,=eU,k,，所以,l=,hc/eU,k,=1.24/U,k,=,l,k,此处,l,k,称为激发限或吸收限,电子从高能级跃迁到低能级而被电离出来的电子称为俄歇电子。也就是说,K,层的一个空位被,L,层的两个空位所代替。俄歇电子具有很低的固有能量，固体内部的俄歇电子很难跑到表面来，因此特别适合做表面分析（,2,3,层原子）。,俄歇效应,Auger,电子,X-ray,光子,Auger,电子和,X-ray,光子的激发过程,X,射线衍射分析中，需要接近单色或者波长较单一的射线。而一般,K,系特征谱包括两条,K,a,、,K,b,，产生两套衍射花样，相互干扰，必须滤掉一条。研究表面质量吸收系数为,m,、吸收限为,K,的物质可以强烈吸收,=,K,的入射,X,射线,。,吸收限的应用：滤波片,K,a,K,b,1.2,1.4,1.6,1.8,l,in ,(a) No filter,K,b,K,a,K,absorption,edge of nickel,1.2,1.4,1.6,1.8,l,in ,(b) With Ni filter,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；,选择适当的滤波片厚度。,如果滤波片太厚，将强烈吸收,K,.,当吸收为一半的时候，,K,和,K,的吸收比将变为,1/500,。,滤波片材料由阳极靶元素所确定：,Z,靶,40,时,Z,滤片,=Z,靶,-2,；,滤波片的选择原则,几种元素的,K,系射线波长及常用滤波片,滤波以后,K,/K,的强度比为,1/600.,阳极靶的选择（避免荧光,X,射线，产生背底）,:,（,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。,经验公式：,Z,靶,Z,试样,+1,。,对于试样中含有多种元素，原则上应以其主要组元中原子序数的最小元素来选择阳极靶。,阳极靶的选择原则,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地存在的，,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。,辐射损伤是过量的,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。安全措施有：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。,X,射线操作者可允许的被辐照剂量当量定为一年不超过,5,雷姆或三个月不超过,3,雷姆；,胸透一次,3,毫雷姆,；人,/,年平均,360,毫,雷姆，来至自然界，其中约有,200,毫雷姆来自氡气,。,