第二节X射线物理学基础

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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,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,*,X射线的物理学基础,课件保存于：cailiaofenxi,163,.com,密码：xingxiaodong,1,X射线的物理学基础,一、X射线的性质,二、X射线的产生,三、X射线谱,四、X射线与物质的相互作用,2,X射线的物理学基础,一、X射线的性质,二、X射线的产生,三、X射线谱,四、X射线与物质的相互作用,3,一、X射线的性质,（1）引言,X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现（X射线1895年、放射线1896年、电子1897年）之一，这一发现标志着现代物理学的产生。,伦琴荣获,1901,年第一届诺贝尔物理奖；贝克勒尔，居里,1903,年；汤姆逊,1906,年；,4,一、X射线的性质,（2）发现X射线,1894年11月8日，德国物理学家伦琴在研究阴极射线管的高压放电现象时，发现了能使荧光屏发光的 一种新射线。,1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下第一张X射线照片。,1895,年,12,月,28,日，伦琴第一篇研究通讯,一种新射线,初步研究,。伦琴将当时无法确定本质的新射线称为,X,射线。,5,一、X射线的性质,（3）X射线的主要特征,肉眼不可见，但能使荧光物质发出荧光，能使照相底片感光,呈直线传播，经过电场或磁场时不发生偏转,具有自身的特点（很高的穿透能力、可被物质吸收和减弱、可使空气电离、对生物细胞有杀伤作用等）,6,一、X射线的性质,（4）贡献,几个月后被用于医学诊断，后来又用于金属材料和机械零件的探伤。,1901年获第一届诺贝尔物理奖。,1912年劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性。（,1914,诺奖）,1912年11月，布拉格利用,X,射线分析晶体结构，提出著名的布拉格方程，成功解释劳厄的实验。（,1915,诺奖）,7,一、X射线的性质,（4）贡献,图为澳大利亚悉尼大学一名工作人员在审视手中的X射线照片,8,一、X射线的性质,（5）X射线的本质,1912年，德国物理学家劳厄（M. V. Laue)等根据理论预见到，并用实验证实：X射线照射晶体时，将产生干涉（即衍射）现象。证明了,X射线的本质是电磁波,。这是X射线衍射学的第一个里程碑。,X,射线的本质是波长极短的电磁波；同可见光、紫外线以及其它基本粒子（电子、中子、质子等）都一样，都具有,波粒二象性,。既有波动性，又有粒子性，都会产生干涉、衍射、吸收和光电效应等。,X射线的波长较短，X光子的能量就相对较高，因此它的,微粒特性,比较明显。,9,一、X射线的性质,（6）X射线的波长,度量单位：埃 ，纳米nm,X射线的波长范围为100.001nm,对应能量0.1241240KeV,波长越长，波动性越明显；波长越短，粒子性越明显；,10,-15,10,-14,10,-12,10,-10,10,-8,10,-6,10,-4,10,-2,1,10,宇宙射线,射线,X,射线,紫,外,线,可见光,无线电波,红,外,线,图 电磁波谱,10,一、X射线的性质,（7）X射线的波粒二象性,波动性,：X射线以一定的波长和频率在空间传播，反映了物质运动的连续性；,X,射线干涉、衍射；,粒子性,：X射线以光子形式辐射和吸收时，具有一定的质量、能量和动量，反映了物质运动的分立性。,越小，p和,越大，X射线穿透能力越强。,11,一、X射线的性质,（8）X射线的分类,根据X射线波长的不同，可将X射线分为以下两种：,硬X射线,：波长短,软X射线,：波长较长,波长愈短穿透能力愈强，用于金属探伤的X射线波长为0.005 0. 01nm或更短 ；适用于晶体结构分析的X射线，波长约为0. 05 0. 25nm。,12,一、X射线的性质,（9）X射线探测与防护,因X射线是人类肉眼看不见的射线，必须使用专门的设备和仪器进行间接探测。探测X射线的主要仪器设备是：,荧光屏,、,照相底片,和,探测器,等。,过量的X射线对人体会产生有害影响，且影响程度取决于X射线的强度,、,波长和人体的受害部位。操作调试时，要严格遵守安全条例，注意采取防护措施，要特别注意不要让身体直接暴露在X射线束照射之中,。,13,X射线的物理学基础,一、X射线的性质,二、X射线的产生,三、X射线谱,四、X射线与物质的相互作用,14,二、X射线的产生,（1）X射线的产生条件,X射线是由高速运动着的带电粒子（电子）与某种物质撞击突然被阻止时，伴随电子动能的消失或转化而产生的。要获得X射线，必须满足以下条件：,（,1,）产生并发射自由电子的,电子源,，如加热钨丝发射热电子；,（,2,）在真空中（一般为10,-4,Pa），使,电子作定向的高速运动,；,（,3,）在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（,阳极靶,），使高速运动的电子突然受阻而停止下来。,15,二、X射线的产生,（1）X射线的产生条件,X射线产生的本质：,电子在轰击激发材料时，实际就是电子从原子核附近穿过，受到原子核电磁场的作用（非弹性散射）而偏转减速时释放的多余能量,以,连续,X,射线,形式释放；,或者是高速电子将原子中的,K,层电子打出，,L,层电子跃迁到,K,层时释放多余的势能，以,特征,X,射线,形式释放。,16,二、X射线的产生,（2）X射线管,电子式X射线管实质上是一个真空二极管，阴极是发射电子的灯丝、而阳极是阻碍电子运动的金属靶面，阴极和阳极都密封在高真空（1.3*10,-4,Pa）的管内。,封闭电子式X射线管及其工作原理图,灯丝变压器,高压变压器,灯丝,靶,窗口,X射线,17,二、X射线的产生,（2）X射线管,阴极（灯丝）：钨丝制成，通电加热至白热后放出热电子,在30KV50KV高压电场作用下，电子高速向阳极轰击而产生X射线。为了聚焦电子束，在灯丝外有金属聚焦罩，其电位较阴极低100V400V。金属聚焦罩用高熔点金属钼或钽制造。,X射线管结构图,18,二、X射线的产生,（2）X射线管,阳极（靶）：使电子突然减速发射X射线；由熔点高、导热好的铜制成。为了获得各种波长的X射线，常在电子束轰击的阳极靶面镀一层Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag和W等元素。,因高速电子的动能仅1%左右转变为X射线，99%都转变成热能，为避免烧熔靶面，需通水冷却。,19,二、X射线的产生,（2）X射线管,窗口：金属铍制成，是X射线射出的通道，要求既要由足够的强度维持高真空，又要对X射线吸收小。通常由四个或两个窗口。,X射线在各个方向上的强度不相同，与电子束垂直的方向，强度最大。由于靶面不是绝对光滑平整，因此常在与靶面成6度的方向接收X射线。,20,二、X射线的产生,（3）X射线管的焦点,焦点是阳极靶表面被电子束轰击的一块面积，X射线就从这块面积上发出。焦点的形状和尺寸是X射线管的重要特性之一。,焦点的形状取决于灯丝形状，螺线形灯丝产生长方形焦点。,为提高X射线衍射的分辨本领，要求焦点小、强度高。,缩小焦点途径,在与靶面成一定角度位置接受X射线。,21,二、X射线的产生,（4）其他结构的X射线管,旋转阳极X射线管,：采用适当的方法使阳极高速旋转，这样，可使靶面受电子轰击的部位,焦斑随之改变，有利于散热，可以提高X射线管的额定功率几倍到几十倍。,细聚焦X射线管,：在X射线管阴阳极之间，添加一套静电透镜或电磁透镜，使阴极发射的电子束聚焦在阳极上，焦斑只有几个微米到几十微米。虽然电子束流减小，但因焦斑小，单位焦斑面积发射的X射线强度增加。这种X射线管，除了可以缩短拍摄照片得到极细的X射线束，有利于提高结构分析的精度。,22,X射线的物理学基础,一、X射线的性质,二、X射线的产生,三、X射线谱,四、X射线与物质的相互作用,23,三、X射线谱,（1）X射线谱,X射线谱：,用适当的方法测量X射线管发出的X射线的波长及其对应的强度，并在强度,波长坐标上得到的,X射线强度随波长的变化曲线,。,两类X射线谱：,连续X射线谱,特征（标识）X射线谱,24,三、X射线谱,（2）连续X射线谱,连续X射线谱：,在一定的管电压U（如50KV）以下，X射线强度随波长连续变化，称这种谱线为连续X射线谱，即连续谱。,连续X射线谱的特点：,在短波方向上有短波限0，波长的最小值,每条谱线都有一个强度最大值，谱线最大强度对应的波长max,，最大值出现在1.5,0处,随管电压增大，强度相应增高，谱线的短波限和强度最大值均相短波方向移动。,图 钨靶连续X射线谱,max,0,25,三、X射线谱,（2）连续X射线谱,用经典物理学和量子理论可以解释连续谱的变化规律和产生机理：,当X射线管两极间加高压时，大量电子（例如，当管电流为10mA时，也即每秒通过0.01C的电量时，1s内射向阳极的电子数为6.25*10,16,个电子）在高压电场的作用下，以极高的速度向阳极靶面轰击；由于阳极的阻碍作用，电子将产生极大的负加速度。,26,三、X射线谱,（2）连续X射线谱,经典物理学：,一个带负电荷的电子做加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。,由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。,27,三、X射线谱,（2）连续X射线谱,量子理论：,X射线光子的产生,当能量为eU的电子与靶原子碰撞时，电子失去能量，其中一部分以光子形式辐射出去。每碰撞一次，产生一个能量为h的光子。,连续谱的形成,大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。,28,三、X射线谱,（2）连续X射线谱,关于短波限,极限情况下，能量为eU的电子在碰撞中一次把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量并具有最短波长，即短波限,0,短波限只与管电压有关，并随管电压增大减小,29,三、X射线谱,（2）连续X射线谱,关于强度最大值,X射线的强度定义为单位时间内通垂直于传播方向的单位截面的能量大小，即通过单位面积的光量子流率，取决于光子能量h,和光子数目n。,强度最大值不出现在光子能量最大值,0,处，而是大约,1.5,0,处,30,三、X射线谱,（2）连续X射线谱,X射线的总强度,连续X射线谱线下的面积表示连续X射线的总强度I,g,，即阳极靶发射出的X射线的总能量：,经验公式：,i管电流，U管电压，Z阳极靶原子序数，K，m常数 （m,2，K,(1.11.4),10,-9,）,31,三、X射线谱,（2）连续X射线谱,X射线管发射连续X射线的效率,对于,W,靶，Z=74，当U=100KV时，,1%,其余能量在靶上转化为热能。,32,三、X射线谱,（2）连续X射线谱,连续谱与电流、电压和靶材的关系,图 连续谱与电流、电压和靶材的关系,33,三、X射线谱,（3）特征 X射线谱,在连续X射线谱的基础上产生。当管电压继续升高，大于某个临界值时，在连续谱线的某个波长处出现强度峰，成为特征X射线。将这一临界电压称为激发电压。,当电压加到25KV时，Mo靶的连续X射线谱上出现了二个尖锐的峰K,(0.071nm)和K,(0.063nm)。,图 Mo靶的连续X射线谱与特征X射线谱,34,三、X射线谱,（3）特征 X射线谱,特征X射线谱的特征,在连续谱上出现特征谱线，常见,K,，K,两条,K,波长比K,长， K,与K,强度比约为5：1,K,还分为K,1,和K,2,两条线， K,1,和K,2,强度比约为2：1。,35,三、X射线谱,（3）特征 X射线谱,特征X射线谱的特征,图 Mo的 标识X射线谱,随着电压的增大，特征谱强度增强，但波长不变，也就是说，这些谱线的波长与管压和管流无关。它与靶材有关。对给定的靶材，它们的这些谱线是特定的。因此，称之为,特征X射线谱或标识X射线谱,。产生特征X射线的最低电压称,激发电压,。,36,三、X射线谱,（3）特征 X射线谱,特征谱的产生机理,L,K,M,N,K系激发,K,K,K,L,系激发,L,L,E,3,E,2,E,1,E,4,O,L,K,M,N,K系激发,L系激发,K,K,K,L,L,图 特征X射线的产生机理,37,三、X射线谱,（3）特征 X射线谱,特征谱的产生机理,特征,X,射线的产生主要与原子内部电子的激发与跃迁有关。,原子中电子是按一定的规则,(,泡利不相容原理和能量最低原理,）分布在核外不连续的轨道（壳层）上。这些轨道标识为,K,、,L,、,M,、,N,等，它们具有特定的能级，而且由内而外，能级逐渐升高；相邻两层的能量差随着主量子数的增加而减小，即,K,、,L,两层之间的能量差最大。,当原子受到高速电子的撞击时，如果这些电子束的能量足够大，它们就会将原子内层的电子打出去，这一过程称激发。,K,层电子的打出称,K,系激发,，依次有,L,系、,M,系激发等。,当内层电子被激发后，便在原有的位置上留下一个空位，外层电子就会跃入此空位，同时将多余的能量以,X,射线光子的形式释放出来，这一过程称,跃迁,。,38,三、X射线谱,（3）特征 X射线谱,特征谱的产生机理,辐射出的X光子能量由电子跃迁所跨越的两个能级的能量差来决定。比如n2 n1层电子的跃迁：,式中，n,2,，,n,1,分别为电子跃迁前后所在的能级，,E,n2,，,E,n1,分别为电子跃迁前后的能量状态。,原子内部电子轨道间的电子跃迁产生的射线波长在X射线的范围之内。各个原子中各电子层间的能量差是一定的，所以由此产生的X射线波长是一定的。这就是特征X射线产生的机理。,39,三、X射线谱,（3）特征 X射线谱,特征X射线的命名,当K电子被打出K层时，如L层电子来填充K空位时，则产生K辐射。此X射线的能量为电子跃迁前后两能级的能量差。,同样当K空位被M层电子填充时，则产生K辐射。M能级与K能级之差大于L能级与K能级之差，即一个K光子的能量大于一个K光子的能量；K,的波长就小于,K,。,但因LK层跃迁的几率比MK迁附几率大,五倍,，故K辐射强度比K大五倍左右。,显然， 当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层如M、N层的电子将填充L层空位，产生L系辐射。因此，当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M等系的辐射。除K系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长而被吸收。,40,三、X射线谱,（3）特征 X射线谱,特征X射线的命名,同一壳层中电子并不处于同一能量状态，而分属于若干个亚能级。如L层的8个电子分别属于L1、L2、L3三个亚能级。因此电子从同层不同亚层向同一内层跃迁，辐射的特征谱线的波长必有微小的差值。由于L3 K 的跃迁几率比L2 K跃迁高1倍，所以K,1线的强度是,K,2的两倍。,L,1,L,2,L,3,K,E,K,1,K,2,41,三、X射线谱,（3）特征 X射线谱,临界激发电压,产生特征辐射前提是将内层电子轰击出来，即要求阴极射来的电子的动能必须大于等于该内层电子与原子核的结合能电离。,eUW,K,h,K,，才能产生K激发。其临界值为eU,K,W,K,，U,K,称之临界激发电压。,42,三、X射线谱,（3）特征 X射线谱,K系标识X射线的强度与管压、管流的关系,式中，,K,2,和,n为常数，n等于1.51.7,U和U,k,分别为工作电压和,K系激发电压,i为管流,43,三、X射线谱,（3）特征 X射线谱,表 常用的阳极靶K系标识X射线谱的波长和工作电压,44,三、X射线谱,（3）特征 X射线谱,说明：,激发电压对不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶的原子序数Z所决定。,阳极靶不同，产生的特征X射线的波长不同。,工作电压一般是激发电压的3-5倍。因为当工作电压激发电压的3-5倍时，I,特,/I,连,最大。,实验中最常用的特征X射线是K,。最常用的靶材是Cu和Fe。,K,= 2/3,K,1,+ 1/3,K,2,，,有时需要注意区分K,1,和K,2,。,45,三、X射线谱,（4）莫塞莱定律,特征X射线的频率（或波长）只与阳极靶物质的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有属性。,1913年莫塞莱发现，特征X射线的频率,的平方根和靶材原子序数Z之间存在线性关系，即,式中K和均为常数。,莫塞莱定律是X射线光谱分析的依据,。,46,X射线的物理学基础,一、X射线的性质,二、X射线的产生,三、X射线谱,四、X射线与物质的相互作用,47,四、X射线与物质的相互作用,（1）X射线的散射,（2） X射线的吸收,（3） X射线的衰减规律与吸收系数,（4）吸收限的利用,48,四、X射线与物质的相互作用,0.引言,X射线与物质相互作用时，会产生各种不同的复杂过程，从能量转换来看，一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：,散射：相干散射，非相干散射；,吸收；荧光X射线，光电子和俄歇电子；,透过。,X射线与物质的相互作用,入射,X射线,强度,I,0,散射,X射线,相干的,非相干的,电子,反冲电子,俄歇电子,光电子,荧光,X射线,光电效应,俄歇效应,X,热能,透射,X射线I=I,0,e,-,X,49,四、X射线与物质的相互作用,（1）X射线的散射,X射线散射,沿一定方向运动的X射线光子流与物质的电子相互碰撞后，部分X射线将改变它们前进的方向，向周围发散开来的过程，即发生散射现象。,相干散射（弹性散射）,非相干散射（非弹性散射）,两类,50,四、X射线与物质的相互作用,（1.1）X射线的散射相干散射,定义：,入射的,X,射,线光子与原子中,受束缚较紧的电子,相碰撞而弹射，光子的方向改变了，但能量几乎没有损失，于是产生了波长不变的相干散射。,机理：,原子中的电子在入射X射线电场力的作用下产生与入射波频率相同的,受迫振动,，于是这样的受迫振动的电子便成为一个新的电磁波源，向四周辐射与入射X射线的,频率（波长）相同,的电磁波，并且彼此之间有确定的相位关系。由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，故称为相干散射，,也称,经典散射或汤姆逊散射。,相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。,51,四、X射线与物质的相互作用,（1.2）X射线的散射非相干散射,当,X,射线与束缚较小的外层电子或自由电子作用时，,X,射线光子将一部分能量传给电子，使之脱离原有的原子而成为反冲电子。同时光子本身也改变了传播方向，发生散射，且能量减小，即散射,X,射线的波长变长了。,散射X射线波长的改变与传播方向存在如下的关系：,=,=0.00243(1-cos2,),式中，,为散射线的波长(nm)； 为入射线的波长(nm)。,52,四、X射线与物质的相互作用,（1.2）X射线的散射非相干散射,美国物理学家康普顿,与我国著名的物理学家吴有训,一起在,1924,年发现的此效应。故亦称,康普顿吴有训散射或量子散射。,非相干散射不能参加晶体对X射线的衍射，只会在衍射图像上形成强度随sin,/的增加而增大的连续背底，给衍射分析带来不利影响。,53,四、X射线与物质的相互作用,（1.3）X射线的散射,相干散射,散射波为相干波，可以干涉加强；,只有相干散射才能产生衍射,相干散射是X射线衍射基础,非相干散射,非相干散射不能干涉加强产生衍射,非相干散射只能形成衍射的背底,54,四、X射线与物质的相互作用,（2） X射线的吸收,X射线的吸收是指X射线通过物质时，将原子内层电子击出，X射线能量转变为其他形式的能量，即发生了能量损耗。,X射线的吸收主要包括：,光电效应与荧光（二次特征）X射线,俄歇效应,55,四、X射线与物质的相互作用,（2.1） 光电效应与荧光（二次特征）X射线,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，从而导致其内层电子（如K层电子）被击出，产生光电效应。,图 光电效应,56,四、X射线与物质的相互作用,（2.1） 光电效应与荧光（二次特征）X射线,荧光辐射,失去内层电子的原子处于激发态，将发生外层电子向内层跃迁同时释放波长一定的特征X射线。称为二次荧光辐射或荧光辐射。,图 荧光辐射,57,四、X射线与物质的相互作用,（2.1） 光电效应与荧光（二次特征）X射线,激发限,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,。,要使K、L、M等层电子产生光电效应，入射X射线的能量必须大于等于原子中K、L、M等层电子的逸出功W,K,，即,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。,58,四、X射线与物质的相互作用,（2.1） 光电效应与荧光（二次特征）X射线,吸收限,一旦产生光电效应，入射的X射线光子被大量地吸收，所以，,K,、,L,、,M,等也称作被照物质因产生荧光辐射而大量吸收入射X射线的K、L、M吸收限。,利用吸收限可以计算靶材的临界激发电压，例如：,式中，U,K,为K临界激发电压（KV）；,K,为阳极靶材物质的K吸收限波长（nm）,K,：,从X射线被吸收的角度看，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射线将被该物质强烈吸收，并产生光电效应。,59,四、X射线与物质的相互作用,（2.1） 光电效应与荧光（二次特征）X射线,荧光辐射的利与弊：,在X射线衍射分析中，荧光辐射是有害的，它会增加衍射谱的背底，使衍射花样变得复杂。,在元素分析方面，荧光辐射又可作为X射线荧光光谱分析的基础。,60,四、X射线与物质的相互作用,（2.2） 俄歇效应,定义：,当高能级的电子向低能级跃迁时，能量不是产生二次X射线，而是被周围某个壳层上的电子所吸收，并促使该电子受激发逸出原子成为二次电子。这种效应是俄歇1925年发现的，称,俄歇效应,，产生的二次电子称,俄歇电子,。,图 光电子、荧光X射线和俄歇电子三种过程示意图,61,四、X射线与物质的相互作用,（2.2） 俄歇效应,俄歇电子的命名,原子K层电子被击出，外层电子如L层的L2电子向K层跃迁，其能量差 可能不是以产生一个K系X射线的形式释放，而是被邻近的电子（比如另一个L2电子）所吸收，使这个电子受激发而逸出原子成为俄歇电子；常用参与俄歇过程的三个能级来命名：KL2L2俄歇电子。,俄歇电子的能量,与参与俄歇过程的三个能级能量有关：,俄歇电子具有特定的能量值，仅与物质元素种类有关。利用该原理制造的俄歇能谱仪主要用于材料表面的成份分析。,62,四、X射线与物质的相互作用,（3） X射线的衰减规律与吸收系数,X,射线通过物质时，X射线强度会衰减。其中，因散射引起的衰减远远小于因吸收导致的衰减量。因此，可以近似地认为，X射线通过物质后其强度的衰减是,由于物质对它的吸收所造成的。,63,四、X射线与物质的相互作用,（3） X射线的衰减规律与吸收系数,实验证明，一单色X射线透过一层均匀物质时，其强度将随穿透深度的增加呈指数规律减弱，即,透射束强度,入射束强度,线吸收系数,物质厚度,线吸收系数,l,（cm,-1,）表示沿穿透方向单位长度X射线的衰减程度，与X射线的波长、吸收物质、吸收物质物理状态等有关。,I/I,0,为穿透系数或透射因数。,64,四、X射线与物质的相互作用,（3） X射线的衰减规律与吸收系数,为避开吸收系数随吸收物体物理状态不同而改变的问题，令,质量吸收系数,质量吸收系数,m,（cm,2,g,-1,）,表示单位质量物质对X射线的吸收程度，只与X射线的波长和吸收物质有关。,对一定波长的X射线和一定的物质来说，m为一定值，不随吸收体物理状态的改变而变化。,65,四、X射线与物质的相互作用,（3） X射线的衰减规律与吸收系数,一般来说，当吸收物质一定时，X射线的波长越短越容易被吸收，当波长一定时，吸收体的原子序数Z越大，X射线被吸收得越多。,质量吸收系数与物质的原子序数Z和入射X射线的波长,有如下实验函数关系：,式中K为常数。吸收系数反映了不同物质对X射线的吸收程度。,66,四、X射线与物质的相互作用,（3） X射线的衰减规律与吸收系数,Pt（Z=78）的质量吸收系数,m,随入射,X射线波长的变化,67,四、X射线与物质的相互作用,（3） X射线的衰减规律与吸收系数,物质对CuK,（=0.154178nm）,的质量吸收系数,m,随,原子序数Z的变化,68,四、X射线与物质的相互作用,（3） X射线的衰减规律与吸收系数,吸收系数随波长和原子序数的增大而增大, 且在一定区间内是连续变化的。这是因为X射线的波长越长越容易被物质所吸收。,在某些波长的位置上产生跳跃式的突变，即存在吸收体因被激发产生光电效应而大量吸收入射X射线的,吸收限,。,对一定波长的X射线在某些原子序数的位置上也产生跳跃式的突变。,曲线分为若干段，每段曲线连续变化满足公式关系，各段的K值不同。,69,四、X射线与物质的相互作用,（3） X射线的衰减规律与吸收系数,如果吸收体中是由两种以上的元素组成的化合物或混合物、或溶液，其总体的质量吸收系数是其组分元素的质量吸收系数,的加权平均值，即,式中，,i,为各元素的质量百分数；,n,为组元的数目。,70,四、X射线与物质的相互作用,（3） X射线的衰减规律与吸收系数,连续X射线的质量吸收系数,实验证明，连续X射线穿过物质时的质量吸收系数，相当于一个称为有效波长,有效,的波长值对应的质量吸收系数。,有效,=1.35,0,其中，,0,为连续谱的短波限。,71,四、X射线与物质的相互作用,（4）吸收限的利用,对于选定的物质（Z一定）， 曲线中某几处出现质量吸收系数突增，其原因是由于随着入射波长的减小，光子的能量达到了激发某个内层电子的数值，在该波长处产生光电效应，X射线大量被吸收，称该波长为吸收限。,72,四、X射线与物质的相互作用,（4.1）吸收限的利用阳极靶材的选择,为避免样品强烈吸收入射X射线产生荧光辐射，对分析结果产生干扰。必须根据所测样品的化学成分选用不同靶材的X射线管，原则是：,Z,靶,Z,样品,+1 或 Z,靶,Z,样品,应当避免使用比样品中的主元素的原子序数大26（尤其是2）的材料作靶材的X射线管。,例如: 分析铁（Z=26）为主的样品，选用Co（Z=27）或Fe靶，不选用Ni（Z=28）或Cu（Z=29）靶。,73,四、X射线与物质的相互作用,（4.2）吸收限的利用滤波片的选择,在X射线分析中，在大多数情况下都希望所使用的X射线波长单一，即,“,单色,”,X射线。,实际上，K系特征谱线包括两条谱线K,和,K,。在X射线分析时，它们将在晶体衍射时产生两套花样，它们之间会相互干扰。我们可以应用某些材料对X射线吸收的特性，将其中的K,线过滤掉。,74,四、X射线与物质的相互作用,（4.2）吸收限的利用滤波片的选择,滤波片的选择方法：,选择一种合适的材料，使其吸收限 正好位于K,和K,波长之间，且尽量靠近K,线波长。,将这种材料制成薄片滤波片，置于入射束或衍射束光路中，强烈吸收K线，而对K吸收很少，得到单色K辐射。,75,四、X射线与物质的相互作用,（4.2）吸收限的利用滤波片的选择,图 铜的K系X射线在通过镍滤波片以前（a）和以后（b）的强度对比,76,四、X射线与物质的相互作用,（4.2）吸收限的利用滤波片的选择,滤波片的选取原则：,滤波片的材料依靶的材料而定。一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料。,当Z靶40时， Z滤=Z靶-1,当Z靶40时， Z滤=Z靶-2,77,四、X射线与物质的相互作用,（4.2）吸收限的利用滤波片的选择,表 几种元素K系射线波长和常用的滤波片及其吸收限,阳极靶,滤波片,元素,原子序数,K,( ),K,( ),元素,原子序数,K,( ),厚度,(mm),I/I,0,(,K,),Cr,24,2.2909,2.0848,V,23,2.2690,0.16,0.50,Fe,26,1.9373,1.7565,Mn,25,1.8694,0.16,0.46,Co,27,1.7902,1.6207,Fe,26,1.7429,0.18,0.44,Ni,28,1.6591,1.5001,Co,27,1.6072,0.13,0.53,Cu,29,1.5418,1.3922,Ni,28,1.4869,0.21,0.40,Mo,42,0.7107,0.6323,Zr,40,0.6888,1.08,0.31,Ag,47,0.5609,0.4970,Rh,45,0.5338,0.79,0.29,78,X射线的物理学基础,X射线的防护：,过量X射线辐射对人体的伤害：,局部组织灼伤或坏死，毛发脱落，血液病变，影响生育等,防护措施：,不要将手及身体的任何部位直接暴露在X射线光束下，避免一切不必要的照射；,用重金属铅强烈吸收X射线，铅屏风、铅玻璃眼镜、铅橡胶手套、铅围裙等；,定期体检,79,谢谢大家！,X射线的物理学基础,80,