第1章X射线的性质1

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,射线衍射分析技术,参考书：,1),周玉：材料分析方法，机械工业出版社，,2004,2,）周玉：材料分析测试技术，哈尔滨工业大学出版社，,2001,3),李树棠：金属,X,射线衍射与电子显微分析技术，冶金工业,出版社，,1980,第一章,X,射线的物理学基础,X,射线的发现和研究历程,1895,年，伦琴发现,X,射线,;,1912,年，劳厄发现,X,射线衍射,X,射线是电磁波,;,1913,年，布拉格提出,X,射线衍射公式测量晶体结构，,d,，,，关系,;,1913,年，莫塞莱确定,X,射线标识谱线能级跃迁,;,1917,年，康普顿发现康普顿效应非弹性散射；,1956,年，西格班创建,X,射线光电子能谱学成分分析。,1.1 X,射线的性质,X,射线是一种与可见光完全相同的,电磁波,，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。能量大，波长短，穿透物质的能力强。,10,15,10,4,10,6,10,7,10,8,10,11,10,12,10,13,10,15,波长，,m,X,射线波长：,0.01,10 nm,用于衍射分析的,X,射线：,0.05,0.25nm,1,、,X,射线波长,无线电波,红外线,可见光,紫外线,X,射线,e,射线,宇宙射线,Cu,靶：,1.5406 A,Mo,靶：,0.7071 A,X,射线的波粒二象性,1,）波动性：有一定的频率和波长，并可以传播,现象表现为：干涉效应,晶体衍射。,2,）粒子性：是具有一定,能量,的粒子流,.,现象表现为：光电效应和荧光辐射。,对于,X,射线,:,频率：,、波长：,其光子的能量：,=h.=h.c/,、,动量：,p=h/,h,普朗克常数，等于,6.62510,-34,J.s;,cX,射线的速度，等于,2.99810,10,cm/s.,1.2 X,射线的产生,1,、产生原理：,高速运动的电子与物体（靶）碰撞时，突然,减速,时，就会发生电磁辐射，此电磁辐射即为,x,射线。,2,、,X,射线产生的基本条件,产生自由电子；,使电子作定向的高速运动,;,与靶材相互碰撞，突然减速。,3,、,X,射线管的结构,阴极：灯丝,(,钨丝,),，通电加热后便能释放出电子。,阳极：靶材，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。,高压：使电子加速；,25,50 KV,真空管：维持管内高真空，减少对,X,射线吸收。,管流：,30,50 mA,高压：,25,50 KV,1.3,X,射线谱,1,、,X,射线谱：,X,射线强度随波长而变化的关系曲线，它有两种形式：,1),连续,X,射线谱，,2),特征（标识）,X,射线谱,2,、连续,X,射线谱：,特征：,X,射线的波长连续变化（具有连续波长）。,原因：高速电子与阳极靶的原子碰撞时，碰撞一次产生一个能量为,hv,的光子,X,射线。,到达靶上的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。,短波限,0,特点：,（,1,）强度随,连续变化，,（,2,）随电压增加，,X,强度增加；向短波方向移动，存在短波限；,（,3,）不同电压，有不同的短波限,0,U,I ,0,i I ,0,不变,Z I ,0,不变,（,I,为,x,射线强度）,连续谱的影响因素：管压,U;,管流,i;,原子序数,Z,产生短波限的原因：,假设电子在一次碰撞中将,全部能量,(h,),一次转换,为一个光量子（即,X,射线），这个光量子具有最高能量（光,量,子能量不可能超过电子的能量）,最高能量,最短波长,。,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,射线的强度,X,射线的强度是指行垂直,X,射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。常用的单位是,J/cm,2,.s.,X,射线的强度,I,是由光子能量,h,和它的数目,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,处。,连续谱强度为分布曲线下所包络的面积：,X,射线的效率,:,当用钨阳极,(Z=74),管电压为,100 kV,约为,1.11.4X10,-9,此时,=1%.,x,射线管的效率特别低。,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,.,3,、特征（标识）,X,射线谱,特征,X,射线的产生与阳极物质的原子内部结构紧密相关。,原因,：（,1,）靶材中的电子分布在,K,，,L,M,N,各层，各具有特定的能量。,（,2,）若电子将,K,层能级中的电子击出，原子,将呈,K,激发态。,（,3,）其他高能态的电子向,K,层跃迁，放出特定,波长的,X,光子,特征,X,射线。,特征：对一特定靶材，当管电压,V,增加到某一特定,V,k,时，在连续谱上某一,特定波长,0,处，产生,强度很高,的的,X,射线。若电压继续增加，,0,不变，仅强度增加，此,0,为该靶材的特征,X,射线波长。,与靶材（,Z,）相关，,0,与,V,i,无关,莫塞莱定律,（,K,和,是两个常数）,开始产生特征,X,射线的临界电压,V,k,激发电压,如,L,层电子跃迁到,K,层,此时能量降低为,:,这一能级跃迁，产生一固定波长的,X,射线,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。,L,K,K,L,亚层,K,K,1,K,2,M K,K,M,亚层,K,K,1,，,K,2,1),需要最低的管电压,V,k,（激发电压），它由阳极靶的原子序数,Z,决定。,2),靶不同，特征,X,射线谱的波长也不同。,3)VV,激,时,特征,X,射线谱的波长不变，仅强度增大。,特征,X,射线谱的特点,Mo,靶,X,射线管的,X,射线强度曲线,1.4 X,射线与物质相互作用,X,射线与物质相互作用时，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）,一部分透过物质继续沿原来的方向传播,1,、,相干散射,X,射线与物质的作用实际是与原子中的电子相互作用，作用的结果是使电子在其平衡位置发生受迫振动。每个受迫振动的电子在各方向反射电磁波，若该电磁波与入射,X,射线,频率,、,波长,相同，这些电磁波之间就可以发生干涉现象，称为相干散射。,相干散射是晶体衍射的物理基础,2,、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,。,此时，散射线间不能发生干涉作用，不能产生衍射,。,4,、荧光,X,射线,荧光,X,射线适合作,Z20,的重元素的成分分析,光电效应：当一个具有足够高能量的光子（,X,射线）从原子内部击出一个,K,层电子时，,然后通过电子跃迁放出特征,X,射线,，这种以光子激发原子所发生的辐射过程称为,光电效应,。所释放的,特征,X,射线称为荧光,X,射线或二次特征,X,射线。,光电子,荧光,X,射线,5,、俄歇效应（,Auger,）,K,层电子被光量子击出后，,L,层电子跃入,K,层，若此时不发生光电效应（即不产生特征,X,射线），而是多余的能量（,El,Ek,）被另一,L,层电子吸收而逸出,L,层，这样，一个,K,层空位造成两个,L,层空位，这一过程称为,俄歇效应,。跃出,L,层的电子称为,俄歇电子。,俄歇电子的能量与激发源（光或电子）的能量无关，只取决于物质的能级结构，是元素的特征值，,俄歇,效应,特别适合做表面轻元素的分析。,俄歇电子,E,（,E,l,E,k,）,3,、,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,表示在,X,射线的传播方向上,单位长度物质引起,X,射线强度衰减的程度。,物质种类,密度 有关,X,射线波长,为便于处理,令,:,m,为质量吸收系数,表示单位重量物质对,X,射线的衰减量,.,I=I,0,e,-,t,对于多种元素以上的物质的吸收系数,可以通过下式得到,:,1),元素的原子序数越大，物质的密度越大，吸收系数越大。,2),波长愈短，物资对其吸收愈小，,X,射线穿透物质能力越强。,mi,各元素的质量吸收系数，,W,i,各元素的质量分数,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。,物质对,X,射线的吸收的一个重要现象是引起原子内部的电子跃迁,发生光电效应,。,6,、,X,射线吸收限,定义：,一个物体对,x,射线的吸收系数与,x,射线的波长遵循以下关系：,m,K,3,Z,3,（,m,穿透能力越强,）,但实际上随,，,m,不是连续变化，,当,K,，,m,突然增加，将,K,称为该物质的,吸收限，,吸收限为吸收体的特征值。,原因：光电效应引起物质的吸收限。,因为，随着,X,射线,的降低，光量子能量不断增加，当,小到某一值,k,时，光量子能量（,h,）,大于吸收物质的,K,层电子的逸出功,W,k,，于是,X,射线光子被吸收，激发,光电效应,。,X,射线能量转变成光电子，如：俄歇电子，荧光,X,射线的能量，消耗大量入射能量,m,突增。,因为，发生光电效应的,k,是物质的特征值，则,吸收限亦为物质的特征值。,一个,X,射线光量子所具有的能量及质量吸收系数随波长的变化,(1),滤波片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,，保持,K,能量；,(2),滤波片材料的选择原则,Z,靶,40,时，,Z,滤片,=Z,靶,-2,；,(3),阳极靶的选择,:,（,a,）阳极靶,K,波长稍大于试样的吸收限（避免荧光散射）；,（,b,）试样对,X,射线的吸收最小。,所以，靶材的,K,稍大于，且,接近样品的吸收限。,所以：,Z,靶,Z,试样,+1,。,7,、单色光的获得（滤波片的选择）,:,通常的,K,系辐射产生,K,和,K,，为了获得单色,K,，在,X,射线源与样品间放至合适的滤波片，强烈吸收,K,，滤波片需达到：,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.,X,射线与物质相互作用的总结,1.5 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。,