材料测试与分析技术-1.3-X射线与物质相互作用课件

,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,*,1.1 X,射线的本质,1.2 X,射线谱,1.3 X,射线与物质相互作用,1.1 X射线的本质,1.3,射线与物质相互作用,X,射线照射到物质上与物质的相互作用是个很复杂的过程。从能量转换的角度看，可归纳为三个能量转换过程：,E1:,散射能量；,E2:,吸收能量，包括真吸收变热部分和光电效应、俄歇效应、正电子吸收等；,E3:,透过物质，继续沿原来入射方向传播的能量，包括波长改变和不改变部分。,1.3 射线与物质相互作用 X射线照射到物质上与物质的相互作,散射,吸收,穿透,X,射 相线 互与 作物 用 质,经典,(,相干、弹性,),散射,量子散射,+,反冲电子,(,康普顿效应,),光电效应,+,二次特征辐射,(,荧光,),俄歇效应,热能,1/2mv,2,相干散射,光电效应,荧光,热量,穿透,康普顿效应,俄歇效应,X,射线是电磁波,具有波粒二象性,通过物质时,产生以下基本现象：,散射X经典(相干、弹性)散射光电效应+二次特征辐射(荧光),X,射线的散射,X,射线被物质散射时，产生两种现象：,相干散射,coherent scattering,非相干散射,incoherent scattering,X射线的散射 X射线被物质散射时，产生两种现象：,1.3.1,相干散射,(,经典散射,),当,X,射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时，光子把能量全部转给电子，电子受,X,射线电磁波的影响将绕其平衡位置发生受迫振动，不断被加速或者被减速而且振动频率与入射,X,射线相同。由于这些散射波之间复合振动方向相同、频率相同、相位差恒定的光干涉作用，所以称之为相干散射。,相干散射,1/2mv,2,康普顿效应,1.3.1 相干散射(经典散射)当X射线与原子中束缚较紧的内,X,射线光子与原子中的电子进行弹性碰撞而散射,无能量损失,光子方向改变,但波长没有变化。,相干散射是射线晶体衍射的基础,X射线光子与原子中的电子进行弹性碰撞而散射,无能量损失,光,1.3.2,非相干散射,(,康普顿,-,吴友训效应,),当,X,射线光子与束缚力不大的外层电子或价电子或金属晶体中的自由电子相碰撞时的散射过程中，电子被撞离原运行方向同时带走光子的一部分动能成为反冲电子；根据动量和能量守恒，原有的,X,射线光量子也因碰撞而损失掉一部分能量，使得波长增加并与原方向偏离,2,角。,反冲电子,2,1.3.2 非相干散射(康普顿-吴友训效应)当X射线光,经典的电磁理论不能解释,的存在，也不能解释,随,2,大小而变化，这种散射效应称为康,-,吴效应，入射波长越短，被照射物质元素越轻，这一现象越显著。,非相干散射不能参与衍射，只能增加背底。,材料测试与分析技术-1,1.3.3,二次特征辐射,利用,X,射线激发作用而产生的新的特征谱线叫做二次特征辐射，也称之为荧光辐射。,光电子,俄歇电子,当入射,X,射线的波长小于物质的吸收限时,会产生大量荧光,增加背底。在,X,射线衍射分析中,采用相干散射,避免荧光的干扰,所以选择,X,射波长,(,阳极靶,),是至关重要的。,1.3.3 二次特征辐射利用X射线激发作用而产生的新的特征谱,1.3.4 X,射线的衰减,X,射线穿过物质时，其强度会衰减；通过多种元素组成的物质时，,X,射线的衰减受到了组成该物质的各种元素的影响，由被照射物质原子本身的性质决定，而与这些原子间的结合方式无关。,1.3.4 X射线的衰减X射线穿过物质时，其强度会衰减；通过,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。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。这个过程中发生,X,射线的光电效应和俄歇效应。,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,光电效应,以,X,光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子称为,光电子,，辐射出的次级标识,X,射线称为,荧光,X,射线。,产生光电效应，,X,射线光子波长必须,小于,吸收限,k。,光电效应以X光子激发原子所发生的激发和辐射过程。被击出的电子,俄歇效应,原子在入射,X,射线光子或电子的作用下失掉,K,层电子，处于,K,激发态；当,L,层电子填充空位时，放出,E-E,能量，产生两种效应：,(1)荧光,X,射线；,(2)产生二次电离，使另一个核外电子成为二次电子,俄歇电子,。,俄歇效应原子在入射X射线光子或电子的作用下失掉K层电子，处于,X,射线的衰减规律,当一束,X,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。衰减的程度与所经过物质中的距离成正比。,X射线的衰减规律 当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作,质量衰减系数,m,表示单位重量物质对,X,射线强度的衰减程度。,质量衰减系数与波长和原子序数,Z,存在如下近似关系：公式（,1-18,）,m,随,的变化是不连续的其间被尖锐的突变分开。发生突变吸收对应的波长,k,为吸收限。,质量衰减系数m 表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。,1.3.5,吸收限的应用,1,滤波片的选择,原理：质量吸收系数为,m,吸收限为,k,的物质，可以强烈的吸收,k,的射线，而波长大于该值的吸收很少。,注：滤波片的材料是根据靶元素确定的。,1.3.5 吸收限的应用 1 滤波片的选择,阳极靶及吸收滤波片的选择：,当,Z,靶,40,时，,Z,片,=Z,靶,-1,当,Z,靶,40,时，,Z,片,=Z,靶,-2,阳极靶及吸收滤波片的选择：,2,阳极靶的选择,阳极靶选择原则：避免产生大量荧光,增加背底最佳选择,:,靶发出的,K,线远离样品的吸收限,通常，,Z,靶,Z,样,+1,2 阳极靶的选择阳极靶选择原则：避免产生大量荧光,增加背底最,散射,吸收,穿透,X,射 相线 互与 作物 用 质,经典,(,相干、弹性,),散射,量子散射,+,反冲电子,(,康普顿效应,),光电效应,+,二次特征辐射,(,荧光,),俄歇效应,热能,X,射线与物质相互作用的总结,散射X经典(相干、弹性)散射光电效应+二次特征辐射(荧光),X,射线与物质相互作用的总结,热能,透射,X,射线衰减后的强度,I0,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,X射线与物质相互作用的总结热能透射X射线衰减后的强度I0,