X-射线的物理学基础.ppt

X-射线的物理学基础,张友祥,伦 琴 (W. C. Rontgen),1895年，德国物理学家伦琴（W.C. Rontgen）在研究阴极射线时发现了一种未知射线，当时对这种射线的本质还不了解。因为在代数上常常用X表示未知数，故将它命名为X射线,X-射线照的相片,当时的科学家们虽然还不了解X射线的本质，但是发现X射线具有很高的穿透能力，可以很容易穿过纸、人体、木材、金属片和其他不透明物体。1896年（X射线发现的第二年）即被医学部门采用作为检查人体伤、病的工具。,1. X-射线的产生,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。,产生的原理,产生的条件,产生自由电子-电子源，如加热钨丝产生热电子； 使电子作定向的高速运动 - 施加在阳极和阴极（钨丝）间的电压； 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。 真空-把阴极和阳极密封在真空度高于10-3Pa 的真空中，保持两极洁净使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。,X射线管的结构,封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管。 基本组成包括： (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 (2)阳极：靶，是使电子突然减速和发射X射线的地方。 (3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。 (4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正是从这块面积上发射出X射线。,X射线管截面图,X射线管,2. X射线的本质,X射线的本质是电磁波，与可见光完全相同，仅是波长短而已，因此具有波粒二像性。 X射线的波长范围：0.01100 或者10-8-10-12 m 表现形式：在用晶体作衍射光栅时观察到的X射线的衍射现象，即证明了X射线的波动性。,2.1. X射线的波动性, X射线是波长在10-8到10-12米范围内的电磁波，因此具有极强穿透能力。,硬X射线：波长较短的硬X射线能量较高，穿透性较强，适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。 软X射线：波长较长的软X射线能量较低，穿透性弱，可用于分析非金属的分析。 X射线波长的度量单位常用埃（）,或者通用的国际计量单位中用纳米（nm）表示，它们之间的换算关系为： 1 =10-10 m 1nm=10-9 m,2.2. X射线的粒子性,X-射线在空间传递时，也具有粒子性。换言之，X-射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续的粒子流，这些粒子叫做光子，每个光子的能量为 即，X-射线和一切微观粒子（电子、质子、中子等）一样，都同时具有波动和粒子双重特性（波粒二像性） 其波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传递，反映了物质运动的连续性；其粒子性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量、动量，反映了物质运动的分立性。 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： 式中h为普朗克常数，c为光速。,3. X射线谱,X射线谱指的是物体发射出来的X射线的强度 随波长着变化的关系曲线。其中X射线强度的大小由单位面积上的光量子数决定。,由X射线管发射出来的X射线可以看作是由两种类型的谱线叠加而成： (1)连续X射线 (2)特征X射线,3.1. 连续X射线,具有连续波长的X射线，构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称白色X射线。,X射线谱中的连续X射线谱,能量为eV（V为X射线管的管电压）的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分能量以光子的形式辐射，碰撞一次即产生一个光子（能量为h ），这样的光子流即为X射线。 单位时间内到达阳极靶面的电子数目是很多的，绝大多数电子要经历多次碰撞，逐渐地损耗自身的全部能量，即产生多次辐射（产生多个光子）。由于多次辐射中光子的能量（ h）不同，因此出现连续X射线谱。,连续X射线谱的产生机理,短波限 0,连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0。它是由电子一次碰撞就耗尽所有能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。 相互关系为： 即0 = hc/eV 式中 h, c, e都为常数， 0 = f (V) ，只是管电压的函数。,X射线的强度,X射线的强度是指在单位时间内通过垂直于X射线传播方向的单位面积上光子能量的总和。 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射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强度，也是阳极靶所发射出的X射线的总能量。,3.2. 特征X射线,对于一定元素的靶，当管电压小于某一限度时，只激发连续谱。但当管电压升高到超过某一临界值（如 对Mo靶, 其临界值V激20kV）后，曲线产生明显的变化，在连续谱的几个特定波长的地方，强度突然显著增大，如图所示。由于它们的波长反映了阳极靶材料的特征，因此称之为特征X射线谱。,特征X射线是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线。它和可见光中的单色光相似（具体特定的波长），故亦称单色X射线。,特征X射线的产生机理,特征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的。 原子系统内电子在各个能级的分布原理：Pauli不相容原理；能量最低原理。 在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，在低能级上即出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出X射线，即为特征X射线。,特征X射线的产生过程,特征X射线是波长一定的特征辐射。,激发与辐射,当K系电子被激发时，原子的系统能量便由基态升高到K激发态，即K系激发。同样，L系电子被激发，称为L系激发，依此类推。 当K层电子出现空位，该空位被高能级电子填充时产生K系辐射。具体地，当K层空位被L层电子填充时，产生K辐射；被M层电子填充时，产生K辐射。依此类推。,K系激发机理,K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态。高能级电子向K层空位填充时产生K系辐射。L层电子填充空位时，产生K辐射；M层电子填充空位时产生K辐射。 由能级图可知K辐射的光子能量大于K的能量。但K层与L层为相邻能级，故L层电子填充K层空位的几率大，所以K的强度约为K的5倍。,4. X射线与物质的相互作用,X射线与物质相互作用时，最终可归结为光子（ X射线）和电子（物质的电子）的相互作用。就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，其能量可分为3部分：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。,4.1 X射线的散射 相干散射,相干散射是X射线和物质中束缚力较大的电子（重原子的内层电子）相作用而产生的。该束缚力较大的电子在X射线的作用下，产生受迫振动。每个受迫振动的电子便成为新的电磁波源向空间各个方向辐射电磁波（也为X射线），其辐射波即为散射波。散射波的特征：新产生的电磁波的波长和频率与入射X射线的一致；位相固定；在相同的方向上各个散射波符合干涉条件（相互干涉）。因此称为相干散射。 （干涉条件：频率相同；相位差固定；振动方向一致）,入射波将自身的能量传给束缚电子，该束缚电子再将该能量转化为散射波。该散射X射线与入射X射线波长相同。 相干散射并未损失X射线的能量（频率或者波长没变），而只是改变了它的传播方向。因此相干散射又称为弹性散射。 相干散射是X射线在晶体中产生衍射（晶体的X射线衍射）的理论基础,相干散射的强度,一个电子（位置为Q）将入射X射线散射到P点（P点与Q点相距为R， PQ 与入射X射线的方向成2角），其P点的散射强度 Ie 为：,散射强度与距离的平方成反比。 各个方向上散射强度不同。,X射线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射线则离开原来的方向，能量减小，波长增加。,非相干散射突出地表现出X-射线的微粒特性。非相干散射会增加连续背影，给衍射图像带来不利的影响。,4.1 X射线的散射 非相干散射,4.2. 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。（有时把X射线的这种能量损失称为真吸收）物质对X射线的真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。,光电效应； 俄歇效应。 热能,光电效应,当一个具有足够能量的X射线光子（非高速运动的电子束）碰撞到物质的原子时，可以将被照射物质原子中的内层电子打击出来，使原子处于激发状态，从而成为一个标识X射线的辐射源。（原子内层的电子被轰击出来产生电子空位，高能级的电子填充该空位发生电子跃迁时产生辐射，即产生特征X射线。） 这种以X射线光子来激发物质原子所发生的激发和辐射的过程称为光电效应。被击出的电子被称为光电子，所辐射出来的特征X射线称为次级（或二次）X射线，或荧光X射线。,X射线的光电效应是由物质对入射X射线的吸收而引起的，在此过程中所产生的荧光X射线使得原X射线的强度剧烈衰减，且荧光X射线不产生衍射，只是造成底片上漫射的背底，这些对一般的X射线衍射分析是有害的，因此，实验中选择合适的靶尽量减少它的不利影响。 但是，在X射线荧光光谱分析中，恰好要利用它来分析物质的元素，因此，希望得到尽可能强的荧光X射线。所以，掌握了荧光X射线产生了机理和条件，就可以很好地控制和利用它。,俄歇效应,如果原子在入射X射线光子的作用下失掉一个K层电子（一次电离），它就处于K激发态；当一个L层电子填充这个空位后，会放出(K -L)的能量。若能量释放出来的方式不是荧光X射线，而是以产生二次电离的方式，则称此种效应为俄歇效应。 （如，当原子处于K激发态时，若K -L L ，则有可能使L层的一个电子跃入K层，同时释放出来的能量(K -L)使L层的另一个电子脱离原子逸出，产生二次电离。称该二次电子为KLL俄歇电子。）,俄歇电子的能量与激发源（光子或电子）的能量无关，只取决于物质原子的能级结构，每种元素都有自己的特征俄歇电子能谱。故可利用俄歇电子能谱做元素的成分分析。,真空能级,4.3 X射线的衰减,当一束X射线通过物质时，由于散射和吸收的作用使其在透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质的距离成正比。,比例常数l称为线性衰减系数，它与物质种类、物质密度、及X射线的波长有关。,将上式积分，得到：,其中，I0是入射X射线的强度，Ix是穿透厚度为x的物质后的X射线强度，l为线性衰减系数。上式表明，X射线通过物质后，将按指数规律迅速衰减。,X射线强度的衰减是通过散射和吸收两种方式进行的。所以线性衰减系数l应该等于散射系数和吸收系数之和。在大多数情况下，散射系数要比吸收系数小得多，所以散射系数可以不计。以后将l称为线性吸收系数。,此时衰减规律则表示为：,对于一种物质，线性吸收系数l 正比于它的密度，因此引入质量吸收系数m：,如果吸收体物质是含有多个元素的物质，如化合物、合金、机械混合物等，则其质量吸收系数为：,mi为第i种元素的质量吸收系数，Wi为第i种元素质量分数(%),质量吸收系数m与波长及原子系数的关系,实验表明：质量吸收系数随波长的变化而变化，其变化曲线由两个明显不同的连续部分所组成。即质量吸收系数随着波长的变化会产生突变。 在突变之间， m随波长和原子系数Z的变化关系可近似为： 其中K为常数 m随的变化曲线被尖锐的突变分开。这个突变所对应的波长为K吸收限，常用K表示。,吸收限主要是由光电效应引起的：当X射线的波长等于或小于K时，光子的能量高于击出物质的一个内层电子所需做的功W，X射线被吸收，激发光电效应，使m突变性增大。 吸收限与吸收物质的原子能级的精细结构对应。如L系有三个副层，有三个吸收限。,X射线衍射实验需要近可能接近单色的X射线，可是从X射线管发射出来的射线不仅含有K线，还有较弱的K线和连续X射线。我们可以利用K吸收限的性质，选择一种材料，让该材料的K吸收限K恰好位于阳极靶的特征X射线K 和K的波长之间，把该材料放在原X射线束和衍射线束之间。这种材料叫滤波器。滤波器能把绝大部分K 线吸收掉，而K 线的强度仅受到很小的损失。 如Ni的K = 1.488 。Cu靶的K 线的波长为1.5418，K 线的波长为1.3922，因此可以用Ni作为滤波片，强烈吸收Cu靶的K，K吸收很小。,吸收限的应用,5. X射线的探测与防护 X射线的探测,X射线在通过物质时，可产生照相效应而使照相底片乳胶感光；可产生荧光效应而使某些晶体发光；可产生电离效应而使某些气体电离。通常利用这些效应来探测X射线的存在并测定其强度。 照相法： X射线通过照相乳胶层时，发生光化学作用而使底片感光。照相底片的处理程序和可见光的基本相同。 荧光法： X射线在通过某些荧光物质（如-ZnS, CaWO4）时，这些物质会产生荧光效应而发出可见光，这是X射线的光致发光现象。因此，在X射线实验中，可利用荧光屏来探测X射线的存在及其强度。 电离法：X射线光子对气体的电离作用可以用来探测X射线的存在，测定其强度。按照这种原理制成的探测X射线的仪器有电离室和各种辐射计数器。,每个从事X射线工作的人必须注意到X射线可能产生的危险性。 X射线对生命有机体有一定的杀伤作用。当辐射剂量超过临界辐射量（0.05伦琴/天）时，便会产生显著的有害影响：轻者可引起细胞组织坏死，发生红肿、溃烂，影响生育，失明，严重的可达到致命的程度。因此，对X射线的危害性，必须引起高度警惕！ 医用的硬X射线，波长短，穿透物质的能力强，不易被人体组织所吸收。晶体分析工作所用的是软X射线，波长较长，穿透能力弱，容易被吸收。因此，软X射线的危害性比硬X射线大得多。 X射线对人体的生理作用具有“累积”性质。 在平时使用过程中注意采用防护措施。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射线的防护,