第二章-X射线物理基础-2

第二章X射线的物理基础目录X射线的产生和性质2X射线与物质相互作用4X射线的发展史31X射线谱332.1.X射线的发展史1895年11月8日真空管放电不可见氰化钡荧光底片感光气体电离未知——X射线！！！1901年获首届诺贝尔物理学奖1.X射线的发展史X射线透射学医学领域金属零件内部探伤引入中国几个月后1896年1.X射线的发展史1912年劳埃晶体X射线衍射劳埃方程X射线衍射学布拉格方程特征X射线1914年1917年次级X射线1924年西格班X射线光谱学1927年康普顿康吴效应19241915191419011917诺贝尔物理学奖W.C.伦琴德国发现伦琴射线(X射线)1927M.V.劳厄德国发现X射线晶体衍射布拉格父子英国布拉格方程C.G.巴克拉英国发现次级伦琴辐射K.M.G.西格班瑞典伦琴射线光谱学A.H.康普顿美国发现康普顿效应电子源2.2X射线的产生和本质加速电压靶材真空环境X射线管X射线管冷却水靶（阳极）铜X射线X射线真空钨丝玻璃管座（接变压器）铍窗聚焦罩Cr,Fe,Co,NiCu,Mo,Ag•阴极产生电子•阳极产生X射线2.2X射线的产生和本质电磁波谱区段的界限是渐变的一个光子的能量：λνEchhλph其中普朗克常数h=6.625*10-34J.s光速c=2.998*108m/s一个光子的动量：一、波粒二象性2.2X射线的产生和本质•问题：（1）X射线的波长范围在10~0.001nm或100~0.01埃，其光子的能量范围是多少电子伏特？X线的硬度（X线的贯穿本领）X线X线硬度比较：B束大于A束实质：能量大的光子被物质吸收少，其贯穿本领强，相应的射线硬度大。A束B束常用管电压的千伏数（kV）表示X线硬度。X线按硬度分类及主要用途:CategoriesTubevoltage(kV)ShortestWavelength(nm)Use很软X-ray软X-ray硬X-ray很硬X-ray5-2020-100100-250over2500.25-0.0620.062-0.0120.012-0.005below0.005软组织的X线摄影X线摄影和透视浅表组织的治疗深部组织的治疗材料衍射测试标准条件：40kV2.2X射线的产生和本质2.人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。3.X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。4.X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。2.3X射线谱单位时间内通过单位面积的X光子的能量总和单个X光子能量X光子的数量定义：X射线的强度与波长的关系曲线。2.3X射线谱依赖于加速电压的连续X射线不依赖于加速电压的特征X射线2.3.1连续X射线谱0maxcheUhveUhvnmUeUhc12400管电压的影响管电压(V)对连续谱的影响(钨靶)短波限02.3.1连续X射线谱管电流(i)对连续谱的影响(钨靶)2.3.1连续X射线谱短波限0I10mA20mA30mA40mA0靶材序数(Z)对连续谱的影响(钨靶)2.3.1连续X射线谱2.3.2特征X射线（标识X射线）特点：1）和靶的物质有关，和电压无关2）电压要达到一定值才能产生莫塞来定律：)(1ZK式中K为与靶中主量子数有关的常数，σ为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。特征X射线谱及管电压对特征谱的影响（钼钯K系）eVk=hvk=WkhvK→L=△EKL=EL-Ek==hc/λX射线波长是一定的特征X射线特征X射线产生机理特征X射线产生机理2.4X射线与物质相互作用•定义物质中的电子在X射线电场的作用下，产生强迫振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线同频率的电磁波。由于散射线与入射线的频率和波长一致，位相固定，在相同的方向上各个散射波符合干涉条件，因此称为相干散射。电子将入射X射线向其四周散射；或者说入射波将自身的能量传给电子，而电子又将该能量转化为与入射波长相同的散射X射线。干涉条件：1，频率相同2，相位差固定3，振动方向一致2.4.1相干散射X射线原子或离子中的电子——受迫振动。振动着的电子成为次生X射线的波源，向外辐射与入射X射线同频率的电磁波，称为散射波。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的基础。2.4.2非相干散射•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，能量损失，波长增加。))(2cos1(0243.0)2cos1(012Acmh入射X射线电子2这种散射波的位相与入射线的位相之间不存在固定关系，不能产生干涉效应，因此称为非相干散射非相干散射是康普顿和我国物理学家吴有训等人发现的，亦称康普顿效应或康普顿-吴有训效应。非相干散射突出地表现出X射线的微粒特性，只能用量子理论来描述，亦称量子散射。它会增加连续背影，给衍射图象带来不利的影响，特别对轻元素。康吴效应2.4.3X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射线的非热能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。•光电效应；•俄歇效应。•热能光电效应（荧光辐射）（1）定义：当一个具有足够能量的X射线光子碰撞到物质的原子时，也可以击出原子内层(如K层)的电子而产生电子空位，且高能级的电子填充该空位发生电子跃迁时，同样会产生辐射，即产生特征X射线。这种以X射线光子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X射线光电子，所辐射的特征X射线称为次级（或二次）X射线，或称为荧光X射线。光电效应（2）产生光电效应，X射线光子波长必须小于吸收限λk。当X光子激发K系（电子）产生光电效应时，光子的能量必须大于击出一个K层电子所做的功（临界值）：)(4.12AVeVhc此式把吸收限与激发电压联系起来。从激发光电效应角度讲，我们可以称K为激发限波长，即只有波长小于K的X光子才能激发K系产生X光电效应而使X射线的能量被吸收。光电效应产生条件光电效应其他效应讨论与辨析VS二次特征X射线特征X射线光电子反冲电子激发限波长λk连续X射线波长限λ0俄歇效应原子在入射X射线光子的作用下失掉K层电子，处于K激发态；当L层电子填充空位时，放出EL-EK能量，可能产生两种效应：(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。KLILIILIIIMKLILIIKLL俄歇跃迁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。真空能级俄歇效应光电效应小结光电子被X射线击出壳层的电子即光电子,它带有壳层的特征能量,所以可用来进行成分分析(XPS)俄歇电子高能级的电子回跳,多余能量将同能级的另一个电子送出去,这个被送出去的电子就是俄歇电子带有壳层的特征能量(AES)二次荧光高能级的电子回跳,多余能量以X射线形式发出.这个二次X射线就是二次荧光也称荧光辐射同样带有壳层的特征能量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小结散射散射无能力损失或损失相对较小相干散射是X射线衍射基础,只有相干散射才能产生衍射.散射是进行材料晶体结构分析的工具吸收吸收是能量的大幅度转换,多数在原子壳层上进行,从而带有壳层的特征能量,因此是揭示材料成分的因素吸收是进行材料成分分析的工具可以在分析成分的同时告诉你元素价态2.4.4X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。dxdx0IdIxxlxxxdxxxleIIdxIdIIII0I0入射X射线强度，Ix为穿透厚度为x的物质后的X射线强度，l为线衰减系数，衰减与散射的关系很小，因此，l也称线吸收系数（附表上单位为厘米-1）。mlm为质量吸收系数2.4.4X射线的衰减规律质量衰减系数μm表示单位质量物质对X射线强度的衰减程度33ZKm质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系：K为常数μm随λ的变化是不连续的。其间被尖锐的突变分开。突变对应的波长为K吸收限。质量衰减系数μm共振吸收质量衰减系数μm(m/)i为第种元素的质量吸收系数，W为各元素原子的质量分数(%)iiNimmW1)(多元素体系：1，X射线实验中用于防护的铅屏，厚度至少为1毫米。试计算这种铅屏对CuK、MoK的透射因数（I透射/I入射）。xxleII0查表可得铅对CuK、MoK线吸收系数是241和141。111.241.024103/eeeIIx75.7/1.141.01410eeeIIx计算题•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λK时，光子的能量高于击出一个内层电子所做的功W，X射线被吸收，激发光电效应。使μm突变性增大。•吸收限与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。吸收限的作用吸收限的应用•根据样品成分选择靶材的原则是：•Z靶≤Z样-1；或Z靶Z样。•对于多元素的样品，原则上是以含量较多的几种元素中最轻的元素为基准来选择靶材。阳极靶材料的选择吸收限的应用•在一些衍射分析工作中，我们只希望是kα辐射的衍射线条，但X射线管中发出的X射线，除kα辐射外，还含有Kβ辐射和连续谱，它们会使衍射花样复杂化。•获得单色光的方法之一是在X射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将Kβ和连续谱衰减到可以忽略的程度。滤波片的选择吸收限的应用•1：Z靶＜40时，Z滤＝Z靶-1；•2：Z靶＞40时，Z滤＝Z靶-2滤波片的选择总结本章主要讲述三个问题:•1.X射线的性质,本质和X射线的产生•2.X射线谱---连续谱,特征谱•3.X射线与物质的相互作用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射线等短波谱域的电磁波具有杀伤生物细胞的作用，过量照射将对人体产生有害影响，其影响程度取决于波长、强度、照射时间和人体接受部位等。铅屏、铅玻璃屏屏蔽、铅玻璃眼镜、铅橡胶手套、铅围裙等。使用X射线衍射仪要严格遵守操作规程！！X射线的防护1)为何X射线管的窗口由Be制成，而其屏蔽装置由Pb制成？2)铜靶X射线应用什么元素做滤波片？如你选择Al和Fe,会出现什么后果？3)对于铁靶，应用什么做滤波片，解释你的选择理由。4)请算出Cr靶在75kV下白色X射线的短波限λ0值。5)请分别计算MoKα(λ=0.071nm)和CuKα(λ=0.154nm)X射线的频率f和能量E。练习作业•课后题