x射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1、X射線物理基礎(chǔ),技術(shù)物理系康利平,X射線的發(fā)現(xiàn)及性質(zhì),倫琴，1895年發(fā)現(xiàn)X射線，1901年獲諾貝爾物理學(xué)獎,具有穿透性,X射線,陰極射線實(shí)驗(yàn),,,使底片感光,,使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光,,,X射線的性質(zhì),肉眼看不見，但能使氣體電離，使照相底片感光，能穿過不透明的物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。呈直線傳播，在電場和磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)穿過物體時(shí)僅部分被散射。對動物有機(jī)體（其中包括對人體）能產(chǎn)生巨大的生理上的影響，能殺傷生物細(xì)胞。,X射線最

2、早的應(yīng)用,在X射線發(fā)現(xiàn)后幾個月醫(yī)生就用它來為病人服務(wù)右圖是紀(jì)念倫琴發(fā)現(xiàn)X射線100周年發(fā)行的紀(jì)念封,X射線的本質(zhì),波長很短的電磁波，1912年由勞埃證實(shí)波長在0.01~10nm硬X射線，波長約0.25~0.05nm，用于X射線衍射，其中0.1~0.005nm用于金屬部件的無損探傷波長很長的軟X射線，用于醫(yī)學(xué)透視,X射線具有波粒二相性,能量動量X射線的強(qiáng)度是衍射波振幅的平方 也是單位時(shí)間內(nèi)通過單位截面

3、的光量子數(shù)目。X射線絕對強(qiáng)度難以測定，衍射中通常用相對強(qiáng)度表示,X射線的產(chǎn)生,,X射線的產(chǎn)生：高速運(yùn)動的粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生X射線可通過X射線管獲得幾個基本條件：產(chǎn)生自由電子、使電子做定向高速運(yùn)動、在電子運(yùn)動路徑上設(shè)置使其突然減速的障礙物,X射線管的結(jié)構(gòu),,X射線管的結(jié)構(gòu),陰極C——發(fā)射熱電子。一般由鎢絲制成，通電加熱后釋放出熱輻射電子。陽極A——靶，使電子突然減速并發(fā)出X射線。

4、窗口——X射線出射通道。既能有足夠的強(qiáng)度維持管內(nèi)的高真空，又要對X射線的吸收較小。一般用金屬鈹或硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成3-6°的斜角，以減少靶面對出射X射線的阻礙。,C,X射線管,高速電子轉(zhuǎn)換成X射線的效率只有1%，其余99%都作為熱而散發(fā)了。所以靶材料要導(dǎo)熱性好，常用黃銅或紫銅制作，還需要循環(huán)水冷卻。因此X射線管的功率有限，大功率需要用旋轉(zhuǎn)陽極焦點(diǎn)——靶表面被電子轟擊的一塊面積，X射線就是從這塊面積上發(fā)射

5、出來的。焦點(diǎn)的尺寸和形狀是X射線管的重要特性之一。焦點(diǎn)的形狀取決于燈絲的形狀，螺形燈絲產(chǎn)生長方形焦點(diǎn)X射線衍射工作中希望細(xì)焦點(diǎn)和高強(qiáng)度；細(xì)焦點(diǎn)可提高分辨率；高強(qiáng)度則可縮短曝光時(shí)間,旋轉(zhuǎn)陽極,上述常用X射線管的功率為500～3000W。目前還有旋轉(zhuǎn)陽極X射線管、細(xì)聚焦X射線管和閃光X射線管。因陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，故提高功率也不會燒熔靶面。目前有100kW的旋轉(zhuǎn)陽極，其功率比普通X射線管大數(shù)十倍。,旋轉(zhuǎn)陽極,加速器中可

6、以引出X射線,加速器中引出X射線,,加速器中引出X射線,連續(xù)X射線譜,X射線強(qiáng)度與波長的關(guān)系曲線，稱之X射線譜。在管電壓很低（小于20kV）時(shí)，射線從最小值λSWL向長波方向伸展，強(qiáng)度在λm處有一最大值。這種強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜λSWL稱該管電壓下的短波限,連續(xù)譜與U、i、Z的關(guān)系,i、Z不變，提高U，譜線強(qiáng)度整體提高，λSWL和λm減小U、Z不變，提高i，譜線強(qiáng)度一致提高，λSWL和λm不變U、i相同，Z越高

7、，譜線強(qiáng)度越大，但λSWL和λm相同,X射線管的效率,連續(xù)譜的總強(qiáng)度： X射線管的效率η，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X射線的百分?jǐn)?shù)，當(dāng)僅產(chǎn)生連續(xù)譜時(shí)，其效率為：,,X射線管的效率,管電壓越高，陽極靶材的原子序數(shù)越大，X射線管的效率越高。K1很小，約（1.1～1.4）×10-9V-1，即使用原子序數(shù)大的鎢靶（Z＝74），在管電壓高達(dá)100kv的情況下，X射線管

8、的效率也僅有1﹪左右.99％的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮? 所以陽極多用高熔點(diǎn)金屬制造，如W、Ag、Mo、Cu、N、Co、Fe、Cr等，并通循環(huán)水冷卻,連續(xù)譜的經(jīng)典物理學(xué)解釋,根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論，一個高速運(yùn)動的電子到達(dá)靶面，因突然減速而產(chǎn)生很大的負(fù)加速度，這種負(fù)的加速度一定會引起電子周圍的電磁場發(fā)生急劇變化，此時(shí)必然要產(chǎn)生電磁波，或至少一個電磁脈沖。由于極大數(shù)量的電子射到陽極上的時(shí)間和條件不可能相同，因而得到的電磁波將具有連續(xù)的各種波長，形成

9、連續(xù)X射線譜。,連續(xù)譜的量子力學(xué)解釋,在管電壓U作用下，電子到達(dá)靶的動能為eU，若一個電子與靶碰撞時(shí)，把全部能量給予一個光子，這就是一個光量子能獲得的最大能量，即 eU = hνmax = hc/λSWL此光量子的波長即為短波限，即 λSWL = hc/eU=1240/U （nm）大量的電子在到達(dá)靶面的時(shí)間、條件均不同，而且還有多次碰撞，每次碰撞產(chǎn)生一個光量子，因

10、而產(chǎn)生波長大于λSWL的不同波長的光子序列，即形成連續(xù)譜。,特征X射線譜,當(dāng)管電壓超過某臨界值UK時(shí)，在連續(xù)譜的某些特定波長位置上出現(xiàn)一系列強(qiáng)度很強(qiáng)、波長范圍很窄的線狀光譜，稱為特征譜或標(biāo)識譜。特征譜的波長不受U、i的影響，只取決于陽極靶材元素的原子序數(shù)Z。莫塞萊定律： 即,特征譜的產(chǎn)生機(jī)理,原子殼層按其能量大小分為數(shù)層，通常用K、L、M、N等字母代表它們的名稱。各殼層能量由內(nèi)向外

11、逐漸增加（都為負(fù)） 若撞擊靶的熱電子具有足夠高的能量，以致將內(nèi)層電子擊出成為自由電子即二次電子，此時(shí)原子系統(tǒng)處于激發(fā)狀態(tài)（高能態(tài)），必然會自發(fā)向穩(wěn)態(tài)（低能態(tài)）過渡。這一轉(zhuǎn)化是由高能級的電子向低能級的空位躍遷的方式完成的。如果K層電子被擊出，稱K激發(fā)，若L層電子躍遷到K層，多余能量以X射線光量子的形式輻射，即Kα特征譜線；若M層電子向K層空位補(bǔ)充，則輻射波長更短的Kβ譜線。,特征譜的產(chǎn)生機(jī)理,對原子序數(shù)為Z的物質(zhì)來說，各能級的能量是固

12、定的，其大小與Z和能級數(shù)n有關(guān)，所以譜線的波長是一定的。L層內(nèi)尚有能量差別很小的亞能級，故Kα特征譜線是由Kα1譜線和Kα2譜線組成的剛好能擊出靶材k層電子的動能 ，Uk 稱為靶材物質(zhì)的k層臨界激發(fā)電壓，越靠近內(nèi)層激發(fā)電壓越高；Uk還與Z有關(guān)。,特征譜產(chǎn)生機(jī)理,,,特征譜線的波長,自由電子能量為零，則每殼層電子能量為 K層，n＝1；L層，n＝2；M層，n＝3；....輻射譜線的能量為,得即

13、莫塞萊定律其中，R里德伯常數(shù),,特征X射線的命名方法,如K層（n＝1）電子被擊出，由L層（n＝2）躍遷填補(bǔ)空位，則輻射的射線稱為Kα（Δn＝1）射線；若由M層躍遷引發(fā)的輻射，則此射線稱為Kβ（ Δn＝ 2）射線。L層內(nèi)尚有能量差別很小的亞能級，故Kα特征譜線是由Kα1譜線和Kα2譜線組成的若L層電子被擊出，則射線為L系若M層電子被擊出，則射線為M系,特征譜的強(qiáng)度隨管電壓U和管電流i的提高而增大K3為常數(shù)；Un為特征譜的激發(fā)

14、電壓，對K系，Un＝Uk；m為常數(shù)，K系m＝1.5；L系m＝2,各特征譜線比較,多晶體的衍射分析中總希望應(yīng)用以特征譜為主的單色光源，即應(yīng)有盡可能高的I特/I連對K系譜線，當(dāng)U/Uk＝4時(shí)I特/I連獲最大，所以X射線管適宜的工作電壓U≈(3～5)Uk,對比,莫塞萊定律的應(yīng)用,特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。1913～1914年莫色萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序

15、數(shù)間存在以下關(guān)系： 根據(jù)莫色萊定律，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比較，可以確定它是何元素。它是X射線光譜分析的基本依據(jù),,X射線與物質(zhì)的相互作用,X射線與物質(zhì)的相互作用，是一個比較復(fù)雜的物理過程。會產(chǎn)生一系列效應(yīng)，這是X射線應(yīng)用的基礎(chǔ)入射到某物質(zhì)的X射線分為散射、穿透和吸收三部分,透射系數(shù)和吸收系數(shù),強(qiáng)度為I0的入射線照射到厚度為t的均勻物質(zhì)上，透過深度為x處厚度為dx的物質(zhì)后其強(qiáng)度的衰減dI

16、x/dx與dx成正比，即μl稱線吸收系數(shù)，X射線通過單位厚度（即單位體積）物質(zhì)的相對衰減量。,左式積分得透射系數(shù),質(zhì)量吸收系數(shù),單位體積內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量隨其密度而異，所以μl對一確定的物質(zhì)也不是一個常量。為表達(dá)物質(zhì)本質(zhì)的吸收特性，提出質(zhì)量吸收系數(shù)μm，則有,μm的物理意義：X射線通過單位面積上單位質(zhì)量的物質(zhì)后強(qiáng)度的相對衰減量。多元素的化合物、固溶體活混合物的μm僅取決于各組元的質(zhì)量吸收系數(shù)μmi及各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωi ，即,,,

17、,吸收限,質(zhì)量吸收系數(shù)決定于吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z和X射線的波長：X射線的波長越短，穿透能力就越強(qiáng)，吸收系數(shù)越小但μm并非連續(xù)變化，而是在某些波長位置上突然升高，出現(xiàn)了吸收限每種物質(zhì)都有本身確定的一系列吸收限，吸收限的存在暴露了吸收的本質(zhì),X射線的真吸收,X射線通過物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生光電效應(yīng)和熒光輻射或俄歇效應(yīng)，使入射X射線的能量變成光電子、俄歇電子和熒光X射線的能量，使X射線強(qiáng)度被衰減，是物質(zhì)對X射線的真吸收過程。真吸收還包括Ｘ射線穿

18、過物質(zhì)時(shí)引起的熱效應(yīng),光電效應(yīng),當(dāng)入射光量子的能量等于或略大于吸收體原子某殼層電子的結(jié)合能時(shí)，此光量子就很容易被電子吸收，獲得能量的電子從內(nèi)層溢出稱為自由電子，稱光電子。原子則處于相應(yīng)的激發(fā)態(tài)，這種原子被入射輻射電離的現(xiàn)象即光電效應(yīng),光電效應(yīng)消耗大量入射能量，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突增，相應(yīng)的入射波長即為吸收限。使K層電子變成自由電子需要的能量是ωk則νk、λk分別是K吸收限的頻率和波長,入射譜與吸收譜,處于激發(fā)態(tài)的原子也要通過電子躍

19、遷向低能態(tài)轉(zhuǎn)化，同時(shí)輻射被照物質(zhì)的特征X射線（熒光X射線，二次X射線）。這個過程稱為熒光效應(yīng)，與由熱電子入射激發(fā)特征X射線的過程完全相同。熒光輻射，主要應(yīng)用于重元素（Z>20）化學(xué)成分的分析同一元素的X射線發(fā)射譜與其吸收譜的關(guān)系,熒光效應(yīng),,,俄歇（auger）效應(yīng),如果原子中一個K層電子被入射光量子擊出后，L層一個電子躍遷填補(bǔ)空位，多余能量不以熒光X射線輻射，而是另一個L層電子獲得躍出成為自由電子，這樣的一個K層空位被兩個L

20、層空位代替的過程稱為俄歇效應(yīng)躍出的L層電子稱KLL俄歇電子，每種原子的俄歇電子均具有一定的能量，測定俄歇電子的能量，即可確定該種原子的種類，所以，可以利用俄歇電子能譜作元素的成分分析。俄歇電子的能量很低，人們能夠檢測到的只是表面兩三個原子層發(fā)出的俄歇電子，因此，俄歇效應(yīng)應(yīng)用于輕元素表層的分析。,俄歇效應(yīng),,,吸收限的應(yīng)用——濾波片的選擇,在一些衍射分析工作中，我們只希望利用kα輻射，但X射線管中發(fā)出的X射線包含kα、Kβ和連續(xù)譜，它

21、們會使衍射花樣復(fù)雜化?？梢岳梦障迌蓚?cè)吸收系數(shù)差很大的現(xiàn)象制成濾波片，得到基本的單色光源,濾波片的選擇規(guī)則,濾波片材料的K吸收限位于光源λkα和λkβ之間即λkα(光源) <λk(濾波片)< λkβ(光源) ，他對Kβ吸收很強(qiáng)烈而對λkα吸收很少。 調(diào)整濾波片的厚度，使濾波后的Ikα≈600Ikβ Z靶＜40時(shí)，Z濾＝Z靶-1 Z靶≥40時(shí)，Z濾＝Z靶-2,吸收限的應(yīng)用——陽極靶材的選擇,進(jìn)行衍射分析時(shí)，總希望試樣

22、對X射線少吸收，獲得高的衍射強(qiáng)度＆低的背底應(yīng)選擇靶的Kα譜位于試樣元素K吸收限的右近鄰（稍大于λK）或左面遠(yuǎn)離λK的低μ處如Fe試樣用Co或Fe靶，Al試樣用Cu或Mo靶Z靶≤Z試樣+1,,靶的Kα譜即λx,X射線的散射,物質(zhì)對X射線的散射主要是電子與X射線相互作用的結(jié)果物質(zhì)中的核外電子分為兩大類：原子核束縛不緊的和原子核束縛較緊的電子X射線照射到物質(zhì)表面后對于這兩類電子會產(chǎn)生兩種散射效應(yīng),相干散射(彈性散射或湯姆遜散射),當(dāng)

23、X射線與原子中束縛較緊的內(nèi)層電子相撞后，光能量不足以使原子電離，但電子可在X射線交變電場作用下產(chǎn)生受迫振動，向四周輻射振動頻率與入射X射線相同的射線。任何帶電粒子作受迫振動時(shí)將產(chǎn)生交變電磁場，從而向四周輻射電磁波，其頻率與帶電粒子的振動頻率相同。由于散射線與入射線的波長和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，故稱為相干散射。相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)。,不相干散射（康普敦-吳有訓(xùn)效應(yīng)）,X射線經(jīng)束縛力

24、不大的電子（如輕原子中的電子）或自由電子散射后，可以得到波長比入射X射線長的X射線，且波長隨散射方向不同而改變。這種散射現(xiàn)象稱為康普頓散射或康普頓一吳有訓(xùn)散射，也稱之為不相干散射，是因散射線分布于各個方向，波長各不相等，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。能量為hv的光子與自由電子或受核束縛較弱的電子碰撞，將一部分能量給與電子，使其能量提高成為反沖電子，光子損失了能量并改變了方向，能量減少為hv′，顯然v>v′，即λ<λ ′?？梢杂靡粋€光

25、子與一個電子的彈性碰撞機(jī)制來描述，由動量守恒和能量守恒定律來推導(dǎo)散射線的波長增大值△λ= λ’-λ≈0.0024(1-cosθ)不相干散射在衍射圖相上成為連續(xù)的背底。,,,,X射線產(chǎn)生及其與物質(zhì)相互作用小結(jié),X射線的安全防護(hù),人體過量接受射線照射會引起損傷《射線防護(hù)規(guī)定》GBJ8-74國家標(biāo)準(zhǔn)重金屬鉛可以強(qiáng)烈吸收射線，用鉛玻璃屏蔽。,總結(jié),本章主要講述三個問題:1.X射線的性質(zhì),本質(zhì)和X射線的產(chǎn)生2.X射線譜---連續(xù)譜,特

26、征譜3.X射線與物質(zhì)的相互作用,總結(jié),關(guān)于X射線的性質(zhì),本質(zhì)和X射線的產(chǎn)生1.了解X射線有哪些性質(zhì)!2.X射線的本質(zhì)是電磁波,具有波粒二相性.3.X射線的產(chǎn)生定義:高速運(yùn)動的粒子遇阻嘎然停止,其能量可以X射線形式釋放.4.X射線管結(jié)構(gòu)與工作原理,總結(jié),關(guān)于X射線譜---連續(xù)譜,特征譜1.連續(xù)譜產(chǎn)生機(jī)理的二種解釋(經(jīng)典,量子),什么是短波限?為什么會出現(xiàn)短波限？2.特征譜產(chǎn)生機(jī)制、特征譜的命名方法、 臨界激發(fā)電壓、激發(fā)