第2章X射線物理基礎(chǔ)

1、倫琴（W.C.Roentgen） (1845-1923)德國人德國人倫琴是德國維爾茨堡大學校長，第一屆諾貝爾獎獲得者。1895年他發(fā)現(xiàn)一種穿透力很強的一種射線。后來很快在醫(yī)學上得到應用，也引起各方面重視。1895年11月8日發(fā)現(xiàn) x 射線實驗室這是第一張 X射線照片，倫琴夫人的手l895l895年底，倫琴發(fā)表了年底，倫琴發(fā)表了論新的射線論新的射線。 19011901年，獲得了首次頒發(fā)的年，獲得了首次頒發(fā)的諾貝爾物理學獎諾貝爾物理學獎。 1890年年古德斯比德古德斯比德和和詹寧斯詹寧斯都發(fā)現(xiàn)他們陰極都發(fā)現(xiàn)他們陰極射線管后面的照相底片特別發(fā)黑。射線管后面的照相底片特別發(fā)黑。 1879年年克魯克斯克

2、魯克斯曾抱怨放在他的陰極射線管曾抱怨放在他的陰極射線管附近的照相底片老出現(xiàn)模糊的陰影。附近的照相底片老出現(xiàn)模糊的陰影。 1912 年德國慕尼黑大年德國慕尼黑大學的實驗物理學教授馮學的實驗物理學教授馮勞勞厄用晶體中的衍射拍攝出厄用晶體中的衍射拍攝出X 射線射線衍射照片衍射照片。由于晶。由于晶體的晶格常數(shù)約體的晶格常數(shù)約10 nm，與與 X 射線波長接近，衍射射線波長接近，衍射現(xiàn)象明顯?，F(xiàn)象明顯。 (獲獲 1912 年諾貝爾物理獎年諾貝爾物理獎)單晶片單晶片X 射線射線照相底片照相底片X 射線衍射的發(fā)展射線衍射的發(fā)展Echh2.1.1 X 射線的性質(zhì)本質(zhì)本質(zhì): : X 射線是一種波長很短的電磁波，

3、具有波粒二相性。hp 硬 x 射線，軟 x 射線，電磁波譜1）具有很強的穿透能力，可以穿透黑紙及許多對可見光不透明的物質(zhì)，被固定物質(zhì)吸收而強度減弱。3）肉眼不能觀察,但可以使照相底片感光。4）能殺死生物細胞和組織。X 射線的性質(zhì)射線的性質(zhì): :2）沿直線傳播,電磁場不能使其偏轉(zhuǎn)，不能聚焦。X 射線：波長0.00110nm的電磁波；高速電子撞擊陽極(Cu、Cr等重金屬)：熱能(99%)+X射線(1%) 高速電子撞擊使陽極元素的內(nèi)層電子激發(fā)；產(chǎn)生X射線輻射；X 射線譜是射線譜是 X 射線強度射線強度I-I-波長波長的關(guān)系曲線的關(guān)系曲線X 射線管產(chǎn)生的輻射按射線譜特征分為連續(xù) X 射線和特征 X 射

4、線兩類。Mo 靶連續(xù) x-ray 譜和特征 x 射線譜2.1.3 X 射線譜1 1、連續(xù)譜（白色連續(xù)譜（白色 X 射線）射線）強度隨波長而連續(xù)變化，每條曲線都對應有一個最短的波長（短波限0）和一個強度的最大值 。 1） 產(chǎn)生機理 2） 連續(xù)譜特性 高能電子轟擊陽極靶，電子與靶原子交換能量，入射電子能量漸漸減小，損失的能量以電磁波方式輻射出去，因波長大小不同稱連續(xù)譜。2UiZKIm2) 連續(xù)譜特性短波限：短波限：X 射線連續(xù)譜的下限波長，記作射線連續(xù)譜的下限波長，記作 min（ 0）電子在電場中得到的電子在電場中得到的加速動能加速動能，全部轉(zhuǎn)化為輻射的光子能時，全部轉(zhuǎn)化為輻射的光子能時，maxm

5、inkcEeUhh有有Uehc 1min所以得所以得它與陽極的材料無關(guān)，僅與電壓有關(guān)。它與陽極的材料無關(guān)，僅與電壓有關(guān)。 min的存在是量子論正確性的又一例證。也可用它來測普朗克常數(shù) h 。1）產(chǎn)生機理2）特征譜線的命名3）特征波長1）產(chǎn)生機理碰撞躍遷(高) 空穴躍遷(低) 在 X 射線管中，當陰極發(fā)射的電子束轟擊陽極的過程中，當某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出，于是在低能級上出現(xiàn)空位，原子的系統(tǒng)能量升高，系統(tǒng)處于激發(fā)狀態(tài)。 這種激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，隨后便有較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，使原子的系統(tǒng)能量重新降低而趨于穩(wěn)定。在原子系統(tǒng)中，電子從高能級向低能級的躍遷過程中多余

6、的能量以光子的形式向外輻射特征 X 射線。 1212222211()nnnnEEcR ZhnnR = 1.097107 m-1，Rydberg常數(shù)；核外電子對核電荷的屏蔽常數(shù)；n 電子殼層數(shù)；c 光速；Z 原子序數(shù)；En2和和En1 分別為高能級和低能級電子的能量分別為高能級和低能級電子的能量 2121nnnnhEEZeKLM N OL系系K系系KKKKLLL-e-e2 2）特征譜線的命名）特征譜線的命名 一般來說IK=（57）IK，分析工作一般用強度最大的K線)(1zc特征 X 射線譜及管電壓對特征譜的影響鉬鈀K系 1-20kV 2-25kV 3-35kV 不同陽極靶材，有不同的特征譜線，波

7、長不同z關(guān)系，由1914年莫塞萊（MOSLEY）定律確定。n=1 n2（L層）（K層）n3（M層）K系L系K1 K2K1L1 L2K2K雙線的產(chǎn)生與原子能級的精細結(jié)構(gòu)有關(guān)雙線的產(chǎn)生與原子能級的精細結(jié)構(gòu)有關(guān) LLL連續(xù)譜連續(xù)譜特征特征 X 射線譜射線譜強度隨波長連續(xù)變化強度隨波長連續(xù)變化 強度與管電壓、管電強度與管電壓、管電流、原子序數(shù)有關(guān)流、原子序數(shù)有關(guān) 其產(chǎn)生：高能電子的其產(chǎn)生：高能電子的能量損失頻率有關(guān)能量損失頻率有關(guān) 波長一定而強度很強波長一定而強度很強 與靶材、激發(fā)電壓有與靶材、激發(fā)電壓有關(guān)，與管電流無管關(guān)，與管電流無管 特征譜的產(chǎn)生與靶材特征譜的產(chǎn)生與靶材原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)如原子內(nèi)部結(jié)

8、構(gòu)有關(guān)如K，K 連續(xù)譜與特征譜的比較連續(xù)譜與特征譜的比較入射入射 X 射線射線強度強度I I0 0t t散射散射 X 射線射線相干的非相干的反沖電子俄歇電子光電子熒光熒光 X 射線射線電子電子透射透射 X 射線射線 I Ix=I I0 0e e- -ux康普頓效應俄歇效應光電效應熱能熱能1、相干散射（湯姆遜散射湯姆遜散射/ /彈性散射）彈性散射） 相干散射是相干散射是 X 射線在晶體中產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)射線在晶體中產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ) 當 X 射線與試樣緊束縛的內(nèi)層電子相互作用，光子的方向改變，但能量幾乎沒有損失，輻射出與入射波相同波長的 X 射線。相干散射特點：相干散射特點： A A、與物質(zhì)原子中束縛

9、力較大的電子（內(nèi)層電子）的作用。、與物質(zhì)原子中束縛力較大的電子（內(nèi)層電子）的作用。 B B、電子作受迫振動發(fā)射電磁波，稱散射波。、電子作受迫振動發(fā)射電磁波，稱散射波。 C C、各散射波之間符合振動方向相同、頻率相同、各散射波之間符合振動方向相同、頻率相同、 位相差恒定的干涉條件可產(chǎn)生干涉作用。位相差恒定的干涉條件可產(chǎn)生干涉作用。 特點：特點： A A、X 射線作用于束縛較小的外層電子或自由電子。射線作用于束縛較小的外層電子或自由電子。B B、散射、散射 X 射線的波長變長了。射線的波長變長了。散射散射 X 射線波長的改變與傳播方向存在如下的關(guān)系：射線波長的改變與傳播方向存在如下的關(guān)系： = 0

10、.0024(1-cos2) 由于散射由于散射 X 射線的波長隨散射方向而變，不能產(chǎn)生干涉效應。射線的波長隨散射方向而變，不能產(chǎn)生干涉效應。故這種故這種 X 射線散射稱為非相干散射。射線散射稱為非相干散射。 我國著名的物理學家吳有訓與美國物理學家康普頓一起在我國著名的物理學家吳有訓與美國物理學家康普頓一起在1924年發(fā)現(xiàn)的此效應，故亦稱康普頓吳有訓效應年發(fā)現(xiàn)的此效應，故亦稱康普頓吳有訓效應 。3、熒光輻射0 xxII e 為物質(zhì)的線吸收系數(shù) 意義：當 X 射線通過物質(zhì)時，在 X 射線傳播方向上，單位長度上 X 射線強度的衰減程度（cm-1)。它與物質(zhì)的種類和 X 射線的波長有關(guān)。4、 X 射線的

11、衰減規(guī)律單位為單位為cm2/g, 則：則： 實際中最常用的是物質(zhì)的實際中最常用的是物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù) m m 為物質(zhì)的密度。質(zhì)量吸收系數(shù)的意義是為物質(zhì)的密度。質(zhì)量吸收系數(shù)的意義是單位質(zhì)量物質(zhì)對單位質(zhì)量物質(zhì)對 X 射線的衰減程度。射線的衰減程度。 mxmxeII0K K 為常數(shù)為常數(shù) 質(zhì)量吸收系數(shù)反映了不同物質(zhì)對質(zhì)量吸收系數(shù)反映了不同物質(zhì)對 X 射線的吸收程度射線的吸收程度 33ZKm33ZKmm0.81.01.2 50100150200250LLLPt(Z=78)的質(zhì)量吸收系數(shù) m 隨入射 X 射線波長 的變化K0如果吸收體中是由兩種以上的元素組成的化合物或混如果

12、吸收體中是由兩種以上的元素組成的化合物或混合物、或溶液，其總的質(zhì)量吸收系數(shù)為：合物、或溶液，其總的質(zhì)量吸收系數(shù)為： 式中：式中：w1 , w2 和和wp 為該吸收體中各組分的質(zhì)量分數(shù)為該吸收體中各組分的質(zhì)量分數(shù) m1 , m2 和和 mp為該吸收體中各組分的質(zhì)量吸收系數(shù)為該吸收體中各組分的質(zhì)量吸收系數(shù) mppmmmwww 2211K K).(09.350 .16209.287 .120 .1626 .6009.282)2(gcmSiOm1）陽極靶選擇2）濾波片的選擇1)陽極靶選擇目的：避免在試樣上發(fā)生熒光輻射 一般應滿足以下經(jīng)驗公式: Z靶 Z試樣 + 1例：分析Fe試樣時，應該用Co靶或Fe

13、靶，如果用Ni靶時，會產(chǎn)生較高的背底水平。因為Fe 的k=0.17429nm,而Ni靶的K射線波長k=0.16591nm，故大量的產(chǎn)生真吸收，造成嚴重非相干散射背底2）濾波片的選擇 用濾波片將 K 系特征線中 K去掉留下K線。Ni Ni 的吸收限的吸收限: : 0.14869 nm0.14869 nm，它對它對0.14869 nm0.14869 nm波長及稍短波長及稍短波長的波長的 X 射線有強烈的吸收。而對比射線有強烈的吸收。而對比0.14869 nm0.14869 nm稍長的稍長的 X 射線吸收很小。射線吸收很小。 Cu Cu 靶靶 X 射線射線: :K=0.15418 nm =0.15418 nm K=0.13922 nm=0.13922 nm 濾波片的選用原則濾波片的選用原則 (1)Z靶 40 時-選 Z片 = Z靶-1(2)Z靶 40 時-選 Z片 = Z靶-2 )(1zc0mx