材料分析方法X射線物理學(xué)原理PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1材料分析方法材料分析方法X射線物理學(xué)原理射線物理學(xué)原理第1頁(yè)/共62頁(yè) 1895年11月8日，德國(guó)物理學(xué)家倫琴在研究真空管的高壓放電時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)鍍有氰亞鉑酸鋇的硬紙板會(huì)發(fā)出熒光。經(jīng)仔細(xì)分析，認(rèn)為這是真空管中發(fā)出的一種射線引起的。由于當(dāng)時(shí)對(duì)這種射線不了解，故稱之為X射線。后來也稱倫琴射線。 第2頁(yè)/共62頁(yè)倫琴發(fā)現(xiàn)，不同物質(zhì)對(duì)X射線的穿透能力是不同的。他用X射線拍了一張其夫人手的照片。很快，X射線發(fā)現(xiàn)僅半年時(shí)間就在醫(yī)學(xué)上得到了應(yīng)用。 1896年，倫琴將他的發(fā)現(xiàn)和初步的研究結(jié)果發(fā)表在英國(guó)的Nature雜志上。 1910年，諾貝爾獎(jiǎng)第一次頒發(fā)，倫琴因X射線的發(fā)現(xiàn)而獲得第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2、第3頁(yè)/共62頁(yè)X射線管產(chǎn)生X射線第4頁(yè)/共62頁(yè)1236541-高壓變壓器;2-鎢絲變壓器；3-X射線管；4-陽(yáng)極；5-陰極；6-電子；7-X射線7X射線產(chǎn)生裝置第5頁(yè)/共62頁(yè)接變壓器玻璃金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線X射線管剖面示意圖40KV高壓鎢燈絲第6頁(yè)/共62頁(yè)nmmmmcmmkm波長(zhǎng)（）射線可見光微波無線電波UVIR射線第7頁(yè)/共62頁(yè)第8頁(yè)/共62頁(yè)布喇格 W.L.對(duì)X射線本質(zhì)的爭(zhēng)論：粒子流？電磁波？認(rèn)為X射線是物質(zhì)粒子流的科學(xué)家中有W. H. 布拉格。他的兒子W. L. 布拉格 則對(duì)X射線的波動(dòng)性進(jìn)行的研究，并給出了著名的布拉格方程。 第9頁(yè)/共62頁(yè)物理依托學(xué)

3、科究基地 對(duì)X射線波動(dòng)性最完美的研究是德國(guó)物理學(xué)家勞厄（Laue）。1912年，勞厄是德國(guó)慕尼黑大學(xué)非正式聘請(qǐng)的教授。一天著名物理學(xué)家索末菲的一名研究生厄瓦耳向他請(qǐng)教關(guān)于光在晶體中散射的數(shù)學(xué)分析問題。在討論中勞厄想到了一個(gè)問題，就問厄瓦耳，如波長(zhǎng)比晶體中原子的間距比小，會(huì)發(fā)生什么情形？厄瓦耳說，他的公式應(yīng)當(dāng)包括這種情形，并將公式抄了一份給勞厄。討論時(shí)，勞厄若有所思 第10頁(yè)/共62頁(yè)物理依托學(xué)科究基地 愛因期坦稱，勞厄的實(shí)驗(yàn)“ 物理學(xué)最美的實(shí)驗(yàn)”。它一箭雙雕地解決了X射線的波動(dòng)性和晶體的結(jié)構(gòu)的周期性。 1912年，德國(guó)物理學(xué)勞厄等人利用晶體光柵觀察到X射線的衍射現(xiàn)象，證實(shí)X射線的本質(zhì)是電磁波第

4、11頁(yè)/共62頁(yè)波動(dòng)性)(2cos0tyAA第12頁(yè)/共62頁(yè)粒子性式中h普朗克常數(shù)，等于6.62510-34J.s cX射線的速度，等于2.998108m/s.hp hch波長(zhǎng)短，粒子性表現(xiàn)突出第13頁(yè)/共62頁(yè)第14頁(yè)/共62頁(yè)cv nmmo1 . 010A110hvJ108 . 21023. 410625. 6)Hz(1023. 41071. 0/10315183418108hvcvMo靶X射線:第15頁(yè)/共62頁(yè)X射線管X射線譜X射線譜指的是X射線的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系曲線。X射線強(qiáng)度大小由單位面積上的光量子數(shù)決定。 第16頁(yè)/共62頁(yè)l由X射線管發(fā)射出來的X射線可以分為兩種類型：(1

5、)連續(xù)（白色）X射線譜(2)特征（標(biāo)識(shí)）X射線譜X射線譜第17頁(yè)/共62頁(yè)連續(xù)譜隨管電流、管電壓、陽(yáng)極靶的原子序數(shù)的變化關(guān)系第18頁(yè)/共62頁(yè)第19頁(yè)/共62頁(yè)K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）M態(tài)（擊走M(jìn)電子）N態(tài)（擊走N電子）擊走價(jià)電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量連續(xù)X射線產(chǎn)生過程電子沖擊陽(yáng)極靶X射線射出第20頁(yè)/共62頁(yè)eVhc00maxhcheV或者式中 e 電子電荷，等于 （庫(kù)侖）V管電壓h普朗克常數(shù)，等于C19106 . 1sj3410625. 6第21頁(yè)/共62頁(yè)VV4 .121000300108 . 41010310625. 610810270第22頁(yè)/共62頁(yè)kgm

6、311011. 9Jsh3410625. 6smc/1038Ce19106 . 1eVhc0eVm20210mp 第23頁(yè)/共62頁(yè)0第24頁(yè)/共62頁(yè)miZVKdII10)(連式中：K1和m都是常數(shù)，m 2， K1 1.11.410-9；Z為陽(yáng)極靶材料的原子序數(shù)。經(jīng)驗(yàn)公式第25頁(yè)/共62頁(yè)ZVKiViZVKXX121電子流功率射線功率射線管效率例如，當(dāng)采用鎢靶（Z=74），管電壓為100KV時(shí)，X射線管的效率1%。這是由于在X射線管中，高速運(yùn)動(dòng)的電子轟擊陽(yáng)極靶時(shí)，其能量的絕大部分（99%）轉(zhuǎn)化為熱能而損失，只有極少部分的能量轉(zhuǎn)化為X射線。所以X射線管工作時(shí)必須有良好的循環(huán)水冷卻，以防止陽(yáng)極靶

7、熔化。第26頁(yè)/共62頁(yè)第27頁(yè)/共62頁(yè)X第28頁(yè)/共62頁(yè)K系激發(fā)機(jī)理K層電子被擊出時(shí)，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級(jí)電子向K層空位填充時(shí)產(chǎn)生K系輻射。L層電子填充空位時(shí)，產(chǎn)生K輻射；M層電子填充空位時(shí)產(chǎn)生K輻射第29頁(yè)/共62頁(yè)K輻射可細(xì)分為 K1(=0.70926)及K2(=0.71354)兩條譜線， K1與K2的強(qiáng)度比為2:1。輻射機(jī)理第30頁(yè)/共62頁(yè)l由能級(jí)可知K輻射的光子能量大于K的能量，但K層與L層為相鄰能級(jí)，故L層電子填充幾率大，所以K的強(qiáng)度約為K的5倍l產(chǎn)生K系激發(fā)必須陰極電子的能量eVk至少等于擊出一個(gè)K層電子所作的功Wk。Vk就是激發(fā)電壓即產(chǎn)生特征譜線的臨界電

8、壓。第31頁(yè)/共62頁(yè)ZC1C，為常數(shù)莫賽來定律第32頁(yè)/共62頁(yè)nkVViKI2標(biāo)第33頁(yè)/共62頁(yè)K K系系標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí)X X射射線譜線譜的波的波長(zhǎng)長(zhǎng)和工作和工作電壓電壓陽(yáng)極靶元 素原子序數(shù)K1K2K K KVKKV工作電壓（KV）Cr242.289622.935122.29092 .084802.07015.982025Fe261.935971.939911.93731.756531.74337.102530Co271.788921.792781.79021.620751.60817.7130Ni281.657841.661691.65911.500101.48808.293035CuCu2

9、9291.540511.540511.544331.544331.54181.54181.392171.392171.38041.38048.868.8635403540Mo420.709260.713540.71070.632250.619820.65055Ag470.559410.563810.56090.497010.485525.55560第34頁(yè)/共62頁(yè)X射線的衰減第35頁(yè)/共62頁(yè)第36頁(yè)/共62頁(yè)dxIIIIIlxdxxdxxx負(fù)號(hào)表示dIx與dx符號(hào)相反為常數(shù)，稱為線性吸收系數(shù)l第37頁(yè)/共62頁(yè)tleII0tleII0透射系數(shù)第38頁(yè)/共62頁(yè)dxIIIIIlxdxxdxx

10、xl的物理意義為X射線通過單位體積物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度的相對(duì)衰減量。 對(duì)于同一物質(zhì)，線吸收系數(shù)正比于它的密度。引入質(zhì)量吸收系數(shù)m， m= l /dxIdIxxl第39頁(yè)/共62頁(yè)tleII0m= l /mtmmeIeII00m= t，為單位面積厚度為t 的體積中的物質(zhì)的質(zhì)量。m的物理意義：密度為的單位物質(zhì)單位面積上所引起的強(qiáng)度的相對(duì)衰減量。是反映物質(zhì)本質(zhì)的吸收特性的物理量。第40頁(yè)/共62頁(yè)piimiiipillmww11)(33KZml經(jīng)驗(yàn)公式Z為吸收物質(zhì)的原子序數(shù)，為X射線的波長(zhǎng)，K為常數(shù)第41頁(yè)/共62頁(yè)第42頁(yè)/共62頁(yè)第43頁(yè)/共62頁(yè)的光子能量等于或者略大于原子某殼層電子的結(jié)合能。第44頁(yè)/

11、共62頁(yè)同樣會(huì)產(chǎn)生輻射，即產(chǎn)生特征X射線。第45頁(yè)/共62頁(yè)級(jí)（或二次）X射線，或稱為熒光X射線。第46頁(yè)/共62頁(yè)KKKhcWhMKMKKhhWWhLKLKKhhWWh第47頁(yè)/共62頁(yè)第48頁(yè)/共62頁(yè)歇電子能譜。故可利用俄歇電子能譜做元素的成分分析。KLILIILIIIMKLILIIKLL俄歇躍遷第49頁(yè)/共62頁(yè)吸收真吸收光電效應(yīng)俄歇效應(yīng)非熱能吸收熱能吸收第50頁(yè)/共62頁(yè)lK的強(qiáng)度約為K的5倍l為了簡(jiǎn)化譜線，避免干擾，通常用濾波片把K線過濾掉，只留下K線。第51頁(yè)/共62頁(yè)最佳。 Z靶40時(shí) Z濾片=Z靶-2第52頁(yè)/共62頁(yè)第53頁(yè)/共62頁(yè)第54頁(yè)/共62頁(yè)電子將入射X射線向其四周散射；或者說入射波將自身的能量傳給電子，而電子又將該能量轉(zhuǎn)化為與入射波長(zhǎng)相同的散射X射線。第55頁(yè)/共62頁(yè)X 射 線電子將入射X射線向其四周散射；或者說入射波將自身的能量傳給電子，而電子又將該能量轉(zhuǎn)化為與入射波長(zhǎng)相同的散射X射線。第56頁(yè)/共62頁(yè)P(yáng)R入射X射線散射X射線電子2)22cos1(1094. 722260RIIe)22cos1()()4(2222020meRII