,X射線物理學基礎

1、Modern Analytical Instruments and Technology for MaterialsUnit 1Modern Analytical Instruments and Technology for MaterialsChapter 1Modern Analytical Instruments and Technology for Materials2o兩個重要人物：倫琴（W.C. Rntgen）勞埃（M. von Laue）1895年倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了X射線。1912年勞埃發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射現(xiàn)象。Modern Analytical Instrumen

2、ts and Technology for Materials3 電磁波或電磁輻射，具有波粒二相性。 波動性（圖1-2 ） 粒子性 描述X射線波動性的物理量，如頻率、波長與描述其粒子特性的光量子能量E、動量P之間，遵循愛因斯坦關系式： E = h = hc / P = h / = h / cModern Analytical Instruments and Technology for Materials4 用于晶體結構分析的X射線波長： 0.250.05nm （硬X射線） 金屬零件的無損探傷： 0.10.005nm 用于醫(yī)學透視及安檢的X射線波長則很長： 1100nm（軟X射線）Modern

3、 Analytical Instruments and Technology for Materials5 X射線產(chǎn)生的幾個基本條件： 產(chǎn)生自由電子； 使電子作定向高速運動； 在電子運動的路徑上設置使其突然減速的障礙物。 主要構造： 陰極：發(fā)射電子。 陽極：靶（target）。使電子突然減速并發(fā)射X射線。 窗口：是X射線射出的通道。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials6 1.4.1 兩種X射線輻射過程 關于高速電子擊靶產(chǎn)生X射線的機理，按量子理論的觀點，源于兩個物理過程： 韌致輻射（連續(xù)輻射） 陰極射出的高速電子與

4、靶材原子碰撞，運動受阻而減速，其損失的動能便以X射線光子的形式輻射出來。 特征輻射（標識輻射） 靶材原子處于高能激發(fā)態(tài)時，內(nèi)層電子躍遷輻射的X射線。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials71212nnnnh121212nnnnnnhcc 輻射出的X射線的波長（頻率），由電子躍遷所跨越的兩個能級的能量差來決定：Modern Analytical Instruments and Technology for Materials81.4.2 兩種X射線譜 （連續(xù)，特征（標識） X射線強度隨波長連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜。

5、 連續(xù)譜受管電壓U，管電流i和陽極靶材的原子序數(shù)Z的作用，其相互關系見圖： 連續(xù)譜的總強度決定于上述U、i、Z三因素： 21iZUKdIISWL連ZUKiUI1連圖1圖2 連續(xù)X射線譜Modern Analytical Instruments and Technology for Materials9 連續(xù)譜的形成及存在短波限的量子力學解釋：在管電壓U作用下，電子到達陽極靶時動能為eU，若一個電子在與陽極靶碰撞時，把全部能量都給予一個光子，這就是一個光子所可能獲得的最大能量，即hmax = eU，此光量子的波長即為短波限SWL，SWLcheUmaxnmUmUUCsmsJeUhcSWL12401

6、04 .1210602. 110998. 210626. 67191834Modern Analytical Instruments and Technology for Materials10 特征（標識）X射線譜當加于X射線管兩端的電壓增高到與陽極靶材相應的某一特定值UK時，在連續(xù)譜的某些特定的波長位置會出現(xiàn)一系列強度峰，峰窄而尖銳。它們的波長對一定材料的陽極靶有嚴格恒定的數(shù)值，此波長可作為陽極靶材的標志或特征。故稱為特征譜或標識譜。特征譜的波長不受管電壓、管電流的影響，只決定于陽極靶材元素的原子序數(shù)。Mo靶35kVModern Analytical Instruments and Tec

7、hnology for Materials11 特征X射線產(chǎn)生的機理經(jīng)典原子模型原子內(nèi)的電子分布在一系列量子化的殼層上。最內(nèi)層（K層）能量最低。22242)(2ZnhmeEn)()(1212nnnnEEh圖Modern Analytical Instruments and Technology for Materials12 原子內(nèi)層電子被擊出而造成空位是產(chǎn)生特征輻射的前提。 而欲擊出靶材原子內(nèi)層電子，比如K層電子，由陰極射來的電子的動能就必須大于（至少等于）K層電子與原子核的結合能EK，或K電子逸出所做的功WK，即eUK=-EK=WK，這個UK便是陰極電子擊出靶材原子K電子所需的臨界激發(fā)電壓

8、。MgKLM入射電子二次電子（自由電子）MgK光子MgK光子Modern Analytical Instruments and Technology for Materials13莫塞萊（Moseley H.G.J.）對特征譜進行系統(tǒng)研究后，在1914年得出了特征譜波長和陽極靶的原子序數(shù)Z之間的關系莫塞萊定律：)(12ZK巴克拉西格班盧瑟福阿倫尼烏斯Modern Analytical Instruments and Technology for Materials14 特征譜的強度隨管電壓（U）和管電流（i）的提高而增大，其關系的實驗公式如下：I特K3 i ( U - Un)m 另外，X射線連

9、續(xù)譜只增加衍射花樣的背底，不利于衍射花樣分析，因此總希望特征譜線強度與連續(xù)譜線強度之比越大越好。實踐和計算表明，當工作電壓為K系激發(fā)電壓的35倍時，I特 / I連最大。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials15 照射到物質(zhì)上的X射線，除一部分可能沿原入射線束方向透過物質(zhì)繼續(xù)向前傳播外，其余的，在與物質(zhì)相互作用的復雜物理過程中被衰減吸收，其能量轉換和產(chǎn)物可歸納于后圖。圖Modern Analytical Instruments and Technology for Materials16 物質(zhì)對X射線的散射主要是電子與

10、X射線相互作用的結果。物質(zhì)中的核外電子有兩大類，相應產(chǎn)生兩種散射效應。 相干散射coherent scattering（彈性散射或湯姆遜散射） 經(jīng)典散射 當X射線與原子中受核束縛較緊的內(nèi)層電子相撞時，電子受X射線電磁波的影響而繞其平衡位置發(fā)生受迫振動，于是變加速振動著的電子便以自身為中心，向四周輻射新的電磁波，其波長與入射X射線波長相同，且彼此間有確定的周相關系。可以發(fā)生相互干涉，故稱相干散射。 1.5.1 X射線的散射Modern Analytical Instruments and Technology for Materials17 非相干散射incoherent scattering

11、（康普頓-吳有訓效應） 量子散射 當X射線光子與原子中受束縛力弱的電子（如原子中的外層電子、自由電子等）發(fā)生碰撞時，電子被撞離原子并帶走光子的一部分能量而成為反沖電子。光子損失了能量波長變長并改變了2角，不能產(chǎn)生干涉效應，故叫非相干散射。 根據(jù)能量和動量守恒定律，推出Modern Analytical Instruments and Technology for Materials181.5.2 X射線的透射和吸收 一、 X射線的吸收與吸收系數(shù)1. 衰減規(guī)律與線吸收系數(shù) 實驗證明，當一束單色X射線透過一層均勻物質(zhì)時，其強度將隨穿透深度的增加按指數(shù)規(guī)律減弱，即：tleII0tleII0或I /

12、I0 為；稱（單位為cm-1）。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials192. 質(zhì)量吸收系數(shù) 為了避開線吸收系數(shù)隨吸收體物理狀態(tài)不同而改變的困難，可以用l /代替l，為吸收物質(zhì)的密度，這樣：ttmleIeII00稱（單位為cm2g-1），表示單位重量物質(zhì)對X射線的吸收程度。質(zhì)量吸收系數(shù)與波長和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)Z存在函數(shù)關系：334ZKmModern Analytical Instruments and Technology for Materials20復雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù) 對于非單質(zhì)元素組成的復雜物質(zhì)，如固溶體

13、、金屬間化對于非單質(zhì)元素組成的復雜物質(zhì)，如固溶體、金屬間化合物等，其質(zhì)量吸收系數(shù)決定于各組元的質(zhì)量吸收系數(shù)合物等，其質(zhì)量吸收系數(shù)決定于各組元的質(zhì)量吸收系數(shù) mi及各組元的質(zhì)量分數(shù)及各組元的質(zhì)量分數(shù) i 。niimim1連續(xù)譜的質(zhì)量吸收系數(shù) 實驗證明，連續(xù)實驗證明，連續(xù)X射線穿過物質(zhì)時的質(zhì)量吸收系數(shù)，射線穿過物質(zhì)時的質(zhì)量吸收系數(shù)，相當于一個稱為有效波長相當于一個稱為有效波長的波長值所對應的質(zhì)量吸收的波長值所對應的質(zhì)量吸收系數(shù)。系數(shù)。 。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials21注意，隨波長的降低，m并非呈連續(xù)的變化，而

14、是在某些波長位置上突然升高，出現(xiàn)了吸收限。（右圖）這種帶有特征吸收限的吸收系數(shù)曲線稱為該物質(zhì)的吸收譜。二、X射線的真吸收1. 光電效應 當入射X射線光量子的能量等于或略大于吸收體原子某殼層電子的結合能時，此光量子就很容易被電子吸收，獲得能量的電子從內(nèi)層逸出成為自由電子，稱光電子，原子則處于相應的激發(fā)態(tài)。這種光子擊出電子的現(xiàn)象即為。此效應消耗大量入射能量，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突增，對應的入射波長即為。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials222. 熒光X射線 （二次特征X射線）3. 俄歇（Auger）效應一次特征X射線的一部

15、分能量轉變?yōu)樗丈湮镔|(zhì)的二次特征輻射，體現(xiàn)出物質(zhì)對入射X射線的吸收。該吸收非常強烈，吸收系數(shù)變化。010.swfModern Analytical Instruments and Technology for Materials23熒光輻射：當入射X射線（光量子）的能量等于或略大于被照射物質(zhì)原子某殼層電子的結合能時，將該殼層電子擊出而使原子處于激發(fā)態(tài)，原子外層高能態(tài)電子向內(nèi)層空位躍遷，輻射出具有特定波長值的X射線，這種由入射X射線所激發(fā)出來的特征X射線輻射稱為熒光輻射。俄歇效應：原子中一個K層電子被入射光量子擊出后，L層一個電子躍入K層填補空位，此時多余的能量不以輻射X射線的方式放出，而是另一

16、個L層電子獲得能量躍出吸收體，這樣的一個K層空位被兩個L層空位代替的過程稱為俄歇效應，躍出的L層電子稱俄歇電子。 熒光效應用于重元素（Z 20）的成分分析，俄歇效應用于表層輕元素的分析。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials24物質(zhì)對X射線的吸收有兩類方式，一種是原子對X射線的漫散射，形成漫散射的X射線向四周發(fā)散，其能量只占吸收能量的極少部分。真正意義的吸收是電子在原子內(nèi)的遷移所引起的，這主要就包括了光電子發(fā)射、俄歇電子、熒光X射線輻射、正負電子對等個體的能量以及熱散能量，稱之為真吸收。漫散射式的吸收與真吸收構成了由

17、質(zhì)量吸收系數(shù)m 所表征的全吸收。Modern Analytical Instruments and Technology for Materials25三、吸收限的應用（）1. 濾波片（filter）的選擇濾波片選擇原則：2. 陽極靶的選擇Cu避免產(chǎn)生熒光X射線Modern Analytical Instruments and Technology for Materials26健康人的X射線照射安全劑量是每工作周不超過0.7710-4 C / kg。重金屬鉛可強烈吸收X射線Modern Analytical Instruments and Technology for Materials27

18、本章小結l X射線本質(zhì)、產(chǎn)生條件l 兩種X射線輻射、兩種X射線譜l 莫塞萊定律，X射線管工作電壓選擇l X射線與物質(zhì)的相互作用l 幾個重要概念：l 相干（非相干）散射、光電效應、熒光輻射、吸收限、俄歇效應l 吸收限的應用：l 濾波片的選擇l 陽極靶的選擇Modern Analytical Instruments and Technology for Materials28Modern Analytical Instruments and Technology for Materials29tyAA2cos0tAAcos0Modern Analytical Instruments and Technology for Materials30機場背散射X射線安檢Modern Analytical Instruments and Technology for Materials31Modern Analytical Instruments and Technology for Materials32X射線管剖面示意圖Modern Analytical Instruments and Technology for Materials33X射線輻射過程.