X射線的性質(zhì)學(xué)習(xí)課程

1、2021-11-201.1引言 1895年德國物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了一種新型的輻射，肉眼看不見，可使照相底片感光，并有很強的穿透力。X射線的本質(zhì)、它與物質(zhì)相互作用的基木原理己被深人研究，并在科學(xué)研究、醫(yī)療與技術(shù)工程上獲得廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的設(shè)備和方法也在不斷的發(fā)展中。第1頁/共43頁第一頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-202兩個重要人物：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。第2頁/共43頁第二頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20第3頁/共43

2、頁第三頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-201.2 X射線的本質(zhì) X射線屬于電磁波或電磁輻射 具有粒子性和波動性特點 波長為10-8cm，與晶體的晶格常數(shù)同一數(shù)量級第4頁/共43頁第四頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20X射線和可見光相比，其波長比可見光短，介于紫外線與射線之間，約為102到102埃的范圍。頻率大約是可見光的103倍，所以它的光子能量比可見光的光子能量大得多，表現(xiàn)明顯的粒子性。由于X射線波長短，光子能量大的兩個基本特性。第5頁/共43頁第五頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20 X射線以光子的形式輻射和吸收時具有質(zhì)量、能量、動量 波長

3、短，能量和動量大，穿透能力強 X射線的波動性表現(xiàn)在干涉和衍射 X射線的粒子性表現(xiàn)與物質(zhì)相互作用交換能量hcEhhcEhhP第6頁/共43頁第六頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-207 用于晶體結(jié)構(gòu)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(xué)透視及安檢的X射線波長則很長： 1100nm（軟X射線）第7頁/共43頁第七頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-201.3 X射線的產(chǎn)生及X射線管 X射線是由高速運動著的帶電（或不帶電）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)生的 產(chǎn)生自由電子

4、；電子定向高速運動；設(shè)置使其突然減速的障礙物 X射線管帶冷卻水的大燈泡第8頁/共43頁第八頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20 X射線管實際上是一只真空二極管， 它有兩個電極：作為陰極的用于發(fā)射電子的燈絲（鎢絲）和作為陽極的用于接受電子轟擊的靶（又稱對陰極）。 X射線管供電部分至少包含有一個使燈絲加熱的低壓電源和一個給兩極施加高電壓的高壓發(fā)生器。 由于總是受到高能量電子的轟擊，陽極還需要強制冷卻。 當(dāng)燈絲被通電加熱至高溫時（達2000），大量的熱電子產(chǎn)生，在極間的高壓作用下被加速，高速轟擊到靶面上。高速電子到達靶面，運動突然受阻，其動能部分轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，以X射線的形式放出，這種

5、形式產(chǎn)生的輻射稱為軔致輻射。第9頁/共43頁第九頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20 轟擊到靶面上電子束的總能量只有極小一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線能，靶面發(fā)射的X射線能量與電子束總能量的比率可用下面的近似公式表示： = 1.1109 Z V 式中Z為靶材組成元素的原子序數(shù)，V為X射線管的極間電壓（又稱管電壓），以伏特為單位。例如對于一只銅靶的X射線管，在30KV工作時，= 0.1%，而一只鎢靶的X射線管在100KV條件下工作時，也不過= 0.8%?？梢奨射線管產(chǎn)生X射線的能量效率是十分低的，但是，目前X射線管仍是最實用的發(fā)生X射線的器件。 因為轟擊靶面電子束的絕大部分能量都轉(zhuǎn)化為熱能，

6、所以，在工作時X射線管的靶必須采取水冷（或其他手段）進行強制冷卻，以免對陰極被加熱至熔化，受到損壞。也是由于這個原故，X射線管的最大功率受到一定限制，決定于陽極材料的熔點、導(dǎo)熱系數(shù)和靶面冷卻手段的效果等因素。同一種冷卻結(jié)構(gòu)的X射線管的額定功率，因靶材的不同是大不相同的。例如，銅靶（銅有極佳的導(dǎo)熱性）和鉬靶（鉬的熔點很高）的功率常為相同結(jié)構(gòu)的鐵、鈷、鉻靶的兩倍。第10頁/共43頁第十頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20第11頁/共43頁第十一頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20 在晶體衍射實驗中，常用的X射線管按其結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點可分為三種類型： 1. 可拆式管這種

7、X射線管在動真空下工作，配有真空系統(tǒng)，使用時需抽真空使管內(nèi)真空度達到105毫帕或更佳的真空度。不同元素的靶可以隨時更換，燈絲損壞后也可以更換，這種管的壽命可以說是無限的。 2. 密封式管這是最常使用的X射線管，它的靶和燈絲密封在高真空的殼體內(nèi)。殼體上有對X射線“透明”的X射線出射“窗孔”。靶和燈絲不能更換，如果需要使用另一種靶，就需要換用另一只相應(yīng)靶材的管子。這種管子使用方便，但若燈絲燒斷后它的壽命也就完全終結(jié)了。密封式X射線管的壽命一般為10002000小時，它的報廢往往并不是與因燈絲損壞，而是由于靶面被熔毀或因受到鎢蒸氣及管內(nèi)受熱部分金屬的污染，致使發(fā)射的X射線譜線“不純”而被廢用。 3.

8、 轉(zhuǎn)靶式管這種管采用一種特殊的運動結(jié)構(gòu)以大大增強靶面的冷卻，即所謂旋轉(zhuǎn)陽極X射線管，是目前最實用的高強度X射線發(fā)生裝置。管子的陽極設(shè)計成圓柱體形，柱面作為靶面，陽極需要用水冷卻。工作時陽極圓柱以高速旋轉(zhuǎn)，這樣靶面受電子束轟擊的部位不再是一個點或一條線段而是被延展成陽極柱體上的一段柱面，使受熱面積展開，從而有效地加強了熱量的散發(fā)。所以，這種管的功率能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過前兩種管子。 對于銅或鉬靶管，密封式管的額定功率，目前只能達到2 KW左右，而轉(zhuǎn)靶式管最高可達90 KW。第12頁/共43頁第十二頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-201.4 X射線譜 由X射線管所得到的X射線，按其特征可以分成

9、兩部分：連續(xù)光譜和特征光譜，后者只與靶的組成元素有關(guān)。第13頁/共43頁第十三頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-2014連續(xù)X射線譜 X射線強度隨波長連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜。 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(guān)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 X射線波長從一最小值短波限SWL向長波方向伸展第14頁/共43頁第十四頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-2015 連續(xù)譜的形成及存在短波限的量子力學(xué)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

10、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SWLSWL，SWLcheUmax如果一個電子射入物質(zhì)后在發(fā)生有效碰撞（產(chǎn)生光量子）之前速度有所降低，則碰撞產(chǎn)生光量子的能量就會減小。由于多種因素使得發(fā)生有效碰撞的電子速度可以從零到初速連續(xù)的取值，因而出現(xiàn)了連續(xù)光譜，其波長自m開始向長波方向伸展。連續(xù)光譜的短波限SWL只決定于X射線管的工作高壓。第15頁/共43頁第十五頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20 X射線的強度是指垂直于X射線傳播方向的單位面積上單位時間內(nèi)光量子數(shù)目能量的總和。 強度由光子的能量和光子的數(shù)

11、目決定 最大值不在m，而在1.5m 選用重金屬靶并施以高電壓 Inh2XXmiIiZViZVZViV連連續(xù) 射線總強度射線管功率第16頁/共43頁第十六頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-2017 當(dāng)加于X射線管兩端的電壓增高到與陽極靶材相應(yīng)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(yán)格恒定的數(shù)值，此波長可作為陽極靶材的標(biāo)志或特征。故稱為特征譜或標(biāo)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35kV特征特征X X射線譜射線譜 第17頁/共43頁第十七頁，編輯于星期日：八點 三十

12、分。2021-11-2018 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。圖陰極射出的電子流轟擊到靶面，如果能量足夠高，靶內(nèi)一些原子的內(nèi)層電子會被轟出，使原子處于能級較高的激發(fā)態(tài)第18頁/共43頁第十八頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20K層電子被擊出稱為K激發(fā)態(tài)，L層電子被擊出稱為L激發(fā)態(tài)，依次類推。圖1.6b表示的是原子的基態(tài)和K、L、M、N等激發(fā)態(tài)的能級圖，原子的激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的，壽命不超過10-8秒，此時內(nèi)層軌道上的空位將被離核更遠(yuǎn)軌道上的電子所補充，從而使原子能級降低，這時，多余的能量便以光量子的形式輻射出來。 第1

13、9頁/共43頁第十九頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20 圖1.6a描述了上述激發(fā)機理。處于K激發(fā)態(tài)的原子，當(dāng)不同外層的電子（L、M、N層）向 K層躍遷時放出的能量各不相同，產(chǎn)生的一系列輻射統(tǒng)稱為K系輻射。 基于上述機制產(chǎn)生的X射線，其波長只與原子處于不同能級時發(fā)生電子躍遷的能級差有關(guān)，而原子的能級是由原子結(jié)構(gòu)決定的，因此，這些有特征波長的輻射將能夠反映出原子的結(jié)構(gòu)特點，我們稱之為特征光譜。 22242)(2ZnhmeEn)()(1212nnnnEEh第20頁/共43頁第二十頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-2021X射線輻射過程.swf第21頁/共43頁第二十一

14、頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20莫塞萊定律K與靶材物質(zhì)主量子數(shù)有關(guān)的常數(shù)屏蔽常數(shù)，與電子所在的殼層位置有關(guān)()K Z第22頁/共43頁第二十二頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-2023 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(jié)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。MgKLM入射電子二次電子（自由電子）MgK光子MgK光子第23頁/共43頁第二十三頁，編輯于星期日：八點

15、 三十分。2021-11-2024 特征譜的強度隨管電壓（U）和管電流（i）的提高而增大，其關(guān)系的實驗公式如下：I特K3 i ( U - Un)m 另外，X射線連續(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(dāng)工作電壓為K系激發(fā)電壓的35倍時，I特 / I連最大。第24頁/共43頁第二十四頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20第25頁/共43頁第二十五頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-2026 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(fù)雜物理

16、過程中被衰減吸收，其能量轉(zhuǎn)換和產(chǎn)物可歸納于后圖。圖第26頁/共43頁第二十六頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-2027 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)中的核外電子有兩大類，相應(yīng)產(chǎn)生兩種散射效應(yīng)。 相干散射coherent scattering（彈性散射或湯姆遜散射） 經(jīng)典散射 當(dāng)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(guān)系。可以發(fā)生相互干涉，故稱相干散射。 射線的散射第27頁/共43頁第二十七

17、頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-2028 非相干散射incoherent scattering （康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)） 量子散射 當(dāng)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(yīng)，故叫非相干散射。 根據(jù)能量和動量守恒定律，推出第28頁/共43頁第二十八頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20第29頁/共43頁第二十九頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20 射線的吸收 射線穿過物質(zhì)之后，強度會衰減。前面已經(jīng)指出，這是因

18、為X射線同物質(zhì)相互作用時經(jīng)歷各種復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，從而引起各種效應(yīng)轉(zhuǎn)化了入射線的部分能量。如下圖所示： 第30頁/共43頁第三十頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20實驗證明，X射線穿透物質(zhì)后的強度衰減與射線在物質(zhì)中經(jīng)過的距離成正比。假設(shè)入射線的強度為I0，進入一塊密度均勻的吸收體，在x處時其強度為Ix，當(dāng)通過厚度dx時強度的衰減為dI，定義l為X射線通過單位厚度時被吸收的比率，則有： -dI /Ix= l dx考慮邊界條件并進行積分，則得： Ix = I0 e- x 式中l(wèi)稱為線衰減系數(shù)， x為試樣厚度。第31頁/共43頁第三十一頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-1

19、1-20衰減至少應(yīng)被視為物質(zhì)對入射線的散射和吸收的結(jié)果，系數(shù)應(yīng)該是這兩部分作用之和。但由于因散射而引起的衰減遠(yuǎn)小于因吸收而引起的衰減，故通常直接稱為線吸收系數(shù)，而忽略散射的部分。第32頁/共43頁第三十二頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20332. 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(guān)系：334ZKm第33頁/共43頁第三十三頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-

20、20 對于非單質(zhì)元素組成的復(fù)雜物質(zhì)，如固溶體、金屬間化合物對于非單質(zhì)元素組成的復(fù)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)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及各組元及各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的質(zhì)量分?jǐn)?shù) i 。niimim1第34頁/共43頁第三十四頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-2035注意，隨波長的降低，m并非呈連續(xù)的變化，而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(yīng) 當(dāng)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(jié)合能時，此光量子就

21、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(yīng)的激發(fā)態(tài)。這種光子擊出電子的現(xiàn)象即為。此效應(yīng)消耗大量入射能量，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突增，對應(yīng)的入射波長即為。第35頁/共43頁第三十五頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20362. 熒光X射線 （二次特征X射線）3. 俄歇（Auger）效應(yīng)一次特征X射線的一部分能量轉(zhuǎn)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.swf第36頁/共43頁第三十六頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20第37頁/共43頁第三十七頁，編輯于星期日：八點 三十分。20

22、21-11-2038熒光輻射：當(dāng)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(jié)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(yīng)：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(yīng)，躍出的L層電子稱俄歇電子。 熒光效應(yīng)用于重元素（Z 20）的成分分析，俄歇效應(yīng)用于表層輕元素的分析。第38頁/共43頁第三十八頁，編輯于星期日：八點 三十分。2021-11-20俄歇效應(yīng)每種物質(zhì)