2X-射線的物理學基礎ppt課件

1、倫倫 琴琴 (W. C. Rontgen)1895年，德國物理學家倫琴W.C. Rontgen在研討陰極射線時發(fā)現(xiàn)了一種未知射線，當時對這種射線的本質還不了解。由于在代數(shù)上經常用X表示未知數(shù)，故將它命名為X射線X-射線照的相片射線照的相片當時的科學家們雖然還不了解X射線的本質，但是發(fā)現(xiàn)X射線具有很高的穿透才干，可以很容易穿過紙、人體、木材、金屬片和其他不透明物體。1896年X射線發(fā)現(xiàn)的第二年即被醫(yī)學部門采用作為檢查人體傷、病的工具。1. X-射線的產生射線的產生產生的原理產生的原理產生的條件產生的條件X射線管截面圖射線管截面圖 X射線管射線管 X射線是波長在射線是波長在10-8到到10-12米

2、范圍內的米范圍內的電磁波，因此具有極強穿透才干。電磁波，因此具有極強穿透才干。2.2. X射線的粒子性射線的粒子性 X-射線在空間傳送時，也具有粒子性。換言之，X-射線是由大量以光速運動的粒子組成的不延續(xù)的粒子流，這些粒子叫做光子，每個光子的能量為 即，X-射線和一切微觀粒子電子、質子、中子等一樣，都同時具有動搖和粒子雙重特性波粒二像性 其動搖性主要表現(xiàn)為以一定的頻率和波長在空間傳送，反映了物質運動的延續(xù)性；其粒子性主要表現(xiàn)為以光子方式輻射和吸收時具有一定的質量、能量、動量，反映了物質運動的分立性。 X射線的頻率、波長以及其光子的能量、動量p之間存在如下關系： 式中h為普朗克常數(shù)，c為光速。

3、hchhp hX X射線譜指的是物體發(fā)射出來的射線譜指的是物體發(fā)射出來的X X射線的強度射線的強度 隨隨波長著波長著變化的關系曲線。其中變化的關系曲線。其中X X射線強度射線強度的大的大小由單位面積上的光量子數(shù)決議。小由單位面積上的光量子數(shù)決議。 0.00.20.40.60.81.001220 kV30 kV40 kVIntensitywavelength50 kV 具有延續(xù)波長的X射線，構成延續(xù)X射線譜，它和可見光類似，亦稱白色X射線。X射線譜中的延續(xù)X射線譜短波限短波限 0 延續(xù)X射線譜在短波方向有一個波長極限，稱為短波限0。它是由電子一次碰撞就耗盡一切能量所產生的X射線。它只與管電壓有關

4、，不受其它要素的影響。 相互關系為： 即0 = hc/eV 式中 h, c, e都為常數(shù)， 0 = f (V) ，只是管電壓的函數(shù)。0maxhcheV 對于一定元素的靶，當管電壓小于某一限制時，只激發(fā)延續(xù)譜。但當管電壓升高到超越某一臨界值如 對Mo靶, 其臨界值V激20kV后，曲線產生明顯的變化，在延續(xù)譜的幾個特定波長的地方，強度忽然顯著增大，如下圖。由于它們的波長反映了陽極靶資料的特征，因此稱之為特征X射線譜。 Mo陽極發(fā)射的X射線譜波長，0.1nm相對強度35kV2520h lk=l-kKKKLLh nk=n-kh nl=n-l激發(fā)與輻射激發(fā)與輻射穿透入射X射線束散射吸收相關散射經典散射非

5、相關散射的光電子+二次特征輻射熱能 X X 射射 線線晶體中的原子或離子中的電子產生受迫振動。振動著的電子成為次生X射線的波源，向外輻射與入射 X 射線一樣頻率的電磁波，稱為散射波。散射波之間相互衍射，即為晶體的X射線衍射。相關散射的強度相關散射的強度)22cos1(109 . 722260RIIe一個電子位置為一個電子位置為Q將入射將入射X射線散射到射線散射到P點點P點與點與Q點相點相距為距為R， PQ 與入射與入射X射線的方向成射線的方向成2角，其角，其P點的散射強點的散射強度度 Ie 為：為： 散射強度與間隔的平方成反比。散射強度與間隔的平方成反比。 各個方向上散射強度不同。各個方向上散

6、射強度不同。PR入射入射X射線射線散射散射X射線射線電子電子2)22cos1(224240RcmeIIe入射入射X射線射線量子散射量子散射電子電子2非相關散射突出地表現(xiàn)出非相關散射突出地表現(xiàn)出X-射線的微粒特性。非相關散射射線的微粒特性。非相關散射會添加延續(xù)背影，給衍射圖像帶來不利的影響。會添加延續(xù)背影，給衍射圖像帶來不利的影響。俄歇電子的能量與激發(fā)源光子或電子的能量無關，只取決于物質原子的能級構造，每種元素都有本人的特征俄歇電子能譜。故可利用俄歇電子能譜做元素的成分分析。 KLILIILIIIMKLILII俄歇效應俄歇效應真空能級4.3 X射線的衰減射線的衰減 當一束X射線經過物質時，由于散

7、射和吸收的作用使其在透射方向上的強度衰減。衰減的程度與所經過物質的間隔成正比。dxIdIl比例常數(shù)l稱為線性衰減系數(shù)，它與物質種類、物質密度、及X射線的波長有關。xxleII0將上式積分，得到：其中，I0是入射X射線的強度，Ix是穿透厚度為x的物質后的X射線強度，l為線性衰減系數(shù)。上式闡明，X射線經過物質后，將按指數(shù)規(guī)律迅速衰減。X射線強度的衰減是經過散射和吸收兩種方式進展的。所以線性衰減系數(shù)l應該等于散射系數(shù)和吸收系數(shù)之和。在大多數(shù)情況下，散射系數(shù)要比吸收系數(shù)小得多，所以散射系數(shù)可以不計。以后將l稱為線性吸收系數(shù)。/lm此時衰減規(guī)律那么表示為：對于一種物質，線性吸收系數(shù)l 正比于它的密度，因

8、此引入質量吸收系數(shù)m：假設吸收體物質是含有多個元素的物質，如化合物、合金、機械混合物等，那么其質量吸收系數(shù)為：iiNiliNimimWWmi為第i種元素的質量吸收系數(shù)，Wi為第i種元素質量分數(shù)(%) xxmeII0質量吸收系數(shù)質量吸收系數(shù)mm與波長及原子系數(shù)的關系與波長及原子系數(shù)的關系 實驗闡明：質量吸收系數(shù)隨波長的變化而變化，其變化曲線由兩個明顯不同的延續(xù)部分所組成。即質量吸收系數(shù)隨著波長的變化會產生突變。在突變之間， m隨波長和原子系數(shù)Z的變化關系可近似為： 其中K為常數(shù)m隨的變化曲線被鋒利的突變分開。這個突變所對應的波長為K吸收限，常用K表示。33ZKm吸收限主要是由光電效應引起的：當吸

9、收限主要是由光電效應引起的：當X射線的波長等于或小于射線的波長等于或小于K時，光子的能量高于擊出物質的一個內層電子所需做的功時，光子的能量高于擊出物質的一個內層電子所需做的功W，X射射線被吸收，激發(fā)光電效應，使線被吸收，激發(fā)光電效應，使m突變性增大。突變性增大。吸收限與吸收物質的原子能級的精細構造對應。如吸收限與吸收物質的原子能級的精細構造對應。如L系有三個副層，系有三個副層，有三個吸收限。有三個吸收限。X射線衍射實驗需求近能夠接近單色的X射線，可是從X射線管發(fā)射出來的射線不僅含有K線，還有較弱的K線和延續(xù)X射線。我們可以利用K吸收限的性質，選擇一種資料，讓該資料的K吸收限K恰好位于陽極靶的特征X射線K 和K的波長之間，把該資料放在原X射線束和衍射線束之間。這種資料叫濾波器。濾波器能把絕大部分K 線吸收掉，而K 線的強度僅遭到很小的損失。如Ni的K = 1.488 。Cu靶的K 線的波長為1.5418，K 線的波長為1.3922，因此可以用Ni作為濾波片，劇烈吸收Cu靶的K，K吸收很小。吸收限的運用吸收限的運用 X射線在經過物質時，可產生照相效應而使照相底片乳膠感光；可產生熒光效應而使某些晶體發(fā)光；可產生電離效應而使某些氣體電離。通常利用這些效應來探測X射線的存在并測定其強度。照相法： X射線經過照相乳膠層時，發(fā)生光化學作用而使底片感光。照相底片的處置程序和可見光的根本一樣。熒光