材料分析測試方法黃新民版第一章+X射線物理基礎(chǔ)ppt課件

1、第一章第一章 X X射線物理學(xué)基礎(chǔ)射線物理學(xué)基礎(chǔ) 內(nèi)容提要：內(nèi)容提要： 第一節(jié)第一節(jié) X X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì) 第二節(jié)第二節(jié) X X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生 第三節(jié)第三節(jié) X X射線譜射線譜 第四節(jié)第四節(jié) X X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用 第五節(jié)第五節(jié) X X射線的衰減規(guī)律射線的衰減規(guī)律 第六節(jié)第六節(jié) 吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用引言引言XX射線學(xué)的發(fā)展及分支射線學(xué)的發(fā)展及分支 1895年德國物理學(xué)家“倫琴發(fā)現(xiàn)X射線。1901年，倫琴獲諾貝爾物理學(xué)獎。年，倫琴獲諾貝爾物理學(xué)獎。之后建立了之后建立了“X射線透射學(xué)射線透射學(xué)”，最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，后應(yīng)用于工業(yè)無損探傷。，最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)，后應(yīng)用

2、于工業(yè)無損探傷。 1912 1912年，德國物理學(xué)家年，德國物理學(xué)家“勞埃發(fā)現(xiàn)了勞埃發(fā)現(xiàn)了X X射線在晶體射線在晶體中的衍射現(xiàn)象。中的衍射現(xiàn)象。 肯定了肯定了X X射線的本質(zhì)；射線的本質(zhì)； 證實了晶體結(jié)構(gòu)的猜想。證實了晶體結(jié)構(gòu)的猜想。兩方面意義：兩方面意義：獲獲1914年的諾貝爾物理學(xué)獎。年的諾貝爾物理學(xué)獎。 獲獲1915年的諾貝爾物理學(xué)獎。年的諾貝爾物理學(xué)獎。 之后發(fā)展了之后發(fā)展了X射線學(xué)的另一分支：射線學(xué)的另一分支：“X射線衍射學(xué)射線衍射學(xué)”（或（或“X射線晶體學(xué)射線晶體學(xué)” ）。）。 1913 1913年，英國物理學(xué)年，英國物理學(xué)家家“布拉格父子提出布拉格父子提出了著名的布拉格方程，了著

3、名的布拉格方程，是是X X射線的衍射學(xué)的理射線的衍射學(xué)的理論基礎(chǔ)。論基礎(chǔ)。 1914 1914年，莫塞萊發(fā)現(xiàn)不同元素的同名特征年，莫塞萊發(fā)現(xiàn)不同元素的同名特征X X譜譜線的波長和原子序數(shù)有定量的對應(yīng)關(guān)系，即莫塞線的波長和原子序數(shù)有定量的對應(yīng)關(guān)系，即莫塞萊定律。萊定律。 發(fā)展了第三個分支發(fā)展了第三個分支 “X “X射線光譜學(xué)射線光譜學(xué)”。（即根據(jù)。（即根據(jù)X X射線光譜，研究物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)和成分。）射線光譜，研究物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)和成分。）X射線學(xué)的分支射線學(xué)的分支X射線透射學(xué)射線透射學(xué)X射線衍射學(xué)射線衍射學(xué)X射線光譜學(xué)射線光譜學(xué)第一節(jié)第一節(jié) X X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì) 一、一、X X射線的波長及本

4、質(zhì)射線的波長及本質(zhì) X X射線的波長范圍：射線的波長范圍：10-310-310nm10nm。 本質(zhì)是電磁波，即也是一種無靜止質(zhì)量并以光速運動的光子。本質(zhì)是電磁波，即也是一種無靜止質(zhì)量并以光速運動的光子。 二、二、 X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì) 不可見，但它能使一些氣體或其他物質(zhì)不可見，但它能使一些氣體或其他物質(zhì)電離，使照相底片感光，使熒光物質(zhì)發(fā)光。電離，使照相底片感光，使熒光物質(zhì)發(fā)光。 穿透性強，并可被物質(zhì)吸收和散射。穿透性強，并可被物質(zhì)吸收和散射。 軟軟X常用于晶體的常用于晶體的X射線衍射分析。射線衍射分析。 硬硬X射線常用于金屬零件的探傷和醫(yī)學(xué)上的射線常用于金屬零件的探傷和醫(yī)學(xué)上的透視分析。透視

5、分析。 折射率折射率1 X射線穿過不同媒質(zhì)時，呈直線傳播，在電場和射線穿過不同媒質(zhì)時，呈直線傳播，在電場和磁場中也不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此不能用常規(guī)方法使磁場中也不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此不能用常規(guī)方法使X射線會聚或發(fā)散。射線會聚或發(fā)散。 對生物細(xì)胞有很強的殺傷作用。對生物細(xì)胞有很強的殺傷作用。三、三、X X射線的波粒二象性射線的波粒二象性 波動性的表現(xiàn)：以一定的頻率和波長在空間傳播，波動性的表現(xiàn)：以一定的頻率和波長在空間傳播，例如以晶體作衍射光柵時觀察到的例如以晶體作衍射光柵時觀察到的X X射線的衍射現(xiàn)射線的衍射現(xiàn)象；象； 描述波動性的物理量：描述波動性的物理量： 波長波長 、 頻率頻率和位相。和位相。 粒子

6、性的表現(xiàn)：以光子形式輻射和吸收時具有一粒子性的表現(xiàn)：以光子形式輻射和吸收時具有一定的質(zhì)量、能量和動量，如光電效應(yīng)等。定的質(zhì)量、能量和動量，如光電效應(yīng)等。 描述粒子性的物理量：能量描述粒子性的物理量：能量E E、動量、動量P P 波動性和粒子性之間存在下述關(guān)系：波動性和粒子性之間存在下述關(guān)系：hchEchhp軟軟X射線射線 0.050.25nm范圍適于范圍適于 結(jié)構(gòu)分析結(jié)構(gòu)分析硬硬X射線射線 0.0050.1nm范圍適于范圍適于 探傷分析探傷分析第二節(jié)第二節(jié) X X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生 一、一、X射線產(chǎn)生原理射線產(chǎn)生原理 實驗證明：高速運動的帶電的基本粒子突實驗證明：高速運動的帶電的基本粒子突然

7、受阻時，隨著能量的消失和轉(zhuǎn)化，就會然受阻時，隨著能量的消失和轉(zhuǎn)化，就會產(chǎn)生產(chǎn)生X射線。射線。 實際用于獲得實際用于獲得X射線的帶電粒子是電子。射線的帶電粒子是電子。 電子式電子式X射線管產(chǎn)生射線管產(chǎn)生X射線的射線的條件：條件： (1) 產(chǎn)生電子的電子源；產(chǎn)生電子的電子源； (2) 使電子作定向高速運動；使電子作定向高速運動； (3) 在高速電子流的運動路在高速電子流的運動路徑上設(shè)置障礙物，使電子突徑上設(shè)置障礙物，使電子突然受阻。然受阻。 (4) 封閉在高真空中，真空封閉在高真空中，真空度高于度高于10-3Pa。二、 X射線管 1、封閉電子式、封閉電子式X射線管的結(jié)構(gòu)射線管的結(jié)構(gòu) 封閉電子式封閉

8、電子式X射線管與其結(jié)構(gòu)示意圖射線管與其結(jié)構(gòu)示意圖 (1) 陰極：鎢絲；加熱鎢絲發(fā)射熱電子；陰極：鎢絲；加熱鎢絲發(fā)射熱電子； (2) 陽極陽極/靶：使電子突然減速并發(fā)射靶：使電子突然減速并發(fā)射X射線的地射線的地方。方。 不同的靶面材料用于獲得不同波長的不同的靶面材料用于獲得不同波長的X射線。射線。 (3) 陰極和陽極之間的高壓使電子作定向高速運陰極和陽極之間的高壓使電子作定向高速運動；動； (4) 陰、陽極都密封在高真空管中，真空度陰、陽極都密封在高真空管中，真空度10-3Pa。 其他組成部分：金屬聚焦罩、冷卻水、鈹窗口。其他組成部分：金屬聚焦罩、冷卻水、鈹窗口。 高速運動的電子與物質(zhì)碰撞時被突

9、然減速或停止高速運動的電子與物質(zhì)碰撞時被突然減速或停止運動，其大部分動能（運動，其大部分動能（99%）轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁刮铮┺D(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁刮矬w升溫，而一小部分動能（體升溫，而一小部分動能（1%）則轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽﹦t轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽芤砸訶射線形式向外界釋放。射線形式向外界釋放。 封閉電子式封閉電子式X射線管的功率有限，為射線管的功率有限，為5003000W。 2 2、旋轉(zhuǎn)陽極、旋轉(zhuǎn)陽極 大功率大功率X X射線源需要用旋射線源需要用旋轉(zhuǎn)陽極。轉(zhuǎn)陽極。 因陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束因陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，故提轟擊部位不斷改變，故提高功率也不會燒熔靶面。高功率也不會燒熔靶面。 目前有目前有100kW100kW

10、的旋轉(zhuǎn)陽極。的旋轉(zhuǎn)陽極。 第三節(jié)第三節(jié) X X射線譜射線譜 X X射線譜：射線譜：X X射線強度隨波長變化的關(guān)系曲線。射線強度隨波長變化的關(guān)系曲線。 X X射線的強度射線的強度 X X射線的強度：單位時間內(nèi)，通過與射線的強度：單位時間內(nèi)，通過與X X射線傳播方向垂直的射線傳播方向垂直的單位面積上的單位面積上的X X射線光量子的能量總和。用射線光量子的能量總和。用I I表示。表示。 常用單位：常用單位：J/cm2sJ/cm2s。 強度為光子流密度和每個光子的能量的乘積。強度為光子流密度和每個光子的能量的乘積。( (光子流密光子流密度：單位時間內(nèi)通過單位截面的光量子數(shù)目。度：單位時間內(nèi)通過單位截面

11、的光量子數(shù)目。) ) 即即X X射線的強度射線的強度I I是由光量子的能量是由光量子的能量hh及它的數(shù)及它的數(shù)目目n n） 決議，決議，I= n hI= n h。 由熱陰極由熱陰極X X射線管發(fā)出的射線管發(fā)出的X X射線分為兩種類型：射線分為兩種類型： (1)(1)連續(xù)連續(xù)X X射線譜；射線譜； (2)(2)特征特征X X射線譜又稱標(biāo)識射線譜又稱標(biāo)識X X射線譜）。射線譜）。 它們對應(yīng)兩種它們對應(yīng)兩種X X射線輻射的物理過程。射線輻射的物理過程。一、連續(xù)一、連續(xù)X X射線譜射線譜1 1、定義、定義X X射線譜中，強度隨波長連續(xù)變化的部分，射線譜中，強度隨波長連續(xù)變化的部分，稱為連續(xù)稱為連續(xù)X

12、X射線譜，簡稱連續(xù)譜。射線譜，簡稱連續(xù)譜。2 2、連續(xù)譜的特點、連續(xù)譜的特點不同管壓下，連續(xù)譜在短波方向都有不同管壓下，連續(xù)譜在短波方向都有一個突然截止的波長極限值，稱為短波一個突然截止的波長極限值，稱為短波限，用限，用00表示。表示。X X射線波長由大于射線波長由大于00的所有輻射組成；的所有輻射組成；強度存在一最大值約強度存在一最大值約1.5 01.5 0處，用處，用mm表示表示 ）。）。對同一靶材，不同管壓、管流下的連對同一靶材，不同管壓、管流下的連續(xù)譜的變化規(guī)律。續(xù)譜的變化規(guī)律。3 3、連續(xù)、連續(xù)X X射線譜的解釋射線譜的解釋 連續(xù)譜的產(chǎn)生連續(xù)譜的產(chǎn)生 量子理論：量子理論： 當(dāng)能量為當(dāng)

13、能量為eVeV的電子與靶的原子整體碰撞時，的電子與靶的原子整體碰撞時，電子失去自己的能量，其中一部分以光子電子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式輻射出去，每碰撞一次，產(chǎn)生一個的形式輻射出去，每碰撞一次，產(chǎn)生一個能量為能量為hvhv的光子。的光子。 由于大量電子射到陽極上的時間和條件不由于大量電子射到陽極上的時間和條件不盡相同，僅有一少部分電子能產(chǎn)生極限能盡相同，僅有一少部分電子能產(chǎn)生極限能量交換，絕大多數(shù)電子經(jīng)多次碰撞完成能量交換，絕大多數(shù)電子經(jīng)多次碰撞完成能量交換，而輻射出波長大于量交換，而輻射出波長大于0 0 的不同波的不同波長的長的X X射線，形成連續(xù)譜。射線，形成連續(xù)譜。 短波限短

14、波限 極限情況下，能量為極限情況下，能量為eVeV的電子在一次碰撞中將其在電的電子在一次碰撞中將其在電場中加速得到的全部動能轉(zhuǎn)給一個光子，則此光子的場中加速得到的全部動能轉(zhuǎn)給一個光子，則此光子的能量最大，波長最短，相當(dāng)于短波限能量最大，波長最短，相當(dāng)于短波限00的的X X射線。射線。0maxhcheUeUhc0闡明：闡明：0只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響；只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響； 隨管電壓增加，隨管電壓增加，0向短波方向移動。向短波方向移動。 強度最大值位于強度最大值位于1.501.50附近附近 X X射線強度由每個光子的能量射線強度由每個光子的能量hvhv和單位時間通過單和單

15、位時間通過單位面積的光子數(shù)目位面積的光子數(shù)目n n兩個因素決定兩個因素決定, ,即即I=nhvI=nhv。 在碰撞過程中，能產(chǎn)生極限能量交換的電子僅占在碰撞過程中，能產(chǎn)生極限能量交換的電子僅占一少部分，而其他大量電子會產(chǎn)生多次碰撞完成一少部分，而其他大量電子會產(chǎn)生多次碰撞完成能量交換，因此雖然短波限對應(yīng)的光子能量最大，能量交換，因此雖然短波限對應(yīng)的光子能量最大，但光子數(shù)目不多，故強度的極大值不在但光子數(shù)目不多，故強度的極大值不在00處，而處，而位于位于1.501.50附近。附近。 對同一靶材，不同管壓、管流下的連續(xù)譜的變對同一靶材，不同管壓、管流下的連續(xù)譜的變化規(guī)律。化規(guī)律。 U U管升高，各

16、輻射強度升高，管升高，各輻射強度升高，00和和 max max （最大（最大輻射時的波長均減小；輻射時的波長均減??； 解釋：當(dāng)加大管壓時，擊靶電子的動能、電子與解釋：當(dāng)加大管壓時，擊靶電子的動能、電子與靶材原子的碰撞次數(shù)和輻射出來的靶材原子的碰撞次數(shù)和輻射出來的X X射線光子的能射線光子的能量都會增加，因此隨管壓的增加，各波長量都會增加，因此隨管壓的增加，各波長X X射線的射線的強度均增加。強度均增加。 管電壓不變時，隨管電流的升高，各輻射強度均管電壓不變時，隨管電流的升高，各輻射強度均升高，但升高，但00和和maxmax保持不變。保持不變。不同的靶面物質(zhì)發(fā)射不同的靶面物質(zhì)發(fā)射的連續(xù)譜具有相似

17、的的連續(xù)譜具有相似的特征特征二、特征二、特征X X射線譜射線譜 1 1、定義、定義 當(dāng)當(dāng)U U管超過某臨界值后，管超過某臨界值后，疊加在連續(xù)譜上的強度很疊加在連續(xù)譜上的強度很高且具有一定波長的高且具有一定波長的X X射射線譜，稱為特征線譜，稱為特征X X射線譜，射線譜，簡稱特征譜。簡稱特征譜。 如鉬靶如鉬靶X X射線管，當(dāng)管電射線管，當(dāng)管電壓等于或高于壓等于或高于20kV20kV時，則時，則除連續(xù)譜外，位于一定波除連續(xù)譜外，位于一定波長處長處0.063nm0.063nm和和0.071nm0.071nm）, ,疊加有少數(shù)強疊加有少數(shù)強譜線。譜線。 2 2、特點、特點 產(chǎn)生特征產(chǎn)生特征X X射線的條件：射線的條件：管電壓超過與靶材相應(yīng)的某管電壓超過與靶材相應(yīng)的某一特定值一特定值UKUK； 對一定的靶材，特征對一定的靶材，特征X X射射線波長為一定值。線波長為一定值。 KK, KK,且同一元且同一元素對應(yīng)譜線的強度比大約為素對應(yīng)譜線