材料分析方法第一章X射線物理基礎(chǔ)課件

第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)內(nèi)容提要：第一節(jié)X射線的性質(zhì)第二節(jié)X射線的產(chǎn)生第三節(jié)X射線譜第四節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用第五節(jié)X射線的衰減規(guī)律第六節(jié)吸收限的應(yīng)用第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線學(xué)的分支X射線透射學(xué)X射線衍射學(xué)X射線光譜學(xué)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第一節(jié)X射線的性質(zhì)

X射線的波長范圍：10-3～10nm。一、X射線的性質(zhì)①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。②穿透性強(qiáng)，并可被物質(zhì)吸收和散射。軟X常用于晶體的X射線衍射分析。硬X射線常用于金屬零件的探傷和醫(yī)學(xué)上的透視分析。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二、X射線的本質(zhì)1、X射線的本質(zhì)也是電磁波，即也是一種無靜止質(zhì)量并以光速運(yùn)動的光子。

第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2、X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，例如以晶體作衍射光柵時觀察到的X射線的衍射現(xiàn)象；描述波動性的物理量：頻率ν、波長λ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。描述粒子性的物理量：能量E、動量P第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)波動性和粒子性之間存在下述關(guān)系：0.05~0.25nm范圍適于

結(jié)構(gòu)分析0.005~0.1nm范圍適于

探傷分析第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)電子式X射線管產(chǎn)生X射線的條件：(1)

產(chǎn)生電子的電子源；(2)

使電子作定向高速運(yùn)動；(3)

在高速電子流的運(yùn)動路徑上設(shè)置障礙物，使電子突然受阻。(4)

封閉在高真空中，真空度高于10-3Pa。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二、X射線管1、封閉電子式X射線管的結(jié)構(gòu)封閉電子式X射線管與其結(jié)構(gòu)示意圖第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)(1)

陰極：鎢絲；加熱鎢絲發(fā)射熱電子；(2)

陽極/靶：使電子突然減速并發(fā)射X射線的地方。不同的靶面材料用于獲得不同波長的X射線。

(3)

陰極和陽極之間的高壓使電子作定向高速運(yùn)動；(4)

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。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)由熱陰極X射線管發(fā)出的X射線分為兩種類型：(1)連續(xù)X射線譜；(2)特征X射線譜（又稱標(biāo)識X射線譜）。它們對應(yīng)兩種X射線輻射的物理過程。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)一、連續(xù)X射線譜1、定義X射線譜中，強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化的部分，稱為連續(xù)X射線譜，簡稱連續(xù)譜。2、連續(xù)譜的特點(diǎn)①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，稱為短波限，用λ0表示。②X射線波長由大于λ0的所有輻射組成；③強(qiáng)度存在一最大值（約1.5λ0處，用λm表示）。④對同一靶材，不同管壓、管流下的連續(xù)譜的變化規(guī)律。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3、連續(xù)X射線譜的解釋①連續(xù)譜的產(chǎn)生量子理論：當(dāng)能量為eV的電子與靶的原子整體碰撞時，電子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式輻射出去，每碰撞一次，產(chǎn)生一個能量為hv的光子。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λ0的不同波長的X射線，形成連續(xù)譜。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)③強(qiáng)度最大值位于1.5λ0附近X射線強(qiáng)度由每個光子的能量hv和單位時間通過單位面積的光子數(shù)目n兩個因素決定,即I=nhv。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(qiáng)度的極大值不在λ0處，而位于1.5λ0附近。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)④對同一靶材，不同管壓、管流下的連續(xù)譜的變化規(guī)律。U管升高，各輻射強(qiáng)度升高，λ0和λmax

（最大輻射時的波長）均減??；解釋：當(dāng)加大管壓時，擊靶電子的動能、電子與靶材原子的碰撞次數(shù)和輻射出來的X射線光子的能量都會增加，因此隨管壓的增加，各波長X射線的強(qiáng)度均增加。管電壓不變時，隨管電流的升高，各輻射強(qiáng)度均升高，但λ0和λmax保持不變。不同的靶面物質(zhì)發(fā)射的連續(xù)譜具有相似的特征第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二、特征X射線譜1、定義當(dāng)U管超過某臨界值后，疊加在連續(xù)譜上的強(qiáng)度很高且具有一定波長的X射線譜，稱為特征X射線譜，簡稱特征譜。如鉬靶X射線管，當(dāng)管電壓等于或高于20kV時，則除連續(xù)譜外，位于一定波長處（0.063nm和0.071nm）,疊加有少數(shù)強(qiáng)譜線。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3、對特征譜的解釋①特征譜的產(chǎn)生以及特征X射線波長為一定值的原因從原子結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)解釋。原子系統(tǒng)中的電子不連續(xù)地分布在K、L、M、N…等不同能級的殼層上，各殼層的能量由里到外逐漸增加：EK<EL<EM…。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)特征X射線的命名：同一輻射線系還有區(qū)別。對跨越1、2、3個能級所引起的輻射分別以下角標(biāo)α、β、γ等表示。例如：Kα、Kβ譜線；Lα、Lβ譜線。K系激發(fā)：K層電子被擊出的過程叫K系激發(fā)，隨之的電子躍遷所引起的輻射叫K系輻射（輻射出特征X射線）。依此類推，有L系激發(fā)、L系輻射等。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)例如，產(chǎn)生K輻射時，特征X射線光子的能量為電子躍遷前后兩能級的能量差：輻射的能量為多少？物質(zhì)一定，輻射出的X射線波長一定，代表了該元素的特征，故稱之為特征X射線。特征X射線的波長僅與靶材的原子序數(shù)有關(guān)；改變管電壓、管電流，只改變特征X射線的強(qiáng)度而波長不變。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)③，且K系特征X射線一般由Kα、Kβ二譜線構(gòu)成。Kα輻射是由L→K層電子躍遷產(chǎn)生，Kβ輻射是由M→K層電子躍遷產(chǎn)生，后者兩能級之差大于前者，故

；特征X射線強(qiáng)度還與光子的數(shù)目有關(guān)，根據(jù)量子躍遷幾率，相鄰電子殼層躍遷幾率(L→K層躍遷)大于非相鄰電子殼層躍遷幾率(M→K躍遷),且前者比后者大五倍左右，故

。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第四節(jié)X射線與物質(zhì)的相互作用一束X射線通過物質(zhì)時，它的能量可分為三部分：

(1)一部分被散射;(2)一部分被吸收;(3)一部分透過物質(zhì)繼續(xù)沿原來的方向傳播。透過物質(zhì)后的X射線束由于散射和吸收的影響，強(qiáng)度被衰減，并且吸收是造成強(qiáng)度衰減的主要原因。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)一、X射線的散射入射X射線與物質(zhì)作用，使一部分X射線穿過物質(zhì)后偏離原來的入射方向，即發(fā)生了X射線的散射。兩種散射現(xiàn)象：第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1、相干散射(彈性散射、經(jīng)典散射)相干散射：散射線與入射線的波長和頻率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，這種散射稱為相干散射。經(jīng)典物理學(xué)理論解釋：入射X射線光子與原子內(nèi)受核束縛較緊的電子(如原子內(nèi)層電子)發(fā)生碰撞，入射光子的能量不足以使電子擺脫原子核的束縛，但電子在入射X射線交變電場作用下產(chǎn)生與入射波頻率相同的受迫振動，向周圍輻射與入射X射線波長相同的電磁波；第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)發(fā)生上述散射時，光子的方向改變了，但能量幾乎沒有損失，散射線波長與入射波相同，有可能相互干涉。晶體中的原子，在入射X射線的作用下都產(chǎn)生這種散射，且原子的規(guī)則排列使散射線之間有確定的相位關(guān)系，于是在空間形成了相干散射。相干散射的意義：相干散射是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的物理基礎(chǔ)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2、非相干散射（康普頓散射、非彈性散射）

在偏離原射束方向上，不僅有與原射線波長相同的相干散射波，還有波長變長的的非相干散射波。非相干散射：散射X射線的波長隨散射方向不同而改變，分布于各個方向的散射線，波長各不相等，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。這種散射稱為非相干散射。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)量子理論解釋：X射線光子與原子中受核束縛較弱的電子或自由電子發(fā)生碰撞時，X射線光子把部分能量給予電子，使其動量提高，成為反沖電子，而X射線朝著散射角為α的方向被散射，且能量減少，即波長變長。

第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)上式表明：①非相干散射波長的變化與入射波長和原子序數(shù)無關(guān)，只隨散射角而變化；②不同方向上散射線波長各不相同，這種散射線位相與入射線無確定關(guān)系。非相干散射的結(jié)果:散射線之間不能發(fā)生干涉作用，在衍射花樣中形成背底。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二、X射線的吸收

X射線的吸收：指X射線穿過物質(zhì)時，其能量被轉(zhuǎn)化成其他形式的能量，X射線的強(qiáng)度隨之衰減。物質(zhì)對X射線的吸收主要是物質(zhì)對入射X射線產(chǎn)生的熱效應(yīng)、光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，使入射X射線的能量分別轉(zhuǎn)變成熱量、光電子、熒光X射線和俄歇電子的能量，從而使X射線強(qiáng)度被衰減。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1、光電效應(yīng)X射線與物質(zhì)相互作用可以看作是X射線光子和物質(zhì)中的原子相互碰撞。當(dāng)一個具有足夠能量的X射線光子從原子內(nèi)部擊出一個K層電子時，同樣也會發(fā)生象電子激發(fā)原子時類似的輻射過程。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)光電效應(yīng)：由X射線光子激發(fā)原子所發(fā)生的輻射過程，稱為光電效應(yīng)；光電子：光電效應(yīng)中，被X射線光子擊出的電子稱為光電子；（光電子具有元素的特征能量，是X射線光電子能譜儀的檢測信號）熒光X射線：由入射X射線激發(fā)原子所輻射出的次級特征X射線稱熒光X射線(或二次特征X射線)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件：

欲激發(fā)原子產(chǎn)生K、L、M等線系的熒光輻射，入射X射線光量子的能量hν必須等于或略大于K、L、M層電子的結(jié)合能EK、EL、EM。如產(chǎn)生K系熒光輻射，入射光子的波長等于或略小于λK（或頻率等于或略大于νK）。λK—激發(fā)物質(zhì)產(chǎn)生K系熒光輻射，入射X射線須具有的臨界波長值，稱為激發(fā)限。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)一旦產(chǎn)生光電效應(yīng)，入射X射線光子能量被大量吸收，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突增。熒光X射線在不同分析方法中的作用：①在X射線衍射分析中，X射線熒光輻射是有害的，它增加衍射花樣的背底；②在元素分析中，它又是X射線熒光分析的基礎(chǔ)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2、俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)：原子的內(nèi)層電子被激發(fā)后，隨之發(fā)生的一個空位被兩個空位所代替的現(xiàn)象稱為俄歇效應(yīng)。俄歇效應(yīng)是一種無輻射的躍遷過程。電子躍遷釋放的能量被電子吸收而激發(fā)出原子的電子稱為俄歇電子（Auger電子）。如KLL俄歇電子。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)俄歇電子的特點(diǎn)：①具有元素的特征能量。俄歇電子的能量能反映電子所屬原子和原子的結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征，所以，可以利用俄歇電子能譜作樣品的成分分析。俄歇電子是俄歇電子能譜儀的檢測信號。②俄歇電子的能量很低，一般為幾百eV，平均自由程短，因此，檢測到的俄歇電子只來源于表面2～3個原子層。用途：俄歇電子能譜儀是研究物質(zhì)表面微區(qū)成分的有力工具之一。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第五節(jié)X射線的衰減規(guī)律

一、X射線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律與線吸收系數(shù)1、透射X射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律透射X射線的強(qiáng)度第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)上式中，μ稱為物質(zhì)的線吸收系數(shù)（或線衰減系數(shù)），單位為cm-1。2、線吸收系數(shù)μ的物理意義：μ＝－1n（IH/I0）/H，表示沿穿越方向上，厚度為1cm的物質(zhì)對X射線強(qiáng)度的吸收程度。特點(diǎn)：①對于一定波長和一定狀態(tài)下的物質(zhì)，μ為常數(shù)。②μ與物質(zhì)的密度ρ成正比，即與物質(zhì)的物理狀態(tài)有關(guān)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)二、

質(zhì)量吸收系數(shù)1、質(zhì)量吸收系數(shù)μm＝μ/ρ，稱為質(zhì)量吸收系數(shù)，單位為cm2／g。

μm的物理意義：表示單位質(zhì)量物質(zhì)對X射線的衰減程度。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)μm的特點(diǎn)：①對一定波長的X射線和一定的物質(zhì)來說，μm為固定值。②μm與物質(zhì)的物理狀態(tài)無關(guān)。即與物質(zhì)的氣態(tài)、液態(tài)、粉末、塊樣、化合物、混合物等均無關(guān)。2、復(fù)雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)ωi、μmi分別為各組元的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)和質(zhì)量吸收系數(shù)。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3、μm與波長λ和原子序數(shù)Z的關(guān)系一般X射線強(qiáng)度減弱主要由吸收作用造成，而散射作用極小。物質(zhì)對X射線的吸收可以近似用質(zhì)量吸收系數(shù)μm的大小來表示。μm與λ和Z存在如下函數(shù)關(guān)系：系數(shù)K在兩個吸收限之間為常數(shù)，不同吸收限之間的K值不同，且每一元素都有一組K。公式討論：①物質(zhì)的原子序越大，對x射線的吸收能力越強(qiáng)；②對一定的吸收體，x射線的波長越短，穿透能力越強(qiáng)，表現(xiàn)為吸收系數(shù)μm的下降。但隨波長的降低，在某些波長位置上出現(xiàn)吸收限。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)4、吸收限μm～λ關(guān)系曲線：當(dāng)波長減小到某幾個值時，μm驟增，將曲線分割為幾個明顯不同的連續(xù)部分。吸收限：在μm～λ關(guān)系曲線中，質(zhì)量吸收系數(shù)隨著入射X射線波長的變化產(chǎn)生突變，突變處對應(yīng)的波長稱為吸收限。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)為什么存在吸收限？入射光子能量大于吸收體某層電子結(jié)合能時，很容易被電子吸收，內(nèi)層電子溢出而產(chǎn)生光電效應(yīng)。此效應(yīng)消耗大量能量，表現(xiàn)為吸收系數(shù)突變。如存在λK、λL等

。λK值決定于吸收物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)。不同元素的吸收限值不同。原子序數(shù)愈大，同名吸收限波長值愈短。對同一物質(zhì)而言，第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)利用陽極靶材的吸收限（激發(fā)限）λK，可以計算的靶材的激發(fā)電壓UK：式中，UK以V為單位。第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第一章X射線物理學(xué)基礎(chǔ)X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第六節(jié)吸收限的應(yīng)用

吸收限的應(yīng)用主要有兩個：選濾波片