X射線的產(chǎn)生及X射線的性質(zhì)

X射線的產(chǎn)生及X射線的性質(zhì)第1頁/共60頁W.C.Rontgen，1894年任德國(guó)維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)，他的大部分時(shí)間耗在了昏暗的實(shí)驗(yàn)室，這位50歲的大學(xué)校長(zhǎng)，在1895.11.8偶然發(fā)現(xiàn)了一種射線，在論文《一種新射線(初步通信)》里，描述為“如果把手置于放電裝置和熒光屏之間，就可以看到在較淡的手影里露出深暗的骨骼陰影。”這種穿透力很強(qiáng)的射線，倫琴自己也搞不清楚，稱其為“X射線”。1896年1月4日，這種未知的射線，讓參加柏林物理學(xué)會(huì)會(huì)議的人們大開眼界。倫琴在會(huì)上展示了他的X射線照片--著名解剖學(xué)教授克利克爾一只手的X光照片

。1901年，倫琴獲得了第一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他放棄了自己的專利權(quán)，使得X射線的研究、應(yīng)用無比迅速。X射線的發(fā)現(xiàn)震驚了全世界，一下子，X射線成了時(shí)髦的代名詞，甚至出現(xiàn)了“X射線高爾夫球”、“X射線火爐擦洗劑”、“X射線避孕藥”和“X射線剃須刀”。第2頁/共60頁

高真空

10-4—10-6Pa至高壓發(fā)生器

40-120kV

接地高速電子流X射線第3頁/共60頁

當(dāng)燈絲被通電加熱至高溫時(shí)（達(dá)2000℃），大量的熱電子產(chǎn)生，在正負(fù)極之間的高電壓作用下被加速，高速轟擊到靶面上。高速電子到達(dá)靶面，運(yùn)動(dòng)突然受阻，其動(dòng)能部分轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠?，以X射線的形式放出。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，而大部分都轉(zhuǎn)變成為熱能。第4頁/共60頁陰極：發(fā)射電子。鎢絲，高壓下釋放出熱輻射電子。陽極：靶(Target)。高速運(yùn)動(dòng)的熱輻射電子突然減速并發(fā)射X射線。陽極材料為Cu，稱之為Cu靶。另外常用的還有Fe靶、Mo靶等。第5頁/共60頁一.連續(xù)譜（連續(xù)波長(zhǎng)的X射線）高速電子與陽極靶的原子碰撞時(shí)，由高速運(yùn)動(dòng)突然轉(zhuǎn)為停止不動(dòng)，電子失去動(dòng)能以光子形式輻射，這個(gè)光子流就是X射線。

電子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能X光能第6頁/共60頁

設(shè)電子的動(dòng)能為＝eV，若一個(gè)電子的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化成X光子的能量，則：

＝hν＝hc/λλs=hc/max

這時(shí)該光子將具有最短的波長(zhǎng)λs。在實(shí)際的能量轉(zhuǎn)化中，絕大多數(shù)電子，都有能量損耗，即≤max,因此λ≥λs。實(shí)際形成：以λs為最短波長(zhǎng)的連續(xù)譜線。第7頁/共60頁第8頁/共60頁Mo靶的X射線譜第9頁/共60頁第10頁/共60頁

連續(xù)光譜又稱為“白色”X射線。連續(xù)光譜的短波限λs只決定于X射線管的工作高壓，即只取決于高速電子流的運(yùn)動(dòng)速度，而與靶無關(guān)。

λs=hc/max

＝hc/eV

代入各個(gè)參數(shù)后得到：

λs=12.395／V；V的單位為kV,λs的單位為?(angstrum)第11頁/共60頁二.特征譜（特征波長(zhǎng)的X射線）

從原子物理學(xué)知道，原子內(nèi)的電子按照鮑林不相容原理和能量最低原理分布在各個(gè)能級(jí)上（電子軌道），用記號(hào)K、L、M、N……表示。K層最靠近原子核，能量最低，穩(wěn)定性最強(qiáng)（電子束縛能最高）。第12頁/共60頁例如：Na11的原子結(jié)構(gòu)中電子的殼層分布第13頁/共60頁

當(dāng)外來電子的能量足夠高(大于K層電子的電子束縛能)，則可能吧K層的一個(gè)電子擊飛，從而使原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)(激發(fā)態(tài))。高速電子流打飛的電子

(光電子)第14頁/共60頁激發(fā)態(tài)不是穩(wěn)定態(tài)，必然自發(fā)地向穩(wěn)定態(tài)過渡。方法之一：較高能量的L層電子向K層躍遷。第15頁/共60頁

在躍遷的過程中，前后存在能量差異，其差異即等于K層與L層的能級(jí)差ΔE＝EL-EK

＝hν

該差值能量將以X射線的形式放射出去。

λα＝h/ΔEX射線第16頁/共60頁X射線

方法之二：更高能級(jí)的M層向K層躍遷，

ΔE＝EM-EK

＝hνλβ＝h/ΔE

顯然λα

>λβ同理，由NK的躍遷形成的輻射叫γ輻射。第17頁/共60頁

方法之二：更高能級(jí)的M層向K層躍遷，

ΔE＝EM-EK

＝hνλβ＝h/ΔE

顯然λα

>λβ同理，由NK的躍遷形成的輻射叫γ輻射。X射線第18頁/共60頁

由于K層電子缺失、電子躍遷形成的X射線稱K系X射線，即Kα、Kβ、及Kγ射線。第19頁/共60頁由：λ＝h/ΔE

可知

不同的原子，各軌道間的能量差不同，因此，所產(chǎn)生的Kα、Kβ、及Kγ波長(zhǎng)不同。即波長(zhǎng)取決于原子序數(shù)，稱之為特征譜。一般來講，軌道越靠近，發(fā)生躍遷的幾率越大，即Iα>Iβ>Iγ另外：IK>IL>IM第20頁/共60頁

在L→K躍遷產(chǎn)生Kα輻射時(shí)，由于L電子層有三個(gè)亞層，三個(gè)亞層之間有微小的能量差異。能發(fā)生電子躍遷的是第二和第三亞層。第21頁/共60頁ΔE1

＝EL2-EK

＝hν＝

hc/λα1ΔE2

＝EL3-EK

＝hν＝hc/λα2

所產(chǎn)生的Kα射線就分為Kα1和Kα2。其波長(zhǎng)有微小的差異。比如Cu，λKα1＝1.5405?λKα2＝1.5443?另外其β射線λKβ＝1.3921?第22頁/共60頁第23頁/共60頁

通常情況下，在特征譜中，Kα1、Kα2、Kβ的強(qiáng)度分布如下：

Iα1：Iα2：Iβ：＝100：50：13.8波長(zhǎng)特征，例如Cu：λKα1＝1.5405?λKα2＝1.5443?λKβ＝1.3921?Fe：λKα1＝1.9360?λKα2＝1.9400?λKβ＝1.7566?第24頁/共60頁在X射線衍射分析中，Kβ射線的波長(zhǎng)差異較大，可設(shè)法去掉和消弱其強(qiáng)度。由于Kα1、Kα2的波長(zhǎng)很接近，所以在很多情況下，都是按二者的加權(quán)平均值作為Kα射線的波長(zhǎng)，計(jì)算方法如下：

λKα=（2λKα1+λKα2）／3

至于Kβ射線，因其波長(zhǎng)差異較大，必須設(shè)法去掉和消弱其強(qiáng)度。第25頁/共60頁

通常情況下，在特征譜中，Kα1、Kα2、Kβ的強(qiáng)度分布如下：

Iα1：Iα2：Iβ：＝100：50：13.8

由于Kα1、Kα2的波長(zhǎng)很接近，所以在很多情況下，都是按二者的加權(quán)平均值作為Kα射線的波長(zhǎng)，計(jì)算方法如下：

λKα=（2λKα1+λKα2）／3

至于Kβ射線，因其波長(zhǎng)差異較大，必須設(shè)法去掉和消弱其強(qiáng)度。第26頁/共60頁典型的X射線譜（含連續(xù)譜和特征譜）第27頁/共60頁幾種常用陽極靶材料的特征譜參數(shù)

第28頁/共60頁

三.特征X射線波長(zhǎng)與陽極材料的關(guān)系

式中λ——某線系(α、β)的特征射線的波長(zhǎng)

Z－－原子序數(shù)

K，——為給定的線系的常數(shù)。第29頁/共60頁第30頁/共60頁元素Kα1Kβ1Lα1Mα14Be114.0011Na11.9111.5826Fe1.9361.75717.5929Cu1.5411.39213.3435Br1.0410.9338.37555Cs2.89274W1.4766.98383Bi1.1445.118不同元素的特征X射線波長(zhǎng)(?)第31頁/共60頁(1)陽極材料已知時(shí)

電子束轟擊可以得到已知波長(zhǎng)的特征X射線—----用于X射線衍射分析的光源。如，Cu陽極(Cu靶)，得到Cu：λKα1＝1.5405?λKα2＝1.5443?λKβ＝1.3921?第32頁/共60頁(2)陽極材料未知時(shí)

陽極換成未知樣品，則樣品中含有那種元素，即可得到那種元素的特征X射線波長(zhǎng)，若含多種元素，則得到各該種元素的特征X射線波長(zhǎng)。如果能測(cè)定出樣品產(chǎn)生的X射線波長(zhǎng)(或能量)，則可以鑒定出樣品中的元素種類(及含量)----電子探針分析、能譜分析(EPMA,EDX)。第33頁/共60頁四.X射線與物質(zhì)的相互作用(1)相干散射：當(dāng)入射光子碰撞電子后，若電子能牢固地保持在原來位置上，則光子將產(chǎn)生剛性碰撞，其作用效果是輻射出電磁波--散射波。這種散射波的波長(zhǎng)和頻率與入射波完全相同，新的散射波之間將有可能發(fā)生相互干涉--相干散射----X射線衍射。第34頁/共60頁（2）非相干散射(a)光電子當(dāng)入射X光子的能量足夠大時(shí)，入射電子可以將原子的內(nèi)層電子擊出使其成為光電子。入射X射線光電子第35頁/共60頁第36頁/共60頁

若入射X射線的波長(zhǎng)是單色(能量已知)，則被擊打出的光電子的能量為：

＝入射線的能量－電子在原子核外所具有的能量由于不同元素的核外電子具有不同的能量，因此，如能測(cè)定該光電子的能量，則可確定被照射物質(zhì)的化學(xué)成分----XPS原理(XrayPhotoElectronicSpectroscopy)。對(duì)光源的要求：固定的已知能量，常采用單色X射線。(X射線不容易聚焦，因此樣品分析時(shí)空間分辨率低)第37頁/共60頁第38頁/共60頁MgKα激發(fā)Ag得到的光電子譜Auger第39頁/共60頁XPS進(jìn)行成分測(cè)定的特點(diǎn)：.樣品最表面元素種類(及含量)的測(cè)定(信息深度<10層原子)。較深部位元素產(chǎn)生的光電子很難逸出樣品表面。.元素的不同狀態(tài)，其光電子的能量會(huì)有差異(化學(xué)位移)，因此可測(cè)定元素的不同狀態(tài)---價(jià)態(tài)、配位形式等。例如Si的2p電子結(jié)合能：?jiǎn)钨|(zhì)硅中：99.6eVSiO2中：103.4eV第40頁/共60頁有機(jī)化合物化學(xué)位移舉例第41頁/共60頁(b)X熒光光電效應(yīng)發(fā)生后，原子的內(nèi)層電子缺失，成激發(fā)狀態(tài)，激發(fā)態(tài)穩(wěn)定態(tài)和前面講述的X射線產(chǎn)生的原理一樣，將產(chǎn)生X射線，稱之為二次X射線－－熒光輻射。該X射線的波長(zhǎng)，完全取決與物質(zhì)中的原子類型，而入射線可為單色，也可為白色。若測(cè)定該二次射線的波長(zhǎng)，即可得到物質(zhì)的化學(xué)組成----XRF原理(X-RayFluorescenceSpectrometer)。第42頁/共60頁（c）俄歇效應(yīng)

如果原子K層電子被擊出，L層電子向K層躍遷，其能量差不是以產(chǎn)生K系X射線光量子的形式釋放，而是被鄰近電子所吸收，使這個(gè)電子受激發(fā)而逸出原子成為自由電子-----俄歇電子。這種現(xiàn)象叫做俄歇效應(yīng)----AES原理(AugerElectronSpectrometry)。第43頁/共60頁KLLAugerE=EK-EL-EL第44頁/共60頁俄歇電子的能量：EKLL=EK-EL-EL被電離的電子躍遷的電子變成Auger電子的電子俄歇電子的能量只取決于原子本身，而與激發(fā)光源無關(guān)，因此一般的俄歇電子譜儀采用電子束作為光源(電子束能量高，且容易聚焦，因此空間分辨率高)。第45頁/共60頁

各種元素的俄歇電子能量第46頁/共60頁平均俄歇電子產(chǎn)額隨原子序數(shù)的變化第47頁/共60頁X熒光產(chǎn)額ω與俄歇電子產(chǎn)額α之間滿足

α+ω=1

一般地，較輕的元素，產(chǎn)生俄歇電子的幾率較大，而較重的元素則產(chǎn)生X熒光的幾率較大。第48頁/共60頁14號(hào)以前的元素，采用KLL俄歇電子14-42：LMM俄歇電子42號(hào)以后的元素：MNN或MNO俄歇電子一般來說，俄歇電子譜儀對(duì)輕元素的分析更為有效。也是一種針對(duì)樣品最表面的元素進(jìn)行分析。第49頁/共60頁1例Cr-Mo-V合金的俄歇電子圖譜(括號(hào)內(nèi)為電子能量eV)第50頁/共60頁(3)物質(zhì)對(duì)X射線的吸收光電效應(yīng)，俄歇效應(yīng)以及熱效應(yīng)所消耗的那部分入射X射線能量稱為物質(zhì)對(duì)X射線的真吸收。因此當(dāng)X射線穿過物質(zhì)時(shí)，X射線的能量將被衰減。第51頁/共60頁

物質(zhì)對(duì)于X射線的總體吸收用吸收系數(shù)來描述：

μ/ρ=Kλ3Z3

式中K為常數(shù)，λ為X射線的波長(zhǎng)，Z為物質(zhì)的原子序數(shù)，μ為吸收系數(shù)，ρ為物質(zhì)的密度。

μ/ρ為稱質(zhì)量吸收系數(shù)，記為μm

。

由公式可知，μm隨原子序數(shù)及X射線的波長(zhǎng)急劇增大，但其增大的過程很有意義,見下圖：

第52頁/共60頁第53頁/