第1章 X射线性质及产生幻灯片PPT文件格式下载.pptx

1、二 次电子等。X射线的频率、波长以及其光子的能量、动量p之间存在如下关系：,式中h普朗克常数，等于6.62510-34J.s;cX射线的速度，等于2.998108 m/s.,X射线产生核心装置：X射线管与X射线同步 辐射,1.2 X-Ray的产生,（1）X-Ray的产生原理高速运动的电子与物体碰撞时，与物 质内层电子相互作用发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小 部分（1左右）能量转变为X射线；绝大部分（99左右）能量转变成 热能使物体温度升高。,（2）产生条件,1.产生自由电子-电子源，如加热钨 丝产生热电子 2.使电子作定向 的高速运动-施 加在阳极和阴极（钨丝）间的电压,2,13

2、,6,5,4,1-高压变压器;2-钨丝变压器；3-X射线管；4-阳极；5-阴极；6-电子；7-X射线,7,常规的X射线产生装置,8,3.在其运动的路径 上设置一个障碍物 使电子突然减速或 停止。4.真空-把阴极和 阳极密封在真空度 高于10-3Pa 的真空 中，保持两极洁净 并使加速电子无阻 地撞击到阳极靶上。,2,13,6,5,4,1-高压变压器;7-X射线,7,（3）产生条件,常规的X射线产生装置,X射线产生,原子序数越大，X射线波长越短 能量越大，穿透能力越强。,辅助设备：,冷却系统、安全防护系 统、检测系 统，等,（3）X射线管,焦斑阳极靶面被电子束轰击的区域,X射线从焦斑区域出发焦斑

3、的形状对X射线衍射图的形状、清晰度、分辨率有较大影响较小的焦斑&较强的强度,在与靶面成 出射角为36处接受X射线在与焦斑短边垂直处，可得到正方形焦点，即电光源 在与焦斑长边垂直处，可得到细线型焦点，即线光源,接变压器,玻璃,钨灯丝,金属聚灯罩,铍窗口,金属靶,冷却水,电子,X射线,X射线,X射线管剖面示意图,（4）过程演示,1.3X射线谱,X射线谱指的是X射线的强度随波长变 化的关系曲线。X射线强度大小由单位面积上的光量 子数决定。由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类 型：（1）连续（白色）X射线（2）特征（标识）X射线,连续X射线谱,特征X射线谱,（1）连续X射线,具有连续波长的X射线，

4、构成连续X射线谱，它和可见光相似，亦称多色X射线。,产生机理 演示过程 短波限 X射线的强度,连续X射线谱产生机理,能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以光子的 形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的 光子，这样的光子流即为X射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是很 多的，绝大多数电子要经历多次碰撞，逐 渐地损耗自身的能量，即产生多次辐射，由于多次辐射中光子的能量不同，因此出 现连续X射线谱。,K态（击走K电子）,L态（击走L电子）,M态（击走M电子）,Wl,WmWn,原 子 的 能 量,连续X射线产生过程,0电子冲击阳极靶,N态（击走N电子）击走价电子中性原子

5、X射线射出,演示过程Wk,短波限,连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波 限0。它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射 线。它只与管电压有关，不受其它因素的影响。相互关系为：,（库仑）,式中e 电子电荷，等于V管电压h普朗克常数，等于c 光速2.998*108m/s,X射线的强度,X射线的强度是指在单位时间内通过垂 直于X射线传播方向的单位面积上光子 数目（能量）的总和。常用单位是 J/cm2.s.X射线的强度I是由光子能量h和它的 数目n两个因素决定的,即I=nh，连续X射线强度最大值在1.50,而不在 0处。,连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连 续X射线的总强度，也是阳极靶发射

6、出的 X射线的总能量。实验证明，I与管电流、管电压、阳极靶 的原子序数存在如下关系：且X射线管的效率为:,20,强度随波长连续变化，每条曲线都对应有一个最 短的波长（短波限0）和一 个强度最大值短波限 与管电压有关,因此，管电压既影响连续X射线谱的强度，也影响其波长 范围。,当增加X射线管的电压，连续X射线谱有下列特征,Page 21,连续谱与电流、电压和靶材的关系,练习题,1.试计算波长0.71（Mo-K）和1.54（Cu-K）的X射线束，其频率和每个量子的能量。,Mo靶X射线:,Cu靶X射线:,练习题,2.试计算用50千伏操作时，X射线管中的电 子在撞击靶时的速度和动能，所发射的X射 线短

7、波限为多少？,1.产生机理2.特征X射线的特性 管电压特征强度特征特征波长取决于原子序数-莫塞莱定律3.K系激发机理,（2）特征X射线谱,Mo的特征X射线谱,Page 25,1.特征X射线产生机理,跃迁,X射线管中，阴极发射的电子束,轰击阳极,击出低能级上出现空位,内层电子 系统处于激发,状态（不稳定）较高能级上的电子向低能 级上的空位跃迁（系统能量重新降低而趋于稳定）多余的能量以光子的形式向外辐射特征X射 线。辐射光子的能量为：hn2-n1En2-En1,En2和En1,分别为高能级和低能级电子的能量,特征x-ray产生的机理,X射线的物理基础,2.特征X射线的特性,（1）激发管电压特征：每

8、一条谱线对 应一定的激发电压，只有当管电压超 过激发电压时才能产生相应的特征谱 线，且靶材原子序数越大其激发电压 越高。当电压达到临界电压时，特征谱线的 波长不再变，强度随电压增加。,2.特征X射线的特性,（2）强度特征：每个特征射线都对应一个特定的波长，不同靶材的特征谱波长不同。如管电流和管电压V的增加只能增强特征X射线的强度，而不改变波长。K系特征X射线的强度与管电压、管电流的关 系为：K2和n是常数；V和Vk分别是工作电压和K系激发电压；i管电流,2.特征X射线的特性 莫塞莱定律（3）,同系（例如K、L 等）特征X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的固有特性。且存

9、在如下关系：莫塞莱定律：同系特征X射线谱的波长或频 率与原子序数Z关系为：或者C，C1 与 为常数,30,莫塞莱定律,K 1:C=3*103=2.9,K 1:C1=5.2*107,=2.9,由能级可知K辐射的光子能量大于K的 能量，但K层与L层为相邻能级，故L层电 子填充几率大，所以K的强度约为K的5 倍。,产生K系激发要阴极电子的能量eVk至少 等于击出一个K层电子所作的功Wk。Vk就 是激发电压。,返回莫赛莱定律,K系激发机理,K层电子被击出时，原子系统能量由基态升到K激发态，高能级电子向K层 空位填充时产生K 系辐射。L层电子 填充空位时，产生K辐射；M层 电子填充空位时 产生K辐射。,

10、表1.1,连续X射线谱,特征X射线谱,1.强度随波长连续变化,原子序数有关3.其产生：高能电子的能,量损失频率有关（电子,1.波长一定而强度很强,2.强度与管电压、管电流、2.与靶材有关，有一个激,发电压有关，与管电流无 管3.特征谱的产生与靶材原,能量X射线光子能量）子内部结构有关如K，K（核外不同能级之间能量差X射线光子能量）,连续谱与特征谱的比较,1.4X射线与物质相互作用,X射线与物质相互作用 时，产生各种不同的 和复杂的过程。就其 能量转换而言，一束X 射线通过物质时，可 分为三部分：一部分被散射;一部分被吸收;一部分透过物质继续沿 原来的方向传播。,X射线的散射；X射线的吸收；X射

11、线的衰减规律；吸收限的应用；,1.4.1 X射线的散射,X射线被物质散射时，产生两种现象：相干散射（也称为经典散射）非相干散射,1.4.1.1相干散射:,X射线与物质的作用,（汤姆逊散射/弹性散射）特点：与物质原子中束缚力较大的 电子（内层电子）的作用。电子作受迫振动发射电磁 波，称散射波。C、各散射波之间符合振动方 向相同、频率相同、位相差 恒定的干涉条件，可产生干涉作用。相干散射是X射线在晶体中产生衍射的基础,X 射 线,原子或离子中的电子,受迫振动。,振动着的电子 成为次生X射 线的波源，向 外辐射与入射 X 射线同频率 的电磁波，称38 为散射波。,1.4.2非相干散射（康普顿散射/非

12、弹性散射）,X射线与物质的作用,特点：X射线与束缚力较小的外层电子或自由电子碰撞外层电子成为反冲电子，X射线光子能量减小，波长的改变：=0.0024（1-cos2）C、由于散射X射线的波长随散射方向而变，不能产生干涉效应。故这种X射线散射称 为非相干散射。,非相干散射是康普顿（A.H.Compton）和我国物理学家,吴有训等人发现的，亦称康普顿效应或康普顿-吴有训效应,在非相干散射中，除康普顿散射外，还有拉曼散射、热漫散射、黄昆散射（了 解）。拉曼散射：是X射线光子能量比壳层电子临 界激发能小得非常多时发生的共振散射。应用：利用拉曼散射可以测量物质内的电 子状态变化。,X射线与物质的作用,热漫

13、散射：是X射线光子与声子（谐振 动的能量的量子化）碰撞造成的。光子 的能量损失很少，可以把它看成晶格热 振动造成的晶格畸变引起的漫散射。利用热漫散射可以测定物质的特 征温度等热学性质，判断原子间结合力。,X射线与物质的作用,黄昆散射：是晶格静畸变 引起的漫 散射，这种散射引起的X射线能量损 失也很少。利用黄昆散射可以测定晶体 缺陷及其附近的应力场、原子偏聚、短程有序等。,1.4.2 X射线的吸收,物质对X射线的吸收指的是X射线能量在通过物质时 转变为其它形式的能量，X射线发生了能量损耗。物质对X射线的非热能的吸收主要是由原子内部的电 子跃迁而引起的。这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应。光

14、电效应；俄歇效应。热能,光电效应,以光子激发原子所发生的激发和辐射过,程。当一个具有足够能量的X射线光子与物质,中的原子相互碰撞时，从原子内部（例如K层）击出一个电子，同时发生辐射而产生特征X射线。被击出的电子称为光电子；所辐射的次级X射线 称为标识X射线或荧光X射线。,X射线与物质的作用,X射线与物质的作用激发K系光电效应时，X射线光子的 能量必须大于（其临界值应等于）为 击出一个K层电子所作的功：,X射线与物质的作用,k 从激发光电效应的角度说，称 为激发限波长，意义是只有入射的 X射线波长达到或小于它时，才能 激发物质的二次特征X射线。,从X射线被吸收的角度看，称为吸收 限波长。意义：当

15、入射的X射线的波长 达到或小于k它时，入射X射线将被 该物质强烈吸收，并产生光电效应。,在不同的场合，对于K 有不同的要求：衍射分析中，荧光X射线增加衍射花样的 背底，因此要尽量避免。（阳极材料的K 大于样品物质的K）X射线荧光分析中，希望得到尽可能强的 荧光X射线，因此，激发源的K 应小于 样品物质的K,X射线与物质的作用,俄歇电子,处于电离态的原子中的电子发生能 级跃迁（退激）时，所释放的能量使 另一核外电子被电离，此电子即为俄 歇电子。即：当特征X-Ray光子的能量足够大时，可以再次激发原子的外层电子，使之 成为自由电子，并勉出样品。俄歇电子的能量范围：501500eV。,X射线与物质的作用,1.4.3 X射线的衰减规律（由于散射+吸收而引起的衰减）,当一