X射线物理学基础省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第一章 X射线物理学基础v第一节 X射线介绍v第二节 X射线谱v第三节 X射线与物质相互作用第1页第一节 X射线介绍一、X射线发展史二、X射线应用三、X射线性质四、X射线产生五、X射线管第2页一、一、X射线发展史射线发展史v 1895年，德国物理学家伦琴发觉了X射线v 1895-1897年伦琴搞清楚了X射线产生、传输、穿透力等大部分性质v 19伦琴获诺贝尔奖v 19，德国物理学家劳厄发觉了X射线在晶体（硫酸铜单晶）中衍射现象，奠定了“X射线衍射学”基础v 19，英国物理学家Brag父子利用X射线衍射测定了NaCl晶体结构，开创了X射线晶体结构分析历史第3页与与X射线及晶体衍射相关部分诺贝尔奖取得者名单射线及晶体衍射相关部分诺贝尔奖取得者名单第4页v在X射线发觉后几个月医生就用它来为病人服务v右图是纪念伦琴发觉X射线100周年发行纪念封二、二、X射线应用射线应用第5页v X射线透射学 经过X射线透射情况来研究人体或物体内部情况，包含医学上诊疗和X射线工业探伤。v X射线衍射学 又称“X射线晶体学”，是当前应用最广一个方面，依据X射线照射晶体后所产生衍射线方向和强度来确定晶体结构，研究与结构和结构改变相关各种问题。v X射线光谱学 经过研究X射线光谱，可研究物质原子结构，如电子能级分布等；经过研究物质发出X射线波长可确定物质元素成份，这方面应用例子是X射线荧光光谱分析和电子探针。X射线在工业和科学技术中应用主要分三方面：射线在工业和科学技术中应用主要分三方面：第6页三、三、X射线性质射线性质1、本质：波长极短电磁波（波长：0.0110nm）19劳厄指导衍射试验证实第7页2、分类：、分类：硬硬X射线：射线：波长短X射线，如：X射线衍射分析惯用波 长约0.050.25nm，金属材料透视检验波 长更短，约0.0050.1nm。软软X射线：射线：波长长X射线，如用于医学透射X射线。硬软程度表示穿透能力强弱，波长越短，穿透力越强。3、单位：、单位：、nm、kX（晶体学单位）1nm=10=10-9m 1kX=1.00207720.000053（1973年值）第8页4、波粒二象性、波粒二象性 X射线客观属性 波动性波动性 场所：X射线之间相互作用时 表现：以一定频率和波长在空间传输（干涉、衍射等）。反应物质运动连续性。粒子性粒子性 （突出）场所：X射线与电子、原子间相互作用时 表现：它是由大量不连续粒子流组成，这些粒子流称为光子。X射线以光子形式辐射和吸收时含有质量、能量和动量。在与物质相互作用时交换能量，如光电效应等。反应物质运动分立性。第9页 描述波动性参量：频率、波长 描述粒子性参量：能量、动量 关系：普朗克常数h=6.62510-34J.s 当X射线与其它元素原子或电子交换能量时只能一份一份地以最小能量单位（h）被原子或电子吸收。第10页四、四、X射线产生射线产生1、产生原理、产生原理 高速运动电子与物体碰撞时，发生能量转换，电子运动受阻失去动能，其中一小部分（1左右）能量转变为X射线，而绝大部分（99左右）能量转变成热能使物体温度升高。第11页2、产生条件、产生条件v产生自由电子电子源，如加热钨丝发射热电子；v设置自由电子撞击靶子，如阳极靶，用以产生X射线;v施加在阴极和阳极之间高压，用以加速自由电子朝阳极靶方向加速运动；v将阴、阳极封闭在10-3Pa高真空中，保持两级纯洁，促使加速电子无阻地撞击到阳极靶上。第12页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3、过程演示、过程演示第13页五、五、X射线管射线管封闭电子式X射线管实物图第14页结构示意图第15页电子式电子式X射线管实质上是一个真空二极管（射线管实质上是一个真空二极管（10-310-4Pa），其结构为：），其结构为：v阴极：阴极：发射电子灯丝，W丝v阳极：阳极：又称靶，使电子突然减速和发射X射线。惯用靶材：Cu、Fe、Co、Ni、Cr、Mo、Ag、W等 高速运动电子动能仅1左右转变成X射线，99转变成热能，为防止烧熔靶面，常通水冷却。v聚焦罩：聚焦罩：聚焦电子束，灯丝外设置，其电位较阴极低100400V，用高熔点金属钼或钽制造。v焦点：焦点：阳极靶面被电子束轰击地方，正是从这块面积上发射出X射线。焦点尺寸和形状是X射线管主要特征之一。焦点形状取决于灯丝形状，螺形灯丝产生长方形焦点。较小焦点，能够提升分辩率。第16页v窗口：窗口：X射线从管内出射地方，常开设2或4个。窗口材料要有足够强度并尽可能少地吸收X射线，惯用铍或硼酸铍锂组成林德曼玻璃。窗口与靶面常成6o斜角。X射线管中发出X射线在各个方向不一样，越靠近与电子束垂直方向，强度越高。对于直角靶面，最好沿靶面方向接收。但靶面不可能绝对光滑平整，大部分X射线将被吸收而减弱，故常在与靶面成6o方向接收。X射线接收方向第17页l 上述惯用X射线管功率为5003000W。当前还有旋转阳极X射线管、细聚焦X射线管和闪光X射线管。l 因阳极不停旋转，电子束轰击部位不停改变，故提升功率也不会烧熔靶面。当前有100kW旋转阳极，其功率比普通X射线管大数十倍。旋转阳极靶示意图第18页第二节第二节 X射线谱射线谱X射线谱：X射线强度随波长改变关系曲线X射线有两种波谱：一、连续一、连续X射线谱射线谱二、特征二、特征X射线谱射线谱钼靶X射线管发出X射线谱第19页一、连续一、连续X射线谱射线谱 由波长连续改变X射线组成，和白光相同，是各种波长混合体，故也称白色X射线或多色X射线。特点：l 每条曲线都有一强度最大值和一个波长极限值（短波限0）。l 波长从短波限向长波方向伸展，可达无穷大。l 呈丘包状。连续谱示意图第20页1、试验规律、试验规律v当提升管电压 U时(i、Z不变)，各波长X射线强度都提升，短波限0和强度最大值对应m减小。v当保持管电压一定，提升管电流i,各波长X射线强度一致提升，但0 和m不变。v在相同管电压和管电流下，阳极靶材原子序数Z越高，连续谱强度越大，但0 和m相同。管电压U、管电流i和阳极靶材原子序数对连续谱影响：第21页第22页2、产生机理、产生机理v能量为eU电子与阳极靶原子碰撞时，电子失去自己能量，其中部分以光子形式辐射，碰撞一次产生一个能量为h光子，这么光子流即为X射线。v单位时间内抵达阳极靶面电子数目是极大量，极大数量电子射到阳极靶上条件和时间不可能是一样，绝大多数电子要经历屡次碰撞，产生能量各不相同辐射，所以出现连续X射线谱。第23页3、短波限、短波限连续连续X X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限限 0 0。它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生。它是由电子一次碰撞就耗尽能量所产生X X射线。射线。相互关系：式中，电子电荷e 1.602 10-19C;U电子经过两极时电压降；普朗克常数h6.62610-34JS；X射线传输速度c2.998108mS-10：nm，U：千伏第24页短波限只与管电压相关，不受其它原因影响。短波限只与管电压相关，不受其它原因影响。短波限只与管电压相关，不受其它原因影响。短波限只与管电压相关，不受其它原因影响。当固定管电压、增加管电流或增大阳极靶材原子序数时，0不变，仅使各波长X射线强度增高。U（KV）203040500（nm）0.0620.0410.0310.025绝大多数抵达阳极靶面电子经屡次碰撞消耗其能量，每次碰撞产生一个光量子，故其能量均小于电子能量，而得波长大于0不一样波长辐射，组成连续谱。第25页4、X射线强度射线强度vX射线强度是指垂直X射线传输方向单位面积上在单位时间内所经过光子数目标能量总和。惯用单位是J/cm2.s。vX射线强度I是由光子能量hv和它数目n两个原因决定,即I=nhv。在连续谱中，强度最大值不在短波限处，而是位于1.50附近。第26页v连续谱中，每条曲线下面积表示各种波长X射线强度总和，也就是阳极靶发射出X射线总能量。I连与管电压、管电流、阳极靶原子序数存在以下关系：Z为阳极靶原子序数，U为管电压（千伏），i 为管电流（毫安），K=(1.11.5)10-9。第27页5、X射线管效率射线管效率vX射线管效率，是指电子流能量中用于产生X射线百分数，即v伴随原子序数Z增加，X射线管效率增加。W：Z74，U100KV；则1第28页二、特征二、特征X射线谱射线谱钼靶X射线管发出X射线谱U35KV第29页 特征X射线谱由一定波长若干X射线叠加在连续X射线谱上组成，它和单色可见光相同，含有一定波长，故称单色X射线。每种元素只能发出一定波长单色X射线，它是元素标志，故也称为标识X射线。1、特征、特征X射线谱特征射线谱特征2、产生机理、产生机理3、莫塞莱定律、莫塞莱定律4、特征、特征X射线强度射线强度5、阳极靶选择、阳极靶选择第30页1、特征、特征X射线谱特征射线谱特征v当管电压超出某临界值时特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。v不一样阳极靶，激发电压不一样，产生特征谱波长也不一样。v当管电压继续增加时，特征谱强度增加，但对应波长保持不变。v特征谱波长不受管电压、管电流影响，只决定于阳极靶材元素原子序数。第31页v特征X射线谱产生机理与阳极物质原子内部结构紧密相关。特征X射线产生2、产生机理、产生机理第32页v原子系统内电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极过程中，当某个含有足够能量电子将阳极靶原子内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上电子向低能级上空位跃迁，并以光子形式辐射出标识X射线谱。机理：机理：第33页v由不一样外层上电子跃迁至同一内层上来而辐射特征谱线属于同一线系，并按电子跃迁所跨越电子能级数目多少次序，将这同一线系谱线分别标以、等符号。vK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层空位跃迁时产生K系辐射。LK填充空位时，产生K辐射；M K填充空位时产生K辐射。L系辐射：M L,产生L辐射；N L,产生L辐射。M系辐射。第34页K系谱线：系谱线：第35页l1；j0，1第36页K系谱线：系谱线：第37页K光子能量大于K光子能量；但K层与L层为相邻能级，故L层电子向K层跃迁几率远大于M层跃迁几率，所以K谱线强度约为K五倍。电子跃迁选择定则：ll11；jj0 0，1 1 K双线系电子分别由L和L两个亚层跃迁到K层时产生辐射，L亚层上四个电子跃迁至K层几率比L上二个电子跃迁几率大一倍，故K1谱线强度约为K2两倍。双线波长相差很小，普通情况下分辨不开，统称为K线。第38页3 3、莫塞莱定律、莫塞莱定律v特征X射线谱波长只与阳极靶物质原子结构相关，与其它外界原因无关，是物质固有特征。v莫塞莱定律特征谱波长与阳极靶原子序数关系：K，为常数 X射线光谱分析基本依据第39页4 4、特征谱强度、特征谱强度v特征谱强度与管电压（特征谱强度与管电压（U）、管电流（）、管电流（i）关系）关系：c为常数；n为常数，K系n1.5，L系n2 U激为特征谱激发电压，K系：U激UK第40页v多晶材料衍射分析中希望应用以特征谱为主单色光源，即尽可能高I特/I连。U/UK=4时，时，I特特/I连连最大最大，此时连续谱造成衍射背影最小。X射线管适宜工作电压：U（35）UK第41页5 5、阳极靶选择、阳极靶选择v因为L系、M系特征谱线波长较长，轻易被物质吸收，所以在晶体衍射分析中惯用K系谱线。v轻元素K系辐射波长值大，轻易被X射线管窗口，甚至空气所吸收而不好利用。v太重元素靶材所产生K系谱线，其波长又太短，且连续辐射所占百分比又太大。v所以，采取单色辐射衍射试验宜用Cr、Fe、Co、Cu、Mo等靶材X射线管。第42页第三节第三节 X X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 X X射射线线与与物物质质相相互互作作用用时时，产产生生各各种种不不一一样样和和复复杂杂过过程程。就就其其能能量量转转换换而而言言，一一束束X X射射线线经经过过物物质质时时，可可分分为为三三部部分分：一一部部分分被被散散射射，一一部部分分被被吸吸收收，一一部部分分透透过过物物质质继继续续沿沿原原来来方方向向传传输输;其其强强度度衰衰减减是是被被散散射射和和吸吸收收结结果果，而而且且吸吸收收是是造造成成强强度度衰衰减减主主要要原原因。因。第43页一、一、X X射线散射射线散射二、二、X X射线吸收射线吸收三、吸收限应用三、吸收限应用四、四、X X射线衰减规律射线衰减规律五、五、X X射线与物质相互作用总结射线与物质相互作用总结第44页一、一、X X射线散射射线散射v当入射线与原子内受核束缚较紧电子相遇时，光量子能量不足以使原子电离，但电子可在X射线交变电磁场作用下发生受迫振动，这么电子就成为一个电磁波发射源，向周围辐射与X射线波长相同辐射，因为各电子所散射射线波长相同，有可能相互干涉，故称相干散射。v入射波将本身能量传给了电子，而电子又将该能量转化为与入射线波长相同散射X射线。v相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象基础。1 1、相干散射（经典散射、汤姆逊散射）、相干散射（经典散射、汤姆逊散射）第45页2 2、非相干散射（量子散射）、非相干散射（量子散射）vX射线光量子与自由电子或受核束缚较弱电子碰撞，将一部分能量给予电子，使其动量提升，成为反冲电子，光子损失了能量，而且改变了运动方向，能量降低，波长增加，这就是非相干散射。v散射线分布于各个方向，波长随散射方向不一样而改变，不能产生干涉现象。第46页v1923年康普顿发觉并用量子理论解释这一现象，故称康普顿效应或量子散射。v非相干散射波长改变为：v非相干散射不能参加晶体对X射线衍射，但也无法预防，它分布于各个方向，强度随sin/增加而增大。在衍射分析中形成背底，给衍射图象带来不利影响，尤其对轻元素（电子受核束缚弱）。第47页二、二、X X射线吸收射线吸收 物物质质对对X X射射线线吸吸收收指指是是X X射射线线能能量量在在经经过过物物质质时时转转变变为为其其它它形形式式能能量量，X X射射线线发发生生了了能能量量损损耗耗。物物质质对对X X射射线线吸吸收收主主要要是是由由原原子子内内部部电电子子跃跃迁迁而而引引发。这个过程中发生发。这个过程中发生X X射线光电效应和俄歇效应。射线光电效应和俄歇效应。1 1、光电效应、光电效应2 2、俄歇效应、俄歇效应第48页1 1、光电效应光电子和荧光、光电效应光电子和荧光X X射线射线v当入射光量子能量等于或略大于吸收体原子某壳层电子结合能（即该层电子激发态能量）时，此光量子就很轻易被电子吸收，取得能量电子从内层溢出，成为自由电子，称光电子光电子，原子则处于对应激发态，这种原子被入射辐射电离现象即光电效应。v光电效应使被照物质处于激发态，这一激发态和由入射电子所引发激发态完全相同，也要经过电子跃迁向较低能态转化，同时辐射被照物质特征X射线谱。v由入射由入射X射线所激发出来特征射线所激发出来特征X射线称荧光射线称荧光X射线（二次特征射线（二次特征X射线）射线）。v利用荧光X射线进行成份分析X射线荧光光谱分析(Z20)第49页第50页v使K层电子变成自由电子需要能量是K，亦即可引发激发态入射光量子能量必须到达此值。v从X射线激发光电效应角度，称K为激发限；从X射线被物质吸收角度，称K为吸收限为吸收限。v产生光电效应条件：X射线波长必须小于吸收限射线波长必须小于吸收限K。K：nm ，UK：KV第51页2 2、俄歇效应、俄歇效应第52页v原子中一个K层电子被入射光量子击出后，L层一个电子跃入K层填补空位，此时多出能量不以辐射X光量子方式放出，而是另一个L层电子取得能量跃出吸收体，这么一个K层空位被两个L层空位代替过程称俄歇效应，跃出L层电子称俄歇电子。v每种原子俄歇电子均含有一定能量（EKLL），测定俄歇电子能量，即可确定该原子种类，所以可利用俄歇电子能谱作元素成份分析。v俄歇电子能量很低，普通为几百电子伏，能够检测到只是表面两三个原子层发出俄歇电子，所以，俄歇谱仪是研究物质俄歇谱仪是研究物质表面微区成份有力工具。表面微区成份有力工具。第53页X射线真吸收射线真吸收vX射线经过物质时造成能量损失称为X射线真吸收。v X射线穿过物质时会引发热效应，一部分能量转变为热能。v 光电子 光电效应光电效应 荧光X射线 俄歇电子 热效应第54页三、吸收限应用三、吸收限应用v经过滤波片后K减弱甚微，K被强烈吸收v滤波片厚度以K强度衰减到原来二分之一时为最正确。IK/IK1/500vZ靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶1 Z靶靶40时，时，Z滤滤Z靶靶21 1、滤波片选择、滤波片选择红滤波片 黑靶第55页铜辐射经过镍滤波片前后强度比较铜辐射经过镍滤波片前后强度比较第56页2 2、依据样品成份选择阳极靶、依据样品成份选择阳极靶Z靶Z试样1Z靶Z试样红试样黑靶标准：标准：Z靶靶Z试样试样1 或或 Z靶靶Z试样试样第57页四、四、X X射线衰减规律射线衰减规律X射线经过物质后衰减射线经过物质后衰减X射线强度衰减量dI与入射线强度I和层厚dx相关，即IH/I0称穿透系数或透射系数第58页 为常数，与入射波长及物质相关，称为物质对X射线线吸收系数（也称线衰减系数）。物理意义：单位体积物质对单位体积物质对X射线衰减程度射线衰减程度。与物质密度成正比，即与物质存在状态相关。线吸收系数线吸收系数第59页质量吸收系数质量吸收系数单位：cm2/g质量吸收系数与密度无关。物理意义：单位重量物质（1CM2穿透截面积）对X射线 衰减程度。若吸收体是多元素化合物、固溶体或混合物时，其质量吸收系数决定于各组元质量吸收系数及各组元质量分数，即第60页v质量吸收系数决定于吸收物质原子序数和X射线波长，关系为：v物质原子序数越大，对X射线吸收能力越强；对一定吸收体，X射线波长越短，穿透能力越强，表现为吸收系数下降。v但随波长降低，质量吸收系数并非呈连续改变，而是在一些波长位置上突然升高，出现了吸收限吸收限。K为常数第61页质量吸收系数与波长关系曲线质量吸收系数与波长关系曲线产生光电效应条件：X X射线波长必须小于吸收限射线波长必须小于吸收限第62页光电效应解释吸收突变光电效应解释吸收突变v当入射波长非常短时，它能打出K电子，形成K吸收。但因其波长太短，K电子不易吸收这么光子能量，所以吸收系数小。v伴随波长逐步增加，K电子也越来越轻易吸收这么光子能量，所以吸收系数逐步增大，直到K吸收限波长为止。v假如入射X射线波长比K稍大一点，此时入射光子能量已不能打出K电子，不产生K吸收；而对于L层电子来说，入射光子能量又过大，也不易被吸收。所以，入射X射线波长比K稍大一点时，吸收系数有最小值。v同理，可解释K吸收限至L吸收限之间曲线改变规律。第63页五、五、X X射线与物质相互作用总结射线与物质相互作用总结热能热能透射透射X射线衰减后强度射线衰减后强度Ix散射散射X射线射线电子电子荧光荧光X射线射线相干相干非相干非相干 反冲电子反冲电子俄歇电子俄歇电子光电子光电子康普顿效应康普顿效应俄歇效应俄歇效应 光电效应光电效应入射入射X射线射线强度强度I0第64页X X射线安全防护射线安全防护vX射线设备操作人员可能遭受电震和辐射损伤两种危险。v电震危险在高压仪器周围是经常地存在，X射线阴极端为危险源泉。在安装时能够把阴极端装在仪器台面之下或箱子里、屏后等方法加以确保。v辐射损伤是过量X射线对人体产生有害影响。可使局部组织灼伤，可使人精神衰颓、头晕、毛发脱落、血液组成和性能改变以及影响生育等。安全办法有：严格恪守安全条例、配带笔状剂量仪、防止身体直接暴露在X射线下、定时进行身体检验和验血。第65页总结总结vX射线性质、产生原理、产生条件射线性质、产生原理、产生条件vX射线管结构射线管结构v连续连续X射线谱产生机理、短波限射线谱产生机理、短波限v特征特征X射线谱产生机理、莫塞莱定律射线谱产生机理、莫塞莱定律vX射线强度射线强度第66页vX X射线与物质相互作用射线与物质相互作用 宏观效应-X射线强度衰减 微观机制-X射线被散射,吸收 (1)散射-相干散射,康谱顿散射 (2)吸收-产生光电子,荧光X射线,俄歇电子 (3)吸收限，滤波片及阳极靶选择 光电效应光电效应 俄歇效应俄歇效应 吸收限吸收限第67页作业作业1、X射线强度2、特征X射线3、光电效应4、俄歇效应5、简述特征X射线谱产生机理第68页