X射線的產(chǎn)生及其物理作用ppt課件.ppt

第一章X射線衍射分析 材料研究方法的研究對(duì)象是材料的組織 成分及結(jié)構(gòu) 采用的手段及方法是基于檢測對(duì)象對(duì)電磁波及特征射線的反應(yīng) 基礎(chǔ)是材料的結(jié)構(gòu)及電磁輻射 1895年德國物理學(xué)家倫琴在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)X射線 至今因應(yīng)用X射線研究取得成果而獲諾貝爾獎(jiǎng)的高達(dá)22個(gè)之多 其中物理獎(jiǎng)6個(gè) 化學(xué)獎(jiǎng)12個(gè) 生物醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)4個(gè) 1908 1911年 巴克拉發(fā)現(xiàn)物質(zhì)被X射線照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生次級(jí)X射線 次級(jí)X射線除與初級(jí)X射線有關(guān) 還與被照射物質(zhì)組成的元素有關(guān) 1912年 勞厄等提出X射線是電磁波的假設(shè) 并推測波長與晶面間距相近的X射線通過晶體時(shí) 必定會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象 該假設(shè)被弗里德利希 W Friedrich 實(shí)驗(yàn)證實(shí) X射線衍射學(xué) 英國物理學(xué)家布拉格 Bragg 父子提出了X射線 選擇反射 的觀點(diǎn) 導(dǎo)出了著名的布拉格方程 1913年據(jù)此制作出了X射線分光計(jì) 1914年 莫塞萊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同材料同名特征譜線的波長與原子序數(shù)間存在定量對(duì)應(yīng)關(guān)系 提出了著名的莫塞萊定律 誕生了材料物相快速無損檢測分析方法 x射線光譜學(xué) 偉大的發(fā)現(xiàn) 一 電磁輻射基礎(chǔ)二 X射線譜三 X射線與物質(zhì)的相互作用四 X射線的探測與防護(hù) 第一節(jié)X射線的產(chǎn)生及其物理作用 一 電磁輻射基礎(chǔ) 1 原子的組成原子 Atom 原子核 核外電子電子波 粒二象性軌道非固定 幾率最大的分布構(gòu)成電子云層 近似認(rèn)為核外電子在各自的軌道 稱原子軌道 上運(yùn)動(dòng)并用 電子 殼 層 形象化描述電子的分布狀況 2 電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 1 每一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)具有確定的能量 不同狀態(tài)能量數(shù)值不同 變化呈不連續(xù) 量子化 能級(jí)圖 把不同的能量數(shù)值 按一定比例 用一定高度的水平線代表 并將其按大小順序排列 由下至上能量增大 而構(gòu)成的梯級(jí)圖形 一般最底層值為0 2 為清晰準(zhǔn)確表征核外電子的運(yùn)動(dòng) 能量 狀態(tài) 提出五個(gè)參量 主量子數(shù)n 角量子數(shù)l 磁量子數(shù)m 自旋量子數(shù)s及自旋磁量子數(shù)ms 5量子數(shù)也相應(yīng)表征了電子的能量狀態(tài) 能級(jí) 原子中的電子能級(jí)示意圖 2 電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 表1 n l m對(duì)核外電子狀態(tài)的表征意義 2 電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 3 原子的激發(fā) 1 基態(tài) 原子核外電子按照能量最低原理 泡利不相容原理 洪特規(guī)則 分布于各能級(jí)上 處于能量最低狀態(tài) 稱為基態(tài) 參見無機(jī)化學(xué) 泡利不相容原理 原子中每個(gè)電子必須有獨(dú)自一組四個(gè)量子數(shù) 一個(gè)原子中不可能有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完全相同的兩個(gè)電子 能量最低原則 電子總是按能量最低的狀態(tài)分布 洪特規(guī)則 由原子光譜的事實(shí)總結(jié)出的多條規(guī)則 其基本原則是 基態(tài)多電子原子的電子總是首先自旋平行地 單獨(dú)地填入簡并軌道 一 電磁輻射基礎(chǔ) 2 激發(fā)態(tài) 激發(fā) 原子由基態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦吣軕B(tài) 激發(fā)態(tài) 的過程 激發(fā)條件 較高能級(jí)是空的或未填滿 由泡利不相容原理決定 吸收能量等于兩能級(jí)能量差 愈接近原子核 電子能級(jí)愈低 電子愈穩(wěn)定 愈遠(yuǎn)離 愈高 不穩(wěn)定 電子可以在軌道間躍遷 低能級(jí)軌道 高能級(jí)軌道 吸收能量 一 電磁輻射基礎(chǔ) 3 激發(fā)能 電子激發(fā)前后所處能級(jí) 能量 之差 不穩(wěn)定 存在10 8 10 10s后返回基態(tài) 4 電子 能級(jí) 躍遷 原子中電子受激向高能級(jí)躍遷或由高向低能級(jí)的躍遷 分為 輻射躍遷 多余能量以電磁輻射形式放出 無輻射躍遷 多余能量轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 5 電離能 使原子中電子脫離原子核束縛的能量 eV 分為一次電離 二次電離等 一 電磁輻射基礎(chǔ) 4 輻射的吸收與發(fā)射電磁波通過某物質(zhì)時(shí) 從能量角度說分為 部分被散射 部分被吸收 部分被透過 1 輻射的吸收實(shí)質(zhì) 吸收輻射光子能量發(fā)生粒子的能級(jí)躍遷 h E E2 E1不同物質(zhì)因能級(jí)躍遷類型不同 對(duì)輻射的吸收不同 能級(jí)躍遷不同 輻射被吸收程度對(duì) 或 的分布 吸收光譜不同 一 電磁輻射基礎(chǔ) 熱能 透射I0 散射X射線 能級(jí)躍遷 一 電磁輻射基礎(chǔ) 2 輻射的發(fā)射物質(zhì)吸收能量后產(chǎn)生電磁輻射的現(xiàn)象 實(shí)質(zhì)是輻射躍遷 物質(zhì)粒子發(fā)射輻射的強(qiáng)度對(duì) 或 的分布稱為發(fā)射光譜 光致發(fā)光粒子則稱為熒 磷 光光譜 不同物質(zhì)具有特定的特征發(fā)射光譜 熒光吸收一次光子與發(fā)射二次光子的時(shí)間短 10 8 10 4 而磷光的時(shí)間長 在10 4 10s間 一 電磁輻射基礎(chǔ) 3 光譜的分類吸收 發(fā)射 散射 拉曼散射譜 吸收與發(fā)射光譜按發(fā)生作用的物質(zhì)微粒不同 可分為原子光譜與分子光譜 由于物質(zhì)微粒能級(jí)躍遷的類型不同 能級(jí)差不同 吸收與發(fā)射光譜波長范圍不同 紅外 紫外 可見光 X射線譜按強(qiáng)度對(duì)波長的分布分為 故除單晶衍射外 盡量扣除連續(xù)譜 以減輕對(duì)分析的干擾 一 電磁輻射基礎(chǔ) 1 X射線的產(chǎn)生原理陰極發(fā)射并在管電壓作用下高速運(yùn)動(dòng)電子與物質(zhì)碰撞產(chǎn)生 1 能量 其余99 轉(zhuǎn)為熱能 2 X射線產(chǎn)生條件1 產(chǎn)生自由電子2 使電子做定向高速運(yùn)動(dòng)3 運(yùn)動(dòng)路徑設(shè)置使其突然減速的障礙物 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 3 X射線管相當(dāng)于一個(gè)真空度為10 5 10 7mmHg的大真空二極管 1 基本組成1 陰極 W絲制成 發(fā)射熱電子 2 陽極 亦稱靶 使電子突然減速 發(fā)射X射線 常用靶材 Cr Co Ni Cu Ag W等 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 3 窗口 X射線從陽極向外射出區(qū) 鈹制 高真空 對(duì)X射線吸收小 4 焦點(diǎn) 陽極靶被電子轟擊發(fā)射出X射線處 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 2 分類1 細(xì)聚焦X射線管2 旋轉(zhuǎn)陽極X射線管按燈絲 1 密封式燈絲管2 可折式燈絲X射線管4 X射線分類 0 01 100 1 硬X射線 波長較短 能量較高 穿透力強(qiáng) 用于無損探傷 0 05 1 及金屬的物相分析 0 5 2 5 2 軟X射線 10 100 穿透力弱 主要用于醫(yī)學(xué) 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 5 X射線譜指X射線強(qiáng)度隨波長變化的關(guān)系曲線 分為 1 連續(xù)X射線譜1 定義 具有連續(xù)波長 亦稱多色X射線 為高速運(yùn)動(dòng)的電子被靶突然阻止而產(chǎn)生 絕大多數(shù)電子經(jīng)歷多次碰撞 產(chǎn)生能量各不相同的輻射 形成連續(xù)譜 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 K態(tài) 擊走K電子 L態(tài) 擊走L電子 M態(tài) 擊走M(jìn)電子 N態(tài) 擊走N電子 擊走價(jià)電子 中性原子 Wk Wl Wm Wn 0 原子的能量 連續(xù)X射線產(chǎn)生過程 電子沖擊陽級(jí)靶 X射線射出 演示過程 回車鍵 2 短波限連續(xù)波在短波方向上有一波長極限 短波限 0 是指光子一次碰撞就耗盡能量所產(chǎn)生的X射線 只與管電壓有關(guān) eU h max hc 0 0 hc eU 1 24 v nm e 電子電荷 等于1 6 10 19C U 電子通過兩極時(shí)的電壓降 h 普朗克常數(shù) 等于6 626 10 34J s實(shí)際必有部分電子能消耗于陽極靶的激發(fā) 且一個(gè)電子能量也可能轉(zhuǎn)化為n個(gè)光子或分次轉(zhuǎn)化 故實(shí)際 0 即 1 24 v且連續(xù)分布 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 3 X射線強(qiáng)度指垂直于X射線傳播方向的單位面積在單位時(shí)間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和 用I表示 單位J cm2 s I由光子能量h 及其數(shù)目n共同決定 I nh Imax在1 5 0處 此時(shí)波長記為 m 連續(xù)X射線譜中每條曲線下的面積表示連續(xù)X射線的總強(qiáng)度 也是陽極靶射出X射線的總能量 I連 iZUmi 電流 U 電壓 m 2 Z 原子序數(shù) 1 1 1 4 10 9陽極靶只能影響連續(xù)譜的強(qiáng)度 不能影響其波長分布 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 4 連續(xù)X射線的效率 射線管效率 n I連 功率 iiZU2 iV iZU i 1 1 1 4 10 9可見效率低 多發(fā)熱 故要用高熔點(diǎn)金屬做陽極且水冷 小結(jié) 連續(xù)X射線譜 a 同一陽極靶 管電壓U不變 提高管電流I 各波長射線的強(qiáng)度I提高 但 0和 m不變 b 提高管電壓 i Z不變 各波長射線的I增大 但短波限 0和強(qiáng)度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的 m減小 c U與i相同時(shí) 原子序數(shù)Z越高 連續(xù)譜的I越大 但 0和 m不變 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 2 特征 標(biāo)識(shí) X射線1 定義 在連續(xù)譜基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長的譜線 這些譜線強(qiáng)度峰的波長反應(yīng)了物質(zhì)原子序數(shù)的特征 所以叫特征X射線 由特征射線組成的譜線叫特征X射線譜 激發(fā)電壓 產(chǎn)生特征X射線的最低電壓UK 臨界電壓 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 2 特征 電壓達(dá)到V臨界時(shí) 特征譜線的 不變 強(qiáng)度按n次方的規(guī)律增大 即 波長反映了原子序數(shù)的特征 如 鉬靶K系特征X射線有兩個(gè)強(qiáng)度高峰K 和K 波長分為0 71 和0 63 I特征 Ki U U臨界 nn 1 5 2 I特 I連在U U臨界 3 5時(shí)最大 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 3 機(jī)理 能級(jí)躍遷如 K層電子被擊出時(shí) 系統(tǒng)能量由基態(tài)升高到K激發(fā)態(tài) 高能層電子向K層空位填充時(shí) 產(chǎn)生K系輻射 把其中L層電子填充空位稱為K 輻射M層電子填充空位產(chǎn)生K 輻射 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 K態(tài) 擊走K電子 L態(tài) 擊走L電子 M態(tài) 擊走M(jìn)電子 N態(tài) 擊走N電子 擊走價(jià)電子 中性原子 Wk Wl Wm Wn 0 原子的能量 標(biāo)識(shí)X射線產(chǎn)生過程 K激發(fā) L激發(fā) Ka輻射 K輻射 L輻射 過程演示 任意鍵 由能級(jí)知K 輻射光子能量大于K 光子 但因K層與L層為相鄰能級(jí) L填充幾率大 故實(shí)際K 強(qiáng)度約為K 強(qiáng)度的5倍 同理 L層電子被激發(fā)而產(chǎn)生的特征X射線稱為L系輻射或L系射線 L層內(nèi)不同亞能級(jí)電子向K層躍遷所發(fā)射的K 1和K 2的關(guān)系是 K 1 K 2 IK 1 2IK 2對(duì)于多重線系 如L2及L3層電子向K層躍遷 形成的 K 有如下關(guān)系 K 2 3 K 1 1 3 K 2 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 4 莫塞萊定律標(biāo)識(shí)X射線譜的頻率和波長只取決于陽極靶物質(zhì)的原子能級(jí)結(jié)構(gòu) 是物質(zhì)的固有特性 莫塞萊定律 標(biāo)識(shí)X射線譜的波長 與原子序數(shù)Z的關(guān)系為 C及 為與線系有關(guān)的常數(shù) 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 5 X射線管工作電壓的選擇在多晶材料的衍射分析中 總是希望應(yīng)用以特征譜為主的單色光源 即I特 I連盡可能高 為了使K系譜線突出 x射線管適宜的工作電壓一般比K系激發(fā)電壓高3 5倍 即 V工作 3 5 V臨界 即VK 下表給出常用x射線管的適宜工作電壓及特征譜波長等數(shù)據(jù) 6 標(biāo)識(shí)譜的強(qiáng)度 I特 隨管電壓 V 和管電流 i 的提高而增大其關(guān)系的實(shí)驗(yàn)公式為 I特 Ki V工作 Vn mK 常數(shù)m 常數(shù) K系m 1 5 L系m 2Vn 標(biāo)識(shí)譜的激發(fā)電壓 對(duì)K系 Vn VK 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 二 X射線的產(chǎn)生及X射線譜 X射線與物質(zhì)發(fā)生相互作用后 內(nèi)容和過程復(fù)雜 然就其能量轉(zhuǎn)換而言 一束X光通過物質(zhì)時(shí) 分為三部分 散射 吸收 透過 三 X射線與物質(zhì)的相互作用 1 X射線的散射X射線被物質(zhì)散射時(shí) 產(chǎn)生相干散射和非相干散射 1 相干散射 物質(zhì)中電子在X射線作用下振動(dòng) 產(chǎn)生的新電磁波波長和頻率相同 位相差恒定 產(chǎn)生干涉現(xiàn)象 發(fā)生相干散射 2 非相干散射特征 X射線光子與束縛力不大的外層電子或自由電子發(fā)生非彈性碰撞使波長增大 電子獲得能量成為反沖電子 位向差不恒定 無干涉發(fā)生 三 X射線與物質(zhì)的相互作用 2 X射線的吸收X射線通過物質(zhì)時(shí)發(fā)生能量損失 吸收的能量引發(fā)物質(zhì)中原子內(nèi)部的電子躍遷 發(fā)生X射線的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng) 1 二次特征輻射當(dāng)入射x射線光子能量達(dá)到某一閾值可擊出物質(zhì)原子內(nèi)層電子時(shí) 產(chǎn)生光電效應(yīng)形成二次特征輻射 與此能量閾值相應(yīng)的波長稱為物質(zhì)的吸收限 亦稱為K系特征輻射的激發(fā)限 用 K代表 產(chǎn)生光電效應(yīng)的條件 X射線光子波長必須小于吸收限 k 輻射條件 激發(fā)限 K 1 24 VK nm VK 把原子中K殼層電子擊出原軌道所需要的最小激發(fā)電壓 三 X射線與物質(zhì)的相互作用 K在討論光電效應(yīng)產(chǎn)生的條件時(shí)叫做K系激發(fā)限 若討論x射線被物質(zhì)吸收 光電吸收 時(shí) 又可把 K叫吸收限 推倒 為產(chǎn)生K系熒光輻射 入射光子的能量h 必須大于或等于K層電子的逸出功WK 即h hc eVK hc eVK 1 24 VK K說明 當(dāng)入射x射線波長剛好小于等于 K時(shí) 可發(fā)生此種物質(zhì)對(duì)波長為 k的X射線的強(qiáng)烈吸收 而且正好在 K 1 24 VK時(shí)吸收最為嚴(yán)重 形成所謂的吸收邊 此時(shí)熒光散射也最嚴(yán)重 三 X射線與物質(zhì)的相互作用 吸收限的應(yīng)用 可利用 K 1 24 VK計(jì)算激發(fā)電壓 濾波片的選擇a 使濾片吸收限位于輻射源的K 和K 間盡量靠近K 強(qiáng)烈吸收K b 因?yàn)V片厚對(duì)K 吸收增大 K 強(qiáng)度減小到一半時(shí) K K 將由濾前1 5 1 500 故盡量將K 吸收一半 c 實(shí)驗(yàn)確定 Z靶 40時(shí) Z片 Z靶 1Z靶 40時(shí) Z片 Z靶 2 三 X射線與物質(zhì)的相互作用 陽極靶的選擇 陽極靶波長稍大于試樣的K吸收限 Z靶 Z試樣 1此時(shí) 入射X射線不在試樣上產(chǎn)生熒光X射線 吸收又最小 減輕衍射花樣的背底強(qiáng)度 三 X射線與物質(zhì)的相互作用 2 X射線的吸收X射線透過物質(zhì)時(shí) 因散射和吸收作用 透射方向強(qiáng)度必定減弱 1 朗伯定律 單色光照射到均勻介質(zhì)上 均勻介質(zhì)對(duì)光強(qiáng)的衰減程度 即介質(zhì)原子對(duì)入射光子的吸收幾率 與介質(zhì)的厚度 t 成正比 dIt It dt 比例常數(shù) 與入射線波長及物質(zhì)有關(guān) 稱為該物質(zhì)對(duì)入射X射線的衰減系數(shù) 亦稱為線衰減系數(shù) 上式積分得 It I0e tt為介質(zhì)厚度 I I0稱為穿透系數(shù)It 投射強(qiáng)度 I0 入射線的強(qiáng)度 的物理意義 單位體積物質(zhì)引起的相對(duì)衰減量 三 X射線與物質(zhì)的相互作用 2 質(zhì)量吸收 衰減 系數(shù) m若 為物質(zhì)的密度 表示X射線通過單位長度物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度的衰減 設(shè) m 稱 m為質(zhì)量吸收系數(shù) 則 It I0e t m m的物理意義 X射線通過單位面積 單位質(zhì)量物質(zhì)后強(qiáng)度的相對(duì)衰減量 各元素有各自確定的質(zhì)量吸收系數(shù) 對(duì)單元素物質(zhì) 有 m K 3Z3K 常數(shù) 入射波長Z 原子序數(shù) 三 X射線與物質(zhì)的相互作用 吸收限與質(zhì)量吸收的關(guān)系 吸收限由光電效應(yīng)引起 由于存在 k 使 m隨 的變化不連