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1、第一章 X射線物理基礎(chǔ)偉大的物理學(xué)家,X射線發(fā)明者-倫琴緒.1895年德國物理學(xué)家年德國物理學(xué)家-“倫琴倫琴”發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)X射線射線.1895-1897年倫琴搞清楚了年倫琴搞清楚了X射線的產(chǎn)生、傳射線的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分性質(zhì)播、穿透力等大部分性質(zhì).1901年倫琴獲諾貝爾獎(jiǎng)年倫琴獲諾貝爾獎(jiǎng).1912年勞埃進(jìn)行了晶體的年勞埃進(jìn)行了晶體的X射線衍射實(shí)驗(yàn)射線衍射實(shí)驗(yàn)X射線最早的應(yīng)用 在在X X射線發(fā)現(xiàn)后幾個(gè)月射線發(fā)現(xiàn)后幾個(gè)月醫(yī)生就用它來為病人醫(yī)生就用它來為病人服務(wù)服務(wù) 右圖是紀(jì)念倫琴發(fā)現(xiàn)右圖是紀(jì)念倫琴發(fā)現(xiàn)X X射線射線100100周年發(fā)行的紀(jì)周年發(fā)行的紀(jì)念封念封X X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì) 人的肉眼

2、看不見人的肉眼看不見X射線，但射線，但X射線能使氣體射線能使氣體電離，使照相底片感光，能穿過不透明的電離，使照相底片感光，能穿過不透明的物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。物體，還能使熒光物質(zhì)發(fā)出熒光。 X射線呈直線傳播，在電場和磁場中不發(fā)生射線呈直線傳播，在電場和磁場中不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；當(dāng)穿過物體時(shí)僅部分被散射。偏轉(zhuǎn)；當(dāng)穿過物體時(shí)僅部分被散射。 X射線對(duì)動(dòng)物有機(jī)體（其中包括對(duì)人體）能射線對(duì)動(dòng)物有機(jī)體（其中包括對(duì)人體）能產(chǎn)生巨大的生理上的影響，能殺傷生物細(xì)產(chǎn)生巨大的生理上的影響，能殺傷生物細(xì)胞。胞。X射線的本質(zhì) X射線也是電磁波的一種，波長在108cm左右X射線具有波粒二相性hp hchAI21-3 X射

3、線的產(chǎn)生及X射線管X X射線的產(chǎn)生：射線的產(chǎn)生：X射線是高速運(yùn)動(dòng)的粒子與某種物質(zhì)相撞擊后猝然減速，且與該物質(zhì)中的內(nèi)層電子相互作用而產(chǎn)生的。X射線管的結(jié)構(gòu)為：X射線管 （1） 陰極發(fā)射電子。一般由鎢絲制成，通電加熱后釋放出熱輻射電子。 （2） 陽極靶，使電子突然減速并發(fā)出X射線。 （3） 窗口X射線出射通道。既能讓X射線出射，又能使管密封。窗口材料用金屬鈹或硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成3-6的斜角，以減少靶面對(duì)出射X射線的阻礙。X射線管 （4） 高速電子轉(zhuǎn)換成X射線的效率只有1%，其余99%都作為熱而散發(fā)了。所以靶材料要導(dǎo)熱性能好，常用黃銅或紫銅制作，還需要循環(huán)水冷卻。因此X射線管的

4、功率有限，大功率需要用旋轉(zhuǎn)陽極（5） 焦點(diǎn)陽極靶表面被電子轟擊的一塊面積，X射線就是從這塊面積上發(fā)射出來的。焦點(diǎn)的尺寸和形狀是X射線管的重要特性之一。焦點(diǎn)的形狀取決于燈絲的形狀，螺形燈絲產(chǎn)生長方形焦點(diǎn) X射線衍射工作中希望細(xì)焦點(diǎn)和高強(qiáng)度；細(xì)焦點(diǎn)可提高分辨率；高強(qiáng)度則可縮短暴光時(shí)間旋轉(zhuǎn)陽極 上述常用上述常用X X射線管的功率射線管的功率為為5005003000W3000W。目前還有。目前還有旋轉(zhuǎn)陽極旋轉(zhuǎn)陽極X X射線管、細(xì)聚射線管、細(xì)聚焦焦X X射線管和閃光射線管和閃光X X射線管。射線管。 因陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束因陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，故提轟擊部位不斷改變，故提高功率也不會(huì)燒熔

5、靶面。高功率也不會(huì)燒熔靶面。目前有目前有100kW100kW的旋轉(zhuǎn)陽極，的旋轉(zhuǎn)陽極，其功率比普通其功率比普通X X射線管大射線管大數(shù)十倍。數(shù)十倍。 旋轉(zhuǎn)陽極加速器中可以引出X射線加速器中可以引出X射線 加速器中可以引出X射線加速器中可以引出X射線X射線譜-連續(xù)連續(xù)X X射線譜射線譜 X X射線強(qiáng)度與波長的射線強(qiáng)度與波長的關(guān)系曲線，稱之關(guān)系曲線，稱之X X射射線譜。線譜。 在管壓很低時(shí)，小在管壓很低時(shí)，小于于20kv20kv的曲線是連的曲線是連續(xù)變化的，故稱之續(xù)變化的，故稱之連續(xù)連續(xù)X X射線譜，即連射線譜，即連續(xù)譜。續(xù)譜。對(duì)連續(xù)X射線譜的解釋1 根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的理論，一個(gè)帶負(fù)電荷的電子作加速運(yùn)

6、動(dòng)時(shí)，電子周圍的電磁場將發(fā)生急劇變化，此時(shí)必然要產(chǎn)生一個(gè)電磁波，或至少一個(gè)電磁脈沖。由于極大數(shù)量的電子射到陽極上的時(shí)間和條件不可能相同，因而得到的電磁波將具有連續(xù)的各種波長，形成連續(xù)X射線譜。 對(duì)連續(xù)X射線譜的解釋2 量子力學(xué)概念，當(dāng)能量為ev的電子與靶的原子整體碰撞時(shí)，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(gè)能量為hv的光子，即“韌致輻射”。 大量的電子在到達(dá)靶面的時(shí)間、條件均不同，而且還有多次碰撞，因而產(chǎn)生不同能量不同強(qiáng)度的光子序列，即形成連續(xù)譜。 極限情況下，能量為ev的電子在碰撞中一下子把能量全部轉(zhuǎn)給光子，那么該光子獲得最高能量和具有最短波長，即短波限0

7、。都有一個(gè)最短波長，稱之短波限0，強(qiáng)度的最大值在0的1.5倍處。 eV = hveV = hvmaxmax = hc/ = hc/0 0 0 0 = 1.24/V = 1.24/V （nmnm）X射線管的效率 X射線管的效率，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X射線的百分?jǐn)?shù)， 即 隨著原子序數(shù)Z的增加，X射線管的效率提高，但即使用原子序數(shù)大的鎢靶，在管壓高達(dá)100kv的情況下，X射線管的效率也僅有1左右，99的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?KZViZiZVKXX2射線管功率射線總強(qiáng)度連續(xù)X射線譜-特征特征X X射線譜射線譜當(dāng)管電壓超過某臨界值時(shí)，特征譜當(dāng)管電壓超過某臨界值時(shí)，特征譜才會(huì)出現(xiàn)，該臨界電壓稱激發(fā)電壓。

8、才會(huì)出現(xiàn)，該臨界電壓稱激發(fā)電壓。當(dāng)管電壓增加時(shí)，連續(xù)譜和特征譜當(dāng)管電壓增加時(shí)，連續(xù)譜和特征譜強(qiáng)度都增加，而特征譜對(duì)應(yīng)的波長強(qiáng)度都增加，而特征譜對(duì)應(yīng)的波長保持不變。保持不變。 鉬靶鉬靶X X射線管當(dāng)管電壓等于或高于射線管當(dāng)管電壓等于或高于20KV20KV時(shí)，則除連續(xù)時(shí)，則除連續(xù)X X射線譜外，位于射線譜外，位于一定波長處還疊加有少數(shù)強(qiáng)譜線，一定波長處還疊加有少數(shù)強(qiáng)譜線，它們即特征它們即特征X X射線譜。射線譜。鉬靶鉬靶X X射線管在射線管在35KV35KV電壓下的譜線，電壓下的譜線，其特征其特征x x射線分別位于射線分別位于0.630.63和和0.710.71處，后者的強(qiáng)度約為前者強(qiáng)度處，后者的

9、強(qiáng)度約為前者強(qiáng)度的五倍。這兩條譜線稱鉬的的五倍。這兩條譜線稱鉬的K K系系 特征特征X X射線的產(chǎn)生機(jī)理射線的產(chǎn)生機(jī)理 特征特征X X射線的產(chǎn)生機(jī)理與靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。射線的產(chǎn)生機(jī)理與靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。 原子殼層按其能量大小分為數(shù)層，通常用原子殼層按其能量大小分為數(shù)層，通常用K K、L L、M M、N N等字等字母代表它們的名稱。母代表它們的名稱。 但當(dāng)管電壓達(dá)到或超過某一臨界值時(shí)，則陰極發(fā)出的電子但當(dāng)管電壓達(dá)到或超過某一臨界值時(shí)，則陰極發(fā)出的電子在電場加速下，可以將靶物質(zhì)原子深層的電子擊到能量較在電場加速下，可以將靶物質(zhì)原子深層的電子擊到能量較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。高

10、的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。 陰極電子將自已的能量給予受激發(fā)的原子，而使它的能量陰極電子將自已的能量給予受激發(fā)的原子，而使它的能量增高，原子處于激發(fā)狀態(tài)。增高，原子處于激發(fā)狀態(tài)。 如果如果K K層電子被擊出層電子被擊出K K層，稱層，稱K K激發(fā)，激發(fā)，L L層電子被擊出層電子被擊出L L層，層，稱稱L L激發(fā)，其余各層依此類推。激發(fā)，其余各層依此類推。 產(chǎn)生產(chǎn)生K K激發(fā)的能量為激發(fā)的能量為W WK KhhK K，陰極電子的能量必須滿足，陰極電子的能量必須滿足 eVeVWWK KhhK K，才能產(chǎn)生，才能產(chǎn)生K K激發(fā)。其臨界值為激發(fā)。其臨界值為eVeVK KW WK K ，V VK

11、 K稱之臨界激發(fā)電壓。稱之臨界激發(fā)電壓。特征特征X X射線的產(chǎn)生機(jī)理射線的產(chǎn)生機(jī)理 處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回處于激發(fā)狀態(tài)的原子有自發(fā)回到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，此時(shí)外層到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向，此時(shí)外層電子將填充內(nèi)層空位，相應(yīng)伴電子將填充內(nèi)層空位，相應(yīng)伴隨著原子能量的降低。原子從隨著原子能量的降低。原子從高能態(tài)變成低能態(tài)時(shí)，多出的高能態(tài)變成低能態(tài)時(shí)，多出的能量以能量以X射線形式輻射出來。因射線形式輻射出來。因物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定，兩物質(zhì)一定，原子結(jié)構(gòu)一定，兩特定能級(jí)間的能量差一定，故特定能級(jí)間的能量差一定，故輻射出的特征輻射出的特征X射波長一定。射波長一定。 當(dāng)當(dāng)K電子被打出電子被打出K層時(shí)，如層時(shí)，如L

12、層層電子來填充電子來填充K空位時(shí)，則產(chǎn)生空位時(shí)，則產(chǎn)生K輻射。此輻射。此X射線的能量為電射線的能量為電子躍遷前后兩能級(jí)的能量差，子躍遷前后兩能級(jí)的能量差，即即 LKLKKhhWWh特征特征X X射線的命名方法射線的命名方法 同樣當(dāng)同樣當(dāng)K空位被空位被M層電子填充時(shí)，則產(chǎn)生層電子填充時(shí)，則產(chǎn)生K輻射。輻射。M能級(jí)能級(jí)與與K能級(jí)之差大于能級(jí)之差大于L能級(jí)與能級(jí)與K能級(jí)之差，即一個(gè)能級(jí)之差，即一個(gè)K光子的光子的能量大于一個(gè)能量大于一個(gè)K光子的能量；光子的能量；但因但因LK層躍遷的幾率比層躍遷的幾率比MK遷附幾率大，故遷附幾率大，故K輻射強(qiáng)度比輻射強(qiáng)度比K輻射強(qiáng)度大五倍輻射強(qiáng)度大五倍左右。左右。 顯然

13、，顯然，當(dāng)當(dāng)L層電子填充層電子填充K層后，原子由層后，原子由K激發(fā)狀態(tài)變成激發(fā)狀態(tài)變成L激激發(fā)狀態(tài)，此時(shí)更外層如發(fā)狀態(tài)，此時(shí)更外層如M、N層的電子將填充層的電子將填充L層空位，層空位，產(chǎn)生產(chǎn)生L系輻射。因此，當(dāng)原子受到系輻射。因此，當(dāng)原子受到K激發(fā)時(shí)，除產(chǎn)生激發(fā)時(shí)，除產(chǎn)生K系輻系輻射外，還將伴生射外，還將伴生L、M等系的輻射。除等系的輻射。除K系輻射因波長系輻射因波長短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波長長而被吸收。短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波長長而被吸收。 K雙線的產(chǎn)生與原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。雙線的產(chǎn)生與原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)相關(guān)。L層的層的8個(gè)電個(gè)電子的能量并不相同，而分別位于三

14、個(gè)亞層上。子的能量并不相同，而分別位于三個(gè)亞層上。K雙線系雙線系電子分別由電子分別由L和和L兩個(gè)亞層躍遷到兩個(gè)亞層躍遷到K層時(shí)產(chǎn)生的輻射，而層時(shí)產(chǎn)生的輻射，而由由LI亞層到亞層到K層因不符合選擇定則（此時(shí)層因不符合選擇定則（此時(shí)l0），因此沒），因此沒有輻射。有輻射。小結(jié)連續(xù)譜連續(xù)譜(軟軟X射射線線)高速運(yùn)動(dòng)的高速運(yùn)動(dòng)的粒子能量轉(zhuǎn)粒子能量轉(zhuǎn)換成電磁波換成電磁波譜圖特征譜圖特征: :強(qiáng)度隨波長強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化連續(xù)變化是衍射分析的是衍射分析的背底背底; ;是醫(yī)學(xué)采用的是醫(yī)學(xué)采用的特征譜特征譜(硬硬X射射線線)高能級(jí)電子高能級(jí)電子回跳到低能回跳到低能級(jí)多余能量級(jí)多余能量轉(zhuǎn)換成電磁轉(zhuǎn)換成電磁波波僅在

15、特定波僅在特定波長處有特別長處有特別強(qiáng)的強(qiáng)度峰強(qiáng)的強(qiáng)度峰衍射分析采用衍射分析采用莫色萊定律 特征特征X射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)射線譜的頻率（或波長）只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是物的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。質(zhì)的固有特性。19131914年莫色萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)年莫色萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數(shù)間存在以下出的特征譜波長與它本身的原子序數(shù)間存在以下關(guān)系：關(guān)系： 根據(jù)莫色萊定律，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的未知元素根據(jù)莫色萊定律，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的未知元素的特征的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比射線譜線波長，與已知的元素波長相

16、比較，可以確定它是何元素。較，可以確定它是何元素。它是它是X射線光譜分析射線光譜分析的基本依據(jù)的基本依據(jù) ZK1X射線與物質(zhì)的相互作用X X射線與物質(zhì)的相互作用，是一個(gè)比較復(fù)雜的物理過程。射線與物質(zhì)的相互作用，是一個(gè)比較復(fù)雜的物理過程。一束一束X X射線通過物體后，其強(qiáng)度將被衰減，它是被散射和吸收的結(jié)果，射線通過物體后，其強(qiáng)度將被衰減，它是被散射和吸收的結(jié)果，并且吸收是造成強(qiáng)度衰減的主要原因。并且吸收是造成強(qiáng)度衰減的主要原因。X射線的散射 當(dāng)當(dāng)X X射線通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)原子射線通過物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)原子的電子在電磁場的作用下將產(chǎn)生的電子在電磁場的作用下將產(chǎn)生受迫振動(dòng)，其振動(dòng)頻率與入射受迫振動(dòng)，其振動(dòng)

17、頻率與入射X X射線的頻率相同。射線的頻率相同。 任何帶電粒子作受迫振動(dòng)時(shí)將產(chǎn)任何帶電粒子作受迫振動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生交變電磁場，從而向四周輻射生交變電磁場，從而向四周輻射電磁波，其頻率與帶電粒子的振電磁波，其頻率與帶電粒子的振動(dòng)頻率相同。動(dòng)頻率相同。 由于散射線與入射線的波長和頻由于散射線與入射線的波長和頻率一致，位相固定，在相同方向率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干條件，故稱上各散射波符合相干條件，故稱為為相干散射相干散射。相干散射是。相干散射是X X射線射線在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)。在晶體中產(chǎn)生衍射現(xiàn)象的基礎(chǔ)。 X射線經(jīng)束縛力不大的電子（如輕原子中的電子）或自由電子散射后，可以得到波

18、長比入射X射線長的X射線，且波長隨散射方向不同而改變。這種散射現(xiàn)象稱為康普頓散射或康普頓一吳有訓(xùn)散射,也稱之為不相干散射，是因散射線分布于各個(gè)方向，波長各不相等，不能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。不相干散射 入射X射線遇到約束松的電子時(shí)，將電子撞至一方，成為反沖電子。入射線的能量對(duì)電子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射線向外輻射。散射X射線的波長（）比入射x射線的波長（）長，其差值與角度之間存在如右關(guān)系： 不相干散射在衍射圖相上成為連續(xù)的背底，其強(qiáng)度隨（sin/）的增加而增大，在底片中心處（射線與底片相交處）強(qiáng)度最小，越大，強(qiáng)度越大。 cos10243. 0 小結(jié)相干散射相干散射因?yàn)槭窍喔刹ㄋ钥梢愿缮婕訌?qiáng)因

19、為是相干波所以可以干涉加強(qiáng). .只有相干散射才能產(chǎn)生衍射只有相干散射才能產(chǎn)生衍射, ,所以相所以相干散射是干散射是X X射線衍射基礎(chǔ)射線衍射基礎(chǔ)不相干散射不相干散射因?yàn)椴幌喔缮⑸洳荒芨缮婕訌?qiáng)產(chǎn)生因?yàn)椴幌喔缮⑸洳荒芨缮婕訌?qiáng)產(chǎn)生衍射衍射, ,所以不相干散射只是衍射的背所以不相干散射只是衍射的背底底X射線的吸收 物質(zhì)對(duì)X射線的吸收，是指X射線通過物質(zhì)時(shí)光子的能量變成了其他形式時(shí)能量。 有時(shí)將X射線通過物質(zhì)時(shí)造成的能量損失稱為真吸收。 X射線通過物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的光電效應(yīng)和俄歇效應(yīng)，使入射X射線的能量變成光電子、俄歇電子和熒光X射線的能量，使X射線強(qiáng)度被衰減，是物質(zhì)對(duì)X射線的真吸收過程。光電效應(yīng) -光電子和

20、熒光X射線 光電效應(yīng)1 激發(fā)K系光電效應(yīng)時(shí)，入射光子的能量必須等于或大于將K電子從K層移至無窮遠(yuǎn)時(shí)所作的功WK，即 將激發(fā)限波長K和激發(fā)電壓VK聯(lián)系起 ，即 式中VK以V為單位。（14）式和（111）式形式上非常相似，但物理意義完全不同。前者說明連續(xù)譜的短波限0隨管電壓的增高而減小，而后者說明每種物質(zhì)的K激發(fā)限波長都有它自己特定的值。 從X射線激發(fā)光電效應(yīng)的角度，稱K為激發(fā)限；然而，從X射線被物質(zhì)吸收的角度，則稱K為吸收限。 kkkhch3104 .12kkkkkkVeVhchceV光電效應(yīng)2- 俄歇效應(yīng) 俄歇（Auger，M.P.）在1925年發(fā)現(xiàn)，原子中K層的一個(gè)電子被打出后，它就處于K激

21、發(fā)狀態(tài)，其能量為EK。如果一個(gè)L層電子來填充這個(gè)空位，K電離就變成L電離，其能量由EK變成EL，此時(shí)將釋放EK-EL的能量。釋放出的能量，可能產(chǎn)生熒光X射線，也可能給予L層的電子，使其脫離原子產(chǎn)生二次電離。即K層的一個(gè)空位被L層的兩個(gè)空位所代替，這種現(xiàn)象稱俄歇效應(yīng). 從L層跳出原子的電子稱KLL俄歇電子。每種原子的俄歇電子均具有一定的能量，測定俄歇電子的能量，即可確定該種原子的種類，所以，可以利用俄歇電子能譜作元素的成分分析。不過，俄歇電子的能量很低，一般為幾百eV，其平均自由程非常短，人們能夠檢測到的只是表面兩三個(gè)原子層發(fā)出的俄歇電子，因此，俄歇譜儀是研究物質(zhì)表面微區(qū)成分的有力工具。 光電效

22、應(yīng)2- 俄歇效應(yīng) 光電效應(yīng)小結(jié)光電子光電子被被X X射線擊出殼層的電子即射線擊出殼層的電子即光電子光電子, ,它帶有它帶有殼層的特征能量殼層的特征能量, ,所以可用來進(jìn)行成分分析所以可用來進(jìn)行成分分析(XPS)(XPS)俄歇電子俄歇電子 高能級(jí)的電子回跳高能級(jí)的電子回跳, ,多余能量將同能級(jí)的另多余能量將同能級(jí)的另一個(gè)電子送出去一個(gè)電子送出去, ,這個(gè)被送出去的電子就是這個(gè)被送出去的電子就是俄歇電子俄歇電子帶有殼層的特征能量帶有殼層的特征能量(AES)(AES)二次熒光二次熒光 高能級(jí)的電子回跳高能級(jí)的電子回跳, ,多余能量以多余能量以X X射線形式射線形式發(fā)出發(fā)出. .這個(gè)二次這個(gè)二次X X

23、射線就是射線就是二次熒光二次熒光也稱熒也稱熒光輻射同樣帶有殼層的特征能量光輻射同樣帶有殼層的特征能量小結(jié)散射散射散射無能力損失或損失相對(duì)較小散射無能力損失或損失相對(duì)較小相干散射是相干散射是X X射線衍射基礎(chǔ)射線衍射基礎(chǔ), ,只有相干散射才只有相干散射才能產(chǎn)生衍射能產(chǎn)生衍射. .散射是進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)分析的工具散射是進(jìn)行材料晶體結(jié)構(gòu)分析的工具吸收吸收吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)換吸收是能量的大幅度轉(zhuǎn)換, ,多數(shù)在原子殼層多數(shù)在原子殼層上進(jìn)行上進(jìn)行, ,從而帶有殼層的特征能量從而帶有殼層的特征能量, ,因此是揭因此是揭示材料成分的因素示材料成分的因素吸收是進(jìn)行材料成分分析的工具吸收是進(jìn)行材料成分分析的工具

24、可以在分析可以在分析成分成分的同時(shí)告訴你的同時(shí)告訴你元素價(jià)態(tài)元素價(jià)態(tài) 一束強(qiáng)度為I0的X射線束，通過厚度為H的物體后，強(qiáng)度被衰減為IH。 為了得到強(qiáng)度的衰減規(guī)律，現(xiàn)取離表面為x的一薄層dx進(jìn)行分析。設(shè)X射線束穿過厚度為X的物體后，強(qiáng)度波衷減為，而穿過厚度為xdx的物質(zhì)后的強(qiáng)度為I-dI，則通過dx厚的一層引起的強(qiáng)度衰減為dI。 實(shí)驗(yàn)證明，X射線透過物質(zhì)時(shí)引起的強(qiáng)度衰減與所通過的距離成正比 xIIdIdIIdIX X射線的衰減規(guī)律射線的衰減規(guī)律 X X射線的衰減規(guī)律射線的衰減規(guī)律 對(duì)（1-12）式積分求出強(qiáng)度為I0的X射線從物體表面（即x0）穿透厚度H后的強(qiáng)度IH: IHI0exp(-H) 式中

25、IH/I0稱穿透系數(shù)，而為線衰減系數(shù)。（1-13）式是X射線透視學(xué)的基本公式。 線衰減系數(shù)1n（IH/I0）/H表示單位體積物質(zhì)對(duì)X射線的衰減程度，它與物質(zhì)的密度成正比，即與物質(zhì)的存在狀態(tài)有關(guān)。現(xiàn)將（1-13）式改寫成： IHI0e-(/) HI0e-mH 式中m/稱質(zhì)量衷減系數(shù)， 其單位為cm2 g。 工作中有時(shí)需要計(jì)算i個(gè)元素組成的化合物、混合物、合金和溶液等的質(zhì)量衰減系數(shù)m。由于m與物質(zhì)的存在狀態(tài)無關(guān)，因此衰減系數(shù)可按下式求得： m=1m1+2m2+imi X X射線的吸收曲線射線的吸收曲線 X X射線通過物質(zhì)時(shí)的衰減，射線通過物質(zhì)時(shí)的衰減，是吸收和散射造成的。是吸收和散射造成的。 如果

26、用如果用m m仍表示散射系仍表示散射系數(shù)，數(shù)，m m表示吸收系數(shù)。表示吸收系數(shù)。在大多數(shù)情況下吸收系在大多數(shù)情況下吸收系數(shù)比散射系數(shù)大得多，數(shù)比散射系數(shù)大得多，故故m mm m。質(zhì)量吸收。質(zhì)量吸收系數(shù)與波長的三次方和系數(shù)與波長的三次方和元素的原子序數(shù)的三次元素的原子序數(shù)的三次方近似地成比例，因此方近似地成比例，因此33ZKmX X射線的衰減射線的衰減 從熒光從熒光X X射線的產(chǎn)生機(jī)理，可以解釋圖射線的產(chǎn)生機(jī)理，可以解釋圖1 11111中的中的吸收突變。當(dāng)入射波長非常短時(shí)，它能夠打出吸收突變。當(dāng)入射波長非常短時(shí)，它能夠打出K K電電子，形成子，形成K K吸收。但因其波長太短，吸收。但因其波長太短

27、，K K電子不易吸電子不易吸收這樣的光子能量，因此衰減系數(shù)小。收這樣的光子能量，因此衰減系數(shù)小。 隨著波長的逐漸增加，隨著波長的逐漸增加，K K電子也越來越容易吸收這電子也越來越容易吸收這樣的光子能量，因此衰減系數(shù)也逐漸增大，直到樣的光子能量，因此衰減系數(shù)也逐漸增大，直到K K吸收限波長為止。吸收限波長為止。 如果入射如果入射X X射線的波長比射線的波長比K K稍大一點(diǎn)，此時(shí)入射稍大一點(diǎn)，此時(shí)入射光子的能量已無法打出光子的能量已無法打出K K電子，不產(chǎn)生電子，不產(chǎn)生K K吸收。而吸收。而對(duì)對(duì)L L層電子來說，入射光子的能量又過大，也不易層電子來說，入射光子的能量又過大，也不易被吸收，因此，入射

28、被吸收，因此，入射X X射線的波長比射線的波長比K K稍大一點(diǎn)稍大一點(diǎn)時(shí)，衰減系數(shù)有最小值。同理，可以解釋時(shí)，衰減系數(shù)有最小值。同理，可以解釋K K吸收限吸收限至至L L吸收限之間曲線的變化規(guī)律。吸收限之間曲線的變化規(guī)律。X X射線的衰減小結(jié)射線的衰減小結(jié)宏觀表現(xiàn)宏觀表現(xiàn)強(qiáng)度衰減與穿過物質(zhì)的質(zhì)量和厚度有關(guān)強(qiáng)度衰減與穿過物質(zhì)的質(zhì)量和厚度有關(guān)是是X X射線透射學(xué)的基礎(chǔ)射線透射學(xué)的基礎(chǔ)這就是質(zhì)厚襯度這就是質(zhì)厚襯度微觀機(jī)制微觀機(jī)制散射和吸收消耗了入射線的能量散射和吸收消耗了入射線的能量這與吸波原理是一樣的這與吸波原理是一樣的吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用 -X射線濾波片的選擇 在一些衍射分析工作中，我在一些

29、衍射分析工作中，我們只希望是們只希望是kk輻射的衍射線輻射的衍射線條，但條，但X X射線管中發(fā)出的射線管中發(fā)出的X X射射線，除線，除kk輻射外，還含有輻射外，還含有KK輻射和連續(xù)譜，它們會(huì)使輻射和連續(xù)譜，它們會(huì)使衍射花樣復(fù)雜化。衍射花樣復(fù)雜化。 獲得單色光的方法之一是在獲得單色光的方法之一是在X X射線出射的路徑上放置一定射線出射的路徑上放置一定厚度的濾波片，可以簡便地厚度的濾波片，可以簡便地將將KK和連續(xù)譜衰減到可以忽和連續(xù)譜衰減到可以忽略的程度。略的程度。 濾波片的選擇規(guī)則 1：Z靶靶40時(shí)，時(shí)，Z濾濾Z靶靶-1； 2：Z靶靶40時(shí)，時(shí)，Z濾濾Z靶靶-2濾波片 常用靶材及其匹配的濾波片的

30、數(shù)據(jù)列入表常用靶材及其匹配的濾波片的數(shù)據(jù)列入表1-11-1。按。按表中厚度制作的波濾片，表中厚度制作的波濾片，濾波后濾波后K/KK/K的強(qiáng)度比的強(qiáng)度比為為1/6001/600。如果濾波片太厚，雖然如果濾波片太厚，雖然KK可以進(jìn)一步可以進(jìn)一步衰減，但衰減，但kk也相應(yīng)衰減。實(shí)踐表明，當(dāng)也相應(yīng)衰減。實(shí)踐表明，當(dāng)KK強(qiáng)度強(qiáng)度被衰減到原來的一半時(shí)，被衰減到原來的一半時(shí)，K/KK/K的強(qiáng)度比將由原的強(qiáng)度比將由原來的來的1/51/5降為濾波后的降為濾波后的1/5001/500左右左右，這對(duì)大多數(shù)衍，這對(duì)大多數(shù)衍射分析工作已經(jīng)滿意。在濾波片材料選定之后，射分析工作已經(jīng)滿意。在濾波片材料選定之后，可按需要的衰減比用公式（可按需要的衰減比用公式（1-141-14）計(jì)算濾波片的）計(jì)算濾波片的厚度。厚度。 吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用 -陽極靶材料的選擇 在在X X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析工作中，我們不希望入射線衍射晶體結(jié)構(gòu)分析工作中，我們不希望入射的射的X X射線激發(fā)出樣品的大量熒光輻射。大量的熒射線激發(fā)出樣品的大量熒光輻射。大量的熒光輻射會(huì)增加衍射花樣的背底，使圖象不清晰。光輻射會(huì)增加衍射花樣的背底，使圖象不清晰。避