材料分析X射線XRAY1

1、一、一、X 射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn)二、二、X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)三、三、X射線的產(chǎn)生與射線的產(chǎn)生與X射線管射線管四、四、X射線譜射線譜五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用本章內(nèi)容本章內(nèi)容第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)一、一、X 射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn) 1895年11月8日，德國物理學家倫琴在研究真空管的高壓放電時，偶然發(fā)現(xiàn)鍍有氰亞鉑酸鋇的硬紙板會發(fā)出熒光。這一現(xiàn)象立即引起細心倫琴的注意。經(jīng)仔細分析，認為這是真空管中發(fā)出的一種射線引起的。于是一個偉大的發(fā)現(xiàn)誕生了。由于當時對這種射線不了解，故稱之為X射線，也稱倫琴射線。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)一、一、

2、X 射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn) 1895年11月8日，德國物理學家倫琴在研究真空管的高壓放電時，偶然發(fā)現(xiàn)鍍有氰亞鉑酸鋇的硬紙板會發(fā)出熒光。這一現(xiàn)象立即引起細心倫琴的注意。經(jīng)仔細分析，認為這是真空管中發(fā)出的一種射線引起的。于是一個偉大的發(fā)現(xiàn)誕生了。由于當時對這種射線不了解，故稱之為X射線，也稱倫琴射線。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)一、一、X 射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn) 倫琴發(fā)現(xiàn)，不同物質(zhì)對X射線的穿透能力是不同的。他用X射線拍了一張其夫人手的照片。很快，X射線發(fā)現(xiàn)僅半年時間，在當時對X射線的本質(zhì)還不清楚的情況下，X射線在醫(yī)學上得到了應用，發(fā)展了X射線照像術(shù)。 1896年1月23日倫琴在他的研

3、究所作了第一個關(guān)于X射線的學術(shù)報告。 1895年倫琴初次發(fā)現(xiàn)X射線時，拍攝的他夫人手指的X射線照片第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)一、一、X 射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn) 1896年，倫琴將他的發(fā)現(xiàn)和初步的研究結(jié)果寫了一篇論文，發(fā)表在英國的Nature雜志上。他的發(fā)現(xiàn)在社會上引起了轟動，也為他贏得了很大的榮譽。 1901年，諾貝爾獎第一次頒發(fā)，倫琴因X射線的發(fā)現(xiàn)而獲得第一個諾貝爾物理學獎。1901年第一張諾貝爾物理學獎授予W. K. 倫琴隨著衍射分析技術(shù)的發(fā)展,有十幾位科學家獲得諾貝爾獎 與與X X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎獲得者名單射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾貝爾獎獲得者名單 年 份

4、學 科得獎?wù)邇?nèi) 容1901物理倫琴Wilhelm Conral RontgenX射線的發(fā)現(xiàn)1914物理勞埃Max von Laue晶體的X射線衍射亨利.布拉格Henry Bragg勞倫斯.布拉格Lawrence Bragg.1917物理巴克拉Charles Glover Barkla元素的特征X射線1924物理卡爾.西格班Karl Manne Georg SiegbahnX射線光譜學戴維森Clinton Joseph Davisson湯姆孫George Paget Thomson1954化學鮑林Linus Carl Panling化學鍵的本質(zhì)肯德魯John Charles Kendrew帕魯茲

5、Max Ferdinand Perutz1962生理醫(yī)學Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、Maurice h.f.Wilkins脫氧核糖核酸DNA測定1964化學Dorothy Crowfoot Hodgkin青霉素、B12生物晶體測定霍普特曼Herbert Hauptman卡爾Jerome Karle魯斯卡E.Ruska電子顯微鏡賓尼希G.Binnig掃描隧道顯微鏡羅雷爾H.Rohrer布羅克豪斯 B.N.Brockhouse中子譜學沙爾 C.G.Shull中子衍射直接法解析結(jié)構(gòu)1915物理晶體結(jié)構(gòu)的X射線分析1937物理電子衍射1986物理1994物理196

6、2化學蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)測定1985化學 對X射線本質(zhì)的爭論，焦點集中在它是 粒子流？ 電磁波？ 認為X射線是物質(zhì)粒子流的科學家中有W. H. 布拉格。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ) 他的兒子W. L. 布拉格 則對X射線的波動性進行了深入的研究，并給出了著名的布拉格方程。 二、二、X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)W. L. 布拉格第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)二、二、X 射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)對X射線波動性最完美的研究是德國物理學家勞厄（Laue）。1912年，勞厄是德國慕尼黑大學非正式聘請的教授。一天著名物理學家索末菲的一名研究生厄瓦耳向他請教關(guān)于光在晶體中散射的數(shù)學分析問題。討

7、論時，勞厄若有所思當光通過與其當光通過與其波長相當?shù)墓獠ㄩL相當?shù)墓鈻艜r會發(fā)生衍柵時會發(fā)生衍射作用射作用。光的干涉與衍射光的干涉與衍射可見光波的楊氏干涉實驗當光通過與其當光通過與其波長相當?shù)墓獠ㄩL相當?shù)墓鈻艜r會發(fā)生衍柵時會發(fā)生衍射作用。射作用。人們推測晶體內(nèi)部的質(zhì)點是規(guī)則排列的，且間距在10-8cm。如果如果X射線是一射線是一種波，且波長與種波，且波長與晶體內(nèi)部質(zhì)點的晶體內(nèi)部質(zhì)點的間距相當。那么，間距相當。那么，用用X射線照射晶射線照射晶體體 當光通過與其波長相當?shù)墓鈻艜r會發(fā)生衍射作用。人們推測晶體人們推測晶體內(nèi)部的質(zhì)點是內(nèi)部的質(zhì)點是規(guī)則排列的，規(guī)則排列的，且間距在且間距在10-8cm。X射線衍

8、射射線衍射？!在倫琴的兩名研究生弗里德里希（W. Friedrich）和克尼(Knipping)的幫助下，勞厄進行了第一次X射線衍射實驗，并取得了成功。第一次X射線衍射實驗所用的儀器。所用的晶體是硫酸銅。勞厄法勞厄法X 射線衍射實驗的基本裝置與所拍的照片射線衍射實驗的基本裝置與所拍的照片愛因斯坦稱，勞厄的愛因斯坦稱，勞厄的實驗是實驗是“物理學最美物理學最美的實驗的實驗”。它一箭雙。它一箭雙雕地解決了雕地解決了X射線的射線的波動性和晶體結(jié)構(gòu)的波動性和晶體結(jié)構(gòu)的周期性。周期性。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)后來的科學證明，與可見光一樣，X射線的本質(zhì)是一種電磁波電磁波。 它具有波粒二象

9、性波粒二象性。即 它既具波動性波動性，又具有粒子性粒子性。二、二、X 射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)在X射線衍射分析中應用的主要是它的波動性，反映在傳播過程中發(fā)生干涉、衍射作用。在與物質(zhì)相互作用，進行能在與物質(zhì)相互作用，進行能量交換時，則表現(xiàn)出它的粒子量交換時，則表現(xiàn)出它的粒子性。性。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)X射線的波動性：射線的波動性：X射線的波動性表現(xiàn)在它以一定的波長和頻率在空間傳播。二、二、X 射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)cv X射線的波長范圍：10- 0.001nm第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)X射線的波長范圍：100- 0.01 或 10-0.001nm 硬X射線：

10、0.05-2.5 0.5-2.5 主要用于晶體結(jié)構(gòu)分析 0.05-1 主要用于金屬探傷等 軟X射線： 10-100 主要用于醫(yī)學 波長的單位： nm（納米） 法定單位 過去的常用單位 換算關(guān)系： 1nm =10-9m =10 二、二、X 射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)X射線粒子性：射線粒子性：X射線的粒子性表現(xiàn)在它是由大量的不連續(xù)的粒子流構(gòu)成的。它具有一定能量和動量。 能量能量和動量和動量p與與X射線光子的頻率射線光子的頻率v和波長和波長之之間的關(guān)系如下：間的關(guān)系如下：二、二、X 射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)h為普朗克常數(shù)，為6.62510-34J.sc 為光速，為2

11、.998108m/shchv hp X射線的產(chǎn)生常用的方式： X射線管和射線管和同步輻射X射線源 常用X射線管的結(jié)構(gòu)：第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)三、三、X射線的產(chǎn)生與射線的產(chǎn)生與X射線管射線管三、三、X射線的產(chǎn)生與射線的產(chǎn)生與X射線管射線管 1 常用的靶材常用的靶材：Cr、Fe、Co、Ni、Cu、 Mo、Ag2 冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)：陽極的底座一般用銅制作,使用時通循環(huán)水進行冷卻。3 窗口窗口：X射線射出的通道。窗口一般用對X射線穿透性好的輕金屬鈹密封，以保持X射線管的真空。一般X射線管有四個窗口，分別從它們中射出一對線狀和一對點狀X射線束。4 焦點：焦點：指陽極靶面被電子束轟擊

12、的面積，其形狀取決于陰極燈絲的形狀。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)三、三、X射線的產(chǎn)生與射線的產(chǎn)生與X射線管射線管 4 焦點焦點： 焦點一般為1mm10mm的長方形。產(chǎn)生的X射線束以6度角度向外發(fā)射。X射線射出時，在不同的方向產(chǎn)生不同形狀的X射線束： 0.110mm的線狀X射線束。 11mm的點狀X射線束。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)三、三、X射線的產(chǎn)生與射線的產(chǎn)生與X射線管射線管 5、X射線管的基本電氣電路與射線管的基本電氣電路與X射射線產(chǎn)生線產(chǎn)生第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)高壓變壓器燈絲變壓器第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)(一一)

13、 連續(xù)連續(xù)X射線（白色射線（白色X射線）射線） 四、四、X射線譜射線譜為一波長連續(xù)波長連續(xù)的光譜，包括從某一最小值開始的一系列連續(xù)波長的輻射。它與可見光中的白光相似，故出稱白白色色X射線射線。 1、特點：、特點：1）強度隨波長而連續(xù)變化，每條曲線都對應有一個最短的波長（短波限短波限0）和一個強度的最大值。最大值一般在1.50地方。 2）0與管流和靶的材料管流和靶的材料無關(guān)，只與管壓管壓有關(guān)，二者之間的關(guān)系： 0=1.24/V (nm)隨著管壓的增大，0向短波方向移動。 3）連續(xù)X射線的強度不僅與管壓有關(guān)，還與管流和靶材有關(guān)。 I連連=i ZVmi i為電流強度，Z為靶材的原子序數(shù) mi 與 為

14、常數(shù)分別為2 和（1.1-1.4）10-9 3）連續(xù)X射線的強度不僅與管壓有關(guān)，還與管流和靶材有關(guān)。 I連=i Zvmi mi 為2， 為（1.1-1.4）10-9強度隨管流、管壓和靶材的原子序數(shù)的增大而增大。當需要連續(xù)X射線時，采用重元素的靶能得到較強的連續(xù)X射線。 X射線管的效率：射線管的效率：=連續(xù)X射線的總強度/X射線管的功率 =i ZV2/iV=ZV 當用鎢靶（Z=74），管壓為100KV。1%?？梢奨射線管的效率很低。要提高效率，應采用高電壓和重金屬。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)(一一) 連續(xù)連續(xù)X射線射線四、四、X射線譜射線譜 按量子理論，當能量為eV的高速電子撞

15、擊靶中的原子時，電子失去自己的能量，其中大部分轉(zhuǎn)化為熱能。一部分以光子（X射線）的形式輻射出。每撞擊一次就產(chǎn)生一個能量為hv的光子。由于單位時間內(nèi)到達靶表面的電子數(shù)量很多。若管流為10mA，每秒到達陽極靶的電子可達6.251016個。大多數(shù)電子還經(jīng)過多次碰撞。因此，各個電子的能量各不相同，產(chǎn)生的X射線的波長也就不同。于是產(chǎn)生了一個連續(xù)的X射線譜。2、連續(xù)、連續(xù)X射線產(chǎn)生機理射線產(chǎn)生機理第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)(一一) 連續(xù)連續(xù)X射線射線四、四、X射線譜射線譜 其中少數(shù)電子在一次碰撞中就將能量全部轉(zhuǎn)化為光子，因此它產(chǎn)生的光子能量最大，波長最小。其短波限0取決于能量最大電子，這

16、與管壓有關(guān)。大多數(shù)的電子經(jīng)過多次碰撞，能量逐步地釋放，產(chǎn)生的光子能量也相應減小，波長大于0。由于X射線的強度取決于光子的數(shù)目。所以連續(xù)X射線譜的最大值不在0的位置。2、連續(xù)、連續(xù)X射線產(chǎn)生機理射線產(chǎn)生機理第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)(二二)特征特征X射線譜（標識射線譜（標識X射線）射線） 當電壓加到25KV時，Mo靶的連續(xù)X射線譜上出現(xiàn)了二個尖銳的峰K(0.071nm)和K(0.063nm)。四、四、X射線譜射線譜1、特征、特征X射線及其激發(fā)射線及其激發(fā)電壓電壓 K波長比K長， K與K 強度比約為5：1。 放大看， K還分為K1和K2兩條線。K1和K2強度比約為2：1。第一章第

17、一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)(二二)特征特征X射線譜（標識射線譜（標識X射線）射線） 1、特征、特征X射線及其激發(fā)電壓射線及其激發(fā)電壓 隨著電壓的增大，其強度進一步增強，但波長不變，也就是說，這些譜線的波長與管壓和管流無關(guān)。 它與靶材有關(guān)，對給定的靶材，它們的這些譜線是特定的。因此，稱之為特征特征X射線譜射線譜或標識標識X射線譜射線譜。產(chǎn)產(chǎn)生特征生特征X射線的最低電壓射線的最低電壓稱稱激發(fā)電壓激發(fā)電壓。四、四、X射線譜射線譜不同靶材料具有不同波長的特征X射線和激發(fā)電壓1常用陽極靶材的特征譜參數(shù)元素原子序數(shù)K系特征譜波長（nm）激發(fā)電壓(kV)工作電壓(kV)K1K2KKCrFeCoNi

18、CuMoAg242627282942470.228960.193600.778890.165780.154050.070930.055940.229350.193990.179280.166170.154430.071350.056380.229090.193730.179020.165910.154180.071070.056090.208480.175650.162070.150010.139220.063230.049705.897.107.718.298.8620.025.520-2525-303030-3535-4050-5555-60第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ) 莫

19、塞來1914年總結(jié)了特征X射線與靶材原子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系：四、四、X射線譜射線譜(二二)特征特征X射線譜射線譜 1、特征、特征X射線及其激發(fā)電壓射線及其激發(fā)電壓)(1ZK)(ZK或K為常數(shù)，與原子的主量子數(shù)有關(guān)為屏蔽常數(shù)，與電子所在的殼層有關(guān)。 反過來，如果能測到材料中元素發(fā)射的特征X射線的波長，就能知道產(chǎn)生這些特征X射線元素是什么?這就是X射線熒光光譜和電子探針分析的理論基礎(chǔ)。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ) 原子內(nèi)部電子的分布原子內(nèi)部電子的分布 原子內(nèi)部的電子分布在不同的殼層上K、L 每個殼層上的電子具有不同的能量k、L四、四、X射線譜射線譜(二二)特征特征X射線譜射線譜 2、特

20、征、特征X射線產(chǎn)生的機理射線產(chǎn)生的機理MLK特征X射線KLM撞擊與激發(fā)躍遷與發(fā)射第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)(二二)特征特征X射線譜射線譜 2、特征、特征X射線產(chǎn)生的機理射線產(chǎn)生的機理 陰極電子的撞擊與原子陰極電子的撞擊與原子內(nèi)層電子的激發(fā)內(nèi)層電子的激發(fā) 這就是為什么特征X射線的產(chǎn)生具有一個臨界的激發(fā)電壓。 陰極電子的能量eV應大于原子中的電子與原子核的結(jié)合能或它的逸出功 。 eV-Ek 或 eVWk臨界條件 ：eVk=Wk 第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ) 電子的躍遷與電子的躍遷與X射射線的發(fā)射線的發(fā)射(二二)特征特征X射線譜射線譜 2、特征、特征X射線產(chǎn)生的機理

21、射線產(chǎn)生的機理 高能級電子填補低能級空穴。這一過程稱躍遷躍遷。 躍遷的過程伴隨著能量的釋放，方式之一是以光子的形式輻射，這就是X射線的發(fā)射。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)(二二)特征特征X射線譜射線譜 2、特征、特征X射線產(chǎn)生的機理射線產(chǎn)生的機理 輻射光子的能量等于二個能級之間的能量差。比如LK層電子的躍遷： KL=L-k=hv=hc/KL在X射線的范圍內(nèi)，且對某個原子來說是固定的。因此，二個能級之間電子躍遷產(chǎn)生的X射線波長是一定的。這就是特征X射線產(chǎn)生的機理 特征X射線KLM撞擊與激發(fā)躍遷與發(fā)射eVWk Vk=Wk/eKL=hc/ =hc/ KL第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射

22、線物理學基礎(chǔ)(二二)特征特征X射線譜射線譜 2、特征、特征X射線產(chǎn)生的機理射線產(chǎn)生的機理 光譜學定義，電子躍遷到K層產(chǎn)生的輻射稱為K系輻射，依次還有L系、M系輻射等。 并按電子躍遷時所跨躍的能級數(shù)目不同，進行進一步的標識?？畿S1個能級的標記為，2個能級的標記為等。 LK為K MK為K第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)KMKL ，所以K的波長小于K。LK躍遷的幾率比MK大5倍左右，所以，K強度比K大5倍。 同一殼層中電子能量實際上有微小的差別。于LIII-K 的躍遷幾率比LIIK躍遷高1 倍。I K1：I K22：1(二二)特征特征X射線譜射線譜 2、特征、特征X射線產(chǎn)生的機理射線產(chǎn)生

23、的機理第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)四、四、X射線譜射線譜 這些輻射中L、M、N系列的輻射強度很弱，波長長，容易被吸收。K系特征輻射最強，尤其是K，是X射線分析中最常用的X射線。(二二)特征特征X射線譜射線譜 2、特征、特征X射線產(chǎn)生的機理射線產(chǎn)生的機理 由于K1和 K2波長相差很小。一般將它們視為同一條線K。其波長用二者的加權(quán)平均。 K= 2/3K1+1/3K2說明：說明：1) 激發(fā)電壓對不同的陽極靶是不同的，它由陽極靶的原子序數(shù)Z所決定。2) 陽極靶不同產(chǎn)生的特征X射線的波長不同。3）工作電壓一般是激發(fā)電壓的3-5倍。 因為當工作電壓是激發(fā)電壓的3-5倍時，I特/I連最大。4

24、）實驗中最常用的特征X射線是K。最常用的靶材是Cu和Fe。5） K= 2/3K1+1/3K2，有時需要注意區(qū)分K1和K2。常用陽極靶材的特征譜參數(shù)元素原子序數(shù)K系特征譜波長（nm）激發(fā)電壓(kV)工作電壓(kV)K1K2KKCrFeCoNiCuMoAg242627282942470.228960.193600.778890.165780.154050.070930.055940.229350.193990.179280.166170.154430.071350.056380.229090.193730.179020.165910.154180.071070.056090.208480.1756

25、50.162070.150010.139220.063230.049705.897.107.718.298.8620.025.520-2525-303030-3535-4050-5555-60第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ) X射線通過物質(zhì)時，部分X射線將改變它們前進的方向，即發(fā)生散射散射現(xiàn)象。X射線的散射包括兩種： 相干散射和非相干散射相干散射和非相干散射。五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用1、X射線的散射射線的散射1）相干散射（湯姆遜散射）相干散射（湯姆遜散射） 當對X射線與物質(zhì)原子中束縛較緊的電子作用時，無法使它們脫離所在的能級，但產(chǎn)生受迫振動。每個受迫振動

26、的電子便成為一個新的電磁波源，向四周輻射與入射X射線的頻率（波長）相同的電磁波。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用1、X射線的散射射線的散射A、與物質(zhì)原子中束縛較緊的電子作用。B、散射波隨入射X射線的方向改變了，但頻率（波長）相同。C、各散射波之間符合振動方向相同、頻率相同、位相差恒定的干涉條件，可產(chǎn)生干涉作用。1）相干散射（湯姆遜散射）相干散射（湯姆遜散射）相干散射是相干散射是X射線在晶體產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)射線在晶體產(chǎn)生衍射的基礎(chǔ)。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用1、X射

27、線的散射射線的散射2）非相干散射（康普頓散射）非相干散射（康普頓散射） A、 X射線作用于束縛較小的外層電子或自由電子。 當X射線與束縛較小的外層電子或自由電子作用時，X射線光子將一部分能量傳給電子，使之脫離原有的原子而成為反沖電子。同時光子本身也改變了傳播方向，發(fā)生散射，且能量減小，即散射X射線的波長變長了。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用1、X射線的散射射線的散射2）非相干散射（康普頓散射）非相干散射（康普頓散射）B、散射X射線的波長變長了。 散射X射線波長的改變與傳播方向存在如下的關(guān)系： =0.0024(1-cos2) C、

28、由于散射X射線的波長隨散射方向而變，不能產(chǎn)生干涉效應。故這種X射線散射稱為非相干散射非相干散射。 非相干散射不能參與晶體對X射線的衍射，只會在衍射圖上形成不利的背景。我國著名的物理學家吳有訓與美國物理學家康普頓一我國著名的物理學家吳有訓與美國物理學家康普頓一起在起在1924年發(fā)現(xiàn)的此效應。故亦稱康普頓吳有訓效年發(fā)現(xiàn)的此效應。故亦稱康普頓吳有訓效應應第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)物質(zhì)對X射線的吸收指X射線能量在經(jīng)過物質(zhì)時轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问侥芰康男?。它主要包括：光電效應光電效應（二次特征輻射）和俄歇效應俄歇效應等。五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用2、X射線的吸收射線

29、的吸收 1）光電效應）光電效應當用X射線轟擊物質(zhì)時 ，若X射線的能量大于物質(zhì)原子對其內(nèi)層電子的束縛力時，入射X射線光子的能量就會被吸收，從而導致其內(nèi)層電子（如K層電子）被激發(fā)，并使高能級上的電子產(chǎn)生躍遷，發(fā)射新的特征X射線。我們稱X射線激發(fā)的特征X射線為二次特征二次特征X射射線線或熒光熒光X射線射線。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用2、X射線的吸收射線的吸收1）光電效應）光電效應這種以光子激發(fā)電子所發(fā)生的激發(fā)和輻射過程稱為光電效光電效應應。被擊出的電子稱光電子光電子。產(chǎn)生的二次特征X射線的波長與激發(fā)它們所需的能量取決于物質(zhì)的原子種

30、類和結(jié)構(gòu)。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用2、X射線的吸收射線的吸收1）光電效應）光電效應要使K層電子產(chǎn)生光電效應，入射X射線的能量必須大于等于原子中K層電子的逸出功Wk， hvWk Wk= eVk 將入射X射線的波長與激發(fā)電壓聯(lián)系起來就有:keVhckeVhc熒光X射線KLMX射線照射與光電子激發(fā)躍遷與發(fā)射keVhckkV24. 1hcKLKLhc第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用2、X射線的吸收射線的吸收1）光電效應）光電效應 能引起光電效應的入射X射線的最大波長:

31、keVhckkkVeVhc24. 1(nm) k 從激發(fā)光電效應的角度說，稱為激發(fā)限波長激發(fā)限波長，意義是只有入射的X射線波長達到或小于它時，才能激發(fā)物質(zhì)的二次特征X射線。 從X射線被吸收的角度看，稱為吸收限波長吸收限波長。意義是當入射的X射線的波長達到它時，入射X射線將被該物質(zhì)強烈吸收，并產(chǎn)生光電效應。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用2、X射線的吸收射線的吸收1）光電效應）光電效應 K線和K線發(fā)射分別對應于L到K和M到K能級之間的電子躍遷，而K吸收限的能量相當于K層電子的結(jié)合能或逸出功，即K能級與原子第一個自由能級之間的能量差。

32、因此，對于一個給定的元素，就有: k吸收吸收 k發(fā)射發(fā)射k發(fā)射發(fā)射第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用2、X射線的吸收射線的吸收2）俄歇效應）俄歇效應 當高能級的電子向低能級躍遷時，能量不是產(chǎn)生二次X射線，而是被周圍某個殼層上的電子所吸收，并促使該電子受激發(fā)逸出原子成為二次電子。這種效應是俄歇1925年發(fā)現(xiàn)的。故稱俄歇效應，產(chǎn)生的二次電子稱俄歇電子。 二次電子具有特定的能量值?？梢杂脕肀碚鬟@些原子。利用該原理制造的俄歇能譜儀主要用于分析材料表面的成分。KLMX射線照射與光電子激發(fā)俄歇電子的產(chǎn)生第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基

33、礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用3、X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù) X 射 線 通 過物質(zhì)時，X射線強度衰減了。其中，因散射引起的衰減遠遠小于因吸收導致的衰減量。因此，可以近似地認為，X射線通過物質(zhì)后其強度的衰減是由于物質(zhì)對它的吸收所造成的。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用3、X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù) 衰減的程度可以用吸收系數(shù)吸收系數(shù)來表征： Ix=I0e-x I0和Ix分別是入射和透過物質(zhì)后X射線的強度 x 為厚度。 為物質(zhì)的線吸收系數(shù)線吸收系數(shù)，其意義是當X射

34、線通過物質(zhì)時，在X射線傳播方向上，單位長度上X射線強度的衰減程度（cm-1）。它與物質(zhì)的種類、密度和X射線波長有關(guān)。xIxI0第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用3、X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù) 由于線吸收系數(shù)與物質(zhì)的密度有關(guān)，計算起來不方便。因此，實際中最常用的是物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù) m: xIxI0 為物質(zhì)的密度。質(zhì)量吸收系數(shù)的意義是單位質(zhì)量物質(zhì)對X射線的衰減程度mxxmeII0第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用3、X射線的衰減規(guī)律與吸收系射線的衰減

35、規(guī)律與吸收系數(shù)數(shù) 如果吸收體中是由兩種以上的元素組成的化合物或混合物、或溶液，其總體的質(zhì)量吸收系數(shù)為 m=w1 m1+ w2 m2+ w3 m3+ wp mp w1 , w2 , w3 和wp 為該吸收體中各組分的質(zhì)量分數(shù) m1 , m2 , m3和mp為該吸收體中各組分的質(zhì)量吸收系數(shù)xIxI0第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用3、X射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù)射線的衰減規(guī)律與吸收系數(shù) 質(zhì)量吸收系數(shù)與物質(zhì)的密度和狀態(tài)無關(guān)，而與物質(zhì)的原子序數(shù)（即原子的種類）和入射X射線的波長有關(guān)。它們的關(guān)系為 mK3Z3 K為常數(shù)。吸收系數(shù)反映了不同物質(zhì)

36、對X射線的吸收程度。xIxI0 1）吸收系數(shù)隨波長的增大而增大, 且在一定區(qū)間內(nèi)是連續(xù)變化的。這是因為X射線的波長越長越容易被物質(zhì)所吸收。mK3Z3 2）在某些波長的位置上產(chǎn)生跳躍式的突變。即吸收限（吸收邊）或激發(fā)限的存在。X射線通過某一物質(zhì)時隨Z和的衰減規(guī)律：幾種元素幾種元素K系射線波長和常用的濾波片及其吸收限系射線波長和常用的濾波片及其吸收限陽極靶元素原子序數(shù)K波長(nm)K波長(nm)濾 波 片材料 原子序數(shù)KCrFeCoNiCuMoAg242627282942470.229090.193730.179020.165910.154180.071070.056090.208480.1756

37、50.162070.150010.139220.063230.04970VMnFeCoNiZrRh232526272840450.226900.186940.174290.160720.148690.068880.05338 對一定波長的X射線在某些原子序數(shù)的位置上也產(chǎn)生跳躍式的突變。mK3Z3第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用4、吸收限的應用、吸收限的應用 1）濾波片的選用）濾波片的選用 在X射線分析中，在大多數(shù)情況下都希望所使用的X射 線 波 長 單 一 ， 即 “ 單色”X射線。但實際上，如上所述，K系特征譜線包括兩條譜線。在

38、X射線分析時，它們之間會相互干擾。我們可以應用某些材料對X射線吸收的特性，將其中的K線過濾掉。第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用4、吸收限的應用、吸收限的應用 1）濾波片的選用）濾波片的選用 如上所述，任何材料對X射線的吸收都有一個K線和線和K線線。如 Ni 的吸收限為0.14869 nm。也就是說它對0.14869nm波長及稍短波長的X射線有強烈的吸收。而對比0.14869稍長的X射線吸收很小。Ni 的吸收限的吸收限: 0.14869nmCu靶靶X射線射線:K=0.15418nm K=0.13922nm 第一章第一章 X射線物理學基礎(chǔ)射線物理學基礎(chǔ)五、五、X 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用4、吸收限的應用、吸