實(shí)踐]緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)課件

1、實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)1主 講 李 偉 洲 廣西大學(xué)材料學(xué)院教 材 材料分析方法實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)2本教材主要內(nèi)容本教材主要內(nèi)容緒 論第一篇 材料X射線衍射分析 第一章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ) 第二章 X射線衍射方向 第三章 X射線衍射強(qiáng)度 第四章 多晶體分析方法 第五章 物相分析及點(diǎn)陣參數(shù)精確測定 第六章 宏觀殘余應(yīng)力的測定 第七章 多晶體織構(gòu)的測定 實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)3本教材主要內(nèi)容本教材主要內(nèi)容第二篇 材料電子顯微分析 第八章 電子光學(xué)基礎(chǔ) 第九章 透射電子顯微鏡 第十章第十章 電子衍射電子衍射 第十一章 晶體薄膜衍襯成像分析 第十二章 高分辨透射電子顯微術(shù) 第十三章 掃描電子顯

2、微鏡 第十四章 電子背散射衍射分析技術(shù) 第十五章 電子探針顯微分析 第十六章 其他顯微分析方法實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)4緒 論n 本課程的特點(diǎn)：以分析儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)為基礎(chǔ)本課程的特點(diǎn)：以分析儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)為基礎(chǔ)n 本課程的內(nèi)容主要包括：本課程的內(nèi)容主要包括：X射線衍射儀、電子顯微鏡等分射線衍射儀、電子顯微鏡等分析儀器的結(jié)構(gòu)與工作原理、及與此相關(guān)的材料微觀組織結(jié)析儀器的結(jié)構(gòu)與工作原理、及與此相關(guān)的材料微觀組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分的分析方法原理及其應(yīng)用構(gòu)和微區(qū)成分的分析方法原理及其應(yīng)用n 本課程的意義在于：通過材料微觀組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分分本課程的意義在于：通過材料微觀組織結(jié)構(gòu)和微區(qū)成分分析，揭示材料組織

3、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，即析，揭示材料組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系，即組織是性能的內(nèi)組織是性能的內(nèi)在根據(jù)，性能是組織的對外表現(xiàn)在根據(jù)，性能是組織的對外表現(xiàn)；確定材料加工工藝和組；確定材料加工工藝和組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)微觀組織結(jié)構(gòu)控制織結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)微觀組織結(jié)構(gòu)控制n 本課程的基本要求：了解常用的現(xiàn)代分析儀器的基本結(jié)構(gòu)本課程的基本要求：了解常用的現(xiàn)代分析儀器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；掌握常用的實(shí)驗(yàn)分析方法；能正確選用合適和工作原理；掌握常用的實(shí)驗(yàn)分析方法；能正確選用合適的分析方法解決實(shí)際工作中的問題的分析方法解決實(shí)際工作中的問題實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)5第一篇 材料X射線衍射分析n 1895年德國物理學(xué)家倫

4、琴發(fā)現(xiàn)了年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了 X射線，隨后醫(yī)學(xué)界將其射線，隨后醫(yī)學(xué)界將其用于診斷和醫(yī)療，后來又用于金屬材料和機(jī)械零件的探傷用于診斷和醫(yī)療，后來又用于金屬材料和機(jī)械零件的探傷李鴻章在X光被發(fā)現(xiàn)后僅7個月就體驗(yàn)了此種新技術(shù)，成為拍X光片檢查槍傷的第一個中國人。實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)6 1912年德國物理學(xué)家勞埃發(fā)現(xiàn)了年德國物理學(xué)家勞埃發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，為物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究提供了一種嶄新的的衍射現(xiàn)象，為物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究提供了一種嶄新的方法，后來發(fā)展成為方法，后來發(fā)展成為X射線衍射學(xué)射線衍射學(xué) 1912年英國物理學(xué)家布拉格提出了晶面年英國物理學(xué)家布拉格提出了晶面“反反射射”X射線

5、的概念，推導(dǎo)出至今被廣泛應(yīng)用的布射線的概念，推導(dǎo)出至今被廣泛應(yīng)用的布拉格方程拉格方程 1914年莫塞來發(fā)現(xiàn)特征年莫塞來發(fā)現(xiàn)特征X射線波長和原子序數(shù)有射線波長和原子序數(shù)有定量的對應(yīng)關(guān)系，這一原理應(yīng)用于材料成分檢測定量的對應(yīng)關(guān)系，這一原理應(yīng)用于材料成分檢測 X射線衍射分析研究內(nèi)容很廣，主要包括射線衍射分析研究內(nèi)容很廣，主要包括相分析相分析、精細(xì)結(jié)構(gòu)研究精細(xì)結(jié)構(gòu)研究和和晶體取向測定晶體取向測定等；等； X射線學(xué)三大分支：透射學(xué)，射線學(xué)三大分支：透射學(xué)，衍射學(xué)衍射學(xué)，光譜學(xué)光譜學(xué)。實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)7比較一下各圖的差別2 KeV實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)8課題討論 你所了解的材料表征方法與技術(shù)，優(yōu)

6、你所了解的材料表征方法與技術(shù)，優(yōu)缺點(diǎn)缺點(diǎn)實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)9第一篇 材料X射線衍射分析第一章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)第二章 X射線衍射方向第三章 X射線衍射強(qiáng)度第四章 多晶體分析方法第五章 物相分析及點(diǎn)陣參數(shù)精確測定第六章 宏觀殘余應(yīng)力的測定第七章 多晶體織構(gòu)的測定實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)10第一章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容第一節(jié)第一節(jié) X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)第二節(jié)第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及射線的產(chǎn)生及X射線譜射線譜第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)11第一節(jié) X射線的性質(zhì)l X射線是一種波長很短的電磁波射線是一種波長很短的電磁波l X

7、射線的波長范圍為射線的波長范圍為0.0110nm，用于衍射分析的用于衍射分析的X射線波長為射線波長為0.050.25nml X射線一種橫波射線一種橫波，由交替變化的，由交替變化的電場和磁場組成電場和磁場組成l X射線具有波粒二相性射線具有波粒二相性，因其波，因其波長較短，其粒子性較為突出，即長較短，其粒子性較為突出，即可以把可以把X射線看成是一束具有一射線看成是一束具有一定能量的光量子流，定能量的光量子流， E = h = hc/ (1-2)式中，式中，h是普朗克常數(shù)；是普朗克常數(shù)；c是光速；是光速； 是是X射線的頻率，射線的頻率， 是是X射線的波長射線的波長圖1-1 電磁波譜分辨率與波長的關(guān)

8、系實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)12第一節(jié) X射線的性質(zhì)l X射線穿過不同介質(zhì)時，折射系數(shù)接近射線穿過不同介質(zhì)時，折射系數(shù)接近1，幾乎不產(chǎn)生折射，幾乎不產(chǎn)生折射現(xiàn)象現(xiàn)象l X射線肉眼不可見，但具有能使熒光物質(zhì)發(fā)光、能使照相射線肉眼不可見，但具有能使熒光物質(zhì)發(fā)光、能使照相底板感光、能使一些氣體產(chǎn)生電離的現(xiàn)象底板感光、能使一些氣體產(chǎn)生電離的現(xiàn)象l X射線的穿透能力大，能穿透對可見光不透明的材料，特射線的穿透能力大，能穿透對可見光不透明的材料，特別是波長在別是波長在0.1nm以下的硬以下的硬X射線射線l X射線照射到晶體物質(zhì)時，將產(chǎn)生散射、干涉和衍射等現(xiàn)射線照射到晶體物質(zhì)時，將產(chǎn)生散射、干涉和衍射等現(xiàn)象，

9、與光線的繞射現(xiàn)象類似象，與光線的繞射現(xiàn)象類似l X射線具有射線具有破壞殺死生物組織細(xì)胞破壞殺死生物組織細(xì)胞的作用的作用實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)13l 圖圖1-2所示的所示的X射線管是產(chǎn)生射線管是產(chǎn)生X射線的裝置射線的裝置l 主要由陰極主要由陰極 (W燈絲燈絲) 和用和用 (Cu, Cr,Fe,Mo) 等純金屬制等純金屬制成的陽極成的陽極(靶靶)組成組成l 陰極通電加熱，在陰、陽陰極通電加熱，在陰、陽極之間加以直流高壓極之間加以直流高壓 (約數(shù)約數(shù)萬伏萬伏)l 陰極發(fā)射的大量電子高速飛陰極發(fā)射的大量電子高速飛向陽極，與陽極碰撞產(chǎn)生向陽極，與陽極碰撞產(chǎn)生X射線射線圖1-2 X射線管結(jié)構(gòu)示意圖第二節(jié)

10、 X射線的產(chǎn)生及X射線譜連續(xù)X射線和特征X射線產(chǎn)生兩種譜線：連續(xù)和特征X射線實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)14一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜 強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化的譜線稱連續(xù)X射線譜射線譜，見圖，見圖1-3 圖1-3 管電壓、管電流和陽極靶原子序數(shù)對連續(xù)譜的影響a) 管電壓的影響 b) 管電流的影響 c)陽極靶原子序數(shù)的影響第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及X射線譜短波限SWL實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)15一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜 由圖由圖1-3可見，可見，連續(xù)連續(xù) X 射線譜的特點(diǎn)是，射線譜的特點(diǎn)是，X 射線的波長存射線的波長存在最小值在最小值 SWL，其強(qiáng)度在，其強(qiáng)度在 m處

11、有最大值處有最大值l 當(dāng)當(dāng)管電壓管電壓U 升高升高時，各波長時，各波長X射線的強(qiáng)度均提高，射線的強(qiáng)度均提高，短波限短波限 SWL和強(qiáng)度最大值對應(yīng)的波長和強(qiáng)度最大值對應(yīng)的波長 m減小減小l 當(dāng)當(dāng)管電流管電流 i 增大增大時，各波長時，各波長X射線的強(qiáng)度均提高，但射線的強(qiáng)度均提高，但 SWL和和 m保持不變保持不變l 隨隨陽極靶材的原子序數(shù)陽極靶材的原子序數(shù)Z 增大增大，連續(xù)，連續(xù)X射線譜的強(qiáng)度提高，射線譜的強(qiáng)度提高，但但 SWL和和 m保持不變保持不變第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及X射線譜實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)16一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜 連續(xù)譜強(qiáng)度分布曲線下的面積即為連續(xù)連續(xù)譜強(qiáng)度分布曲線下的

12、面積即為連續(xù) X 射線譜的射線譜的總總強(qiáng)度強(qiáng)度，其取決于，其取決于X射線管射線管U、i、Z 三個因素三個因素 I連連 = K1iZU2 (1-4)式中，式中，K1 是常數(shù)。是常數(shù)。 X射線管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時的效率射線管僅產(chǎn)生連續(xù)譜時的效率 = I連連 / iU = K1ZU可見，可見， X 射線管的管電壓越高、陽極靶原子序數(shù)越大，射線管的管電壓越高、陽極靶原子序數(shù)越大，X 射射線管的效率越高。因線管的效率越高。因 K1 約約(1.11.4) 10-9，即使采用鎢陽極，即使采用鎢陽極 (Z = 74)、管電壓、管電壓100kV， 1%，效率很低。電子擊靶時，效率很低。電子擊靶時大部分能量消耗使靶發(fā)

13、熱大部分能量消耗使靶發(fā)熱第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及X射線譜實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)17 為什么連續(xù)為什么連續(xù)X射線譜存在短波限射線譜存在短波限 SWL？ 用量子理論可以解釋連續(xù)譜和短波限，若管電壓為用量子理論可以解釋連續(xù)譜和短波限，若管電壓為U，則電子到達(dá)陽極靶的動能為則電子到達(dá)陽極靶的動能為eU，當(dāng)，當(dāng)電子在一次碰撞中將全部電子在一次碰撞中將全部能量轉(zhuǎn)化為一個光量子，可獲得最大能量能量轉(zhuǎn)化為一個光量子，可獲得最大能量h max ，其波長即，其波長即為為 SWL， eU = h max = hc / SWL SWL= K /U (1-5)式中，式中，K =1.24nm kV。而絕大部分電子到達(dá)陽極

14、靶經(jīng)多次碰。而絕大部分電子到達(dá)陽極靶經(jīng)多次碰撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而產(chǎn)生大于撞消耗其能量，因每次能量消耗不同而產(chǎn)生大于 SWL的不同的不同波長的波長的X射線，構(gòu)成連續(xù)譜射線，構(gòu)成連續(xù)譜第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及X射線譜習(xí)題：計算當(dāng)管電壓為50 kv時，電子在與靶碰撞時的速度與動能以及所發(fā)射的連續(xù)譜的短波限和光子的最大動能。電子靜止質(zhì)量9.1X10-31 Kg，電子電量 1.602X10-19 C實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)18第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及X射線譜二、特征二、特征(標(biāo)識標(biāo)識)X射線譜射線譜 當(dāng)當(dāng) X射線管壓高于靶材相應(yīng)的某一射線管壓高于靶材相應(yīng)的某一特征值特征值UK 時，在某些時，在

15、某些特定波長位置上，特定波長位置上， 將出現(xiàn)一系列將出現(xiàn)一系列強(qiáng)度很高、波長范圍很窄的強(qiáng)度很高、波長范圍很窄的 線狀光譜線狀光譜，稱為特征譜或標(biāo)識譜稱為特征譜或標(biāo)識譜， 見圖見圖1-4；其波長與陽極靶材的原；其波長與陽極靶材的原 子序數(shù)有確定關(guān)系，見式子序數(shù)有確定關(guān)系，見式(1-6) ， 故可作為靶材的標(biāo)志和特征，故可作為靶材的標(biāo)志和特征， (1-6) 式中，式中，K2和和 是常數(shù)。表明是常數(shù)。表明陽極靶陽極靶 材的材的原子序數(shù)原子序數(shù)越大，同一線系的特越大，同一線系的特 征譜波長越短征譜波長越短圖1-4 特征X射線譜)(21ZK本曲線是那種材料的？實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)19二、特征二、特征

16、(標(biāo)識標(biāo)識)X射線譜射線譜 特征特征X射線的產(chǎn)生可以用圖射線的產(chǎn)生可以用圖1-5示意說明，沖向陽極的電示意說明，沖向陽極的電子若具有足夠能量，將內(nèi)層電子擊出而成為自由電子，此時子若具有足夠能量，將內(nèi)層電子擊出而成為自由電子，此時 原子處于高能的不穩(wěn)定狀原子處于高能的不穩(wěn)定狀 態(tài)，必然自發(fā)地向穩(wěn)態(tài)過態(tài)，必然自發(fā)地向穩(wěn)態(tài)過 渡。若渡。若 L層電子躍遷到層電子躍遷到 K 層填補(bǔ)空位，原子由層填補(bǔ)空位，原子由K 激激 發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)態(tài)轉(zhuǎn)為 L 激發(fā)態(tài)，能量激發(fā)態(tài)，能量 差以差以X 射線的形式釋放，射線的形式釋放， 這就是特征這就是特征X射線，稱為射線，稱為 K 射線射線圖1-5 特征X射線產(chǎn)生示意圖第二節(jié)

17、 X射線的產(chǎn)生及X射線譜實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)20二、特征二、特征(標(biāo)識標(biāo)識)X射線譜射線譜由于由于L層內(nèi)還有能量差別很小的亞能級，不同亞能級的電子層內(nèi)還有能量差別很小的亞能級，不同亞能級的電子躍遷將輻射躍遷將輻射K 1和和K 2射線。若射線。若M層電子向?qū)与娮酉騅層空位補(bǔ)充，則層空位補(bǔ)充，則輻射波長更短的輻射波長更短的 K 射線射線。特征。特征 X射線的頻率可由下式計算射線的頻率可由下式計算 h = W2 W1 = (-En2) (-En1) (1-8)式中，式中， W2、W1分別為電子躍遷前后原子激發(fā)態(tài)能量，分別為電子躍遷前后原子激發(fā)態(tài)能量， En2和和En1是所在殼層上的電子能量。根據(jù)

18、經(jīng)典原子模型，原子是所在殼層上的電子能量。根據(jù)經(jīng)典原子模型，原子內(nèi)電子分布在一系列的殼層上，最內(nèi)層內(nèi)電子分布在一系列的殼層上，最內(nèi)層(K層層)能量最低，按能量最低，按L、 M、N、順序遞增順序遞增第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及X射線譜實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)21第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及X射線譜二、特征二、特征(標(biāo)識標(biāo)識)X射線譜射線譜 在莫塞萊定律在莫塞萊定律 (1-6)式中，式中， 其中其中R 稱為里德伯常數(shù)，稱為里德伯常數(shù)，R = 1.0974 107m-1；n1和和n2是電子是電子躍遷前后殼層的主量子數(shù)，如躍遷前后殼層的主量子數(shù)，如 K 層層 n =1，L 層層n =2，M層層 n =3等，等，

19、在在K激發(fā)態(tài)下，激發(fā)態(tài)下，L層電子向?qū)与娮酉騅層躍遷的幾率遠(yuǎn)大于層躍遷的幾率遠(yuǎn)大于M層躍層躍遷的幾率，所以遷的幾率，所以 K 譜線的強(qiáng)度是譜線的強(qiáng)度是 K 的的5倍倍； K 1和和K 2譜線的譜線的關(guān)系為關(guān)系為 K 1 K 2，IK 1 2IK 2。幾種元素的特征波長和。幾種元素的特征波長和K系系譜線的激發(fā)電壓見表譜線的激發(fā)電壓見表1-1212221223204211118nnRnnchmeK實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)22二、特征二、特征(標(biāo)識標(biāo)識)X射線譜射線譜靶靶材材ZK系列特征譜波長系列特征譜波長/0.1nmK 吸收限吸收限 K/0.1nmUK/kVU適宜適宜/kVK 1K 2K K Cr

20、242.289702.293612.291002.084872.070205.432025Fe261.936041.939981.937361.756611.743466.402530Co271.788971.792851.790261.720791.608156.9330Ni281.657911.661751.659191.500141.488077.473035Cu291.540561.544391.541841.392221.280598.043540Mo420.709300.713590.717300.632290.6197817.445055表1-1 幾種陽極靶材及其特征譜參數(shù)注：K

21、= ( 2K1+ K2 ) / 3第二節(jié) X射線的產(chǎn)生及X射線譜實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)23第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù) 如圖如圖1-6，強(qiáng)度為，強(qiáng)度為I0的的X射線照射厚度為射線照射厚度為t的均勻物質(zhì)上，的均勻物質(zhì)上，穿過深度為穿過深度為x處的處的dx厚度時的強(qiáng)度衰減量厚度時的強(qiáng)度衰減量dIx/Ix與與dx成正比，成正比， (1-11) 式中，式中， l 是常數(shù)，稱線吸收系數(shù)是常數(shù)，稱線吸收系數(shù) (1-12) I / I0稱為透射系數(shù)，稱為透射系數(shù)， l是是X射線通過射線通過 單位厚度單位厚度(即單位體積即單位體積)物質(zhì)的強(qiáng)度衰物質(zhì)的強(qiáng)度衰 減量

22、減量，圖，圖1-7表示強(qiáng)度隨透入深度的表示強(qiáng)度隨透入深度的 指數(shù)衰減關(guān)系指數(shù)衰減關(guān)系xIIlxxdd圖圖1-6 X射線通過物質(zhì)射線通過物質(zhì)后的衰減后的衰減tlIIe0實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)24第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù) 單位體積內(nèi)物質(zhì)量隨其密度而異，因此對于一確定的物質(zhì)單位體積內(nèi)物質(zhì)量隨其密度而異，因此對于一確定的物質(zhì) l 并不是常量，并不是常量，為表達(dá)物質(zhì)本質(zhì)的吸收特性，采用質(zhì)量吸收系為表達(dá)物質(zhì)本質(zhì)的吸收特性，采用質(zhì)量吸收系數(shù)數(shù) m= l / ( 是吸收物質(zhì)的密度是吸收物質(zhì)的密度)，代入式代入式(1-12)可得可得 (1-14) m為單位面積

23、厚度為為單位面積厚度為 t 的體積中物質(zhì)的體積中物質(zhì) 的質(zhì)量。因此的質(zhì)量。因此 ， m 的物理意義是的物理意義是X射射 線通過單位面積單位質(zhì)量物質(zhì)的強(qiáng)度線通過單位面積單位質(zhì)量物質(zhì)的強(qiáng)度 衰減量衰減量 它避開了密度的影響，可以作為反映它避開了密度的影響，可以作為反映 物質(zhì)本身對物質(zhì)本身對X射線吸收性質(zhì)的物理量射線吸收性質(zhì)的物理量圖圖1-7 X射線強(qiáng)度隨透入射線強(qiáng)度隨透入深度的變化深度的變化mtmmeIeII00實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)25習(xí)題習(xí)題X射線實(shí)驗(yàn)室用防護(hù)鉛屏厚度通常至少為射線實(shí)驗(yàn)室用防護(hù)鉛屏厚度通常至少為1 mm，試計算這種鉛屏對，試計算這種鉛屏對Cr K、Mo K輻射的透射系數(shù)各為多

24、少？輻射的透射系數(shù)各為多少？已知已知Pb=11.34 g/cm3 注：各元素的質(zhì)量吸收系數(shù)見附錄B，書本P324325頁實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)26第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)l 復(fù)雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù)復(fù)雜物質(zhì)的質(zhì)量吸收系數(shù) 對于多元素組成的復(fù)雜物質(zhì)，如固溶體、化合對于多元素組成的復(fù)雜物質(zhì)，如固溶體、化合物和混合物等，其質(zhì)量吸收系數(shù)僅取決于各組元物和混合物等，其質(zhì)量吸收系數(shù)僅取決于各組元的質(zhì)量系數(shù)的質(zhì)量系數(shù) mi及各組元的及各組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)wi ，即，即 (1-15)niimimw1習(xí)題厚度為1mm的鋁片能把某單色射線束的強(qiáng)度降低為原來的2

25、3.9，試求這種射線的波長。試計算含Wc0.8，Wcr4，Ww18的高速鋼對Mo K輻射的質(zhì)量吸收系數(shù)。實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)27一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)l 質(zhì)量吸收系數(shù)與波長質(zhì)量吸收系數(shù)與波長 和原子序數(shù)和原子序數(shù) Z 的關(guān)系的關(guān)系 質(zhì)量吸收系數(shù)取決于質(zhì)量吸收系數(shù)取決于X 射線的波長射線的波長 和吸收物質(zhì)的原子和吸收物質(zhì)的原子序數(shù)序數(shù)Z，其關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)式如下，其關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)式如下 m K4 3 Z3 (1-16)式中，式中，K4為常數(shù)。上式表明，為常數(shù)。上式表明，物質(zhì)的原子序數(shù)越大，對物質(zhì)的原子序數(shù)越大，對X射射線的吸收能力越強(qiáng)線的吸收能力越強(qiáng)；對于一定的吸收體，對于一定的

26、吸收體，X射線波越短，穿射線波越短，穿透能力越強(qiáng)，吸收系數(shù)下降透能力越強(qiáng)，吸收系數(shù)下降。但隨波長減小，但隨波長減小， m 并非單調(diào)下并非單調(diào)下降降，見圖，見圖1-8第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)28一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)一、衰減規(guī)律和吸收系數(shù)l 質(zhì)量吸收系數(shù)與波長質(zhì)量吸收系數(shù)與波長 和原子序數(shù)和原子序數(shù) Z 的關(guān)系的關(guān)系 如圖如圖1-8所示，所示， 吸收系數(shù)在某些波長位置突然升高，吸收系數(shù)在某些波長位置突然升高， 所所 對應(yīng)的波長稱為吸收限對應(yīng)的波長稱為吸收限 每種物質(zhì)都有其特定的一每種物質(zhì)都有其特定的一 系列吸收限，系列吸收限，吸收限是吸吸收限是吸 收元素的特征量收元

27、素的特征量，將這種，將這種 帶有特征吸收限的吸收系帶有特征吸收限的吸收系 數(shù)曲線稱該物質(zhì)的吸收譜數(shù)曲線稱該物質(zhì)的吸收譜 為什么會存在吸收限？為什么會存在吸收限？圖1-8 質(zhì)量吸收系數(shù)與波長的關(guān)系曲線第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)29第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用l 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 當(dāng)當(dāng) 入射入射X射線光量子能量射線光量子能量等等于或略大于于或略大于吸收體原子某殼層電吸收體原子某殼層電子的結(jié)合能時，電子易獲得能量子的結(jié)合能時，電子易獲得能量從內(nèi)層逸出，成為自由電子，稱從內(nèi)層逸出，成為自由電子，稱為光電子，這種光子擊出電子的為光電子，這種光子擊出電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。現(xiàn)

28、象稱為光電效應(yīng)。將消耗大量將消耗大量入射能量，導(dǎo)致入射能量，導(dǎo)致吸收系數(shù)突增吸收系數(shù)突增.光電效應(yīng)引起的入射能量消耗為光電效應(yīng)引起的入射能量消耗為真吸收真吸收光電效應(yīng)、熒光效應(yīng)和俄歇效應(yīng)過程示意圖實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)30二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l 吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用如圖如圖1-9所示，可利用吸收所示，可利用吸收限兩側(cè)吸收系數(shù)差別很大限兩側(cè)吸收系數(shù)差別很大的現(xiàn)象選用濾波片，用以的現(xiàn)象選用濾波片，用以吸收不需要的輻射，而得吸收不需要的輻射，而得到基本單色的到基本單色的X射線射線圖1-9 濾波片原理示意圖第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)31二、二、X射線的真

29、吸收射線的真吸收l 吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用 參照圖參照圖1-9，可選擇一種合適的材料，使其吸收限恰好位，可選擇一種合適的材料，使其吸收限恰好位于特征譜的于特征譜的K 和和K 波長之間，且盡可能靠近波長之間，且盡可能靠近K 線波長。把這線波長。把這種材料制成薄片種材料制成薄片濾波片，置于入射線光路中，將強(qiáng)烈吸收濾波片，置于入射線光路中，將強(qiáng)烈吸收 K 線，而對線，而對 K 線吸收很少，可以獲得基本上為單色的輻射線吸收很少，可以獲得基本上為單色的輻射 常用靶材的濾波片選擇見表常用靶材的濾波片選擇見表1-2，濾波片比靶材的原子序，濾波片比靶材的原子序數(shù)小數(shù)小12，通過調(diào)整濾波片厚度，使濾波后，通過

30、調(diào)整濾波片厚度，使濾波后I K /I K 1/600 當(dāng)當(dāng) Z靶靶 40 時，時，Z濾濾 = Z靶靶 - 1 當(dāng)當(dāng) Z靶靶 40 時，時，Z濾濾 = Z靶靶 - 2第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)32二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l 吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用陽陽 極極 靶靶濾波片濾波片(使使 IK = 1/600) I / I0(K )元素元素Z K /nm K /nm元素元素Z K /nm厚度厚度/mm t / g cm-2銀銀 470.05610.0497銠銠 450.05340.0790.0960.29鉬鉬 420.07110.0632鋯鋯 400.06880.

31、1080.0690.31銅銅 290.15420.1392鎳鎳 280.14880.0210.0190.40鈷鈷 270.17900.1621鐵鐵 260.17430.0180.0140.44鐵鐵 260.19370.1757錳錳 250.18950.0160.0120.46鉻鉻 240.22910.2085釩釩 230.22680.0160.0090.50表1-2 與幾種常用的陽極靶及及配用的濾波片參數(shù)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)33二、二、X射線的真吸收射線的真吸收l 吸收限的應(yīng)用吸收限的應(yīng)用 在衍射分析時，希望試樣對在衍射分析時，希望試樣對 X射線的吸收盡可能少

32、，以射線的吸收盡可能少，以獲得高的衍射強(qiáng)度和低的背底。因此應(yīng)按圖獲得高的衍射強(qiáng)度和低的背底。因此應(yīng)按圖1-10所示選用靶所示選用靶 材，入射線波長材，入射線波長 T 略大于或略大于或 遠(yuǎn)小于試樣的遠(yuǎn)小于試樣的 K ，即根據(jù)樣，即根據(jù)樣 品品選擇靶材選擇靶材的原則是，的原則是， Z靶靶 Z樣樣 + 1 或或 Z靶靶 Z樣樣 圖1-10 X射線管靶材的選擇第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)34第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用三、三、X射線的散射射線的散射l X射線穿過物質(zhì)后強(qiáng)度產(chǎn)生衰減射線穿過物質(zhì)后強(qiáng)度產(chǎn)生衰減l 強(qiáng)度衰減主要是由于真吸收消耗于光電效應(yīng)和熱效應(yīng)強(qiáng)度衰減主要是由于真

33、吸收消耗于光電效應(yīng)和熱效應(yīng)l 強(qiáng)度衰減還有一小部分是偏離了原來的入射方向，即散射強(qiáng)度衰減還有一小部分是偏離了原來的入射方向，即散射l X射線的射線的散射散射包括包括 與原波長相同的相干散射與原波長相同的相干散射 與原波長不同的不相干散射與原波長不同的不相干散射實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)35三、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射l 當(dāng)入射當(dāng)入射 X射線與受射線與受原子核束縛較緊的電子原子核束縛較緊的電子相遇，使電子在相遇，使電子在X射線交變電場作用下發(fā)生受迫振動，像四周輻射與入射射線交變電場作用下發(fā)生受迫振動，像四周輻射與入射X射線波長相同的輻射射線波長相同的輻射l 因各電子散射的因各

34、電子散射的X射線波長相同，有可能相互干涉，因此射線波長相同，有可能相互干涉，因此稱稱相干散射相干散射，亦稱經(jīng)典散射，亦稱經(jīng)典散射l 物質(zhì)對物質(zhì)對X射線的散射可以認(rèn)為射線的散射可以認(rèn)為只是電子的散射只是電子的散射l 相干散射波僅占入射能量的極小部分相干散射波僅占入射能量的極小部分l 相干散射是相干散射是 X 射線衍射分析的基礎(chǔ)射線衍射分析的基礎(chǔ)第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)36三、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射X 射線是非偏振光，如圖射線是非偏振光，如圖1-11,電子在空間電子在空間P點(diǎn)的相干散射強(qiáng)度點(diǎn)的相干散射強(qiáng)度 (1-18) 式中，式中，I0為入射線

35、強(qiáng)度；為入射線強(qiáng)度；Ie為一個電為一個電 子的相干散射強(qiáng)度；子的相干散射強(qiáng)度；R 為電子到空為電子到空 間一點(diǎn)間一點(diǎn)P的距離；的距離；2 為散射角；為散射角； 電子散射因數(shù)電子散射因數(shù) fe2 =7.94 10-30m2，說，說 明明一個電子的相干散射強(qiáng)度很小一個電子的相干散射強(qiáng)度很??； (1+cos2 2 )/2 稱偏振因數(shù)，表明稱偏振因數(shù)，表明相干相干 散射線是偏振的，強(qiáng)度隨散射線是偏振的，強(qiáng)度隨2 而變化而變化22cos122cos1422202222020eefRImceRII第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用圖1-11 一個電子的相干散射實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)37第三節(jié) X射線與物質(zhì)的

36、相互作用三、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射 定義原子散射因數(shù)為一個定義原子散射因數(shù)為一個原子中所有電子相干散射波原子中所有電子相干散射波合成振幅與一個電子相干散射波振幅的比，則有合成振幅與一個電子相干散射波振幅的比，則有 f = V (r)ei dV (1-21) 式中，式中， (r)是原子中總的電是原子中總的電 子分布密度；子分布密度； dV是位矢是位矢r端端 點(diǎn)周圍的體積元，點(diǎn)周圍的體積元， 是相位是相位 差，差， 是是r與與(k-k)間夾角間夾角(圖圖1-12)圖1-12 一個原子中電子的相干散射cossin4r實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)38第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用三

37、、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射 若原子中電子云相對原子核呈球形對稱分布，若原子中電子云相對原子核呈球形對稱分布，U(r)為其為其徑向分布函數(shù)徑向分布函數(shù)(半徑為半徑為r的球面上的電子數(shù)的球面上的電子數(shù))， U(r)=4 r2 (r)， 令令 則則 = Krcos (1-19) (1-22) 見圖見圖1-13，當(dāng)，當(dāng) = 0時，時，f = z；當(dāng)；當(dāng) 0時，時， f z，且隨且隨sin / 增大迅速增大迅速 衰減衰減sin4K圖1-13 f 隨sin /的變化 rKrKrrUfdsin)(0實(shí)踐緒論X射線物理學(xué)基礎(chǔ)39三、三、X射線的散射射線的散射1.相干散射相干散射 原子的相干散射強(qiáng)度，原子的相干散射強(qiáng)度， Ia = f 2Ie 以上分析將電子看成以上分析將電子看成是自由電子，忽略了原子核對電子的束是自由電子，忽略了原子核對電子的束縛和其它電子的排斥作用。因此對原子散射因數(shù)需進(jìn)行修正縛和其它電子的排斥作用。因此對原子散射因數(shù)需進(jìn)行修正 f有效有效= f0 + f + if (1-23)式中，式中，f 和和f 稱色散修正項(xiàng)。虛數(shù)項(xiàng)稱色散修正項(xiàng)。虛數(shù)項(xiàng)f 通?？珊?/p>