第一章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1、第一章 X射線物理學(xué)基礎(chǔ)v第一節(jié) X射線簡介v第二節(jié) X射線譜v第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用第一節(jié) X射線簡介一、X射線發(fā)展史二、X射線的應(yīng)用三、X射線的性質(zhì)四、X射線的產(chǎn)生五、X射線管一、一、X射線發(fā)展史射線發(fā)展史 1895年，德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線 1895-1897年倫琴搞清楚了X射線的產(chǎn)生、傳播、穿透力等大部分性質(zhì) 1901年倫琴獲諾貝爾獎 1912年，德國物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體（硫酸銅單晶）中的衍射現(xiàn)象，奠定了“X射線衍射學(xué)”基礎(chǔ) 1912年，英國物理學(xué)家Brag父子利用X射線衍射測定了NaCl晶體的結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史與與X射線及晶體衍射有關(guān)的部分諾

2、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 份學(xué) 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(xué)戴維森Clinton Joseph Davisson湯姆孫George Paget Thomson1954化學(xué)鮑林Linus Carl Panling

3、化學(xué)鍵的本質(zhì)肯德魯John Charles Kendrew帕魯茲Max Ferdinand Perutz1962生理醫(yī)學(xué)Francis H.C.Crick、JAMES d.Watson、Maurice h.f.Wilkins脫氧核糖核酸DNA測定1964化學(xué)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(xué)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)

4、構(gòu)的X射線分析1937物理電子衍射1986物理1994物理1962化學(xué)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)測定1985化學(xué)v在X射線發(fā)現(xiàn)后幾個月醫(yī)生就用它來為病人服務(wù)v右圖是紀(jì)念倫琴發(fā)現(xiàn)X射線100周年發(fā)行的紀(jì)念封二、二、X射線的應(yīng)用射線的應(yīng)用v X射線透射學(xué) 通過X射線的透射情況來研究人體或物體的內(nèi)部情況，包括醫(yī)學(xué)上的診斷和X射線工業(yè)探傷。v X射線衍射學(xué) 又稱“X射線晶體學(xué)”，是目前應(yīng)用最廣的一個方面，根據(jù)X射線照射晶體后所產(chǎn)生的衍射線方向和強度來確定晶體結(jié)構(gòu)，研究與結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的各種問題。v X射線光譜學(xué) 通過研究X射線光譜，可研究物質(zhì)的原子構(gòu)造，如電子能級分布等；通過研究物質(zhì)發(fā)出的X射線的波長可確定物質(zhì)

5、的元素成分，這方面應(yīng)用的例子是X射線熒光光譜分析和電子探針。 X射線在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用主要分三方面：射線在工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用主要分三方面：三、三、X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)1、本質(zhì)：波長極短的電磁波（波長：、本質(zhì)：波長極短的電磁波（波長：0.0110nm） 1912年勞厄指導(dǎo)的衍射實驗證實2、分類：、分類： 硬硬X射線：射線：波長短的X射線，如：X射線衍射分析常用波 長約0.050.25nm，金屬材料透視檢驗的波 長更短，約0.0050.1nm。 軟軟X射線：射線：波長長的X射線，如用于醫(yī)學(xué)透射的X射線。硬軟程度表示穿透能力的強弱，波長越短，穿透力越強。3、單位：、單位： 、 nm 、

6、kX（晶體學(xué)單位） 1nm=10=10-9m 1kX=1.00207720.000053 （1973年值）4、波粒二象性、波粒二象性 X射線的客觀屬性 波動性波動性 場合：X射線之間相互作用時 表現(xiàn)：以一定的頻率和波長在空間傳播（干涉、衍射等）。反映物質(zhì)運動的連續(xù)性。 粒子性粒子性 （突出） 場合：X射線與電子、原子間相互作用時 表現(xiàn)：它是由大量的不連續(xù)粒子流構(gòu)成的，這些粒子流稱為光子。X射線以光子的形式輻射和吸收時具有質(zhì)量、能量和動量。在與物質(zhì)相互作用時交換能量，如光電效應(yīng)等。反映物質(zhì)運動的分立性。 描述波動性參量：頻率、波長 描述粒子性參量：能量、動量 關(guān)系： 普朗克常數(shù)h=6.62510

7、-34J.s 當(dāng)X射線與其它元素的原子或電子交換能量時只能一份一份地以最小能量單位（h）被原子或電子吸收。hchhp 四、四、X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生1、產(chǎn)生原理、產(chǎn)生原理2、產(chǎn)生條件、產(chǎn)生條件v產(chǎn)生自由電子的電子源，如加熱鎢絲發(fā)射熱電子；v設(shè)置自由電子撞擊靶子，如陽極靶，用以產(chǎn)生X射線;v施加在陰極和陽極之間的高壓，用以加速自由電子朝陽極靶方向加速運動；v將陰、陽極封閉在10-3Pa的高真空中，保持兩級純潔，促使加速電子無阻地撞擊到陽極靶上。接變壓器玻璃鎢燈絲金屬聚燈罩鈹窗口金屬靶冷卻水電子X射線X射線3、過程演示、過程演示五、五、X射線管射線管封閉電子式X射線管實物圖結(jié)構(gòu)示意圖電子式電子式X

8、射線管實質(zhì)上是一個真空二極管（射線管實質(zhì)上是一個真空二極管（10-310-4Pa），其結(jié)構(gòu)為：），其結(jié)構(gòu)為：v陰極：陰極：發(fā)射電子的燈絲，W絲v陽極：陽極：又稱靶，使電子突然減速和發(fā)射X射線。 常用靶材： Cu 、Fe、Co、Ni、 Cr 、Mo、Ag、W等 高速運動電子的動能僅1左右轉(zhuǎn)變成X射線，99轉(zhuǎn)變成熱能，為避免燒熔靶面，常通水冷卻。v聚焦罩：聚焦罩：聚焦電子束，燈絲外設(shè)置，其電位較陰極低100400V，用高熔點金屬鉬或鉭制造。v焦點：焦點：陽極靶面被電子束轟擊的地方，正是從這塊面積上發(fā)射出X射線。焦點的尺寸和形狀是X射線管的重要特性之一。焦點的形狀取決于燈絲的形狀，螺形燈絲產(chǎn)生長方形

9、焦點。較小的焦點，可以提高分辯率。v窗口：窗口：X射線從管內(nèi)出射的地方，常開設(shè)2或4個。 窗口材料要有足夠強度并盡可能少地吸收X射線，常用鈹或硼酸鈹鋰構(gòu)成的林德曼玻璃。窗口與靶面常成6o的斜角。 X射線管中發(fā)出的X射線在各個方向不同，越接近與電子束垂直的方向，強度越高。對于直角靶面，最好沿靶面方向接收。但靶面不可能絕對光滑平整，大部分X射線將被吸收而減弱，故常在與靶面成6o的方向接收。X射線接收方向l 上述常用X射線管的功率為5003000W。目前還有旋轉(zhuǎn)陽極X射線管、細聚焦X射線管和閃光X射線管。l 因陽極不斷旋轉(zhuǎn)，電子束轟擊部位不斷改變，故提高功率也不會燒熔靶面。目前有100kW的旋轉(zhuǎn)陽極

10、，其功率比普通X射線管大數(shù)十倍。 旋轉(zhuǎn)陽極靶示意圖第二節(jié)第二節(jié) X射線譜射線譜X射線譜：X射線的強度隨波長變化的關(guān)系曲線X射線有兩種波譜：一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜二、特征二、特征X射線譜射線譜鉬靶X射線管發(fā)出的X射線譜一、連續(xù)一、連續(xù)X射線譜射線譜 由波長連續(xù)變化的X射線構(gòu)成，和白光相似，是多種波長的混合體，故也稱白色X射線或多色X射線。 特點：l 每條曲線都有一強度最大值和一個波長極限值（短波限0）。l 波長從短波限向長波方向伸展，可達無窮大。l 呈丘包狀。連續(xù)譜示意圖1、實驗規(guī)律、實驗規(guī)律v當(dāng)提高管電壓 U時(i、Z不變) ，各波長X射線的強度都提高，短波限0和強度最大值對應(yīng)的m減小

11、。v當(dāng)保持管電壓一定，提高管電流i,各波長X射線強度一致提高，但0 和m不變。v在相同管電壓和管電流下，陽極靶材的原子序數(shù)Z越高，連續(xù)譜的強度越大，但0 和m相同。管電壓U、管電流i和陽極靶材原子序數(shù)對連續(xù)譜影響：2、產(chǎn)生機理、產(chǎn)生機理v能量為eU的電子與陽極靶的原子碰撞時，電子失去自己的能量，其中部分以光子的形式輻射，碰撞一次產(chǎn)生一個能量為h的光子，這樣的光子流即為X射線。v單位時間內(nèi)到達陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的，極大數(shù)量的電子射到陽極靶上的條件和時間不可能是一樣的，絕大多數(shù)電子要經(jīng)歷多次碰撞，產(chǎn)生能量各不相同的輻射，因此出現(xiàn)連續(xù)X射線譜。3、短波限、短波限相互關(guān)系： 式中，電子電荷e

12、1.602 10-19C; U電子通過兩極時的電壓降；普朗克常數(shù)h6.62610-34JS；X射線傳播速度c2.998108mS-10maxhcheUUeUhc24. 100：nm， U：千伏當(dāng)固定管電壓、增加管電流或增大陽極靶材原子序數(shù)時，0不變，僅使各波長X射線強度增高。U（KV）203040500（nm）0.0620.0410.0310.025絕大多數(shù)到達陽極靶面的電子經(jīng)多次碰撞消耗其能量，每次碰撞產(chǎn)生一個光量子，故其能量均小于電子能量，而得波長大于0的不同波長的輻射，構(gòu)成連續(xù)譜。4、X射線的強度射線的強度vX射線的強度是指垂直X射線傳播方向的單位面積上在單位時間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量

13、總和。 常用的單位是J/cm2.s。vX射線的強度I是由光子能量hv和它的數(shù)目n兩個因素決定的,即I=nhv。 在連續(xù)譜中，強度最大值不在短波限處，而是位于1.50附近。v連續(xù)譜中，每條曲線下的面積表示各種波長X射線的強度總和，也就是陽極靶發(fā)射出的X射線的總能量。 I連與管電壓、管電流、陽極靶的原子序數(shù)存在如下關(guān)系： Z為陽極靶的原子序數(shù)，U為管電壓（千伏）， i 為管電流（毫安）， K=(1.11.5)10-9。 20KiZUdII連5、X射線管的效率射線管的效率vX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v隨著原子序數(shù)Z的增加，X射線管效率增加。 W：Z74，U100KV；

14、則1KZUiUiZUKXX2射線管功率射線總強度連續(xù)二、特征二、特征X射線譜射線譜鉬靶X射線管發(fā)出的X射線譜U35KV 特征X射線譜由一定波長的若干X射線疊加在連續(xù)X射線譜上構(gòu)成，它和單色的可見光相似，具有一定的波長，故稱單色X射線。每種元素只能發(fā)出一定波長的單色X射線，它是元素的標(biāo)志，故也稱為標(biāo)識X射線。1、特征、特征X射線譜的特征射線譜的特征2、產(chǎn)生機理、產(chǎn)生機理3、莫塞萊定律、莫塞萊定律4、特征、特征X射線的強度射線的強度5、陽極靶的選擇、陽極靶的選擇1、特征、特征X射線譜的特征射線譜的特征v當(dāng)管電壓超過某臨界值時特征譜才會出現(xiàn)，該臨界電壓稱激發(fā)電壓。v不同的陽極靶，激發(fā)電壓不同，產(chǎn)生的

15、特征譜的波長也不同。v當(dāng)管電壓繼續(xù)增加時，特征譜強度增加，但對應(yīng)的波長保持不變。v特征譜的波長不受管電壓、管電流的影響，只決定于陽極靶材元素的原子序數(shù)。v特征X射線譜的產(chǎn)生機理與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的。特征X射線的產(chǎn)生222422Znhmen2、產(chǎn)生機理、產(chǎn)生機理v原子系統(tǒng)內(nèi)的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個能級。在電子轟擊陽極的過程中，當(dāng)某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時，于是在低能級上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識X射線譜。機理：機理：v由不同外層上的電子躍遷至同一內(nèi)層上來而輻射

16、的特征譜線屬于同一線系，并按電子躍遷所跨越的電子能級數(shù)目多少的順序，將這同一線系的譜線分別標(biāo)以、等符號。vK層電子被擊出時，原子系統(tǒng)能量由基態(tài)升到K激發(fā)態(tài)，高能級電子向K層空位躍遷時產(chǎn)生K系輻射。LK填充空位時，產(chǎn)生K輻射；M K填充空位時產(chǎn)生K輻射。L系輻射：M L,產(chǎn)生L輻射；N L,產(chǎn)生L輻射。M系輻射。M態(tài)（擊走M電子）N態(tài)（擊走N電子）K態(tài)（擊走K電子）L態(tài)（擊走L電子）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量K激發(fā)L激發(fā)Ka輻射K輻射La輻射過程演示過程演示K系譜線：系譜線：KKII5212KKIIK光子的能量大于K光子的能量；但K層與L層為相鄰能級，故L層電子向K層躍遷的幾

17、率遠大于M層躍遷的幾率，所以K譜線的強度約為K的五倍。電子躍遷選擇定則：l l1 1；j j0 0， 1 1 K雙線系電子分別由L和L兩個亞層躍遷到K層時產(chǎn)生的輻射， L亞層上四個電子躍遷至K層幾率比L上二個電子躍遷幾率大一倍，故K1譜線的強度約為K2的兩倍。 雙線的波長相差很小，一般情況下分辨不開，統(tǒng)稱為K線。nm41043 3、莫塞萊定律、莫塞萊定律v特征X射線譜的波長只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，與其它外界因素?zé)o關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。v莫塞萊定律特征譜波長與陽極靶原子序數(shù)的關(guān)系： K，為常數(shù) X射線光譜分析的基本依據(jù))(1ZK4 4、特征譜的強度、特征譜的強度v特征譜強度與管電壓（特征譜強度與管電壓（U）、管電流（）、管電流（i）的關(guān)系）的關(guān)系： c為常數(shù)；n為常數(shù)，K系n1.5，L系n2 U激為特征譜激發(fā)電壓，K系：U激UKnUUciI激特KK