X射線物理學(xué)基礎(chǔ)

1、本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容l第一節(jié)第一節(jié) X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)l第二節(jié)第二節(jié) X射線譜射線譜l第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)相互作用射線與物質(zhì)相互作用第一節(jié)第一節(jié) X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)1.X射線的歷史射線的歷史2.X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)3.X射線的特征射線的特征4.X射線范圍射線范圍5.X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生6.X射線管射線管7.X射線儀射線儀8.X射線的影響射線的影響1895年，德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了年，德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線射線 1912年，德國物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了年，德國物理學(xué)家勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線在晶體中的衍射射線在晶體中的衍射現(xiàn)象，確證了現(xiàn)象，確證了X射線是一種電磁波射線是一種電磁波1

2、912年，英國物理學(xué)家年，英國物理學(xué)家Brag父子利用父子利用X射線衍射測定了射線衍射測定了NaCl晶體的結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了晶體的結(jié)構(gòu)，開創(chuàng)了X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史射線晶體結(jié)構(gòu)分析的歷史1、X射線的歷史射線的歷史與與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

3、X射線1924物理卡爾.西格班Karl Manne Georg Siegbahn X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

4、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)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)2、X射線的性質(zhì)射線的性質(zhì) lX射線是一種電磁波，具有波粒二象性射線是一種電磁波，具有波粒二象性I.波動性波動性波長：波長： 102102 規(guī)律：規(guī)律： = c/ II.粒子性粒子性 X射線由具有能量射線由具有能量E、動量、動量P、質(zhì)量、質(zhì)量m的的X光子組成

5、光子組成 E = hv P = h/ h為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，6.626176 10-27爾格爾格l硬硬X射線射線：波長較短、能量較高、穿透性較強(qiáng)。適用于金：波長較短、能量較高、穿透性較強(qiáng)。適用于金屬部件的無損探傷及金屬物相分析。屬部件的無損探傷及金屬物相分析。l軟軟X射線射線：波長較長、能量較低、穿透性弱。用于分析非：波長較長、能量較低、穿透性弱。用于分析非金屬的分析。金屬的分析。 l度量單位度量單位：、kX、nm1nm=10=10-9m1kX=1.00207720.000053 3、X射線的特征射線的特征a.a.X X射線具有很高的穿透能力，可以穿過黑紙及許多對于可射線具有很高的穿透

6、能力，可以穿過黑紙及許多對于可見光不透明的物質(zhì)見光不透明的物質(zhì)b.b.X X射線肉眼不能觀察到，但可以使照相底片感光射線肉眼不能觀察到，但可以使照相底片感光c.c.X X射線能夠殺死生物細(xì)胞和組織，人體組織在受到射線能夠殺死生物細(xì)胞和組織，人體組織在受到X X射線的射線的輻射時，生理上會產(chǎn)生一定的反應(yīng)輻射時，生理上會產(chǎn)生一定的反應(yīng)4、X射線射線的的范圍范圍5、X射線的產(chǎn)生射線的產(chǎn)生 高速運動的電子流高速運動的電子流 射線射線 X X 射線射線中子流中子流 高能輻高能輻射流射流突然減速突然減速, ,產(chǎn)生產(chǎn)生X X射線射線 5.1 X射線產(chǎn)生條件射線產(chǎn)生條件1.產(chǎn)生自由電子的電子源產(chǎn)生自由電子的電

7、子源2.電子作定向的高速運動電子作定向的高速運動3.在電子運動的路徑上設(shè)置一個障礙物如陽極靶在電子運動的路徑上設(shè)置一個障礙物如陽極靶使電子突然減速或停止使電子突然減速或停止4.陰陽極封閉在陰陽極封閉在10-3Pa的高真空中的高真空中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5.2 過程演示過程演示6、X射線管射線管 X X射線管射線管 電子槍電子槍：產(chǎn)生電子并將電子束：產(chǎn)生電子并將電子束聚焦。鎢絲螺旋式，通電流放聚焦。鎢絲螺旋式，通電流放出自由電子。出自由電子。 金屬靶金屬靶：發(fā)射：發(fā)射X X射線。通常由傳射線。通常由傳熱性好熔點較高的金屬材料制熱性好熔點較高的金屬材料制成

8、。如銅、鉆、鎳、鐵、鋁等。成。如銅、鉆、鎳、鐵、鋁等。 X射線管剖面圖射線管剖面圖 l結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)陰極：發(fā)射電子陰極：發(fā)射電子 陽極：亦稱靶，使電子突然減速和發(fā)射陽極：亦稱靶，使電子突然減速和發(fā)射X X射線射線窗口：窗口：X X射線從陽極靶向外射出的地方射線從陽極靶向外射出的地方焦點：陽極靶面被電子束轟擊的地方焦點：陽極靶面被電子束轟擊的地方X射線管實物圖射線管實物圖7、X射線儀射線儀 8、X射線的影響射線的影響 使一些物質(zhì)發(fā)出可見的熒光使一些物質(zhì)發(fā)出可見的熒光使離子固體發(fā)出黃褐色或紫色的光使離子固體發(fā)出黃褐色或紫色的光促進(jìn)物質(zhì)的合成促進(jìn)物質(zhì)的合成 引起生物效應(yīng)，導(dǎo)致新陳代謝發(fā)生變化；引起生物效應(yīng)

9、，導(dǎo)致新陳代謝發(fā)生變化；x x射線與物質(zhì)之間的物理作用，可分為射線與物質(zhì)之間的物理作用，可分為X X射線散射和吸收。射線散射和吸收。1.X射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度2.連續(xù)連續(xù)X射線射線3.特征特征X射線射線第二節(jié)第二節(jié) X射線譜射線譜1 1、連續(xù)譜：強(qiáng)度隨波長連續(xù)、連續(xù)譜：強(qiáng)度隨波長連續(xù)變化變化2 2、特征譜：波長一定、強(qiáng)度、特征譜：波長一定、強(qiáng)度很大又稱為標(biāo)識譜很大又稱為標(biāo)識譜X X射線譜射線譜 1、X射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度 l定義定義 垂直垂直X射線傳播方向的射線傳播方向的單位面積單位面積上在上在單位時間單位時間內(nèi)所通過內(nèi)所通過的的光子數(shù)目的能量總和光子數(shù)目的能量總和。單位是。單位是J/cm2s

10、l決定因素決定因素 光子能量光子能量hv、光子數(shù)目、光子數(shù)目nI=nhv 最大值出現(xiàn)在最大值出現(xiàn)在1.50處處2、連續(xù)、連續(xù)X射線譜射線譜 連續(xù)譜示意圖連續(xù)譜示意圖2.1 連續(xù)譜產(chǎn)生機(jī)理連續(xù)譜產(chǎn)生機(jī)理l電子與陽極靶碰撞，電子失去能量，其中部分以光子的電子與陽極靶碰撞，電子失去能量，其中部分以光子的形式輻射，這樣的光子流即為形式輻射，這樣的光子流即為X射線射線l單位時間內(nèi)到達(dá)陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的，絕大單位時間內(nèi)到達(dá)陽極靶面的電子數(shù)目是極大量的，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，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，出現(xiàn)出現(xiàn)連續(xù)連續(xù)X射線譜。射線譜。K態(tài)（擊走K

11、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）擊走價電子中性原子WkWlWmWn0原子的能量電子沖擊陽級靶X射線射出過程演示2.2 連續(xù)連續(xù)X射線譜的規(guī)律射線譜的規(guī)律 FX X射線強(qiáng)度與管壓的關(guān)系射線強(qiáng)度與管壓的關(guān)系FX X射線強(qiáng)度與管流的關(guān)系射線強(qiáng)度與管流的關(guān)系FX X射線強(qiáng)度元素的原子序數(shù)的關(guān)系射線強(qiáng)度元素的原子序數(shù)的關(guān)系2.3 2.3 短波限短波限 l定義定義 連續(xù)X射線譜在短波方向有一個波長極限。只與管電壓有關(guān)，不受其它因素的影響。l數(shù)量關(guān)系數(shù)量關(guān)系 e 電子電荷，4.80310-10 V 電子通過兩極時的電壓降 h 普朗克常數(shù)，6.62510-34js0maxhcheV

12、VeVhc24. 102.4 連續(xù)譜的連續(xù)譜的X射線強(qiáng)度經(jīng)驗公式射線強(qiáng)度經(jīng)驗公式lC為常數(shù)，Z為陽極材料的原子序數(shù))11(102CZIl經(jīng)驗公式 K為常數(shù),1.1-1.510-9 Z為陽極靶元素的原子序數(shù) I為X射線管的電流強(qiáng)度，V為管電壓lX射線管的效率2KIZVI連AZVIVKZVXXX2射線管功率射線強(qiáng)度射線管效率3、特征、特征X射線射線 特特征征譜譜示示意意圖圖3.1 特征特征X射線產(chǎn)生機(jī)理射線產(chǎn)生機(jī)理 l與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)與陽極物質(zhì)的原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)l電子按泡利不相容原理和能量最低原理排布。在轟擊陽電子按泡利不相容原理和能量最低原理排布。在轟擊陽極的過程中，具有足夠

13、能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層極的過程中，具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出，在低能級上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于電子擊出，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遷，并以光子的形式輻射出特征特征X X射線射線M態(tài)（擊走M(jìn)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L輻射過程演示3.3 K系激發(fā)系激發(fā) 示意圖示意圖F管電壓超過激發(fā)電壓時才能產(chǎn)生特征譜線管電壓超過激發(fā)電壓時才能產(chǎn)生特

14、征譜線F靶元素的原子序數(shù)越大，激發(fā)電壓越高靶元素的原子序數(shù)越大，激發(fā)電壓越高FK的強(qiáng)度約為的強(qiáng)度約為K的的5倍倍激發(fā)限激發(fā)限K系激發(fā)的特點系激發(fā)的特點kkkehchkkkhc24.13.4 莫塞萊定律莫塞萊定律 l表征特征表征特征X X射線譜的波長射線譜的波長與原子序數(shù)與原子序數(shù)Z Z關(guān)系關(guān)系ZC1C，都是常數(shù)3.5 特征特征X射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度 lc為比例常數(shù)，為比例常數(shù)，V激激為陽極靶元素特征為陽極靶元素特征X射線的激發(fā)電壓，射線的激發(fā)電壓，I為管電流，為管電流，V為管電壓為管電壓l當(dāng)當(dāng)I特特/I連連最大，工作電壓為激發(fā)電壓的最大，工作電壓為激發(fā)電壓的3-5倍時，連續(xù)譜造倍時，連續(xù)譜造成

15、的衍射背影最小。成的衍射背影最小。nVVcII激特1.X射線的散射射線的散射 2.X射線的衰減射線的衰減3.吸收限吸收限4.X射線的折射射線的折射5.總結(jié)總結(jié)6.X射線的安全防護(hù)射線的安全防護(hù)第三節(jié)第三節(jié) X射線與物質(zhì)相互作用射線與物質(zhì)相互作用 1.1 相干散射相干散射l電子在電子在X射線作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動。每個電子在各方射線作用下，產(chǎn)生強(qiáng)迫振動。每個電子在各方向產(chǎn)生與入射向產(chǎn)生與入射X射線同頻率的電磁波。新的散射波之間射線同頻率的電磁波。新的散射波之間發(fā)生的干涉現(xiàn)象發(fā)生的干涉現(xiàn)象1、X射線的散射射線的散射 l相干散射相干散射, , 非相干散射非相干散射一、一、 湯姆遜公式湯姆遜公式lIe：

16、散射：散射X射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度; I0：入射：入射X射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度le：電子電荷：電子電荷; m：電子質(zhì)量：電子質(zhì)量; c: 光速光速l2：電場中任一點到原點連線與入射：電場中任一點到原點連線與入射X射線方向的夾角射線方向的夾角lR：電場中任一點到發(fā)生散射的電子的距離：電場中任一點到發(fā)生散射的電子的距離lfe=e2/mc2: 電子的散射因子電子的散射因子l(1+cos22)/2: 為極化因子或偏振因子為極化因子或偏振因子)22cos1(109 . 7)22cos1(22260242240RIcmReIIe1.在各個方向上散射強(qiáng)度不同，在各個方向上散射強(qiáng)度不同，20處強(qiáng)度最強(qiáng)，處強(qiáng)度最強(qiáng)，2

17、90強(qiáng)度最弱強(qiáng)度最弱2.散射波強(qiáng)度與入射波頻率無關(guān)散射波強(qiáng)度與入射波頻率無關(guān)3.散射強(qiáng)度與入射強(qiáng)度相比，強(qiáng)度很弱散射強(qiáng)度與入射強(qiáng)度相比，強(qiáng)度很弱二、二、 X射線散射的特點射線散射的特點1.2 非相干散射非相干散射 FX射線光子與束縛力不大的外層電子射線光子與束縛力不大的外層電子 或自由電子碰撞或自由電子碰撞時，電子獲得一部分動能成為反沖電子，時，電子獲得一部分動能成為反沖電子，X射線光子射線光子離開原來方向，能量減小，波長增加。離開原來方向，能量減小，波長增加。F康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)：用量子理論描述，亦稱量子散射。增加：用量子理論描述，亦稱量子散射。增加連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別

18、對輕元連續(xù)背影，給衍射圖象帶來不利的影響，特別對輕元素。素。1.3 二次特征輻射二次特征輻射F二次特征輻射：熒光輻射，二次特征輻射：熒光輻射，激發(fā)限激發(fā)限F光電效應(yīng)光電效應(yīng)F俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)2、X射線的衰減射線的衰減 X射線衰減圖示射線衰減圖示 設(shè)入射設(shè)入射X射線強(qiáng)度為射線強(qiáng)度為I0，透過厚度為，透過厚度為P的物的物質(zhì)后強(qiáng)度為質(zhì)后強(qiáng)度為I，I I0；在被照射的物質(zhì)中?。辉诒徽丈涞奈镔|(zhì)中取一深度為一深度為X處的小厚度元處的小厚度元dX，照到此小厚，照到此小厚度元上的度元上的X射線強(qiáng)度為射線強(qiáng)度為Ix，透過此厚度元的，透過此厚度元的X射線強(qiáng)度為射線強(qiáng)度為Ix+dx，則強(qiáng)度的改變?yōu)椋?，則強(qiáng)度的改變?yōu)?/p>

19、：dIx Ix+dxIx Ldx xxdxxIIIxxIdI當(dāng)當(dāng)x0時，時，IxI0， I/I0 = xLe2.1 衰減公式推導(dǎo)衰減公式推導(dǎo) 2.2 相關(guān)概念及物理意義相關(guān)概念及物理意義 l線衰減系數(shù)，線衰減系數(shù)， Ll線吸收系數(shù)，線吸收系數(shù)， l散射系數(shù)，散射系數(shù)，l質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù) m2.3 質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)質(zhì)量吸收系數(shù)的加和性質(zhì)量吸收系數(shù)的加和性33ZKmiimmWimi為第為第i種元素的質(zhì)量吸收系數(shù)種元素的質(zhì)量吸收系數(shù)Wi為各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)3、吸收限、吸收限l吸收限主要是由光電效應(yīng)引起的：當(dāng)吸收限主要是由光電效應(yīng)引起的：當(dāng)X射線的波長等于射線的波長等于或小于或小于k時，光子的能量達(dá)到擊出一個時，光子的能量達(dá)到擊出一個K層電子的功層電子的功W，X射線被電子吸收，激發(fā)光電效應(yīng)，使射線被電子吸收，激發(fā)光電效應(yīng)，使m突變性增大。突變性增大。l吸收限與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)對應(yīng)。如吸收限與原子能級的精細(xì)結(jié)構(gòu)對應(yīng)。如L系有二個副