chap第二章X射線與物質(zhì)的相互作用.ppt

1、1.概述,1)X射線與物質(zhì)相互作用的宏觀效應(yīng) （波） 相干散射、衍射，界面的反射、折射，衰減 （粒子）不相干散射，光電吸收及其二次效應(yīng) （熒光、俄歇電子）， 電子對的產(chǎn)生物質(zhì)的變化 熱效應(yīng) 改性 輻射損傷（結(jié)構(gòu)變化） 2)微觀本質(zhì) ：X射線與物質(zhì)中電子的相互作用 3)理論處理方法：經(jīng)典電磁理論，量子力學(xué),2.X射線的相干散射,相干散射 （不變、遠(yuǎn)場光學(xué)） 彈性散射 （不變） Ryleigh散射 不相干散射（改變） 非彈性散射 （改變） Compton散射, Raman散射,1)自由電子的相干散射 電子在入射X射線的交變電場作用下作受迫振動，成為具有交變電矩的電偶極子。從這電偶極子輻射出來的次級

2、輻射，即是散射X射線。由于電子受迫振動的頻率與入射波的振動頻率一致（不考慮阻尼），故散射波的頻率與入射波一致，也即散射波的波長與入射波相同。因此，對入射X射線（原級）來說，這種散射只是改變方向而波長不變的一種次級輻射。,由電動力學(xué)，一個電子作加速運(yùn)動時，電磁輻射為 式中 為輻射方向，R為觀察點與電子之間的距 離，,(1)入射X射線為線偏振光 令電場為 ，則 ，設(shè)為 與 的夾角，則,式中負(fù)號表示在入射波前進(jìn)方向上，散射波與入射波位相差，散射波的強(qiáng)度為 為電子經(jīng)典半徑，,圖6 單個電子的X射線相干散射,(2)入射波為非偏振情況 令入射方向為 ，P為觀察點，散射方向 與 確定的平面為散射面 ,令散射

3、方向與入射方向夾角為。 可將任一偏振方向的 的入射波，分解為 、 ， ，,分別計算它們的散射波電場 、 ，然后矢量相加求出散射波總的電場及相散射強(qiáng)度。計算可得散射波強(qiáng)度為 （2.4）,如入射X射線為完全非偏振光（例X射線管發(fā)射的X射線），則 對求平均，得 （2.5） 式中 稱為偏振因子，它由入射波的偏振情況確 定。偏振情況不同時，偏振因子 相應(yīng)變化。,2）單個原子的X射線相干散射 原子對X射線的散射，主要由電子貢獻(xiàn)，原子核的作用一般情況下是微不足道的，因為散射波強(qiáng)度與帶電粒子的質(zhì)量平方成反比。 設(shè)原子半徑為a，電子分布在這球體中，入射X射線波長為，原子散射波強(qiáng)度為 。, 長波 原子內(nèi)不同處的電

4、子的散射波到達(dá)遠(yuǎn)處的觀察點P時沒有顯著的位相差。, 短波 結(jié)構(gòu)分析中常用的X射線波長，正是這種情況 這時原子內(nèi)各處電子發(fā)出的散射波有很大的位相差，散射波的強(qiáng)度由相互間干涉來決定，在形式上可寫成 稱為原子結(jié)構(gòu)因子或原子散射因子 一個原子相干散射波的振幅（電場強(qiáng)度） 一個電子相干散射波的振幅（電場強(qiáng)度）,計算可得出 式中 為原子中徑向電子密度分布函數(shù)， 為電子波函數(shù)。 ，2為散射角。 各元素原子、離子的結(jié)構(gòu)因子可查 International Tables for X-ray crystallography,3）凝聚態(tài)物質(zhì)的相干散射 所有原子相干散射的疊加晶體、準(zhǔn)晶體、液晶 X射線衍射非晶體、液體

5、 相干散射圖形干涉函數(shù)相關(guān)函數(shù),4）介質(zhì)的X射線光學(xué)特性 界面的反射、折射、全反射 原子電偶極子 可以得出折射率n為 式中N為單位體積內(nèi)的電子數(shù)，為X射線頻率，在X射線頻率的范圍內(nèi)的數(shù)值為 。 由光學(xué)在界面上的折射、反射的菲涅耳公式，在掠入射角為大角度時，X射線在界面的反射率是很小的，可以忽略不計，折射也是很小的，一般情況下可以不考慮。,但當(dāng)X射線從真空（空氣）以小角度掠入射至介質(zhì)，當(dāng)掠入射角小于臨界角將發(fā)生全反射。由折射定律，,圖7 X射線的折射與全反射,i2,i1,i1,1,2,1,當(dāng) 時，更快地趨近于0。當(dāng) 時，即折射光束消失，發(fā)生全反射。此時的掠入射角 為全反射臨界角 對X射線， 得數(shù)

6、值為mRad量級，它隨X射線波長（頻率）與介質(zhì)的電子密度變化。,X射線全反射的重要應(yīng)用 X射線反射鏡（用于改變X射線方向、聚焦、濾去高能X射線） X射線“透鏡”（X射線纖維管束）（用于聚焦）,3X射線的不相干散射,Compton散射，1923 實驗： 靶（各種不同材料） 入射光子能量 ，波長 散射光子 ，波長 反沖電子（動量、能量）,理論解釋:光子與電子的非彈性碰撞，由碰撞前后的能量守恒，動量守恒，可直接得出 Compton散射證實X射線的粒子性，它是奠定量子力學(xué)理論的重要基礎(chǔ)之一。 Compton散射可用于研究固體中電子的能量、動量關(guān)系。（Compton輪廓）,2)Raman散射 本質(zhì)上與可

7、見光的Raman散射一樣， 為原子從基態(tài)到一激發(fā)態(tài)躍遷所需方程,3) Plasmon散射 X射線在金屬薄膜中激發(fā)等離子體振蕩產(chǎn)生的不相干散射。為某等離子體振蕩效率。,(a),(b),4.光電吸收及其二次效應(yīng),1)光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 X射線波長為：對某一元素Z，當(dāng)下降，達(dá)到 時，產(chǎn)生光電吸收。 最大 下降 減少 光電子數(shù)（光電流）入射X射線強(qiáng)度 光電子速度： 與光強(qiáng)無關(guān)，與，電子在原子中的結(jié)合能 有關(guān)。 P為界面逸出能。 光電子的方向性， 光電流的強(qiáng)度 , 為光電子發(fā)射方向與X射線入射方向的夾角。,2)光電效應(yīng)的量子力學(xué)的解釋 采用偶極躍遷近似，原子吸收X射線光子的幾率為 初態(tài)，X射線的光電吸收

8、中，一般為1S，2S，2P態(tài)， 終態(tài)，自由電子的連續(xù)態(tài)， 終態(tài)處的未占有的能態(tài)密度， 如入射X射線為單色平面波 ， ，初態(tài) 為K層電子，終態(tài) 為平面波（ ,方向 ），,以X射線波矢 為軸，計算得出的結(jié)果為： 當(dāng) 時， 光電子能量為 光電子波矢為 動量 ，方向 原子的微分吸收截面（即吸收光子后在方向 上發(fā)射光電子的幾率） 與實驗規(guī)律完全一致。,3)光電子吸收的二次效應(yīng)：熒光與俄歇電子 光電吸收光電子發(fā)射，原子處于激發(fā)態(tài)（內(nèi)殼層，例K層，出現(xiàn)空位） 原子退激發(fā)過程二次效應(yīng)：熒光與俄歇電子, 熒光：由光子激發(fā)的光輻射稱為熒光輻射，因而熒光譜也稱為次級光譜。 熒光輻射的本質(zhì)及其產(chǎn)生的機(jī)制，與原級（由高

9、速電子來激發(fā)）特征光譜是完全一樣的： 發(fā)射機(jī)制：原子內(nèi)電子能級躍遷 方向：各向同性 波長：由原子能級確定，與特征譜波長相同。 強(qiáng)度： 入射X射線強(qiáng)度， 物質(zhì)對X射線的吸收系數(shù)， 為q系熒光產(chǎn)額。 q能級受原級X射線激發(fā)的原子數(shù) 發(fā)生q級次級光輻射的原子數(shù),熒光產(chǎn)額由物質(zhì)的原子能級決定。隨著原子序數(shù)Z和不同譜線的變化，輕重元素及不同譜線的熒光產(chǎn)額相差是很大的，對 K系譜線， 時， ， ，對 （ 時， ）， 隨Z呈指數(shù)下降，例Mg，Al僅為0.01。 X射線熒光元素成分分析：可檢測濃度很小的元素含量,(2) 俄歇（Auger）效應(yīng) X射線激發(fā)的原子存在著另外一種退激發(fā)過程，當(dāng)次外層的一個電子躍入內(nèi)

10、層填空時所釋放的能量在該原子內(nèi)部被吸收而逐出次外層的另一個電子，這個被迸出的次外層電子稱為俄歇電子。這種效應(yīng)也稱為次級光電效應(yīng)，內(nèi)轉(zhuǎn)換或無輻射躍遷。在這種過程中，次級光電子（俄歇電子）的發(fā)射代替了熒光輻射。,圖10 俄歇電子的產(chǎn)生機(jī)制,俄歇電子的能量由原子的能級結(jié)構(gòu)決定，是元素的特征表征，與入射光子能量無關(guān)。俄歇電子能譜是表面元素分析的重要手段。在X射線是光電子吸收的二次效應(yīng)中，熒光輻射與俄歇電子相互競爭， 為俄歇電子產(chǎn)額，對K層來說， 時，俄歇電子發(fā)射占優(yōu)勢。,5. X射線的衰減和吸收，吸收系數(shù),1) X射線強(qiáng)度的線性衰減定律 一束X射線通過均勻介質(zhì)時，其強(qiáng)度衰減服從線性衰減定律： 稱為線性

11、衰減系數(shù)。,X射線的衰減由吸收、散射，電子對的產(chǎn)生三種原因造成。一般情況下，主要由光電吸收造成，散射可以忽略，電子對 則在時才產(chǎn)生。 為吸收系數(shù)，為散射系數(shù)。因相對于而言，一般很小，可忽略。因而實際工作中 ，常將、視為相同的，因而也稱為吸收系數(shù)。,2)單質(zhì)的吸收系數(shù) 質(zhì)量吸收系數(shù) ，原子吸收系數(shù) X射線通過由單質(zhì)組成的均勻介質(zhì)時 稱為線性吸收（衰減）系數(shù)。顯然，它與介質(zhì)的密度有關(guān)。,實際工作中，常用另外二種表達(dá)形式， 稱為質(zhì)量吸收系數(shù)，它描述了（單位面積上）單位質(zhì)量介質(zhì)時的吸收。 ， ， 它與物質(zhì)的密度無關(guān) 只與元素（Z）和波長有關(guān)。 ， ， ， n為單位體積內(nèi)的原子數(shù)目。 稱為原子吸收系數(shù) 與 一樣，它是Z，的函數(shù)。 ， 的具體數(shù)值可從International Tables for X-ray crystallogaphy查找。,3)吸收系數(shù) 與Z、的關(guān)系，吸收邊 單質(zhì)的吸收系數(shù) 由Z、確定 對一給定元素，例Pt（Z=78）, 與的關(guān)系如圖所示 ， 隨 增大， 至發(fā)生吸收陡變。 ， 隨 增大， 直至出現(xiàn)新陡變。 隨著的增大，在圖中還有LII，LIII等吸收陡變。,吸收曲線的這些陡變，對應(yīng)著原子各殼層或支殼層的吸收限（激發(fā)限）的波長，在吸收線發(fā)生的吸收陡變，是由強(qiáng)烈的光電吸收造成的，這種吸收陡變，常稱為吸收邊，圖中的各吸收邊，