1、,本章主要学习的内容:1.X射线的性质,本质和产生2.X射线谱-连续谱,特征谱3.X射线与物质的相互作用,1-1 引 言,一、X射线的发现,X射线是1895年11月8日由德国物理学家伦琴（W.C. Rntgen）在研究真空管高压放电现象时偶然发现的。,1895-1897年伦琴搞清楚了X射线的产生、传播、穿透力等大部分性质.1901年伦琴获诺贝尔奖1912年劳埃进行了晶体的X射线衍射实验,研究真空高压放电效应时，发现凳子上的镀有氰亚铂酸钡的硬纸板发出荧光。分析认为可能是存在一种不同于可见光的射线，且可能是由真空管加上高电压时引起的，他试着用黑纸挡、用木块挡都挡不住，甚至可以透过人的骨骼！由于当时
2、对这种射线的本质和特性尚无了解，故取名为X射线，后人也叫伦琴射线。,二、应用,在X射线发现后几个月医生就用它来为病人服务右图是纪念伦琴发现X射线100周年发行的纪念封,与X射线及晶体衍射有关的部分诺贝尔奖获得者名单,物质的性质、材料的性能决定于它们的组成和微观结构。如果你有一双X射线的眼睛，就能把物质的微观结构看个清清楚楚明明白白！X射线衍射将会有助于你探究为何成份相同的材料，其性能有时会差异极大.X射线衍射将会有助于你找到获得预想性能的途径。,钢铁中的碳化物、夹杂物、残余奥氏体的定性分析与定量分析、化学热处理的表面相分析、表面堆焊、喷焊物相的分析。,三、X射线分析在金属材料领域的应用,1、物
3、相分析,可以确定固溶体的类型（例如：体心立方）、固溶体中溶质组元的含量（如M体中的含碳量）。,2、固溶体分析,测定粗晶粒的平均大小、微晶粒的平均晶粒度等。,3、晶粒大小的测定,可以测定材料的宏观、显微内应力.,4、应力测定,半导体材料、激光材料、磁性材料单晶体，其取向可用X射线法测定,5、晶体取向的测定,1-2 X射线的本质,人的肉眼看不见X射线，但X射线能使气体电离，使照相底片感光，能穿过不透明的物体，还能使荧光物质发出荧光。X射线呈直线传播，在电场和磁场中不发生偏转；当穿过物体时仅部分被散射。X射线对动物有机体（其中包括对人体）能产生巨大的生理上的影响，能杀伤生物细胞。,X射线的本质*电磁
4、波的一种，波长约108cm左右*X射线具有波粒二相性,（de Broglie）,(1) X射线是一种本质与可见光完全相同的电磁波（或电磁辐射）。(2) X射线以光速传播，传播速度2.9981010厘米/秒。(3) X射线波长常用的单位是埃()、1 =10-8cm。1nm=10(4) X射线的波长范围为1000.01。可见光的波长范围40007000。,1、波动性,X射线两边分别与紫外线及射线相重叠。在电磁波谱中，其位置如图。,#一般把短波长的X射线称为硬X射线，反之则为软X射线。硬软程度表示它的穿透能力的强弱。#用于金属探伤的X射线波长约为10.05。,(1) X射线是波长较短的电磁波。波动理
5、论对X射线光电效应、荧光辐射现象无法解释。说明波动性只是反映了X射线本性的一个方面。(2) 在大量科学实验基础上，人们又认识到X射线本性的另一个方面粒子性（或微粒性）。X射线是由大量以光速运动的粒子组成的不连续粒子流。这些粒子叫做光子（或光量子），每个光子具有的能量为=hv。(硬X射线穿透能力强，还是软X射线穿透能力强？),2、X射线的粒子性,其中vx射线的频率，h普朗克常数。h=6.2610-34焦秒=6.2610-27尔格秒对不同频率的X射线，光子的能量是不同的。频率越高，光子的能量就越大。(3)波动性与粒子性相并存称为X射线的波粒二象性。那么，X射线的波长为什么会在那么一个范围之内，它的
6、强度又与哪些因素有关呢？,实验证明，X射线是高速运动的粒子与某种物质相撞击后猝然减速，且与该物质中的内层电子相互作用而产生的。X射线产生的几个基本条件：,1-3 X射线的产生及X射线管,一、X射线产生的条件,产生并发射自由电子（加热钨灯丝）。在真空中（一般为10-6毫米汞柱）迫使自由电子朝一定方向高速运动（加一很高的管电压）。在高速电子流的运动路程上设置一障碍物（阳极靶），使高速运动的电子突然受阻。,X射线管的结构,阴极-发射电子。一般由钨丝制成，通电加热后释放出热辐射电子。阳极-靶，使电子突然减速并发出X射线。,窗口-X射线出射通道。既能让X射线出射，又能使管密封。窗口材料用金属铍或硼酸铍锂
7、构成的林德曼玻璃。窗口与靶面常成3-6的斜角，以减少靶面对出射X射线的阻碍。,高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发。所以靶材料要导热性能好，常用黄铜或紫铜制作，还需要循环水冷却。因此X射线管的功率有限，大功率需要用旋转阳极.焦点-阳极靶表面被电子轰击的一块面积，X射线就是从这块面积上发射出来的。焦点的尺寸和形状是X射线管的重要特性之一。焦点的形状取决于灯丝的形状，螺形灯丝产生长方形焦点.X射线衍射工作中希望细焦点和高强度；细焦点可提高分辨率；高强度则可缩短暴光时间.,Go 20,旋转阳极X射线管、细聚焦X射线管和闪光X射线管。阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高
8、功率也不会烧熔靶面。目前有100kW的旋转阳极，功率比普通X射线管大数十倍(常用X射线管的功率为5003000W)。,旋转阳极,19. 旋转阳极,旋转阳极,Go 17,X射线强度() 随波长()而变化的关系曲线，称为X射线谱。X射线谱由两部分组成，即:,1-4 X射线谱,一、X射线谱,从某一短波限（ 。）开始，直到波长等于无穷大 的一系列波长所构成的X射线谱。,二、连续X射线谱的定义,三、连续X射线的产生及其规律,1、(见图）管压很低时，小于20kv的曲线是连续变化的，故称之连续X谱，即连续谱。 2、当逐步增加X射线管的管电压时，连续X射线谱发生如下变化。,管电压既影响连续X射线谱强度，也影响
9、其波长范围,随管电压升高:各种波长的X射线的相对强度一致增高。具有最高强度射线的波长逐渐变小，曲线峰值向左方移动。短波限逐渐变小（0向左方移动），波谱变宽。,四、连续X射线的产生机理,1、经典物理的电动力学理论一个带有负电荷的电子在受到这样一种加速度时（指X射线管中高速运动着的电子到达阳极靶表面突然受到阻止时，产生极大的负加速度），电子周围的电磁场将发生急剧的变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。,q=0.01库仑,16,19,10,25,.,6,10,6020,.,1,0
10、1,.,0,=,n =,-,（个）,也就是说，1秒钟内有0.01库仑的电量到达阳极靶。电子的电荷e=1.602010-19库仑则1秒钟到达阳极上的电子数:,2、若管电流i=10毫安（1秒钟内阳极靶上发出的电磁波有多少个？）,讨论： 如此大数量的电子射到阳极靶上的条件和时间不可能是一样的；因而电磁脉冲也各不相同，从而形成了具有各种波长的连续X射线谱。,从灯丝发射出的电子经高压电场加速，使电场的位能转化为电子的动能。,3、短波限0存在的原因,电子被阳极突然阻止时，动能的一部分将转化为一个或几个X射线光子，其余转变为热能（或光子逸出）。,当一个电子的动能毫无损失地全部转化为一个X射线光子时，此光子的
11、能量为：,其中h普朗克常数, cX射线速度, e电子电荷,讨论：（1）当V=20、30、40、50千伏时，0=0.62、0.41、 0.31、0.25。（2）短波限0与管电压成反比。（3）绝大多数高速电子与阳极靶撞击时，很大一部分能量P消耗转化为热能、光电子逸出等情况。即：,那么，连续射线的强度与哪些因素有关呢？,量子力学概念，当能量为ev的电子与靶的原子整体碰撞时，电子失去自己的能量，其中一部分以光子的形式辐射出去，每碰撞一次，产生一个能量为hv的光子，即“韧致辐射”。大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，而且还有多次碰撞，因而产生不同能量不同强度的光子序列，即形成连续谱。极限情况下，能量
12、为ev的电子在碰撞中一下子把能量全部转给光子，那么该光子获得最高能量和具有最短波长，即短波限0。都有一个最短波长，称之短波限0，强度的最大值在0的1.5倍.,4. 量子理论连续X射线谱的解释,*垂直于X射线传播方向的单位面积上，在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。*常用单位是尔格/厘米2秒*绝对强度的测量比较困难，常采用照相底片的黑度作为相对比较标准。,五、辐射强度,1、定义：,常数 z阳级靶的原子序数 i管电流（毫安） V管电压（千伏）?阳极靶可以影响连续谱的强度，能不能影响连续谱波长的分布?答案是不能。,2、连续X射线谱的总强度(经验公式),六、效率,连续X射线的效率:指电子流能量中用
13、于产生X射线的百分数，,=ZV,讨论： 当采用钨阳极Z=74 V=100千伏，=1.11.510-61%$管中电子与阳极撞击时，绝大部分生成热能而损失掉。#这就是为什么要采用高熔点的钨、钼作阳极，或导热性好的银、铜作阳极，并用冷却水强烈地冷却阳极。,七 特征X射线谱,1、特征X射线谱形成,*钼靶X射线管当管电压等于或高于20KV时，除连续X射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线，反映了靶材料的特征，称之为特征X射线，并由它们构成特征X射线谱（见图).,*当管电压超过某临界值时，特征谱才会出现，该临界电压称激发电压。*当管电压增加时，连续谱和特征谱强度都增加，特征谱对应的波长保持不变。,钼靶
14、特征x射线分别为K、K,位于0.71和0.63处.K线又可细分为K1、K21-2=0.004*X射线衍射中，一般采用强度高的K,八、实验规律,1、产生特征X射线所需的最低管电压（V激），对不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶的原子数Z所决定。(阳极靶不同，所产生的特征X射线谱的波长也不相同)。2、当管电压超过V激后，管电压进一步升高，特征X射线不变。强度按n次方的规律增大（n = 1.52 ）。3、当V/ V激=35时,原子是由带正电的原子核和与绕核旋转的电子组成。电子分布在不同能级的电子壳层上。距核最近的第一层电子的能量最低，称为K层，第二层为L层，依次为M、N、O、P等层（图），各层上电子的能
15、量为:,九、特征X射线产生机理,1、特征X射线的产生,当高速的阴极电子流冲击阳极靶时，可将阳极靶内层的某些电子击出，转移到能量较高的外部壳层上，或击出原子系统之外而使原子电离，原子处于激发状态，其能量高于正常状态，是不稳定的。假定K层电子被激发后，由L层跃迁来一个补充电子，其降低的能量,这就是波长一定的特征X射线,K X射线。,K层电子被激发，其它高能级的外层电子跃入而产生的特征X射线为K系X射线。,2、K系X射线,由L层K层跃迁产生的X射线，称为K射线。由M层K层跃迁产生的X射线，称为K射线。,3、K、K,要获得K系射线，必须使高速电子的动能足以把原子中K层电子击出。即evx k,x-未饱和
16、的最外层能量,4、激发电压V激,V激K是完全由阳极靶决定的，每种阳极靶有固定的激发电压。,K层电子被激发后，L层电子向K层跃迁的几率要比M层K层跃迁的几率大很多倍，所以I / I 45。,5、IK、IK,同一壳层上的电子并不处于同一能量状态，分属于若干个亚能级。K1、 K 2 是L层中的两个亚能级电子向K层跃迁，辐射出来的两根谱线。,6、K1、K 2：,7.当L层电子填充K层后，原子由K激发状态变成L激发状态，此时更外层如M、N层的电子将填充L层空位，产生L系辐射.8.当原子受到K激发时，除产生K系辐射外，还将伴生L、M等系的辐射。K系辐射因波长短而不被窗口完全吸收外，其余各系均因波长长被吸收
17、。,小结,X射线照射到物质上与物质相互作用是个很复杂的过程。可归结为三个能量转换过程：E1：散射能量；E2：吸收能量，热和光电效应、俄歇效应等，E3：透过物质能量。,1-5 X射线与物质的相互作用,(1)当X射线与原子中束缚较紧的内层电子相撞时, 光子把能量全部转给电子，电子受迫振动,其振动的频率与入射X射线的频率相同。(2)任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，向四周辐射电磁波，频率与带电粒子的振动频率相同。(3)由于散射线与入射线的波长和频率一致，位相固定，在相同方向上各散射波符合相干条件，称为相干散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。,1、相干散射（经典散射，汤姆逊散射）
18、,一、 X射线的散射,2.不相干散射X射线经束缚力不大的电子（如轻原子中的电子）或自由电子散射后，可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变。这种散射现象称为康普顿散射或康普顿一吴有训散射,也称之为不相干散射，是因散射线分布于各个方向，波长各不相等，不能产生干涉现象。,入射X射线遇到束缚力不大的电子时，将电子撞至一方，成为反冲电子。入射线的能量对电子作功而消耗一部份后，剩余部份以X射线向外辐射。散射X射线的波长（）比入射x射线的波长（）长，其差值与角度之间存在如右关系：,=-=0.0024(1-cos2)不相干散射在衍射图相上成为连续的背底，其强度随（sin/）的增加而增大
19、，在底片中心处（射线与底片相交处）强度最小，越大，强度越大。,二 X射线的吸收,物质对X射线的吸收，是指X射线通过物质时光子的能量变成了其他形式时能量。有时将X射线通过物质时造成的能量损失称为真吸收。X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射X射线的能量变成光电子、俄歇电子和荧光X射线的能量，使X射线强度被衰减，是物质对X射线的真吸收过程。,2.1 光电效应,当激发二次特征辐射时，原入射X射线光子的能量转变为电子的能量，使电子逸出原子之外。这种电子称为光电子，这一过程称为光电效应。,产生条件-激发限,入射的X射线光子的能量必须等于或大于将K层电子击出所需的能量。 hv激KeV激K,入激K
20、产生K系激发的最长波长,又称为K系特征辐射的激发限。从X射线激发光电效应的角度，称K为激发限；从X射线被物质吸收的角度，则称K为吸收限。,2. 荧光X射线,当入射光量子能量足够大时,击出原子内部电子(如K层电子），所击出的电子即为光电子同时原子的外层电子要向内层的空位跃迁，辐射出波长一定的特征X射线，这种由X射线激发所产生的特征X射线即为二次特征X射线或荧光X射线,俄歇（Auger，M.P.）在1925年发现，原子中K层的一个电子被打出后处于K激发态，能量为EK。如果一个L层电子来填充这个空位，K电离就变成L电离，能量由EK变成EL，此时将释放EK-EL的能量。释放出的能量，可能产生荧光X射线
21、，也可能给予L层的电子，使其脱离原子产生二次电离。即K层的一个空位被L层的两个空位所代替，这种现象称俄歇效应.,.俄歇效应,从L层跳出原子的电子称KLL俄歇电子。每种原子的俄歇电子均具有一定的能量，测定俄歇电子的能量，即可确定该种原子的种类，可以利用俄歇电子能谱作元素的成分分析。俄歇电子的能量很低，一般为几百eV，平均自由程非常短，能够检测到的只是表面两三个原子层发出的俄歇电子，因此，俄歇谱仪是研究物质表面微区成分的有力工具。,光电效应小结,小结,X射线穿过物质时，由于经典散射、量子散射、原子激发等现象而消耗入射X射线的能量。因此，入射X射线的强度将显著地衰减下来。,1-X射线的衰减,（1）实
22、验规律：通过厚度为dx的无穷小薄层物质时，X射线强度衰减量dI正比于入射线强度I和层厚dx.dI- Idx或dI = -lIdx （1）l单位为厘米-1，线吸收系数,负号表示强度的变化由强变弱。,1、衰减规律,积分得到： Ix= I0e-xl= 1n（Ix/I0）/x *l物理意义:在X射线的传播方向上，单位长度上X射线强度衰减程度。*l与物质的密度成正比，即与物质的存在状态有关。因为物质的密度越大，X射线遇到的原子愈多，散射和吸收越强烈。,(2)质量吸收系数m,1)定义m/称质量衷减系数，单位cm2g.2）m的物理意义：表示单位重量的物质引起的X射线的衰减量。3)m与入射X射线波长及元素的原
23、子序数Z的关系。实验证明：mK3Z3, K为常数4)工作中有时需要计算i个元素组成的化合物、混合物、合金和溶液等的质量衰减系数m。由于m与物质的存在状态无关，衰减系数可按下式计算：m=1m1+2m2+imi,.X射线的吸收曲线,X射线通过物质时的衰减，吸收和散射的结果。如果用m仍表示散射系数m表示吸收系数。大多数情况下吸收系数比散射系数大得多，故mm。,典型吸收曲线,从荧光X射线的产生机理，可以解释图中的吸收突变。当入射波长非常短时，它能够打出K电子，形成K吸收。但因其波长太短，K电子不易吸收这样的光子能量，因此衰减系数小。,典型吸收曲线,随着波长的逐渐增加，K电子也越来越容易吸收这样的光子能
24、量，因此衰减系数也逐渐增大，直到K吸收限波长为止。,如果入射X射线的波长比K稍大一点，此时入射光子的能量已无法打出K电子，不产生K吸收。对L层电子来说，入射光子的能量又过大，也不易被吸收，因此，入射X射线的波长比K稍大一点时，衰减系数有最小值。同理，可以解释K吸收限至L吸收限之间曲线的变化规律。,典型吸收曲线,X射线的衰减小结,3、吸收限的应用滤波片的选择,在衍射分析工作中，我们只希望是k辐射的衍射线条，但X射线管中发出的X射线，还含有K辐射和连续谱，会使衍射花样复杂化。获得单色光的方法之一是在X射线出射的路径上放置一定厚度的滤波片，可以简便地将K和连续谱衰减到可以忽略的程度。,滤波片的选择原
25、则1)吸收限为K的物质，可强烈地吸收K的入射X射。对K的入射线吸收很少。2)选择K刚好位于辐射X射线K、K之间，尽量靠近K的金属薄片作为滤波片。3)滤波片放在X射线源与试样之间，滤波片对K射线产生强烈吸收，对K却吸收很少。只剩下K辐射。,）滤波片的厚度 : 滤波片太厚，对K线的吸收增加。 实验表明：当K线的强度被吸收到原来的一半时， I / I将由原来的1/5提高到1/500左右。）滤波片材料的选择当Z靶40时，则Z片=Z靶1当Z靶40时，则Z片=Z靶2）可参阅书页，表,、吸收限的应用阳极靶材料的选择,在X射线衍射晶体结构分析工作中，我们不希望入射的X射线激发出样品的大量荧光辐射。大量的荧光辐
26、射会增加衍射花样的背底，使图象不清晰。避免出现大量荧光辐射的原则是选择入射X射线的波长，使其不被样品强烈吸收，也就是选择阳极靶材料，让靶材产生的特征X射线波长偏离样品的吸收限。根据样品成分选择靶材的原则是： Z靶Z样1；或Z靶Z样对于多元素的样品，原则上是以含量较多的几种元素中最轻的元素为基准来选择靶材。,总结,本章主要讲述三个问题:1.X射线的性质,本质和X射线的产生2.X射线谱-连续谱,特征谱3.X射线与物质的相互作用,关于X射线的性质,本质和X射线的产生1.了解X射线有哪些性质!2.X射线的本质是电磁波,具有波粒二相性.3.X射线的产生定义:高速运动的粒子遇阻嘎然停止,其能量可以X射线形式释放.4.X射线管结构与工作原理,关于X射线谱-连续谱,特征谱1.连续谱产生机理的二种解释(经典,量子),什么是短波限?2.特征谱产生机制?特征谱的命名方法, 什么是临界电压?什么是激发电压?什么是激发限?,关于X射线与物质的相互作用1.宏观效应-X射线强度衰减2.微观机制-X射线被散射,吸收(1)散射-相干散射,康谱顿散射(2)吸收-产生光电子,二次荧光,俄歇电子(3)什么是吸收限?如何选择滤波片,靶?,理解和掌握！加油！,
