第1章X射线物理学基础

第一部分材料X射线衍射 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 一、X射线的发现1895年11月8日，德国物理学家伦琴在研究真空管的高压放电时，偶然发现镀有氰亚铂酸钡的硬纸板会发出荧光。这一现象立即引起细心的伦琴的注意。经仔细分析，认为这是真空管中发出的一种射线引起的。于是一个伟大的发现诞生了。由于当时对这种射线不了解，故称之为X射线。后来也称伦琴射线。　　第1章X射线物理学基础一、X射线的发现伦琴还发现，不同物质对X射线的穿透能力是不同的。他用X射线拍了一张其夫人手的照片，如右图。很快，X射线发现仅半年时间，在当时对X射线的本质还不清楚的情况下，X射线在医学上得到了应用。发展了X射线照像术。第一章X射线物理学基础1895年伦琴初次发现X射线时，拍摄的他夫人手指的X射线照一、X射线的发现　1896年1月23日伦琴在他的研究所作了第一个关于X射线的学术报告。1896年，伦琴将他的发现和初步的研究结果写了一篇论文，发表在英国的《Nature》杂志上。他的发现在社会上引起了轰动，也为他赢得了很大的荣誉。　1901年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴因X射线的发现而获得第一个诺贝尔物理学奖。1901年第一张诺贝尔物理学奖授予W.K.伦琴第一章X射线物理学基础二、X射线的本质对X射线本质的争论，焦点集中在它是：粒子流？电磁波？认为X射线是物质粒子流的科学家中有W.H.布拉格。他的儿子W.L.布拉格则对X射线的波动性进行了深入的研究，并给出了著名的布拉格方程。第一章X射线物理学基础 第一章X射线物理学基础二、X射线的本质对X射线波动性最完美的研究是德国物理学家劳厄（Laue）。　劳厄（1912年）是德国慕尼黑大学非正式聘请的教授。一天著名物理学家索末菲的一名研究生厄瓦耳向他请教关于光在晶体中散射的 数学 数学高考答题卡模板高考数学答题卡模板三年级数学混合运算测试卷数学作业设计案例新人教版八年级上数学教学计划 分析问题。在讨论中劳厄想到了一个问题，就问厄瓦耳，如果波长比晶体中原子的间距比小，会发生什么情形？厄瓦耳说，他的公式应当包括这种情形，并将公式抄了一份给劳厄。讨论时，劳厄若有所思……当光通过与其波长相当的光栅时会发生衍射作用人们推测晶体内部的质点是规则排列的，且间距在10-8cm如果X射线是一种波，且波长与晶体内部质点的间距相当，那么，用X射线照射晶体…..X射线衍射？！劳厄在伦琴的两名研究生弗里德里希（W.Friedrich）和克尼(Knipping)的帮助下，进行了第一次X射线衍射实验，并取得了成功。　第一次X射线衍射实验所用的仪器如左图。所用的晶体是硫酸铜。劳厄法X射线衍射实验的基本装置与所拍的照片 　爱因期坦称，劳厄的实验是“物理学最美的实验”。它一箭双雕地解决了X射线的波动性和晶体结构的周期性。二、X射线的本质后来的科学证明，与可见光一样，X射线的本质是一种电磁波。　它具有波粒二象性。即它既具波动性，又具有粒子性。在X射线衍射分析中应用的主要是它的波动性，反映在传播过程中发生干涉、衍射作用。在与物质相互作用，进行能量交换时，则表现出它的粒子性。第一章X射线物理学基础二、X射线的本质1、X射线的波动性：表现为以一定的波长和频率在空间传播。　　　　　　Ｖ＝Ｃ／λ第一章X射线物理学基础X射线的波长范围：10-0.001nm　第一章X射线物理学基础二、X射线的本质　X射线的波长范围：100-0.01Å或10-0.001nm　　硬X射线：0.05-2.5Å　　　　　　　0.5-2.5　Å　主要用于晶体结构分析　　　　　　　0.05-1　Å　主要用于金属探伤等　　软X射线：10-100　Å　主要用于医学　波长的单位：nm（纳米）法定单位　　　　　　　Å　　　　　过去的常用单位　　　　　　　KX　　　　晶体学单位（不常用）　换算关系：1nm=10-9m=10Å2、X射线粒子性：X射线的粒子性则表现在它是由大量不连续的粒子流构成的。它具有一定能量和动量。　能量ε和动量p与X射线光子的频率v和波长λ之间的关系如下：　ε＝hv=hc/λ　　　　p＝h/λ　　h为普朗克常数，　　c为光速，第一章X射线物理学基础二、X射线的本质三、X射线的产生与X射线管　　X射线的产生常用的方式:X射线管和同步幅射X射线源　　　　常用X射线管的结构：第一章X射线物理学基础1常用的靶材：Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Mo,Ag2冷却系统：当电子束轰击阳极靶时，其中只有1%能量转换为X射线，其余的99%均转变为热能。因此，阳极的底座一般用铜制作。使用时通循环水进行冷却。以防止阳极过热的熔化。3窗口：X射线射出的通道。窗口一般用对X射线穿透性好的轻金属铍密封，以保持X射线的真空。一般X射线管有四个窗口，分别从它们中射出一对线状和一对点状X射线束。第一章X射线物理学基础三、X射线的产生与X射线管4焦点:指阳极靶面被电子束轰击的面积。其形状取决于阴极灯丝的形状。焦点一般为1mm*10mm的长方形。产生的X射线束以6°度角度向外发射。于是在不同的方向产生不同形状的X射线束。与焦点长边方向相对应的位置上产生约0.1*10mm的线状X射线束。在相应于短边的方向上产生1*1mm的点状X射线束。不同的分析方法需要不同形状的X射线束，使用时可根据需要进行选择。第一章X射线物理学基础三、X射线的产生与X射线管5、X射线管的基本电气电路与X射线的产生:X射线管的基本电气电路见图。在阴极通电流，在灯丝上产生大量的电子。在阴极和阳极之间加高电压。使阴极产生的电子向阳极运动，并轰击阳极产生X射线。正如太阳光包含有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等许多不同波长的光一样，从X射线管中发出的X射线也不是单一波长（单色）的，而是包含有许多不同波长的X射线。这些波长构成连续的光谱，且是为一波长连续的光谱，包括从某一最小值开始的一系列连续波长的幅射。它与可见光中的白光相似，故称白色X射线。它们的强度随波长的变化情况见图（图1-5<下一页>和图1-3）第一章X射线物理学基础四、X射线谱(一)连续X射线（白色X射线）1）强度随波长而连续变化，每条曲线都对应有一个最短的波长（短波限λ0）和一个强度的最大值。最大值一般在1.5λ0地方。1、特点2）λ0与管流和靶的材料无关，只与管压有关，二者之间的关系：λ0=1.24/V(nm)　　随着管压的增大，λ0向短波方向移动。3）连续X射线的强度不仅与管压有关，还与管流和靶材有关。　I连=                           　i为电流强度，Z为靶材的原子序数，mi为2，α为：  （1.1-1.4 ）x10-9               强度随管流、管压和靶材的原子序数的增大而增大。当需要连续X射线时，采用重元素的靶能得到较强的连续X射线。　X射线管的效率：　　η=连续X射线的总强度/X射线管的功率　　η=            =αZV当用钨靶（Z=74），管压为100KV。η≈1%。可见X射线管的效率很低。要提高效率，应采用高电压和重金属。　(一)连续X射线（白色X射线）2、连续X射线产生机理　按量子理论，当能量为eV的高速的电子撞击靶中的原子时，电子失去自己的能量。其中大部分转化为热能。一部分以光子（X射线）的形式幅射出。每撞击一次就产生一个能量为hv的光子。由于单位时间内到达靶表面的电子数量很多。大多数电子还经过多次碰撞。因此，各个电子的能量各不相同，产生的X射线的波长也就不同。于是产生了一个连续的X射线谱。　　其中少数电子在一次碰撞中就将能量全部转化为光子，因此它产生的光子能量最大，波长最小。其短波限λ0取决于能量最大电子，这与管压有关。大多数的电子经过多次碰撞，能量逐步地释放，产生的光子能量也相应减小，波长大于λ0。由于X射线的强度取决于光子的数目。所以连续X射线谱的最大值不在λ0的位置。第一章X射线物理学基础四、X射线谱(二)特征X射线谱（标识X射线）1、特征X射线及其激发电压　当电压加到25KV时，Mo靶的连续X射线谱上出现了二个尖锐的峰Kα(0.071nm)和Kβ(0.063nm)。第一章X射线物理学基础四、X射线谱   四、X射线谱Kα波长比Kβ长，Kα与Kβ强度比约为5：1。放大看，Kα还分为Kα1和Kα2两条线。Kα1和Kα2强度比约为2：1，　随着电压的增大，其强度进一步增强，但波长不变，也就是说，这些谱线的波长与管压和管流无关。　它与靶材有关。对给定的靶材，它们的这些谱线是特定的。因此，称之为特征X射线谱或标识X射线谱。产生特征X射线的最低电压称激发电压。 　不同靶材料具有不同波长的特征X射线和激发电压四、X射线谱(二)特征X射线谱（标识X射线）1、特征X射线及其激发电压 四、X射线谱莫塞来1914年总结了特征X射线与靶材原子结构之间的关系：　K为常数，与原子的主量子数有关σ为屏蔽常数，与电子所在的壳层有关。　　反过来，如果能测到材料中元素发射的特征X射线的波长，就能知道产生这些特征X射线元素是什么。这就是X射线荧光光谱和电子探针分析的理论基础。　　　　 (二)特征X射线谱（标识X射线）2、特征X射线产生的机理　　原子内部电子的分布如图　原子内部的电子分布在不同的壳层上K、L…每个壳层上的电子具有不同的能量εk、εL…四、X射线谱　　光谱学定义，电子跃迁到K层产生的幅射称为K系幅射，依次还有L系、M系幅射等。并按电子跃迁时所跨跃的能级数目不同，进行进一步的标识。跨跃1个能级的标记为α，2个能级的标记为β等。　　L—K为Kα　　M—K为Kβ四、X射线谱△εKM>△εKL，所以Kβ的波长小于Kα。L—K跃迁的几率比M—K大5倍左右，所以，Kα强度比Kβ大5倍。　　同一壳层中电子能量实际上有微小的差别。如LIII--K的跃迁几率比LII—K跃迁高1倍。IKα1:IKα2≈2:1这些幅射中L、M、N系列的幅射强度很弱，波长长，容易被吸收。K系特征幅射最强，尤其是Kα，是X射线分析中最常用的X射线。　由于Kα1和Kα2波长相差很小。一般将它们视为同一条线Kα。其波长用二者的加权平均。λKα=2/3λKα1+1/3λKα2　　　　　λKα=2/3λKα1+1/3λKα2第一章X射线物理学基础四、X射线谱说明：1)激发电压对不同的阳极靶是不同的，它由阳极靶的原子序数Z所决定。2)阳极靶不同产生的特征X射线的波长不同。3）工作电压一般是激发电压的3-5倍。因为当工作电压激发电压的3-5倍时，I特/I连最大。4）实验中最常用的特征X射线是Kα。最常用的靶材是Cu和Fe。5）λKα=2/3λKα1+1/3λKα2,有时需要注意区分Kα1和Kα2。五、X射线与物质的相互作用1）相干散射（汤姆逊散射）A、与物质原子中束缚较紧的电子作用。B、散射波随入射X射线的方向改变了，但频率（波长）相同。C、各散射波之间符合振动方向相同、频率相同、位相差恒定的干涉条件，可产生干涉作用。相干散射是X射线在晶体产生衍射的基础。第一章X射线物理学基础1、X射线的散射X射线通过物质时，部分X射线将改变它们前进的方向，即发生散射现象。X射线的散射包括两种：相干散射和非相干散射。2）非相干散射（康普顿散射）当X射线与束缚较小的外层电子或自由电子作用时，X射线光子将一部分能量传给电子，使之脱离原有的原子而成为反冲电子。同时光子本身也改变了传播方向，发生散射，且能量减小，即散射X射线的波长变长了。A、X射线作用于束缚较小的外层电子或自由电子。B、散射X射线的波长变长了。散射X射线波长的改变与传播方向存在如下的关系：　△λ=0.0024(1-cos2θ)C、由于散射X射线的波长随散射方向而变，不能产生干涉效应。故这种X射线散射称为非相干散射。非相干散射不能参与晶体对X射线的衍射，只会在衍射图上形成不利的背景。五、X射线与物质的相互作用2、X射线的吸收物质对X射线的吸收指X射线能量在经过物质时转变为其它形式能量的效应。它主要包括：光电效应（二次特征幅射）和俄歇效应等。1）光电效应当用X射线轰击物质时，若X射线的能量大于物质原子对其内层电子的束缚力时，入射X射线光子的能量就会被吸收，从而导致其内层电子（如K层电子）被激发，并使高能级上的电子产生跃迁，发射新的特征X射线。我们称X射线激发的特征X射线为二次特征X射线或荧光X射线。2、X射线的吸收1）光电效应　　　　这种以光子激发电子所发生的激发和幅射过程称为光电效应。被击出的电子称光电子。产生的二次特征X射线的波长与激发它们所需的能量取决于物质的原子种类和结构。要使K层电子产生光电效应，入射X射线的能量必须大于等于原子中K层电子的逸出功Wk，　hv≥WkWk=eVk　将入射X射线的波长与激发电压联系起来就有:　　hc/λ≥eV或　hc/eVk≥λ五、X射线与物质的相互作用第一章X射线物理学基础五、X射线与物质的相互作用能引起光电效应的入射X射线的最大波长（单位：nm):λk从激发光电效应的角度说，称为激发限波长，意义是只有入射的X射线波长达到或小于它时，才能激发物质的二次特征X射线。从X射线被吸收的角度看，称为吸收限波长。意义是当入射的X射线的波长达到它时，入射X射线将被该物质强烈吸收，并产生光电效应。Kα线和Kβ线发射分别对应于L到K和M到K能级之间的电子跃迁，而K吸收限的能量相当于K层电子的结合能或逸出功，即K能级与原子第一个自由能级之间的能量差。因此，对于一个给定的元素，就有:　　　　　　λk吸收〈λKβ发射〈λkα发射五、X射线与物质的相互作用2、X射线的吸收2）俄歇效应当高能级的电子向低能级跃迁时，能量不是产生二次X射线，而是被周围某个壳层上的电子所吸收，并促使该电子受激发逸出原子成为二次电子。这种效应是俄歇1925年发现的。故称俄歇效应，产生的二次电子称俄歇电子。二次电子具有特定的能量值。可以用来表征这些原子。利用该原理制造的俄歇能谱仪主要用于分析材料表面的成分。五、X射线与物质的相互作用五、X射线与物质的相互作用3、X射线的衰减规律与吸收系数X射线通过物质时，X射线强度衰减了。其中，因散射引起的衰减远远小于因吸收导致的衰减量。因此，可以近似地认为，X射线通过物质后其强度的衰减是由于物质对它的吸收所造成的。五、X射线与物质的相互作用衰减的程度可以用吸收系数来表征：                   I0和Ix分别是入射和透过物质后X射线的强度。x为厚度;u为物质的线吸收系数，其意义是当X射线通过物质时，在X射线传播方向上，单位长度上X射线强度的衰减程度（       ）。它与物质的种类、密度和X射线波长有关。由于线吸收系数与物质的密度有关，计算起来不方便。因此，实际中最常用的是物质的质量吸收系数um:ρ为物质的密度。质量吸收系数的意义是单位质量物质对X射线的衰减程度3、X射线的衰减规律与吸收系数         　                     如果吸收体中是由两种以上的元素组成的化合物或混合物、或溶液，其总体的质量吸收系数为：um=w1×um1+w2×um2+w3×um3+……+wp×umpw1,w2,w3和wp为该吸收体中各组分的质量分数um1,um2,um3和ump为该吸收体中各组分的质量吸收系数。质量吸收系数与物质的密度和状态无关，而与物质的原子序数（即原子的种类）和入射X射线的波长有关。它们的关系为：K为常数。吸收系数反映了不同物质对X射线的吸收程度。五、X射线与物质的相互作用3、X射线的衰减规律与吸收系数五、X射线与物质的相互作用1）吸收系数随波长的增大而增大,且在一定区间内是连续变化的。这是因为X射线的波长越长越容易被物质所吸收。2）在某些波长的位置上产生跳跃式的突变。即吸收限（吸收边）或激发限的存在。对一定波长的X射线在某些原子序数的位置上也产生跳跃式的突变。几种元素K系射线波长和常用的滤波片及其吸收限五、X射线与物质的相互作用4、吸收限的应用1）滤波片的选用在X射线分析中，在大多数情况下都希望所使用的X射线波长单一，即“单色”X射线。但实际上，如上所述，K系特征谱线包括两条谱线。在X射线分析时，它们之间会相互干扰。我们可以应用某些材料对X射线吸收的特性，将其中的Kβ线过滤掉。五、X射线与物质的相互作用4、吸收限的应用1）滤波片的选用　　　　　如上所述，任何材料对X射线的吸收都有一个Kα线和Kβ线。如Ni的吸收限为0.14869nm。也就是说它对0.14869nm波长及稍短波长的X射线有强烈的吸收。而对比0.14869稍长的X射线吸收很小。Ni的吸收限:0.14869nmCu靶X射线:Kα=0.15418nmKβ=0.13922nm几种元素K系射线波长和常用的滤波片及其吸收限五、X射线与物质的相互作用4、吸收限的应用1）滤波片的选用　X射线分析中，在X射线管与样品之间放一个滤波片，以滤掉Kβ线。滤波片的材料依靶的材料而定。一般采用比靶材的原子序数小1或2的材料。当Z靶＜40时，Z滤=Z靶-1当Z靶≥40时，Z滤=Z靶-2　　五、X射线与物质的相互作用4、吸收限的应用2）不同阳极靶X射线管的选择为避免样品强烈吸收入射X射线产生荧光幅射，对分析结果产生干扰。必须根据所测样品的化学成分选用不同靶材的X射线管。原则是：　　　　Z靶≤Z样品+1或Z靶>>Z样品六、X射线的安全防护X射线对人体有一定的危害。长时间的照射，会引起不良的后果。在进行X射线分析应该注意对X射线的防护，不要让X射线直接照射人体。可用一些重金属材料，如铅，进行屏蔽。不过也不必谈虎色变，少量接触影响不大。