第二章 X射线物理学基础
• 产生K系激发要阴极电子的能量eVk至少等于击出 一个K层电子所作的功Wk 。Vk就是激发电压。
• L层内不同亚能级电子向K层跃迁所发射的K1和
K2的关系
k1 k 2 ,
I k 1
2Ik 2
标识X射线的强度特征 • K系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为:
I标 K 2iV Vk n
• 当I标/I连最大,工作电压为K系激发电压的3~5倍时, 连续谱造成的衍射背影最小。
(2)产生条件 a.产生自由电子; b.使电子作定向的高速运动; c.在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突 然减速或停止。
(3)过程演示
冷却水
X射线 电子
金 属 靶
玻璃 钨灯丝
接变压器
铍窗口
X射线 X射线管剖面示意图
金属聚灯罩
(4)X射线管
• 封闭式X射线管实质上就是一个大的 真空( 105 ~ 107)mm二Hg 极管。基本组成包 括:
前一章内容回顾
• 空间点阵 • 晶(向)面指数 • 倒易点阵定义和倒易矢量的基本性质 • 晶带定律
第二章 X射线的物理学基础
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程 2-2 x射线与电磁波谱 2-3 x射线的产生及x射线谱 2-4 x射线与物质的相互作用 2-5 x射线的探测与防护及应用
画线部分为重点。
2-3 x射线的产生及x射线谱
一、X射线的产生 (1)产生原理; (2)产生条件; (3)过程演示 (4)X射线管; 二、X射线谱 (1)连续X射线; (2)标识X射线。
一、x射线的产生 (1)产生原理
高速运动的电子与物体碰撞时,发生能量转换电 子的运动受阻失去动能,其中一小部分(1%左 右)能量转变为X射线,而绝大部分(99%左右) 能量转变成热能使物体温度升高。
1895年12月22日,伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。 1895年12月28日,伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会 递交了第一篇研究通讯《一种新射线———初步研究》。 伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线,因为他当时 无法确定这一新射线的本质。
1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍 射现象,证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性, 发表了《X射线的干涉现象》一文。
• 质量吸收系数表示单位重量物质对X射线强度的衰减程度。
• 复杂物质的质量吸收系数
n
m (m )ii i 1
• 质量衰减系数与波长和原子序数Z存在如下近似关系:
K为常数
m K3Z 3
• μm随λ的变化是不连续的,其间被尖锐的突变分开。突变
对应的波长为吸收限。
• 吸收限与原子能级的精细结构对应。如L系有三个亚层,有 三个吸收限。
• (1)阴极:阴极是发射电子的地方。 • (2)阳极:亦称靶,是使电子突然减
速和发射X射线的地方。
二、X射线谱
由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型: (1)连续X射线; (2)标识X射线。
(1)连续X射线
• 具有连续波长的X射线,构成 连续X射线谱,它和可见光相 似,亦称多色X射线。
• 产生机理; • 演示过程; • 短波限; • X射线的强度。
短波长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研 究结果。老布拉格则于1913年元月设计出第一台X射线 分光计,并利用这台仪器,发现了特征X射线。
X射线已被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工 业等领域。对于促进20世纪的物理学以至整个科学技 术的发展产生了巨大而深远的影响。
X射线衍射分析的特点:
反映出的信息是大量原子散射行为的统计结果,结
果与材料的宏观性能有良好的对应关系。
不足之处:不可能给出材料实际存在的微观成分和 结构的不均匀性的资料。
2-2 x射线与电磁波谱
X射线的本质是电磁辐射,与可见光完全相同,仅 是波长短而已,因此具有波粒二像性。
(1)波动性;
(2)粒子性。
•X射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动量
γ射线
分为软x射线(波长大于0.5nm)和硬x射线(波长小 于0.5nm)。
用于衍射分析的波长0.05~0.25nm。
•硬X射线:波长较短的硬X射线能量较高,穿透性较 强,适用于金属部件的无损探伤及金属物相分析。
•软X射线:波长较长的软X射线能量较低,穿透性弱, 可用于分析非金属的分析。
•X射线波长的度量单位常用埃(Å)表示;通用的国 际计量单位中用纳米(nm)表示,它们之间的换算关 系为: 1nm=10 Å
X射线的散射
• X射线被物质散射时,产生两种现象: • 相干散射; • 非相干散射。
相干散射
• 物质中的电子在X射线电场的作用下,产生强迫 振动。这样每个电子在各方向产生与入射X射线 同频率的电磁波。新的散射波之间发生的干涉 现象称为相干散射。
• 用于x射线衍射分析。
非相干散射
• X射线光子与束缚力不大的外层电子 或自由电子碰 撞时电子获得一部分动能成为反冲电子,X射线光 子离开原来方向,能量减小,波长增加。
(2)标识X射线
• 是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线, 它和可见光中的单色相似,亦称单色X射线。 1.标识X射线的特征 ; 2.产生机理 ; 3.过程演示 ; 4.K系激发机理 ; 5.莫塞莱定律; 6.标识X射线的强度特征。
标识X射线的特征
• 当电压达到临界电压时,标识谱线的波长不再变,
2-1 x射线的发现及x射线学发展过程
X射线的发现是19世纪末20世纪初物 理学的三大发现(X射线1895年、放 射线1896年、电子1897年)之一,这 一发现标志着现代物理学的产生。
对x射线的发现和应用有巨大贡献的科学家
• 德国物理学家伦琴(1895年)(发现了未知射线) • 德国物理学家劳厄(1912年)(证明x射线的波动性) • 英国布拉格父子(1912年)(简洁形式描述晶体对x射
p之间存在如下关系: h hc
p h
•式 中 h—— 普 朗 克 常 数 , 等 于 6 . 6 2 5 ×1034 J.s; c——X射线的速度,等于2.998×108m/s.
X射线 波长范围0.01~10nm,在电磁波谱上位于
紫外线和γ 射线之间。
无线电波
可见光
可X射见线光
红外线 紫外线
K系激发机理
• K层电子被击出时,原子系统能量由基态升到 K激发态,高能级电子向K层空位填充时产生K 系辐射。L层电子填充空位时,产生Kα辐射; M层电子填充空位时产生Kβ辐射。
• 由能级可知,Kβ辐射的光子能量大于Kα的能量, 但K层与L层为相邻能级,故L层电子填充几率大,
所以Kα的强度约为Kβ的5倍。
• 实验证明,I与管电流、管电压、阳极靶的原子序
数存在如下关系:
且X射线管的效率为:
I连 K1iZV 2X射线 Nhomakorabea效率X射线功率 电子流功率
K1iZV 2 iV
K1ZV
由于K1是个很小的数,约为 1.1 ~ 1.41,0如9V采用W
阳极(z=74),V=100kV时,效率仅为1%左右。 碰撞阳极靶的电子束的大部分能量都耗费在使阳极 靶发热上 。
• 非相干散射是康普顿(pton)和我国物 理学家吴有训等人发现的,亦称康普顿效应。非相 干散射突出地表现出X射线的微粒特性,只能用量 子理论来描述,亦称量子散射。
• 它会增加连续背影,给衍射图象带来不利的影响, 特别对轻元素。
X射线的吸收
• 物质对X射线的吸收指的是X射 线能量在通过物质时转变为其 它形式的能量,X射线发生了能 量损耗。物质对X射线的吸收主 要是由原子内部的电子跃迁而 引起的。这个过程中发生X射线 的光电效应和俄歇效应。
X射线的强度
• X射线的强度是指垂直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 的单位是J/(cm2·s) .
• X射线的强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素 决定的,即I=nhv.连续X射线强度最大值在1.5λ0 ,而不 在λ0处。
• 连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线 的总强度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。
• X射线的衰减规律 • 光电效应 • 俄歇效应
X射线的衰减规律
• 当一束X射线通过物质时,由于散射和吸收的作用使 其透射方向上的强度衰减。衰减的程度与所经过物质 中的距离成正比。式
I x I xdx dIx dx
Ix
Ix
IT I0e / t I0em t
• μm 为质量吸收系数
质量吸收系数μm和吸收限
2-4 X射线与物质相互作用
• X射线与物质相互作用时,
产生各种不同的和复杂的 过程。就其能量转换而言, • X射线的散射 ; 一束X射线通过物质时,可 • X射线的吸收 ;
分为三部分:
• X射线的衰减规律;
• 一部分被散射,
• 吸收限的应用;
一部分被吸收,
• X射线的折射;
一部分透过物质继续沿原来 • 总结 。 的方向传播(透射或折射)。
线的衍射现象,推动了x射线的应用)
1894年11月8日,德国物理学家伦琴将阴极射线管放在 一个黑纸袋中,关闭了实验室灯源,他发现当开启放电 线圈电源时,一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。 用一本厚书,2-3厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插 在放电管和荧光屏之间,仍能看到荧光。他又用盛有水、 二硫化碳或其他液体进行实验,实验结果表明它们也是 “透明的”,铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射 线透过,只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特 殊的从来没有观察到的射线,它具有特别强的穿透力。 他一连许多天将自己关在实验室里,集中全部精力进行 彻底研究。6个星期后,伦琴确认这的确是一种新的射线。
• 质量吸收系数突变的现象或吸收限主要是由光电效 应引起的:当入射X射线的波长等于或小于λk时, 光子的能量达到击出一个K层电子的功W,X射线光 子被吸收,激发光电效应获得能量的电子从内层逸 出,成为光电子,使质量吸收系数μm突变性增大。 μm突变对应的波长为吸收限。