湘潭大学材料分析讲义之+X射线物理基础.pptVIP

1895年德国物理学家---伦琴发现X射线； 1895-1897年伦琴发现了X射线在晶体中的衍射现象，确证了X射线是一种电磁波，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； 1912年，英国物理学家Bragg父子利用X射线衍射测定了NaCI晶体的结构，从此开创了X射线晶体结构分析的历史。 X射线最早的应用 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 X射线也是电磁波的一种，波长在10－8cm左右 X射线具有波粒二相性 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。 穿透性强。 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射线管的结构 X射线管的示意图 X射线管的工作原理 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。 X射线管的工作原理 高速电子转换成X射线的效率只有1%，其余99%都作为热而散发了。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。 旋转阳极 上述常用X射线管的功率为500～3000W。目前还有旋转阳极X射线管、细聚焦X射线管和闪光X射线管。 因阳极不断旋转，电子束轰击部位不断改变，故提高功率也不会烧熔靶面。目前有100kW的旋转阳极，其功率比普通X射线管大数十倍。 旋转阳极 加速器中可以引出X射线 加速器中可以引出X射线 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hν的光子。 大量的电子在到达靶面的时间、条件均不同，且还有多次撞，因而产生大量不同能量不同强度的光子，形成连续谱。 极限情况下，能量为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λ0。X射线强度的最大值在λ0的1.5倍附近。 X射线管的效率η，是指电子流能量中用于产生X射线的百分数，即： 随着原子序数Z的增加，X射线管的效率提高，但即使用原子序数大的钨靶，在管压高达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1﹪左右，99％的能量都转变为热能。 莫色莱定律 特征X射线谱的频率（或波长）只与阳极靶物质的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。1913～1914年莫色莱发现物质发出的特征谱波长与它本身的原子序数间存在以下关系： 根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。 K层电子结合能： WK； 产生K激发的光子最小能量：hυK； 阴极电子的能量eV； 只有当eV ≥WK＝hυK，才能产生K激发。其临界值为eVK＝WK ，VK称之临界激发电压。 一束X射线通过物体后，其强度将被衰减，它是被散射和吸收的结果，并且吸收是造成强度衰减的主要原因。 当X射线通过物质时，物质原子的电子在电磁场的作用下将产生受迫振动，其振动频率与入射X射线的频率相同。 任何带电粒子作受迫振动时将产生交变电磁场，从而向四周辐射电磁波，其频率与带电粒子的振动频率相同。 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，故称为相干散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。 不相干散射在衍射图相上成为连续的背底，其强度随（sinθ/λ）的增加而增大，在底片中心处（λ射线与底片相交处）强度最小，α越大，强度越大。 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等，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。 光电效应 ——光电子和荧光X射线 激发K系光电效应时，入射光子的能量必须等于或大于WK。 将激发限波长λK和激发电压VK联系起，VK以