第1章X射线的性质课件.ppt

1、 X射线波长为10-1210-8m ，在电磁波谱中位于紫外线与射线之间并与它们部分相重叠。一般波长短的X射线穿透能力强，称为硬X射线，反之则称为软X射线。电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列 射线射线 X X 射线射线紫外光紫外光可见光可见光红外光红外光微波微波无无线电波线电波2、是粒子性和波动性的统一,动量; ,能量h,普朗克常数 6.62510-34JSC,光速2.998108mhchhp X射线的性质具有很强的穿透能力，通过物质时可具有很强的穿透能力，通过物质时可被吸收使其强度减弱，能杀伤生物细胞。被吸收使其强度减弱，能杀伤生物细胞。沿直线传播，光学透镜、电场、磁场沿直线传播，光学透镜、电场

2、、磁场不能使其发生偏转。不能使其发生偏转。二、X射线的产生 X射线管(原理示意图)2、X射线产生必须具备的三个基本条件： () 产生产生自由电子自由电子 () 使电子作定向高速运动使电子作定向高速运动 () 有障碍物使其突然减速有障碍物使其突然减速三 、 X射线谱连续连续X射线谱射线谱X X射线特征光谱射线特征光谱1、连续、连续X射线谱射线谱连续射线的产生经典电动力学解释：量子力学解释：电子和原子的碰撞e, eU=1/2mv2hvhv = hc/=hc/eU=1.24/U连续X射线谱特征1、存在短波限02、随着管电压的增加，短波限0向短波方向移动。3、随着管电压的增加，射线强度增大。4、射线管

3、发射连续射线的效率比较低。钨阳靶，管电压钨阳靶，管电压100， 12、特征、特征/标识标识X射线谱射线谱特征X射线谱 特征X射线的产生KLMKK基态MLK20.003kev2.869kev2.630kev2.525kev0.509kev0.414kev0.396kev0.235kev0.232kev0M0的原子能级图123K1K2K1K2L1L2若K层产生空位，其外层电子向K层跃迁产生的X射线统称为K系特征辐射，由L层或M层或更外层电子跃迁产生的X系特征辐射分别顺序称为K，K，射线；但距K层越远的能级，电子向K层跃迁几率越小，相应产生的辐射光子数越少，故通常除K、K外，忽略其它辐射。若L层产生

4、空位，其外M，N，层电子向其跃迁产生的谱线分别顺序称为L，L，射线，并统称为L系特征辐射。M系等依此类推。 特征X射线谱及管电压对特征谱的影响钼钯K系 1-20kV 2-25kV 3-35kVK射线的双重线K1与K2(钼靶) K系标识系标识X射线谱的波长和工作电压射线谱的波长和工作电压阳极靶元 素原子序数K1K2K K KVKKV工作电压（KV）Cr242.289622.935122.29092 .084802.07015.982025Fe261.935971.939911.93731.756531.74337.102530Co271.788921.792781.79021.620751.60

5、817.7130Ni281.657841.661691.65911.500101.48808.293035Cu291.540511.544331.54181.392171.38048.863540Mo420.709260.713540.71070.632250.619820.65055Ag470.559410.563810.56090.497010.485525.55560特征X射线谱特征1、波长具有特征性，只与阳极靶原子系数有关，而和管电压无关。2、只有管电压超过一个临界值，才能够产生。3、随着管电压的增加，射线强度增大，但波长不变。特征谱线波长与物质原子序数的关系由莫塞莱(Mose1ey)

6、定律表述. )(1zc特征特征X射线小结射线小结1） 定义定义：是具有特定波长的：是具有特定波长的X射线，也射线，也 称单称单色色X射线射线。2） 产生机理：入射电子能量等于或大于物产生机理：入射电子能量等于或大于物质原子中质原子中K层电子的结合能，将层电子的结合能，将K层电子激层电子激发掉，外层电子会跃迁到发掉，外层电子会跃迁到K层空位，因外层层空位，因外层电子能量高，多余的能量就会以电子能量高，多余的能量就会以X射线的形射线的形式辐射出来，两个能级之间的能量差是固式辐射出来，两个能级之间的能量差是固定的，所以此能量也是固定，即其波长也定的，所以此能量也是固定，即其波长也是固定的：是固定的：

7、 En2En1= h（c/）特征特征X射线小结射线小结3）特征谱结构）特征谱结构 K系特征谱系特征谱 ： K、K、K, K(K1、K2) 4）与与Z的关系的关系 1/1/K K( (Z Z) ) 荧光荧光X射线光谱分析（射线光谱分析（XRF、XFS）四、 X射线与物质的相互作用 散射散射 吸收吸收透过透过衰减衰减 X射线作用于物质射线作用于物质1 X射线的散射射线的散射X射线与物质内层电子作用时，电子便成为新的电磁波源向空间各个方向辐射与入射X射线频率相同的电磁波，新的散射波之间可以发生干涉作用。 X射线射线 光量子光量子 碰撞碰撞(原子中原子中束缚较紧、束缚较紧、Z较大较大电子电子)新振动波

8、源群新振动波源群（原子中的电子）；与原子中的电子）；与X射线的周期射线的周期、频率相同，方向不同。、频率相同，方向不同。相干散射相干散射非相干散射非相干散射X射线与外层电子（受核束缚力小）或自由电子碰撞时，电子获得一部分动能成为反冲电子，碰撞后的光子能量减少并偏离原来的传播方向。由于散射波波长随散射方向改变，与入射X射线不存在固定的位相关系，散射线之间不能发生干涉作用。dxIdIxx X射线穿过厚度为dx的薄层单元时，其强度衰减率dI/I可表示为：HmeIeIIHH00XX 线吸收系数，单位为cm-1。 (1)吸收系数2、 X射线的吸收及衰减规律射线的吸收及衰减规律XdXI0IxdIxI1）

9、： 线吸收系数，单位为线吸收系数，单位为cmcm-1-1。吸收系数讨论2）线吸收系数大小取决于入射线吸收系数大小取决于入射X X射线的波长及射线的波长及物质的密度。物质的密度。3）m m = =/ /，单位为，单位为cmcm2 2g g-1 -1 。质量吸收系质量吸收系数。数。 HmeIeIIHH00 xxxm与入射X射线波长及原子序数Z的关系为：m K 3Z2例题例题 如果以金属Ni作为CuK滤波片，要求只有2%的K辐射穿过，请计算滤波片的厚度和K的透射率。（Ni：= 8.92g/cm3，m(CuK)= 49.2 cm2/g， m(CuK)=286 cm2/g）解：解：1. K滤波片的厚度计

10、算： 当一束平行的X射线垂直投射到吸收体的表面时，其透射光的强度I为： I = I0 exp (-mH) （1）式中：H为吸收体的厚度，为吸收体的密度， m为吸收体的质量吸收系数。 将公式（1）整理成log10的形式： log (I0/I)= 0.434 (-mH ) （2）按题义要求：CuK的 I0/I =50。代入公式（2）中得： H = log 50 /(0.4342868.92) H= 15.3 m2. K的透射率计算： 滤波片的厚度已确定为15.3 mlog 100 / I = 0.43449.28.920.00153 log I = log100 - 0.291 I = 101.7

11、1 = 51.3 即在此条件下CuK辐射的透射率为51.3%。多元素物质（机械混合物、固溶体或化合物）: m = w1m1 + w2m2 + 式中： w1，w2各元素的重量百分数 m1，m2各元素的质量吸收系数（2）吸收限波长吸收系数l k荧光辐射（二次荧光辐射（二次X射线）射线）俄歇效应：俄歇效应：吸收限吸收限激发（吸收）限与激发电压激发（吸收）限与激发电压k12.4/vk k称为激发限，从称为激发限，从X射线吸收的角射线吸收的角度讲又可称吸收限，度讲又可称吸收限，Vk称称 K系激发电系激发电压。压。（3）吸收限的应用 滤波片的选择 当 Z靶 40时，Z滤片 = Z靶-2对于几种阳极靶常采用

12、的滤波片对于几种阳极靶常采用的滤波片阳极靶滤波片靶 材原子序数K波长K波长材料原子序数 K厚度*mmI/I0(K)Cr242.29092 .08480V232.26900.0160.50Fe261.93731.75653Mn251.89640.0160.46Co271.79021.62075Fe261.74290.0180.44Ni281.65911.50010Co271.60720.0130.53Cu291.54181.39217Ni281.48690.0210.40Mo420.71070.63225Zr400.68880.1800.31Ag470.56090.49701Rh450.5338

13、0.0790.29* 滤波后的K/ K强度比为1/600 阳极靶的选择阳极靶发射出的X射线的K波长应稍大于试样的K吸收限K，而且尽量靠近K。 Z靶 Z试样 + 1阳极靶发射出的X射线的波长K某种材料的吸收限K K铁元素吸收系数随波长的变化铁元素吸收系数随波长的变化铁的K = 0.17429nm 0.170.17429研究纯铁样品时,如何选择阳极靶？靶材钴、镍的K波长分别为0.17902nm及0.16591nm，0.160.180.150.17镍的K波长0.16591nm K波长0.1500nm钴的K波长0.17902nm K波长0.160720nm小结：X射线与固体物质的相互作用五、X射线的探

14、测与防护 探测：荧光屏、照相底片、辐射探测器等。 防护：铅板、铅玻璃、铅橡皮工作服、铅玻璃眼镜等。 射线对物质晶体的研究？波的干涉波的干涉(a) 同位相，相长干涉(b) 反位相，相消干涉(c) 存在一定位相差1.1.X X射线的波粒二象性射线的波粒二象性 2.2.连续连续X X射线谱的特点射线谱的特点3.3.X X射线产生的基本条件与基本性质射线产生的基本条件与基本性质4.4.特征（标识）特征（标识）X X射线的特点射线的特点, , 5. 5.光电效应与光电效应与俄歇效应俄歇效应6.6.相干散射与非相干散射相干散射与非相干散射 7.7.什么叫特征什么叫特征X X射线激发电压射线激发电压V V激

15、？激？习 题1-1 试计算波长为试计算波长为0.71(MoK)和和1.54(CuK)的的X射线束的频率射线束的频率(每每秒秒)和每个量子的能量和每个量子的能量 是多少是多少?1-2 试计算管压为试计算管压为50KV时时,X射线管中的电子撞击阳极靶的速度和动射线管中的电子撞击阳极靶的速度和动能。此时能。此时X光管发射的连续光谱的短波限及每个光子的最大能量光管发射的连续光谱的短波限及每个光子的最大能量是多少？是多少？1-3铅对铅对MoK， RhK及及 AgK的质量吸收系数分别为的质量吸收系数分别为141，95.8及及74.4，作图验证公式，作图验证公式m = K3Z3。根据所作的曲线确定试样铅对。

16、根据所作的曲线确定试样铅对60KV管压管压X射线管发出的最短波长辐射的质量吸收系数。射线管发出的最短波长辐射的质量吸收系数。1-4 X射线衍射实验室为保护操作人员所用的铅屏厚度通常至少为射线衍射实验室为保护操作人员所用的铅屏厚度通常至少为1毫米。试计算这种铅屏对于毫米。试计算这种铅屏对于CuK、MoK及管压为及管压为60KV的的X射射线管所发射的最短波长辐射的透射系数（线管所发射的最短波长辐射的透射系数（I透射透射/I入射入射）。）。精品课件精品课件！精品课件精品课件！1885年巴耳麦(J. Balmer)对氢原子在可见光区的十四条谱线总结出了巴耳麦经验公式1895年德国物理学家伦琴(W. C

17、. Rntgen)发现了X射线，初步研究了其性质。他于1901年成为了世界上第一位诺贝尔奖获得者1900年德国物理学家普朗克(M. Planck)提出振子能量有不连续性的“能量子”概念，成功地解释了黑体辐射中能量密度随频率变化的规律1905年爱因斯坦(A. Einstein)提出“光子说”主张光子兼有粒子性，成功地解释了光最效应的实验规律1906年汤姆逊(J. J. Thomson)因证实电子是粒子诺贝尔物理奖1911年卢琴福(E. Rutherford)提出原子结构的有核模型19101912年劳厄(M. Von Laue)在其研究生夫里德里克(W. Friedrich)及尼平(P. Knip

18、ping)的协助下完成了五水硫酸铜单晶对X射线的衍射实验，一箭双雕的证明了X射线的波动性本质及晶体结构排列的周期性质。1914年劳厄师生获得了诺贝尔奖1912年英国物理学家布拉格(W. H. Bragg)发现了X射线的特征谱线，后经莫塞莱(H. G. Moseley)系统化1913年布拉格（W. L. Bragg)用比劳厄更简单的公式表达了X射线在晶体中产生衍射的必要条件（布拉格方程）。1915年布拉格父子获得了诺贝尔奖1913年丹麦物理学家玻尔(N. Bohr)提出原子中电子运动的“定态”概念及“玻尔频率规律”，成功的解释了氢原子光谱的经验公式（巴耳麦经验公式）1921年德国物理学家厄瓦尔多将倒易点阵的概念引入了X射线衍射领域1923法国物理学家德布罗意(L. de Broglie)提出电子等微观质点的运动兼有波动性的假说（物质波）1927年汤姆逊(G. P. Thomson)的电子衍射实验证实了电子具有波动性（德布罗意的假说），并因此获得了1937年的诺贝尔物理奖1985年赫普特曼(H. Hauptman)及科尔勒(J. Karle)因发展了X射线分析的“直接法”获得了诺贝尔奖