1、电磁辐射与材料的相互作用电磁辐射与材料的相互作用 第三节第三节 X X射线的产生及其与物质的相互作用射线的产生及其与物质的相互作用 一、一、X X射线的产生与射线的产生与X X射线谱射线谱 二、二、X X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用 三、三、X X射线的衰减射线的衰减X-X-射线：射线： 一种一种波长介于紫外线和波长介于紫外线和 射线之射线之间间的具有较短波长的的具有较短波长的电磁波电磁波。 射线射线 射线射线紫外线紫外线x射线射线10810121010波长波长, 以以m为单位为单位4 1077 107 一、一、X X射线的产生与射线的产生与X X射线谱射线谱X X射线波长射线波长
2、1010121210108 8m.m.用于用于XRDXRD的波长：的波长： 10101010m, m, 可见光的波长可见光的波长: : 4 4 10107 77 7 10107 7m m，可见可见: :X X射线比可见光射线比可见光, ,波长要短得多。波长要短得多。 射线射线 射线射线紫外线紫外线x射线射线10810121010波长波长, 以以m为单位为单位4 1077 107X X射线是一种电磁波，所以具有波粒二象射线是一种电磁波，所以具有波粒二象性。性。 波动性波动性粒子流粒子流 X X射线射线波动性与微粒性的关系：波动性与微粒性的关系： E = h = hc/ 式中式中 h h 普朗克常
3、数普朗克常数 h h = 6.62618 1034Js； c 光速光速 c = 3 108m s1； E、 、 X X射线光子的能量、射线光子的能量、 频率、波长。频率、波长。X X射线与可见光相比，射线与可见光相比，共性共性: :波粒二象性波粒二象性不同：不同： X X射线波长短、能量大射线波长短、能量大不同体现在：不同体现在： 穿透能力强。能穿透可见光不能穿穿透能力强。能穿透可见光不能穿透的物质，如生物的软组织等。透的物质，如生物的软组织等。X X射线穿过不同媒质时折射和反射极小射线穿过不同媒质时折射和反射极小，仍可视为直线传播。，仍可视为直线传播。通过晶体时发生衍射，因而可用通过晶体时发
4、生衍射，因而可用X X射线射线研究晶体的内部结构。研究晶体的内部结构。prismwindow 1. 1. 源源X X射射线线的的产产生生装置：装置：在实验室里在实验室里, , 产生产生X X射线是利射线是利用具有高真空度的用具有高真空度的X X射线管。射线管。问题：问题：X X射线管在那里？射线管在那里？原理：原理：把用一定材料把用一定材料( (CuCu等等) )制作的阳极（制作的阳极（称为称为靶）靶）和阴极（钨丝）密封在一个玻璃和阴极（钨丝）密封在一个玻璃- -金属管壳内。金属管壳内。当钨丝被当钨丝被3 34 4A A的电流加热后，发出热的电流加热后，发出热电子。电子。冷却水冷却水靶（阳极）
5、靶（阳极）铜铜X射线射线X射线射线真空真空钨丝钨丝玻璃玻璃管座（接变压器）管座（接变压器）铍窗铍窗聚焦罩聚焦罩在阳极和阴极间加直流高压在阳极和阴极间加直流高压V V，阴极产生的热电子将在电场作用下奔向阳极阴极产生的热电子将在电场作用下奔向阳极，并撞击金属靶。，并撞击金属靶。电子的突然减速或停止运动电子的突然减速或停止运动, ,使大部分（使大部分（9999）能量转变成热能）能量转变成热能, ,小部分（小部分（1 1）转变为）转变为X X射线。射线。冷却水冷却水靶（阳极）靶（阳极）铜铜X射线射线X射线射线真空真空钨丝钨丝玻璃玻璃管座（接变压器）管座（接变压器）铍窗铍窗聚焦罩聚焦罩为避免靶材熔解，加
6、循环冷却水为避免靶材熔解，加循环冷却水X X射线在与靶面约成射线在与靶面约成6 6 角处的强度最大，角处的强度最大，按此角度在管上开一窗口，让按此角度在管上开一窗口，让X X射线透过射线透过窗口材料：对窗口材料：对X X射线吸收少的射线吸收少的BeBe冷却水冷却水靶（阳极）靶（阳极）铜铜X射线射线X射线射线真空真空钨丝钨丝玻璃玻璃管座（接变压器）管座（接变压器）铍窗铍窗聚焦罩聚焦罩 X X射线的射线的X X射线射线X X射线谱分类射线谱分类IE连续谱连续谱K 1K 2特征谱特征谱K X X射线管发出的射线管发出的X X射线分为两类：射线分为两类：（1 1）具有连续波长的）具有连续波长的X X射
7、线，称为连续谱；射线，称为连续谱；（2 2）波长确定的）波长确定的X X射线，称为特征谱。射线，称为特征谱。例：例：MoMo靶，当管压靶，当管压=15=15kVkV，发出连续谱，发出连续谱, , 当管压当管压= 25= 25kVkV，则出现特征谱则出现特征谱. .Mo靶靶特征谱特征谱连续谱连续谱2 2 连续连续X X射射线谱线谱 0I定义：定义：由某一最短波长（由某一最短波长（ 0 0，称短波限），称短波限）开始，强度（开始，强度（I I）随波长连续变化的随波长连续变化的X X射线射线谱。谱。产生的机理：产生的机理：当高速运动的电子击靶后，电子被当高速运动的电子击靶后，电子被减速。电子所减少的
8、能量（减速。电子所减少的能量（ E）转为所发射转为所发射X射射线光子能量（线光子能量（h ），），即即h = E。由于击靶的电子由于击靶的电子数目极多，击靶时穿透的深浅不同、损失的动能数目极多，击靶时穿透的深浅不同、损失的动能不等，因此，由电子动能转换为不等，因此，由电子动能转换为X射线光子的能射线光子的能量有多有少，从而形成一系列不同频率、不同波量有多有少，从而形成一系列不同频率、不同波长的长的X射线，构成了连续谱射线，构成了连续谱。 靶材原子靶材原子E0E0E0E0h=E0 E3h= E0 E1E2E3E1h= E0 E2h=E0电子初始动能为电子初始动能为E0；击靶后电子的动能变击靶后电
9、子的动能变为为En ；则则E0 - En = h 为所发为所发射射X射线光子的能量射线光子的能量极端情况极端情况: 电子与靶材相撞，其能量（电子与靶材相撞，其能量（eV）全部转变为辐射光子能量，此时光子能量全部转变为辐射光子能量，此时光子能量最大、波长最短，因此连续谱有一个下限最大、波长最短，因此连续谱有一个下限波长波长 0即即 电子动能电子动能=电子由阴极至阳极时电场所电子由阴极至阳极时电场所做的功做的功=X射线光子能量射线光子能量nm24. 1V (kV)eVhc0= = = 0max hch= eV= = =mv2短波限短波限产生的原因产生的原因：(1) 当管电流不变时，当管电流不变时，
10、 V 0I( ) 曲线上移曲线上移 连续谱：管电压连续谱：管电压V, 电流电流 i, 靶材等影响靶材等影响nm24. 1V (kV)0= = (2) 当管电压不变时，当管电压不变时， i I( )曲线上移曲线上移 ( 0不变）不变） nm24. 1V (kV)0= = (3) 在相同的管电压和电流下在相同的管电压和电流下, 靶材原子序数（靶材原子序数（Z） I( )曲线上移曲线上移 ( 0不变）不变）nm24. 1V (kV)0= = 连续谱的总强度决定于上述连续谱的总强度决定于上述V、i、Z三因素，即三因素，即式中式中, , 为常数为常数. .I 0 03 特征X射线谱IE连续谱连续谱K 1
11、K 2特征谱特征谱K 定义：定义：原子结构原子结构( (回顾）回顾）原子由原子核及绕核运动的电子组成。原子由原子核及绕核运动的电子组成。电子分布在不同能级的壳层上，电子分布在不同能级的壳层上，离核最近的离核最近的K K层能级最低，其次层能级最低，其次L L、M M、N N等能级逐渐增高。等能级逐渐增高。e-e-K L Me-Ne-特征谱产生的机理特征谱产生的机理e-KLMK 管电压增加到某一临界值管电压增加到某一临界值( (，使撞击靶材的电子能量（使撞击靶材的电子能量（eVeV) )足够大，足够大，可使靶原子内层产生空位可使靶原子内层产生空位, ,较外层电子向内层跃迁较外层电子向内层跃迁, ,
12、产生波长确定的产生波长确定的X X射线射线( (特征特征X X射线射线) )。特征特征X X射线光子能量跃迁前后能级差射线光子能量跃迁前后能级差例：例：若若K层产生空位，层产生空位，L层电子向层电子向K层层跃迁，则跃迁，则辐射的辐射的X X射线光子能量射线光子能量： h L K = EL EK e-KLMK 特征特征X X射线的命名射线的命名若若K层产生空位，层产生空位，L L层或层或M M层或更外层层或更外层电子向电子向K K层跃迁，层跃迁，产生的产生的X X射线射线统称为统称为K K系特征辐射系特征辐射，分别按顺序记为分别按顺序记为K ，K ，射线射线。K L MK K L 距距K K层越
13、远的能级，电子向层越远的能级，电子向K K层跃迁的层跃迁的几率越小，辐射光子数越少，几率越小，辐射光子数越少，常见常见K ，K 辐射（忽略其它）辐射（忽略其它）若若M或或N层电子层电子L层（空位）跃迁，层（空位）跃迁， 谱线记为谱线记为L ，L ，射线，射线， 称为称为L L系特征辐射等。系特征辐射等。K L MK K L 实例实例:由近邻由近邻L层电子填充层电子填充K层的空位后所产层的空位后所产生的特征生的特征X射线，称射线，称K 辐射。例如，辐射。例如， CuK = 1.5418; 由次近邻由次近邻M层电子填充层电子填充K层的空位后所层的空位后所产生的特征产生的特征X射线，称射线，称K 辐
14、射。例如，辐射。例如， CuK = 1.3922 。 实际上，实际上，K 是一个双重跃迁是一个双重跃迁，以以Cu为为例，例， K 1=1.5405， K 2=1.5443; 原因：原因：分别由分别由L3层及层及L2层层电子向电子向K K层（空位）跃迁而层（空位）跃迁而产生。产生。K 1K 2 = 1.540 1.544 L L层层K K层层K K )(s s - -= =ZC1式中式中C、s s与线系有关的常数与线系有关的常数。可见：可见：原子序数原子序数 K线系波长线系波长例：例：Cu (Z=29) 靶靶X X射线射线： K 1 = 1.5406 Mo (Z=42) 靶靶X X射线射线： K
15、 1 = 0.7093 热能热能透射透射X射线强度射线强度It = I0 exp(- *t) 散射散射X射射线线电子电子荧光荧光X射线射线相干的相干的非相干的非相干的反冲电子反冲电子俄歇电子俄歇电子 光电子光电子康普顿效应康普顿效应俄歇效应俄歇效应 光电效应光电效应入射入射X射线射线 强度强度 I0t原子原子原子核原子核的的自由自由电子电子物质物质 定义：定义：当高能当高能X X射线光子射线光子被照射物质原子的被照射物质原子的内层电子后，较外层电子填其空内层电子后，较外层电子填其空而产生了次而产生了次生特征生特征X X射线（称二次特征辐射）。射线（称二次特征辐射）。不同之处：不同之处：产生产生
16、时，入射线是时，入射线是高速运动的电子；高速运动的电子；的的入射线是高入射线是高能能X X射线光子。射线光子。KL光子光子h入射入射X X射线射线光子光子he- （1 1）相干散射相干散射 （2 2）非相干散射非相干散射 三、三、X X射线的衰减射线的衰减 定义：定义：入射入射X X射线通过物质，沿透射方射线通过物质，沿透射方向强度显著下降的现象向强度显著下降的现象 原因：原因：由于由于X X射线与物质发生相互作用射线与物质发生相互作用，其能量转换或损失，其能量转换或损失朗伯定律：朗伯定律：X X射线通过物质时，其强度射线通过物质时，其强度按指数规律衰减。按指数规律衰减。t0t0tmeIeII
17、- - -= = =设强度为设强度为I0的入射线透入样品厚度的入射线透入样品厚度x处时处时强度为强度为I(x), I(x)通过微厚度通过微厚度dx后后,其相对变化其相对变化dI(x)/I(x)与与dx成正比成正比，即即:式中：式中： 比例系数比例系数，称线吸收系数称线吸收系数 (cm-1).朗伯定律的推导：朗伯定律的推导：设样品厚度设样品厚度t, ,透射强度透射强度It , ,对式对式 积分，即：积分，即：得到：得到：由式由式有有 表示表示X X射线通过单位长度物质时强射线通过单位长度物质时强度的衰减度的衰减又 强度为（垂直于传播方向上）单强度为（垂直于传播方向上）单位面积的能量，位面积的能量
18、， 亦亦为为X X射线通过单位体积物质时能射线通过单位体积物质时能量的衰减量的衰减 线吸收系数线吸收系数 (cm-1)的含义的含义：设设 m= / （ 为物质密度为物质密度），）， 称称 m为质量吸收系数，则：为质量吸收系数，则： It = I0 exp(- *t) = I0 exp(- m* *t) 定义为定义为X X射线通过单位体积物质时射线通过单位体积物质时能量的衰减能量的衰减 m m 为为X X射线通过单位质量物质时射线通过单位质量物质时能能量量的衰减，的衰减，亦称单位质量物质对亦称单位质量物质对X X射线射线的吸收的吸收各元素的各元素的 m m 见书见书 P324P324。质量质量吸
19、收系数吸收系数 m (cm2.g-1)的含义的含义：不同元素的不同元素的 m m不同不同Be1.35 Si60.3C4.60 S89.1N7.52Cl106O12.7Br99.6F16.4Pb232例例1 1. .在实验室里在实验室里, ,利用利用X X射线管产生射线管产生X X射线射线, , 其窗口材料由薄其窗口材料由薄BeBe片（约片（约0.20.2mmmm厚）制成厚）制成。试计算试计算0.20.2mmmm厚厚BeBe片片对对CuCuK K 辐射的透射辐射的透射因子因子( (I I透射透射/ /I I入射入射) )为多少为多少? (? (BeBe的密度的密度 = = 1.851.85g.c
20、mg.cm-3-3 ， m m= 1= 1.3.35 cm5 cm2 2.g.g-1-1） 解：解： I It t/I/I0 0 = exp(- = exp(- m m* * * *t t) ) = exp(- = exp(-1.35 1.35 * * 1.85 1.85 * * 0.020.02) ) = 0.95 = 0.95安全措施：安全措施：10. 解释名词：解释名词： K 射线与射线与K 射线、短波限与吸收限、线吸收系射线、短波限与吸收限、线吸收系数与质量吸收系数数与质量吸收系数 11. 对于同种材料，有对于同种材料，有 K K K ，试证明此试证明此式成立并据此分析下列荧光辐射产生
21、的可能性：式成立并据此分析下列荧光辐射产生的可能性：(1) Cu K 辐射激发辐射激发Cu K 荧光辐射；荧光辐射；(2) Cu K 辐射激发辐射激发Cu K 荧光辐射。荧光辐射。 12. X射线实验室用防护铅屏，若其厚度为射线实验室用防护铅屏，若其厚度为1mm，试计算其对试计算其对Cu K 、Mo K 辐射的透射因子辐射的透射因子 (I透射透射/I入射入射)各为多少各为多少? (PbPb密度密度 = 11.34= 11.34g.cmg.cm-3-3) )习题习题11.提示提示: EL EkEM EkEL Ek EM EkKL光子光子h入射入射X X射线射线光子光子he-自学材料自学材料如果吸
22、收体由两种以上元素组成，其总如果吸收体由两种以上元素组成，其总的质量衰减系数的质量衰减系数 m可按下式计算：可按下式计算： m m1 w1 + m2 w2 + miwi 式中式中 mi为为第第i i种元素的质量衰减系数种元素的质量衰减系数，wi为其为其质量分数。质量分数。化合物化合物 m的计算的计算：例子例子: : 已知，原子量已知，原子量Si=28.09，O=16.0；质量吸收系数质量吸收系数 Si = 60.3，O = 12.7 (见书见书 P324)P324) 。计算计算SiO2对对Cu K 辐射辐射( = 1.54187) 的质量吸收系数的质量吸收系数?解：解： wsi = 28.09/(28.09+ 2 16.0) = 0.467 wO = 2 16.0/(28.09+ 2 16.0) = 0.533则则SiO2的质量吸收系数的质量吸收系数 m si wsi + o wo 60.3 0.467 + 12.7 0.533 34.93 cm2.g-1热能热能透射透射X射线强度射线强度It = I0 exp(- *t) 散射散射X射射线线电子电子荧光荧光X射线射线相干的相干的非相干的非相干的反冲电子反冲电子俄歇电子俄歇电子 光电子光电子康普顿效应康普顿效应俄歇效应俄歇效应 光电效应光电效应入射入射X射线射线 强度强度 I0t
