材料分析方法 第一章 X射线物理基础.ppt

第一章 X射线物理学基础 内容提要： 第一节 X射线的性质 第二节 X射线的产生 第三节 X射线谱 第四节 X射线与物质的相互作用 第五节 X射线的衰减规律 第六节 吸收限的应用 第一节 X射线的性质 X射线的波长范围：10-3～10nm。 一、 X射线的性质 ① 不可见，但它能使一些气体或其他物质电离，使照相底片感光，使荧光物质发光。 ② 穿透性强，并可被物质吸收和散射。 软X常用于晶体的X射线衍射分析。 硬X射线常用于金属零件的探伤和医学上的透视分析。 ③折射率≈1 X射线穿过不同媒质时，呈直线传播，在电场和磁场中也不发生偏转，因此不能用常规方法使X射线会聚或发散。 ④ 对生物细胞有很强的杀伤作用。 二、 X射线的本质 1、X射线的本质 也是电磁波，即也是一种无静止质量并以光速运动的光子。 2、X射线的波粒二象性 波动性的表现：以一定的频率和波长在空间传播，例如以晶体作衍射光栅时观察到的X射线的衍射现象； 描述波动性的物理量：频率ν、波长λ 粒子性的表现：以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量、能量和动量，如光电效应等。 描述粒子性的物理量：能量E、动量P 波动性和粒子性之间存在下述关系： 第二节 X射线的产生 一、X射线产生原理 实验证明：高速运动的带电的基本粒子突然受阻时，随着能量的消失和转化，就会产生X射线。 实际用于获得X射线的带电粒子是电子。 电子式X射线管产生X射线的条件： (1)?? 产生电子的电子源； (2)?? 使电子作定向高速运动； (3)?? 在高速电子流的运动路径上设置障碍物，使电子突然受阻。 (4)?? 封闭在高真空中，真空度高于10-3Pa。 二、 X射线管 1、封闭电子式X射线管的结构 封闭电子式X射线管与其结构示意图 (1)??阴极：钨丝；加热钨丝发射热电子； (2)??阳极/靶：使电子突然减速并发射X射线的地方。 不同的靶面材料用于获得不同波长的X射线。 (3) ?阴极和阳极之间的高压使电子作定向高速运动； (4)??阴、阳极都密封在高真空管中，真空度10-3Pa。 其他组成部分：金属聚焦罩、冷却水、铍窗口。 第三节 X射线谱 X射线谱：X射线强度随波长变化的关系曲线。 X射线的强度 X射线的强度：单位时间内，通过与X射线传播方向垂直的单位面积上的X射线光量子的能量总和。用I表示。 常用单位：J/cm2·s。 强度为光子流密度和每个光子的能量的乘积。(光子流密度：单位时间内通过单位截面的光量子数目。) 即X射线的强度（I）是由光量子的能量（hν）及它的数目（n） 决定，I= n hν。 由热阴极X射线管发出的X射线分为两种类型： (1)连续X射线谱； (2)特征X射线谱（又称标识X射线谱）。 它们对应两种X射线辐射的物理过程。 一、连续X射线谱 1、定义 X射线谱中，强度随波长连续变化的部分，称为连续X射线谱，简称连续谱。 2、连续谱的特点 ①不同管压下，连续谱在短波方向都有一个突然截止的波长极限值，称为短波限，用λ0表示。 ②X射线波长由大于λ0的所有辐射组成； ③强度存在一最大值（约1.5 λ0处，用λm表示 ）。 ④对同一靶材，不同管压、管流下的连续谱的变化规律。 3、连续X射线谱的解释 ① 连续谱的产生 量子理论： 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hv的光子。 由于大量电子射到阳极上的时间和条件不尽相同，仅有一少部分电子能产生极限能量交换，绝大多数电子经多次碰撞完成能量交换，而辐射出波长大于λ0 的不同波长的X射线，形成连续谱。 ② 短波限 极限情况下，能量为eV的电子在一次碰撞中将其在电场中加速得到的全部动能转给一个光子，则此光子的能量最大，波长最短，相当于短波限λ0的X射线。 ③ 强度最大值位于1.5λ0附近 X射线强度由每个光子的能量hv和单位时间通过单位面积的光子数目n两个因素决定,即I=nhv。 在碰撞过程中，能产生极限能量交换的电子仅占一少部分，而其他大量电子会产生多次碰撞完成能量交换，因此虽然短波限对应的光子能量最大，但光子数目不多，故强度的极大值不在λ0处，而位于1.5λ0附近。 ④对同一靶材，不同管压、管流下的连续谱的变化规律。 U管升高，各辐射强度升高，λ0和 λmax （最大辐射时的波长）均减小； 解释：当加大管压时，击靶电子的动能、电子与靶材原子的碰撞次数和辐射出来的X射线光子的能量都会增加，因此随管压的增加，各波长X射线的强度均增加。 管电压不变时，随管电流的升高，各辐射强度均升高，但λ0和λmax保持不变。 二、特征X射线谱 1、定义 当U管超过某临界值后，叠加在连续谱上的强度很高且具有一定波长的X射线谱，称为特征X射