《第一章x射线的物理学基础》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章x射线的物理学基础（37页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2010-3-9 近代材料研究方法近代材料研究方法 艾云龙艾云龙 2010-3-92010-3-9 绪论绪论 ?材料：你们最关心的是什么？材料：你们最关心的是什么？ 性能：你认为与哪些因素有关？性能：你认为与哪些因素有关？ 结构：有哪些检测分析技术？结构：有哪些检测分析技术？ 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 绪论绪论 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 绪论绪论 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 绪论绪论 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 绪论绪论 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-9
2、2010-3-9 绪论绪论 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 绪论绪论 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 绪论绪论 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 绪论绪论 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 第一章第一章 X射线的物理学基础射线的物理学基础 1895年，德国物理学家伦琴（Rntgen,W.C.）发现X射线 1912年，德国物理学家劳厄（Von.Laue,M） 等人发现X射线 在晶体中的衍射现象，确证X射线是一种电磁波电磁波 1912年，英国物理学家布喇格父子(Bragg,W.H;Bragg
3、,V.L.) X射线测定NaCl晶体，开创X射线晶体结构分析的历史 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 ? 1.1. X射线的本质X射线的本质； ? 2. 2. X射线的产生X射线的产生； ? 3. 3. X射线谱X射线谱； ? 4. 4. X射线与物质相互作用X射线与物质相互作用； ? 5. 5. X射线的探测与防护X射线的探测与防护； 第一章第一章 X射线的物理学基础射线的物理学基础 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 1. X射线的本质射线的本质 ? X射线的本质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。
4、 ? (1)波动性；(1)波动性； ? (2)粒子性。(2)粒子性。 ? 解释X射线的传播过程（干涉、衍射等）时，将其看作 波，用波长、频率、振幅E0和传播方向来表征。 ? 考虑X射线与物质的相互作用时，将其看作微粒流，具 有能量E和动量P。 ?二象性公式：二象性公式： 称为波矢为普朗克常数， 1 = = Kh Kh h P c hhE r r 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 1. X射线的本质射线的本质 ? X射线的波长范围X射线的波长范围： 0.00110nm ? X射线金属学常用波长在0.250.05nm之间，材料探伤波 长在0.10.005nm ? 表现形式
5、：表现形式：在晶体作衍射光栅观察到的X射线的衍射现 象，即证明了X射线的波动性。 ? 硬X射线：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：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X射线波长的度量单位常用埃（）表示；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 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 2. X射线的产生2. X射线的产生 ? (1)产生原理；(1)产生原理； ? (2)产生条件；(2)产生条件； ? (3)过程
6、演示；(3)过程演示； ? (4) X射线管；(4) X射线管； 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 2. X射线的产生2. X射线的产生 ? 产生原理产生原理 ? 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。 ? 产生条件产生条件 ? 1.产生自由电子； ? 2.使电子作定向的高速运动; ? 3.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。 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 接变压器接变压器 钨灯丝钨灯丝 玻璃玻璃
7、 ?过程演示过程演示 （回车键演示） 冷却水冷却水 电子电子 金属聚灯罩金属聚灯罩 铍窗口铍窗口X射线管剖面示意图 金属靶 射线管剖面示意图 金属靶 X射线射线 X射线射线 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 ? X射线管X射线管 封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管。 基本组成包括： (1)阴极： 基本组成包括： (1)阴极：阴极是发射电子的地方。 (2)阳极：(2)阳极：亦称靶，是使电子突然减速和发射X射线的 地方。 (3)窗口：(3)窗口：窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方。 (4)焦点：(4)焦点：焦点是指阳极靶面被电子束轰击的地方，正 是从这块面积上发射
8、出X射线。 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 3.X射线谱3.X射线谱 ? X射线谱可分为两部分：X射线谱可分为两部分： 1）连续X射线谱； 2）标识（特征）X射线谱。 ? 连续X射线谱连续X射线谱 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。 ?产生过程产生过程； ?产生机理产生机理； ?短波限短波限； ?X射线的强度X射线的强度。 mi n 相对强度I 连 续 X 射 线 特征X射 线 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 K态（击走K电子） L态（击走L电子） N态（击走N电子） 击走价电子 中性原子 Wl
9、Wm Wn 0 Wk 原 子 的 能 量 连续X射线产生过程 电子冲击阳级靶 ?连续连续X射线谱射线谱 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 ?连续X射线谱在短波方向有一个波长极限，称为短波限0 。它是由光 子一次碰撞就耗尽能量所产生的X射线。它只与管电压有关，不受其 它因素的影响。 ?相互关系为： ?式中e电子电荷，等于1.60210-19C；V电子通过两极时的电压 降； h普朗克常数，等于 ? 连续连续X射线谱射线谱 ?产生机理产生机理 ?能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子失去自己的能量，其中部分以 光子的形式辐射，碰撞一次产生一个能量为hv的光子，这样的光子
10、流即为X 射线。单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经 历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出现连续X射线谱。 ?短波限短波限 0 max hc heV= sj 34 10625. 6 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 ?连续连续X射线谱射线谱 ?存在短波极限，对应于能量 为eV的电子将能量全部转换 为光量子的能量 )( )kV( 40.12 A min min o V hc heV = = ?管电压越高， min越短。 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 ?连续连续X射线谱射线谱 ?连续X射线谱的总强度（能量）：连续
11、X射线谱的总强度（能量）： 2 d )( min KiZVII= 连续 I i1 i2 i3 管流管流i3 i2i1 I Mo Ag W 不同阳极不同阳极 ?当增加x射线管压时，各种波长射线的相对强度一致增高，最大强度X射线的波 长max和短波限min变小； ?当管压保持恒定、增加管流时，各种波长X射线的相对强度一致增高，但max 和min数值大小不变 ?当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随靶元素的原子序数增加 ?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。 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 ?特征特征X射线谱射线谱
12、?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。 ?谱线不随X射线光管的工作条件而变，只决 定于阳极物质。 ?当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不 再变，强度随电压增加。如钼靶K系标识X射 线有两个强度高峰为K和K，波长分别为 0.71和0.63 。 ?产生过程产生过程； ?K系激发机理K系激发机理 ； ?莫塞莱定律莫塞莱定律； ?标识X射线的强度特征标识X射线的强度特征。 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 ?特征特征X射线谱射线谱 K态（击走态（击走K电子）电子） L态（击走态（击走L电子）电子） N态（击走态（击走N电
13、子） 击走价电子 中性原子 电子） 击走价电子 中性原子 Wk Wl Wm Wn 0 标识标识X射线产生过程射线产生过程 K激发 L激发 Ka 辐 射 K 辐 射 L辐射 N M K L K K K L L K系激发系激发 L系激发系激发 ?在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的 内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定 激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射 出标识X射线谱。 ?标识标识X射线产生过程射线产生过程 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 ?K系激发机理K系激发机理 ?由能级可知K辐射
14、的光子能 量大于K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K的强度 约为K的5倍。 ?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。 ? 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K辐射；M层电 子填充空位时产生K辐射。 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 ?莫塞莱定律莫塞莱定律 ?标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的 固有特性。 标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构，是物质的
15、 固有特性。 ?莫塞莱定律：标识X射线谱的波长与原子序数Z关系为：莫塞莱定律：标识X射线谱的波长与原子序数Z关系为： () =ZC 1 ?标识X射线的强度特征标识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：K系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为： ?当I当I标 标/I /I连 连最大，工作电压为K系激发电压的3 最大，工作电压为K系激发电压的35倍时，连续 谱造成的衍射背影最小。 5倍时，连续 谱造成的衍射背影最小。 ?特征特征X射线谱射线谱 ()n k VViKI= 2标 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 ?几种常用阳极靶材料的特征谱参数
16、几种常用阳极靶材料的特征谱参数 K系特征谱波长（埃） 阳极靶 元素 原子序数 Z K系特征谱波长（埃） 阳极靶 元素 原子序数 Z K K Cr 24 2.29100 2.08487 Fe 26 1.937355 1.75661 Co 27 1.790262 1.62079 Ni 28 1.659189 1.500135 Cu 29 1.541838 1.392218 Mo 42 0.710730 0.632288 制作：艾云龙制作：艾云龙 2010-3-92010-3-9 4.X射线与物质相互作用4.X射线与物质相互作用 ? X射线的散射射线的散射 ； ? X射线的吸收射线的吸收 ； ? X射线的衰减规射线的衰减规 律律； ? 吸收限的应用吸收限的应用. . 2010-3-92010-3-9 4.X射线与物质相互作用4.X射线与物质相互作用 ? X射线的散射X射线的散射 ?
