材料分析1-7章习题讲解

第一～七章1.X射线学有几个分支？每个分支的研究对象是什么？•答：X射线学分为三大分支：X射线透射学、X射线衍射学、X射线光谱学。•X射线透射学的研究对象有人体，工件等，用它的强透射性为人体诊断伤病、用于探测工件内部的缺陷等。•X射线衍射学是根据衍射花样，在波长已知的情况下测定晶体结构，研究与结构和结构变化的相关的各种问题。•X射线光谱学是根据衍射花样，在分光晶体结构已知的情况下，测定各种物质发出的X射线的波长和强度，从而研究物质的原子结构和成分。2.分析下列荧光辐射产生的可能性，为什么？（1）用CuKαX射线激发CuKα荧光辐射；（2）用CuKβX射线激发CuKα荧光辐射；（3）用CuKαX射线激发CuLα荧光辐射。答：根据经典原子模型，原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上，在稳定状态下，每个壳层有一定数量的电子，他们有一定的能量。最内层能量最低，向外能量依次增加。根据能量关系，M、K层之间的能量差大于L、K成之间的能量差，K、L层之间的能量差大于M、L层能量差。由于释放的特征谱线的能量等于壳层间的能量差，所以Kβ的能量大于Kα的能量，Kα能量大于Lα的能量。因此在不考虑能量损失的情况下：CuKα能激发CuKα荧光辐射、（能量相同）；CuKβ能激发CuKα荧光辐射、（KβKα）；CuKα能激发CuLα荧光辐射；（KαLα）3.什么叫“相干散射”、“非相干散射”、“荧光辐射”、“吸收限”、“俄歇效应”？答：⑴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，受迫振动产生交变电磁场，其频率与入射线的频率相同，这种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。⑵当X射线经束缚力不大的电子或自由电子散射后，可以得到波长比入射X射线长的X射线，且波长随散射方向不同而改变，这种散射现象称为非相干散射。⑶一个具有足够能量的X射线光子从原子内部打出一个K电子，当外层电子来填充K空位时，将向外辐射K系X射线，这种由X射线光子激发原子所发生的辐射过程，称荧光辐射或二次荧光。⑷指X射线通过物质时光子的能量大于或等于使物质原子激发的能量，如入射光子的能量必须等于或大于将K电子从无穷远移至K层时所作的功W，称此时的光子波长λ称为K系的吸收限。⑸当原子中K层的一个电子被打出后，它就处于K激发状态，其能量为Ek。如果一个L层电子来填充这个空位，K电离就变成了L电离，其能由Ek变成EL，此时将释Ek-EL的能量，可能产生荧光X射线，也可能给予L层的电子，使其脱离原子产生二次电离。即K层的一个空位被L层的两个空位所替代，这种现象称俄歇效应。4.产生X射线需具备什么条件？答：实验证实:在高真空中，凡高速运动的电子碰到任何障碍物时，均能产生X射线，对于其他带电的基本粒子也有类似现象发生。电子式X射线管中产生X射线的条件可归纳为：1.以某种方式得到一定量的自由电子；2.在高真空中，在高压电场的作用下迫使这些电子作定向高速运动；3.在电子运动路径上设障碍物以急剧改变电子的运动速度。5.X射线具有波粒二象性，其微粒性和波动性分别表现在哪些现象中？答：波动性主要表现为以一定的频率和波长在空间传播，反映了物质运动的连续性；微粒性主要表现为以光子形式辐射和吸收时具有一定的质量，能量和动量，反映了物质运动的分立性。6.计算当管电压为50kv时，电子在与靶碰撞时的速度与动能以及所发射的连续谱的短波限和光子的最大动能。解：已知条件：U=50kv；电子静止质量：m0=9.1×10-31kg；光速：c=2.998×108m/s；电子电量：e=1.602×10-19C；普朗克常数：h=6.626×10-34J.s电子从阴极飞出到达靶的过程中所获得的总动能为E=eU=1.602×10-19C×50kv=8.01×10-18kJ由于E=1/2m0v02所以电子与靶碰撞时的速度为：v0=(2E/m0)1/2=4.2×106m/s所发射连续谱的短波限λ0的大小仅取决于加速电压λ0（Å）＝12400/v(伏)＝0.248Å辐射出来的光子的最大动能为：E0＝hʋ0＝hc/λ0＝1.99×10-15J7.特征X射线与荧光X射线的产生机理有何异同？某物质的K系荧光X射线波长是否等于它的K系特征X射线波长？答：特征X射线与荧光X射线都是由激发态原子中的高能级电子向低能级跃迁时，多余能量以X射线的形式放出而形成的。不同的是：高能电子轰击使原子处于激发态，高能级电子回迁释放的是特征X射线；以X射线轰击，使原子处于激发态，高能级电子回迁释放的是荧光X射线。某物质的K系特征X射线与其K系荧光X射线具有相同波长。8.连续谱是怎样产生的？其短波限与某物质的吸收限有何不同（V和VK以kv为单位）？答：当X射线管两极间加高压时，大量电子在高压电场的作用下，以极高的速度向阳极轰击，由于阳极的阻碍作用，电子将产生极大的负加速度。根据经典物理学的理论，一个带负电荷的电子作加速运动时，电子周围的电磁场将发生急剧变化，此时必然要产生一个电磁波，或至少一个电磁脉冲。由于极大数量的电子射到阳极上的时间和条件不可能相同，因而得到的电磁波将具有连续的各种波长，形成连续X射线谱。在极限情况下，极少数的电子在一次碰撞中将全部能量一次性转化为一个光量子，这个光量子便具有最高能量和最短的波长，即短波限。连续谱短波限只与管压有关，当固定管压，增加管电流或改变靶时短波限不变。原子系统中的电子遵从泡利不相容原理不连续地分布在K，L，M，N等不同能级的壳层上，当外来的高速粒子（电子或光子）的动能足够大时，可以将壳层中某个电子击出原子系统之外，从而使原子处于激发态。这时所需的能量即为吸收限，它只与壳层能量有关。即吸收限只与靶的原子序数有关，与管电压无关。9.为什么会出现吸收限？K吸收限为什么只有一个而L吸收限有三个？当激发K系荧光Ⅹ射线时，能否伴生L系？当L系激发时能否伴生K系？答：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。物质对X射线的吸收，是指X射线通过物质对光子的能量变成了其他形成的能量。X射线通过物质时产生的光电效应和俄歇效应，使入射X射线强度被衰减，是物质对X射线的真吸收过程。光电效应是指物质在光子的作用下发出电子的物理过程。因为L层有三个亚层，每个亚层的能量不同，所以有三个吸收限，而K只是一层，所以只有一个吸收限。激发K系光电效应时，入射光子的能量要等于或大于将K电子从K层移到无穷远时所做的功Wk。从X射线被物质吸收的角度称入K为吸收限。当激发K系荧光X射线时，能伴生L系，因为L系跃迁到K系自身产生空位，可使外层电子迁入，而L系激发时不能伴生K系。10.已知钼的λKα＝0.71Å，铁的λKα＝1.93Å及钴的λKα＝1.79Å，试求光子的频率和能量。试计算钼的K激发电压，已知钼的λK＝0.619Å。已知钴的K激发电压VK＝7.71kv，试求其λK。解：⑴由公式νKα=c/λKα及E＝hν有：对钼，ν＝3×108/(0.71×10-10)＝4.23×1018（Hz）E=6.63×10-34×4.23×1018＝2.80×10-15（J）对铁，ν＝3×108/（1.93×10-10）＝1.55×1018（Hz）E=6.63×10-34×1.55×1018＝1.03×10-15（J）对钴，ν＝3×108/(1.79×10-10)＝1.68×1018（Hz）E=6.63×10-34×1.68×1018＝1.11×10-15（J）⑵由公式λK＝1.24/VK，对钼VK＝1.24/λK＝1.24/0.0619=20(kv)对钴λK＝1.24/VK＝1.24/7.71=0.161(nm)=1.61(Å)。11.X射线实验室用防护铅屏厚度通常至少为lmm，试计算这种铅屏对CuKα、MoKα辐射的透射系数各为多少？解：穿透系数IH/IO=e-μmρH，其中μm：质量吸收系数/cm2g-1，ρ：密度/gcm-3H：厚度/cm，本题ρPb=11.34gcm-3，H=0.1cm对CrKα，查表得μm=585cm2g-1，其穿透系数IH/IO=e-μmρH=e-585×11.34×0.1=7.82×e-289=1.13×10-7对MoKα，查表得μm=141cm2g-1，其穿透系数IH/IO=e-μmρH=e-141×11.34×0.1=3.62×e-70=1.352×10-1212.厚度为1mm的铝片能把某单色Ⅹ射线束的强度降低为原来的23.9％，试求这种Ⅹ射线的波长。试计算含Wc＝0.8％，Wcr＝4％，Ww＝18％的高速钢对MoKα辐射的质量吸收系数。解：IH＝IOe-(μ/ρ)ρH＝IOe-μmρH式中μm＝μ/ρ称质量衷减系数，其单位为cm2/g，ρ为密度，H为厚度。今查表Al的密度为2.70g/cm-3.H=1mm，IH=23.9%IO带入计算得μm＝5.30查表得：λ＝0.07107nm（MoKα）μm=ω1μm1+ω2μm2+…ωiμmiω1,ω2…ωi为吸收体中的质量分数，而μm1，μm2…μmi各组元在一定X射线衰减系数μm=0.8％×0.70+4％×30.4+18％×105.4+（1-0.8％-4％-18％）×38.3=49.7612（cm2/g）14.欲使钼靶X射线管发射的X射线能激发放置在光束中的铜样品发射K系荧光辐射，问需加的最低的管压值是多少？所发射的荧光辐射波长是多少？解：eVk=hc/λVk=6.626×10-34×2.998×108/(1.602×10-19×0.71×10-10)=17.46(kv)λ0=1.24/v(nm)=1.24/17.46(nm)=0.071(nm)其中h为普郎克常数，其值等于6.626×10-34e为电子电荷，等于1.602×10-19c故需加的最低管电压应≥17.46(kv)，所发射的荧光辐射波长是0.071纳米。15.什么厚度的镍滤波片可将CuKα辐射的强度降低至入射时的70％？如果入射X射线束中Kα和Kβ强度之比是5：1，滤波后的强度比是多少？已知μmα=49.03cm2/g，μmβ=290cm2/g。解：有公式I=I0e-umm=I0e-uρt查表得：ρ=8.90g/cm3umα=49.03cm2/g因为I=I0*70%-umαρt=㏑0.7解得t=0.008mm所以滤波片的厚度为0.008mm又因为：Iα=5Ι0e-μmαρtΙβ=Ι0e-μmβρt带入数据解得Iα/Ιβ=28.8滤波之后的强度之比为29：116.如果Co的Kα、Kβ辐射的强度比为5：1，当通过涂有15mg/cm2的Fe2O3滤波片后，强度比是多少？已知Fe2O3的ρ=5.24g/cm3，铁对CoKβ的μm＝371cm2/g，氧对CoKβ的μm＝15cm2/g。解：设滤波片的厚度为tt=15×10-3/5.24=0.00286cm由公式I=Ioe-Umρt得：Iα=5Ioe-UmaFet，Iβ=Ioe-Umρot；查表得铁对CoKα的μm＝59.5，氧对CoKα的μm＝20.2；μm（Kα）=0.7×59.5+0.3×20.2=47.71；μm（Kβ）=0.7×371+0.3×15=264.2Iα/Iβ=5e-Umαρt/e-Umβρt=5×exp(-μmFe2O3Kα×5.24×0.00286)/exp(-μmFe2O3Kβ×5.24×0.00286)=5×exp(-47.71×5.24×0.00286)/exp(-264.2×5.24×0.00286)=5×exp（3.24）=128答：滤波后的强度比为128：1。17.计算0.071nm（MoKα）和0.154nm（CuKα）的X射线的振动频率和能量。解：对于某物质X射线的振动频率；能量其中：C为X射线的速度2.99810m/s;为物质的波长；h为普朗克常量为6.625J对于对于MoKkkC=1189810223.410071.0/10998.2smsmWk=hk=1183410223.410625.6