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1第一章X射线物理学基础本章内容◆X射线的本质◆X射线的产生◆X射线谱◆X射线与物质的相互作用◆X射线的探测与防护2X射线的发现◆1895年,德国物理学家伦琴研究阴极射线时发现,由于对其本质不了解,称为X射线,亦称伦琴射线Roentgen3X射线的发现劳厄(1879~1960)德国物理学家1912年发现了X射线通过晶体时产生的衍射现象,从而导致了X射线衍射技术的诞生,它成为研究晶体内部结构的重要技术手段。他因此项成果于1914年获奖。4X射线的发现L.布拉格(1890~1971)H.布拉格(1862~1942)布拉格父子于1913年借助X射线成功地测出金刚石的晶体结构,并提出了“布拉格公式”,为最终建立现代晶体学打下了基础,于1915年获奖。当时,小布拉格年仅25岁,是至今为止最年轻的诺贝尔奖获得者5X射线的发现X射线的发现是19世纪末20世纪初物理学的三大发现(X射线1895年、放射线1896年、电子1897年)之一,这一发现标志着现代物理学的产生。19世纪末,阴极射线是物理学研究课题,许多物理实验室都开展了这方面的研究。1894年11月8日,德国物理学家伦琴将阴极射线管放在一个黑纸袋中,关闭了实验室灯源,他发现当开启放电线圈电源时,一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出荧光。用一本厚书,2-3厘米厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间,仍能看到荧光。他又用盛有水、二硫化碳或其他液体进行实验,实验结果表明它们也是“透明的”,铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射线透过,只要它们不太厚。伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到的射线,它具有特别强的穿透力。他一连许多天将自己关在实验室里,集中全部精力进行彻底研究。6个星期后,伦琴确认这的确是一种新的射线。1895年12月22日,伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。1895年12月28日,伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会递交了第一篇研究通讯《一种新射线———初步研究》。伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线,因为他当时无法确定这一新射线的本质。自伦琴发现X射线后,许多物理学家都在积极地研究和探索,1905年和1909年,巴克拉曾先后发现X射线的偏振现象,但对X射线究竟是一种电磁波还是微粒辐射,仍不清楚。1912年德国物理学家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象,证明了X射线的波动性和晶体内部结构的周期性,发表了《X射线的干涉现象》一文。6X射线的发现劳厄的文章发表不久,就引起英国布拉格父子的关注,当时老布拉格(WH.Bragg)已是利兹大学的物理学教授,而小布拉格(WL.Bragg)则刚从剑桥大学毕业,在卡文迪许实验室。由于都是X射线微粒论者,两人都试图用X射线的微粒理论来解释劳厄的照片,但他们的尝试未能取得成功。年轻的小布拉格经过反复研究,成功地解释了劳厄的实验事实。他以更简洁的方式,清楚地解释了X射线晶体衍射的形成,并提出了著名的布拉格公式:nX=Zdsino这一结果不仅证明了小布拉格的解释的正确性,更重要的是证明了能够用X射线来获取关于晶体结构的信息。1912年11月,年仅22岁的小布位格以《晶体对短波长电磁波衍射》为题向剑桥哲学学会报告了上述研究结果。老布拉格则于1913年元月设计出第一台X射线分光计,并利用这台仪器,发现了特征X射线。小布拉格在用特征X射线分析了一些碱金属卤化物的晶体结构之后,与其父亲合作,成功地测定出了金刚石的晶体结构,并用劳厄法进行了验证。金刚石结构的测定完美地说明了化学家长期以来认为的碳原子的四个键按正四面体形状排列的结论。这对尚处于新生阶段的X射线晶体学来说是一个非常重要的事件,它充分显示了X射线衍射用于分析晶体结构的有效性,使其开始为物理学家和化学家普遍接受。随着研究的深入,X射线被广泛应用于晶体结构的分析以及医学和工业等领域。对于促进20世纪的物理学以至整个科学技术的发展产生了巨大而深远的影响。7X射线的应用◆X射线广泛地应用医学、工程、材料、宇航事业上。例如:•人体探伤•晶体结构分析•材料和构件无损探伤8X射线的本质◆X射线的本质是电磁波,波长处于紫外线的上端,因此,不能用肉眼观察到9X射线本质的揭示◆1912年,德国物理学劳厄等人利用晶体光栅观察到X射线的衍射现象,证实X射线的本质是电磁波◆英国物理学家布拉格父子利用X射线衍射方法测定了NaCl晶体结构,开始了X射线晶体结构分析的历史10X射线的本质◆X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◆X射线和可见光一样属于电磁辐射,但其波长比可见光短得多,介于紫外线与γ射线之间,约为0.01—10nm的范围11X射线的本质◆X射线的波动性X射线的本质为电磁波,其磁场分量在与物质相互作用中效应很弱,所以只考虑电场分量A。一束沿y方向传播的波长为λ的X射线波方程表示为:)(2cos0tyAA12X射线的本质◆X射线的频率大约是可见光的103倍,所以它的光子能量比可见光的光子能量大得多,表现明显的粒子性◆由于X射线波长短、光子能量大的两个基本特性,所以,X射线光学(几何光学和物理光学)虽然具有和普通光学一样的理论基础,但两者的性质却有很大的区别,X射线与物质相互作用时产生的效应和可见光也迥然不同13X射线的本质◆X射线和其它电磁波一样,能产生反射、折射、散射、干涉、衍射、偏振和吸收等现象◆在通常实验条件下,很难观察到X射线的反射◆对于所有的介质,X射线的折射率n都很接近于1(但小于1),所以几乎不能被偏折到任一有实际用途的程度,不可能像可见光那样用透镜成像14X射线的本质◆因为n≈1,所以只有在极精密的工作中才需考虑折射对X射线作用介质的影响◆X射线能产生全反射,但是其掠射角极小,一般不会超过20‘~30’◆在物质的微观结构中,原子和分子的距离(1~10埃左右)正好落在X射线的波长范围内,所以物质(特别是晶体)对X射线的散射和衍射能够传递极为丰富的微观结构信息15X射线的本质◆大多数关于X射线光学性质的研究及其应用都集中在散射和衍射现象上,尤其是衍射方面◆X射线衍射方法是当今研究物质微观结构的主要方法16X射线的本质◆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: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常用埃(A)或晶体学单位(kX)表示;通用的国际计量单位中用纳米(nm)表示,它们之间的换算关系为:1nm=10A=m1kX=1.0020772±0.000053A(1973年值)17X射线的本质◆粒子性●特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应;二次电子等X射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动量p之间存在如下关系:式中h——普朗克常数,等于6.625×10-34J.sc——X射线的速度,等于2.998×1010cm/s.hphch18X射线的产生原理◆通过高速电子流轰击金属靶能产生X射线:X射线管结构19X射线的产生原理◆X射线管是X射线产生器,由它产生X射线◆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99%的能量转换为热量,而1%的能量转换为X射线:20X射线的产生◆X射线产生的三个基本条件●产生自由电子●使电子作定向的高速运动●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:21◆X射线管的结构封闭式X射线管实质上就是一个大的真空二极管。基本组成包括●阴极:阴极是发射电子的地方●阳极:亦称靶,是使电子突然减速和发射X射线的地方●窗口:窗口是X射线从阳极靶向外射出的地方●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出X射线:22接变压器玻璃钨灯丝金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子X射线X射线X射线管剖面示意图(回车键演示)X射线的产生过程演示40KV高压220V400mA电流23X射线的产生◆当给阴极和阳极之间加上极高的电压(40KV/40mA)的高压时,阴极产生高速电子打击在阳极(Cu)上,产生热量和X射线◆整个阴极和阳极封装在一个真实玻璃管中。在阳极的四边,开设四个小窗口,两个为长形,两个为圆点。长形焦斑用于衍射仪,尺寸为1×10㎜2,而窗口与靶面成3~5°:24X射线束的形状:灯丝阳极X-RAY窗口两种焦斑◆由长焦斑结窗口(6°)得到0.1×10mm2的有效投射线焦点射线束,由短焦斑得到1×1mm2的有效投射点焦点射线束25X射线的产生◆其它光管●旋转阳极:普通光管由于阳极发热量大,需要用水来冷却阳极,因此,功率不可能太大,目前一般为2KW。如果使阳极转动(2000~10000转/分),可以解决阳极熔化的问题,可以提高功率到90KW。此种产品目前以日本理学公司的D-max2500为代表:26X射线的产生◆X射线仪包括:●为X射线射线管提供40KV的高压电场的高压变压器●为加热阴极灯丝用的低压稳压电源●X光管●水冷却与自动控制系统:27X射线谱◆由X射线管发射出来的X射线可以分为两种类型:●连续X射线●标识X射线:28连续X射线谱的产生机理◆连续X射线●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:29连续X射线谱的产生机理◆:K态(击走K电子)L态(击走L电子)M态(击走M电子)N态(击走N电子)击走价电子中性原子WkWlWmWn0原子的能量连续X射线产生过程电子冲击阳级靶30连续X射线谱的短波限计算◆连续X射线●连续X射线谱在短波方向有一个波长极限,称为短波限λSWL.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::SWLhcheVmax31连续X射线谱的短波限◆连续X射线●式中e——电子电荷,等于4.803×10-10静电单位V——电子通过两极时的电压降(静电单位)h——普朗克常数,等于普朗克常数,等于6.625×10-34J·sν——X射线的频率C——X射线的速度(2.998×1010cm/s)λ——短波限(cm):32连续X射线谱的短波限计算:◆连续X射线●将所有常数代入上式,可得:上式计算结果单位为A(1nm=10A)上式表明:短波限只与管电压有关VV4.121000300108.41010310625.61081027033特征谱与连续谱图示:。◆连续谱与特征谱34X射线谱强度◆X射线的强度是指行垂直X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。常用的单位是J/cm2.s◆X射线的强度I是由光子能量hv和它的数目n两个因素决定的,即I=nhv.连续X射线强度最大值在1.5λ0,而不在λ0处:35X射线管的效率:◆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◆实验证明,I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在如下关系:X射线管的效率为miZVKI1连ZVKiViZVKXX121电子流功率射线功率射线管效率36◆标识X射线●是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●特征:当电压增加到临界电压时,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Kα和Kβ,波长分别为0.71Å和0.63Å:37标识X射线谱的产生机理◆产生机理标识X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内部结构紧密相关的。原子系统内的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。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
本文标题:材料分析方法 X射线物理学基础
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