X射线物理学基础

敦德励行知行相长XI’ANTECHNOLOGICALUNIVERSITY知行相长敦德励学第一章X射线的物理特性材料研究方法敦德励学知行相长01—X射线物理学基础1895年，德国物理学家伦琴（RontgenW.C）在研究阴极射线时发现了X射线。1901年，首届诺贝尔物理学奖授予伦琴，以表彰他发现了对物理学界有重大影响意义的X射线。X射线、放射性和电子被称为世纪之交的三大发现。X射线的发现像一声春雷，唤醒了沉睡的物理学界。由此而引发了一系列重大的发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学的序幕。敦德励学知行相长01—X射线物理学基础1905年，德国基尔大学的勒纳德。阴极射线。1914年，德国法兰克福大学的劳厄，晶体的X射线衍射。1915年，英国的亨利·布拉格和劳伦斯·布拉格，X射线分析晶体结构。1917年，英国巴克拉，发现了标识X射线。1921年，爱因斯坦，光电效应。1924年，瑞典卡尔·西格班，X射线光谱学。1937年，美国戴维森和英国G.P.汤姆孙，用晶体对电子进行衍射。敦德励学知行相长01—X射线物理学基础劳埃在1912年进行的晶体衍射实验结果证明：X射线是一种波长很短的电磁波，也揭示了物质内部原子规则排列的特性。敦德励学知行相长01—X射线物理学基础在电磁波谱上，X射线处于紫外线和γ射线之间，波长约为0.01～10nm，用于衍射分析的X射线波长一般为0.05～0.25nm。X射线具有波粒二相性，而粒子性表现突出，可视为具有一定能量的光量子流。敦德励学知行相长01—X射线物理学基础AX射线X射线CeUimAkV220V阳极靶材阴极灯丝板状阳极A和阴极C密封在玻璃－金属管壳内；阴极通电加热；在阳极和阴极间加直流高压U；阴极产生的大量热电子将在高压电场作用下飞向阳极；热电子e轰击阳极的瞬间产生X射线。敦德励学知行相长01—X射线物理学基础——X射线的波长从最小值λSWL（短波限）向长波方向伸展，强度随波长连续变化，且在λm处有一最大值。连续X射线谱43210X射线的强度（相对单位）λSWL0.050.10.15λmλ（nm）敦德励学知行相长01—X射线物理学基础连续X射线谱受管电压U、管电流i和阳极靶材的原子序数Z三个因素作用。a）管电压的影响b）管电流的影响c）阳极靶原子序的影响543210X射线的强度（相对单位）X射线的强度（相对单位）X射线的强度（相对单位）λSWLλm0.050.10.1550kV4030201050mA4030201092－U78－Pt74－W47－Ag42－Mo29－Cu24－Cr13－AlλSWLλSWLλm敦德励学知行相长01—X射线物理学基础U、i、Z三个因素决定了连续谱的总强度，即21iΖUΚdIISWL)(连ZUKiUI1连产生连续谱时，X射线管的效率可见，管电压越高，阳极靶材的原子序越大，X射线管的效率越高。一个光量子所可能获得的最大能量为SWLcheUmaxUm104.12UC10602.1sm10998.2sJ10626.6eUhc7191834SWLeUhmax此光量子的波长即为短波限λSWL连续谱是如何形成的？为什么存在短波限？敦德励学知行相长01—X射线物理学基础当管电压增高到Uk时，在连续谱上，会出现一系列强度很高、波长范围很窄的线状光谱，它们的波长对一定材料的阳极靶有严格恒定的数值，此波长可作为阳极靶材的标志或特征，故称为特征谱或标识谱。特征X射线谱λ/nmKαKβ特征谱的波长不受管电压、管电流的影响，只决定于阳极靶材元素的原子序。莫塞莱定律表明：阳极靶材的原子序数越大，相应于同一系的特征谱波长越短。ZK21敦德励学知行相长01—X射线物理学基础X射线的强度（相对单位）0.020.040.060.080.1λ/nm202535kVKαKβMgKLM入射电子MgKβ光子MgKα光子二次电子（自由电子）特征X射线的产生由于在K激发态下，L层电子向K层跃迁的几率远大于M层跃迁的几率，所以Kα谱线的强度约为Kβ的五倍。敦德励学知行相长01—X射线物理学基础在多晶材料的衍射分析中总是希望应用以特征谱为主的单色光源，即有尽可能高的I特/I连。对K系谱线，当U/Uk＝4时I特/I连获最大值。所以X射线管适宜的工作电压U≈（3～5）Uk。阳极靶元素原子序数K系特征谱波长（0.1nm）UK（kV）U适宜（kV）KαKβCr242.291002.084875.4320～25Fe261.9373551.756616.425～30Co271.7902601.620796.9330Ni281.6591891.5001357.4730～35Cu291.5418381.3922188.0435～40Mo420.7107300.63228817.4450～55敦德励学知行相长01—X射线物理学基础入射到某物质的X射线分为穿透和吸收两部分。X-ray使气体电离使荧光物质发光强的穿透能力当X射线与物质相遇时，会产生一系列效应，这是X射线应用的基础。敦德励学知行相长01—X射线物理学基础xI0dxItX射线通过深度为x处的dx厚度物质，其强度的衰减dIx与dx成正比。dxIdIlxxttlleIIeII00即：透射系数线吸收系数X射线通过物质后的衰减ItX射线强度随透入深度的指数衰减关系敦德励学知行相长01—X射线物理学基础线吸收系数μl表明物质对X射线的吸收特性。dxIdIxxl1可知，μl是X射线通过单位厚度（单位体积）物质的相对衰减量。质量吸收系数μm/lmmtmmeIeII00μm的物理意义：μm指X射线通过单位面积上单位质量物质后强度的相对衰减量，是反映物质本身对X射线吸收特性的物理量。μm取决于吸收物质的原子序数Z和X射线的波长λ。334ZKm可见，物质的原子序数越大，对X射线的吸收能力最强；对一定的吸收体，X射线的波长越短，穿透能力越强，表现为吸收系数的下降。敦德励学知行相长01—X射线物理学基础μmλ理想μm随入射波长的变化（Z一定）334ZKmμmλKLІLⅡLⅢ实际μm随入射波长的变化（Z一定）每种物质都有本身确定的一系列吸收限，这种带有特征吸收限的吸收系数曲线称为该物质的吸收谱。吸收限的存在暴露了吸收的本质。敦德励学知行相长01—X射线物理学基础μmλKLІLⅡLⅢμm随入射波长的变化（Z一定）光量子E自由电子俄歇电子光电效应消耗大量入射能量，表现为吸收系数突增，对应的入射波长即为吸收限。光电效应所造成的入射能量消耗就是真吸收。由入射X射线所激发出来的荧光X射线和俄歇电子都是被照物质化学成分的信号。自由电子入射光量子荧光X-ray二次X-ray敦德励学知行相长01—X射线物理学基础吸收限吸收曲线(Zr)滤波后的Mo辐射曲线00.050.118161412108642相对强度相对吸收λ/nm未滤波的Mo辐射曲线MoKαMoKβ37.2滤波片原理示意图选择滤波片时应使其吸收限满足：滤波后：利用吸收限两侧吸收系数差很大的现象可制成滤波片。用来吸收不需要的辐射而得到单色光源。6001IIKK光源滤波片光源KKK敦德励学知行相长01—X射线物理学基础为几种不同的靶材产生的X射线配备合适的滤波片，从而达到获得单色X射线的目的。序号靶材元素Zλ（Kα）10-1mmλ（Kβ）10-1mm1Mo420.7100.6322Cu291.5421.3923Fe261.9371.757序号滤波材料ZλK/10-1mm1V232.2692Mn251.8963Fe261.7434Co271.6085Ni281.4886Zr400.689敦德励学知行相长01—X射线物理学基础元素的吸收谱还可作为选择X射线管靶材的重要依据。在进行衍射分析时，总希望X射线尽可能少的被试样吸收，从而获得高的衍射强度和低的背底。这就应使靶的Kα谱位于试样元素K吸收限的右近邻或左面远离吸收限的低μm处。00.10.2400300200100λKαλ/nmμ/ρ(cm2·g-1)K吸收限λKα试样的吸收谱光源的波长与试样吸收谱的关系敦德励学知行相长01—X射线物理学基础相干散射波虽然只占入射能量的极小部分，但由于它的相干特性而成为X射线衍射分析的基础。相干散射——入射X射线光量子与原子内电子相遇，其能量不足以使原子电离，但电子可在X-ray作用下发生受迫振动，成为一个电磁波的发射源，向周围辐射与入射X射线波长相同的辐射，各电子所散射的射线波长相同，有可能相互干涉。Mg敦德励学知行相长01—X射线物理学基础λhυ反冲电子Mg康普敦－吴有训效应光量子与核外电子或自由电子碰撞，将部分能量给予电子，使其成为反冲电子。光量子损失能量，并改变运动方向。敦德励学知行相长01—X射线物理学基础+-UeF(滤波片)λSWL～λ∞I0λ0tIμm热透射X射线I=I0e-μmρt,λ=λ0散射X射线相干散射电子荧光X射线λKαλ0反冲电子俄歇电子光电子不相干散射光电效应俄歇效应λ'λ0λ=λ0X射线的产生及其与物质的相互作用敦德励学知行相长01—X射线物理学基础中国近代物理学奠基人，生于江西。1921年赴美入芝加哥大学，随康普顿从事物理学研究。1926年获博士学位。1928年秋起任清华大学教授，物理系主任、理学院院长。1945年10月任中央大学校长。1950年夏任中国科学院近代物理研究所所长，同年12月起任中国科学院副院长。1977年11月30日在北京逝世。吴有训(1897～1977)康普顿之父曾任伍斯特学院哲学救授兼院长。大哥卡尔是普林斯顿大学物理系主任，后来成为麻省理工学院院长。1916年取得哲学博士学位。1919至1920年间，到英国剑桥卡文迪许实验室工作，跟随卢瑟福、J.J.汤姆逊进行研究。1920年起任圣路易斯华盛顿大学物理系主任，1923年起任芝加哥大学物理系教授，1945年返回华盛顿大学任校长，1953年起改任自然科学史教授，直到1961年退休。因康普顿效应与英国A.T.R威尔逊分享1927年度诺贝尔物理学奖，年仅35岁。同年被选为美国国立科学院院士。康普顿(ArthurHollyCompton1892-1962)敦德励学知行相长01—X射线物理学基础卡文迪许(HenryCavendish,1731.10.10.～1810.3.10.)英国化学家、物理学家。通过扭秤实验（后人称为“卡文迪许实验”）验证了牛顿的万有引力定律，确定了引力常数和地球平均密度，测算出地球的平均密度，计算出了地球的质量。被誉为第一个称量地球的人。卡文迪许在热学理论、计温学、气象学、大地磁学等方面都有研究。1798年他完成最后的实验时，已年近七十。最富有的学者，最博学的富翁。视名利如浮云。沉睡了一百年的手稿。1784年左右研究了空气由O2和N2组成；确定了水的成分，肯定了它不是元素而是化合物。发现硝酸，被称为“化学中的牛顿”；1781年制得H2，并证明燃烧之后生成水；首先提出电势的概念，对静电理论的发展起了重要作用；发现一对电荷间的作用力和它们之间的距离平方成反比，即后来库伦定律的一部分；指出导体两端的电势与通过它的电流成正比，即1827年的欧姆定律；提出每个带电体的周围有“电气”，与电场理论很接近；敦德励学知行相长01—X射线物理学基础剑桥大学的卡文迪许实验室建于187l～1874年间，由校长威廉·卡文迪许私人捐款兴建。负责创建实验室的是著名物理学家、数学家、电磁场理论的奠基人麦克斯韦。也是第一届实验主任，直至1879年因病去世(年仅四十八岁)。他建立了使用自制仪器的传统。瑞利的继任者是二十八岁的J.J.汤姆逊。任职35年期间，对实验室贡献卓越。当时实验室的各项研究工作均处于世界前列。他培养的研究生当中，著名的有卢瑟福、朗之万、汤森德、麦克勒伦、W.L.布拉格、C.T.R.威尔逊、H.A.威尔逊、里查森、巴克拉等等。麦克斯韦的继任者