电磁辐射与材料的相互作用,第三节 X射线的产生及其与物质的相互作用 一、X射线的产生与X射线谱 二、X射线与物质的相互作用 三、X射线的衰减 四、X射线的防护,X-射线： 一种波长介于紫外线和射线之间的具有较短波长的电磁波。,一、X射线的产生与X射线谱,X射线波长1012108m. 用于XRD的波长： 1010m, 可见光的波长: 41077107m， 可见:X射线比可见光,波长要短得多。,X射线是一种电磁波，所以具有波粒二象性。,X射线波动性与微粒性的关系： E = h = hc/ 式中 h 普朗克常数 h = 6.626181034Js； c 光速 c = 3 108m s1； E、 、 X射线光子的能量、 频率、波长。,X射线与可见光相比， 共性:波粒二象性 不同： X射线波长短、能量大 不同体现在： 穿透能力强。能穿透可见光不能穿透的物质，如生物的软组织等。,X射线穿过不同媒质时折射和反射极小，仍可视为直线传播。 通过晶体时发生衍射，因而可用X射线研究晶体的内部结构。,prism,window,1. 源X射线的产生 装置：在实验室里, 产生X射线是利用具有高真空度的X射线管。,问题：X射线衍射仪上，X射线管在那里？,原理：把用一定材料(Cu等)制作的阳极（称为靶）和阴极（钨丝）密封在一个玻璃-金属管壳内。 当钨丝被34A的电流加热后，发出热电子。,在阳极和阴极间加直流高压V， 阴极产生的热电子将在电场作用下奔向阳极，并撞击金属靶。 电子的突然减速或停止运动,使大部分（99）能量转变成热能,小部分（1）转变为X射线。,为避免靶材熔解，加循环冷却水 X射线在与靶面约成6角处的强度最大， 按此角度在管上开一窗口，让X射线透过 窗口材料：对X射线吸收少的Be,X射线的产生条件 (简述）:,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。,X射线谱分类,X射线管发出的X射线分为两类： （1）具有连续波长的X射线，称为连续谱； （2）波长确定的X射线，称为特征谱。,例：Mo靶，当管压=15kV，发出连续谱, 当管压= 25kV，则出现特征谱.,2 .连续X射线谱,定义：由某一最短波长（0，称短波限）开始，强度（I）随波长连续变化的X射线谱。,产生的机理：当高速运动的电子击靶后，电子被减速。电子所减少的能量（E）转为所发射X射线光子能量（h），即h=E。由于击靶的电子数目极多，击靶时穿透的深浅不同、损失的动能不等，因此，由电子动能转换为X射线光子的能量有多有少，从而形成一系列不同频率、不同波长的X射线，构成了连续谱。,电子初始动能为E0； 击靶后电子的动能变 为En ； 则E0 - En = h为所发射X射线光子的能量,极端情况: 电子与靶材相撞，其能量（eV）全部转变为辐射光子能量，此时光子能量最大、波长最短，因此连续谱有一个下限波长0 即 电子动能=电子由阴极至阳极时电场所做的功=X射线光子能量,短波限产生的原因：,当管电流不变时， V 0I() 曲线上移,连续谱：管电压V, 电流 i, 靶材等影响,(2) 当管电压不变时， i I()曲线上移 (0不变）,(3) 在相同的管电压和电流下, 靶材原子序数（Z） I()曲线上移 (0不变）,连续谱的总强度决定于上述V、i、Z三因素，即,式中,为常数.,3 .特征X射线谱,定义：在某些特定波长位置出现的叠加在连续谱上的高而狭仄的谱线。,原子结构(回顾） 原子由原子核及绕核运动的电子组成。 电子分布在不同能级的壳层上， 离核最近的K层能级最低，其次L、M、N等能级逐渐增高。,特征谱产生的机理,管电压增加到某一临界值(激发电压)， 使撞击靶材的电子能量（eV)足够大， 可使靶原子内层产生空位, 较外层电子向内层跃迁, 产生波长确定的X射线(特征X射线)。,特征X射线光子能量跃迁前后能级差 例：若K层产生空位，L层电子向K层 跃迁，则辐射的X射线光子能量： hL K = EL EK,特征X射线的命名 若K层产生空位，L层或M层或更外层电子向K层跃迁， 产生的X射线统称为K系特征辐射， 分别按顺序记为K，K，射线。,距K层越远的能级，电子向K层跃迁的几率越小，辐射光子数越少， 常见K，K辐射（忽略其它） 若M或N层电子L层（空位）跃迁， 谱线记为L，L，射线， 称为L系特征辐射等。,实例: 由近邻L层电子填充K层的空位后所产生的特征X射线，称K 辐射。例如， CuK= 1.5418; 由次近邻M层电子填充K层的空位后所产生的特征X射线，称K辐射。例如， CuK= 1.3922 。,实际上，K是一个双重跃迁，以Cu为例， K1=1.5405， K2=1.5443;,原因：分别由L3层及L2层电子向K层（空位）跃迁而产生。,激发电压VKVL 同系各谱线： K K 特征谱线位置（波长）与靶材（Z）有关与V无关若V V激发后，V 仅谱线强度,特征X射线的一些规律：,莫赛莱（Moseley)定律,表明特征谱线波长与物质原子序数的关系,式中C、与线系有关的常数。,可见：原子序数 K线系波长 例：Cu (Z=29) 靶X射线： K1 = 1.5406 Mo (Z=42) 靶X射线： K1 = 0.7093 ,X射线照射固体物质，可能发生的各种相互作用，如下图：,二、X射线与物质的相互作用,当入射X射线光子能量 = 某一阈值， 可击出原子内层电子， 产生光电效应 例：击出K层电子，X射线光子能量用于克 服原子核对K层电子的束缚能（WK）。 hK hc / K = WK K hc / WK K K吸收限，使K层电子击出的阈值波长。,光电效应, 光电效应产生光电子，是X射线光电子能谱分析的技术基础。 光电效应使原子产生空位后的退激发过程产生俄歇电子或X射线荧光辐射是X射线激发俄歇能谱分析和X射线荧光分析方法的技术基础。,光电效应的应用：,二次特征辐射(X射线荧光辐射) 定义：当高能X射线光子击出被照射物质原子的内层电子后，较外层电子填其空位而产生了次生特征X射线（称二次特征辐射）。 产生机理：与一次特征X射线相同。 不同之处：产生一次特征X射线时，入射线是高速运动的电子； 荧光辐射的 入射线是高 能X射线光子。,e-,X射线散射的应用：,X射线被物质散射时，产生两种现象： （1）相干散射 （2）非相干散射 相干散射是X射线衍射分析方法的基础。,三、X射线的衰减,定义：入射X射线通过物质，沿透射方向强度显著下降的现象 原因：由于X射线与物质发生相互作用，其能量转换或损失,朗伯定律：X射线通过物质时，其强度按指数规律衰减。,设强度为I0的入射线透入样品厚度x处时强度为I(x), I(x)通过微厚度dx后,其相对变化dI(x)/I(x)与dx成正比，即:,式中： 比例系数， 称线吸收系数 (cm-1).,朗伯定律的推导：,设样品厚度t,透射强度It , 对式,积分，即：,得到：,由式,有, 表示X射线通过单位长度物质时强度的衰减 又 强度为（垂直于传播方向上）单位面积的能量， 亦为X射线通过单位体积物质时能量的衰减,线吸收系数 (cm-1)的含义：,设 m= / （为物质密度）， 称m为质量吸收系数，则： It = I0 exp(- *t) = I0 exp(- m*t) 定义为X射线通过单位体积物质时能量的衰减 m 为X射线通过单位质量物质时能量的衰减，亦称单位质量物质对X射线的吸收 各元素的m 见书 P324。,质量吸收系数m (cm2.g-1)的含义：,不同元素的m不同,Be1.35 Si60.3 C4.60 S89.1 N7.52Cl106 O12.7Br99.6 F16.4Pb232,例1.在实验室里,利用X射线管产生X射线, 其窗口材料由薄Be片（约0.2mm厚）制成。试计算0.2mm厚Be片对CuK辐射的透射因子(I透射/I入射)为多少? (Be的密度= 1.85g.cm-3 ， m= 1.35 cm2.g-1） 解： It/I0 = exp(- m*t) = exp(-1.35 * 1.85 * 0.02) = 0.95,四、X射线的防护,X射线等短波谱域的电磁波具有杀伤生物细胞的作用 安全措施： （1）金属铅m很大，实验室常用铅屏或铅玻璃屏等屏蔽。 （2） 操作人员需遵循射线防护规定，经常监测剂量。,10. 解释名词： K射线与K 射线、短波限与吸收限、线吸收系数与质量吸收系数 11. 对于同种材料，有K K K，试证明此式成立并据此分析下列荧光辐射产生的可能性：(1) Cu K 辐射激发Cu K 荧光辐射；(2) Cu K 辐射激发Cu K 荧光辐射。 12. X射线实验室用防护铅屏，若其厚度为1mm，试计算其对Cu K、Mo K 辐射的透射因子 (I透射/I入射)各为多少? (Pb密度= 11.34g.cm-3),习题,11.提示: 导致光电效应的X光子能量 将物质 K电子移到原子引力范围以外所需作的功 hk = W k 以k 为例:h k= EL Ek = Wk WL =h k h L h kh k kk,以k 为例:h k = EM Ek = WkWM =h k h M h kh k kk EL Ek EM Ek h k h k k k,导致光电效应的X光子能量 荧光光子具有的能量+光电子具有的能量 h k=h k系荧光光电子 即 h kh k系荧光，kk系荧光 结论：当一次射线波长物质某标识谱波长时，将使该物质产生相应线系的标识谱荧光辐射。,自学材料,如果吸收体由两种以上元素组成，其总的质量衰减系数m可按下式计算： m m1 w1 + m2 w2 + miwi 式中mi为第i种元素的质量衰减系数， wi为其质量分数。,化合物m的计算：,例子: 已知，原子量Si=28.09，O=16.0；质量吸收系数 Si = 60.3，O = 12.7 (见书 P324) 。计算SiO2对Cu K辐射(= 1.54187) 的质量吸收系数? 解： wsi = 28.09/(28.09+ 216.0) = 0.467 wO = 216.0/(28.09+ 216.0) = 0.533 则SiO2的质量吸收系数 m si wsi + o wo 60.3 0.467 + 12.7 0.533 34.93 cm2.g-1,二、X射线与物质的相互作用,X射线与物质相互作用时，会产生各种不同的和复杂的过程。但就其能量转换而言，一束X射线通过物质时，它的能量可分为三部分：其中一部分被散射，一部分被吸收，一部分透过物质继续沿原来的方向传播。透过物质后的射线束由于散射和吸收的影响强度被衰减。 X射线与物质作用除散射、吸收和通过物质外，几乎不发生折射，一般情况下也不发生反射。,1、 X射线的散射,定义：X射线通过物质时，其部分光子将会改变它们的前进方向这就是散射现象。 散射现象：包括相干散射和不相干散射,相干散射,当入射X光子与物质中的某些电子（例如内层电子）发生碰撞时，由于这些电子受到原子的强力束缚，光子的能量不足以使电子脱离所在能级的情况下，此种碰撞可以近似地看成是刚体间的弹性碰撞，其结果仅使光子的前进方向发生改变，即发生了散射，但光子的能量并未损耗，即散射线的波长等于入射线的波长。此时各散射线之间将相互发生干涉，故成为相干散射。相干散射是引起晶体产生衍射线的根源。,不相干散射也称康普顿效应,当入射X射线光子与物质中的某些电子（例如外层电子）发生碰撞时，由于这些电子与原子间的结合松弛，可以近似地看成是自由电子，碰撞的结果，X射线光子将一部分能量传递给电子，使电子脱离原子而形成反冲电子，同时光子本身也改变了原来的前进方向，发生了散射。这种散射由于各个光子能量减小的程度各不相同，即每个散射光子的波长彼此不等，因此相互不会发生干涉，故称为不相干散射。不相干散射线比入射X射线的能量小、波长大。