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1、射线物理学基础第1页，共69页，编辑于2022年，星期六2第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础第2页，共69页，编辑于2022年，星期六3n第一节第一节 X射线的性质射线的性质n第二节第二节 X射线的产生与射线的产生与X射线谱射线谱n第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用第一章第一章 X射线物理学基础射线物理学基础第3页，共69页，编辑于2022年，星期六41、X射线的发现射线的发现n1895年年11月月8日，日，德国物理学家伦琴伦琴（W.Rntgen）在研究真空管高压放电现象时偶然发现涂有氰亚铂酸钡氰亚铂酸钡硬纸板发出浅绿浅绿色荧光色荧光，试着木块、硬橡胶等挡也挡不
2、住，甚至可透过人的骨骸!n当时对此射线本质尚无了解，故取名X射射线线（伦琴射线）伦琴射线）。n这一伟大发现，伦琴伦琴于1901年第一位诺年第一位诺贝尔奖获得者。贝尔奖获得者。威廉威廉康拉德康拉德伦琴伦琴（1845-1923）摄于1896年第4页，共69页，编辑于2022年，星期六52、伦琴夫人的手、伦琴夫人的手 摄于1895年12月22日n六个星期后，伦伦琴琴确认是一种新射线，才告诉自己夫人。n1895年年12月月22日日，他邀请夫人来到实验室，用光电管照射15分钟，拍下第一张人手第一张人手X射线照片。射线照片。n伦琴发现X射线后，一个月内发表了一种新射线一种新射线的文章，引起社会各界强烈的反
3、应，各国竞相开展试验研究。第5页，共69页，编辑于2022年，星期六63、X射线在医学界应用射线在医学界应用X射线透视学射线透视学n虽未了解此现象本质，但其有强大穿透力，能透过人体显示骨骼，迅速被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有力工具，产生了X射线透视学射线透视学。n后来又用于金属探伤金属探伤，对工业技术也有很大促进作用。X射线最初医疗诊断1896.2.3美国Dr.Edwin Frost(1866-1935)第6页，共69页，编辑于2022年，星期六74、X射线本质的认识射线本质的认识n18951897年间，通过一系列实验，搞清了X射线产生、传播、穿透力等特性：n1、X射线射线虽人眼
4、看不见，但能使某些物质发出荧光。使照相虽人眼看不见，但能使某些物质发出荧光。使照相底片感光，使气体、原子电离。底片感光，使气体、原子电离。n2、X射线射线沿直线传播，经电场或磁场不发生偏转。沿直线传播，经电场或磁场不发生偏转。n3、X射线射线有很强穿透力，通过物质时可被吸收而强度衰减。有很强穿透力，通过物质时可被吸收而强度衰减。n4、X射线射线还能杀伤生物细胞等特性。n但对X射线本质的认识，是对晶体结构的研究，即与X射线射线在晶体中发生衍射现象衍射现象是分不开的。第7页，共69页，编辑于2022年，星期六85、X射线射线衍射衍射现象发现现象发现n1912年，德国物理学家劳埃劳埃（M.Von L
5、aue）利用晶体作为天然光栅成功观察到了X射线衍射射线衍射现象。n他用CuSO45H2O进行实验，获得了第一张第一张X射线衍射照片射线衍射照片。n1914年，年，获诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。lMax von Laue l马克斯马克斯 冯冯 劳埃劳埃(1879-1960)CuSO45H2O衍射照片 世界上第一张X射线衍射照片第8页，共69页，编辑于2022年，星期六n并由光的干涉条件出发导出描述衍射线空间方位与晶体结构关系的公式（称劳埃方程劳埃方程）。劳埃方程式劳埃方程式第9页，共69页，编辑于2022年，星期六105、X射线射线衍射衍射现象的发现现象的发现nX射线衍射射线衍射现象发现：n
6、1、肯定了肯定了X射线的本质。射线的本质。即是一种电磁波，有波动性。n2、证实了晶体结构的周期性证实了晶体结构的周期性，为晶体微观结构研究提供了崭新的方法。n晶体结构认识：从微米微米纳米纳米级，有更接近本质的认识。n用X射线研究晶体结构工作X射线晶体学射线晶体学或X射线衍射学。射线衍射学。第10页，共69页，编辑于2022年，星期六116、布拉格定律的建立布拉格定律的建立n英国布拉格布拉格父子（W.H.Bragg和W.L.bragg）对此进行开创性工作。n1912年，小布拉格小布拉格进行了劳埃劳埃实验后认为：衍射斑点的产生是射线受到类似镜面镜面“反射反射”的结果。n并导出布拉格方程布拉格方程，
7、推算出KCl及NaCl原子排列方式，真正测量了X射线波长。n后一工作导致1913-1914年莫塞莱莫塞莱（H.G.J.Moseley)定律定律的发现。n1、2、3第11页，共69页，编辑于2022年，星期六127、莫塞莱定律的发现莫塞莱定律的发现n1913年，英国物理学家莫塞莱莫塞莱（18871915）在研究X射线光谱时发现：特征X射线频率频率或波长波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构（原子序（原子序数），数），此规律称莫塞莱定律。莫塞莱定律。式中：K与靶材物质主量子数有关的常数；屏蔽常数，与电子所在的壳层位置有关。n成为X射线荧光分析射线荧光分析和电子探针微区成分分析电子探针微区成分分析的理
8、论基础。或第12页，共69页，编辑于2022年，星期六第一节第一节 X射线的性质射线的性质第13页，共69页，编辑于2022年，星期六14一、一、X射线的波动性射线的波动性nX射线射线属电磁波电磁波，同时具有波动性波动性和粒子性粒子性。n1、波动性表现为波动性表现为以一定频率和波长在空间传播，具有干涉与衍射现象；描述参量：描述参量：频率频率和波长波长。n2、同时有电场矢量电场矢量E和磁场矢量磁场矢量H，以相同周相，在两相互垂直平面内作周期振动，且与传播方向垂直，以光速呈直线传播。X射线衍射分析射线衍射分析主要由电场矢量电场矢量E引起的物理效应。第14页，共69页，编辑于2022年，星期六15一
9、、一、X射线的波动性射线的波动性n3、X射线波长射线波长比可见光短得多，约与晶体晶格常数同一数量级，在0.1nm左右。因此，其能量大、穿透能力强。n波长波长法定单位为：nm，以前也常用埃（）。（1nm=10-9m10）nX 射线波长：0.0110nm，两边与紫外线紫外线及射线射线 重叠。n晶体结构分析：晶体结构分析：波长在 0.050.25 nm，n波长较短的波长较短的X 射线，习惯上称为“硬硬X射线射线”。n波长较长波长较长的X射线称为“软软X射线射线。第15页，共69页，编辑于2022年，星期六16常见的各种电磁波的波长与频率常见的各种电磁波的波长与频率可见光紫外线红外线微波X射线射线波长
10、 射线 频率标准无线电波长波TV/FM 短波短波长波长波第16页，共69页，编辑于2022年，星期六17一、一、X射线的波动性射线的波动性n4、电场矢量电场矢量E 随传播时间传播时间或或距离距离呈周期性波动，波振幅为 A（或（或E0）。n一束沿 x 轴方向传播的波长为的X射线波方程射线波方程为：(a)x一定时波振幅波振幅 随t 的变化；(b)t一定时波振幅波振幅 随 x 的变化 频率 c/第17页，共69页，编辑于2022年，星期六18X射线波方程射线波方程n一束沿 x 轴方向传播波长为的X射线波方程射线波方程为：n若以表示相位相位，即 令 则 n当t=0，A=A0 ei，ei称为“相位因子相
11、位因子”。第18页，共69页，编辑于2022年，星期六19二、二、X射线的粒子性射线的粒子性n1、X射线波动性射线波动性无法解释X射线的光电效应、荧光辐射光电效应、荧光辐射等现象，X射线还有粒子性粒子性n2、粒子性表现为粒子性表现为以光速运动的大量微观粒子组成不连续粒子流，称为“光子光子”或“光量子光量子”。在与物质（原子或电子）相互作用时，有交换能量，能被原子或电子吸收吸收或被散射。其散射。其描述参量为能量能量E、动量动量P。n3、波动性波动性与粒子性粒子性描述参量间的关系：X射线频率；h普朗克常数（6.62610-34 Js）c X射线传播速度（2.998108m/s）第19页，共69页，
12、编辑于2022年，星期六20三、三、X射线的强度射线的强度n1、X射线强度射线强度用波动性观点描述：波动性观点描述：单位时间内通过垂直于传播方向的单位截面上的能量大小，单位时间内通过垂直于传播方向的单位截面上的能量大小，强度与波振幅 A2 成正比。n2、X射线强度射线强度用粒子性观点描述：粒子性观点描述：单位时间内通过与传播方向相垂直的单位截面的光量子数目。单位时间内通过与传播方向相垂直的单位截面的光量子数目。n3、绝对强度绝对强度单位是J(m2s)，但难以测定，常用相对强度相对强度，如：底片底片相对黑度、探测器（计数管）计数值相对黑度、探测器（计数管）计数值等。第20页，共69页，编辑于20
13、22年，星期六21X射线波粒二相性射线波粒二相性n1.X射线波动性射线波动性：反映物质运动的连续性；连续性；X射线粒子性：射线粒子性：反映物质运动分立性。分立性。n2.对同一辐射所具有的波动性波动性与粒子性粒子性的描述：可用时间和空间展开的数学形式来描述；时间和空间展开的数学形式来描述；可用统计学法确定某时间、位置粒子出现概率来描述。统计学法确定某时间、位置粒子出现概率来描述。因此，须同时接受波动波动和粒子粒子两种模型。n3.X射线射线上述特性，成为研究晶体结构、进行元素分析、医研究晶体结构、进行元素分析、医疗透视疗透视和工业探伤工业探伤等方面的有力工具。第21页，共69页，编辑于2022年，
14、星期六第二节第二节 X射线的产生与射线的产生与X射线谱射线谱第22页，共69页，编辑于2022年，星期六23第二节第二节 X射线的产生与射线的产生与X射线谱射线谱n一、一、X射线产生：射线产生：n1.X射线：射线：高速运动带电粒子（电子）与某物质相撞击后突然减速或被阻止，与该物质中内层电子相互作用而产生的。与该物质中内层电子相互作用而产生的。n2.X射线产生条件射线产生条件：1）产生并发射自由电子）产生并发射自由电子（加热W灯丝发射热电子）；2）在真空中迫使电子作定向的高速运动）在真空中迫使电子作定向的高速运动（加速电子）；3）在电子运动路经上设障碍，使其突然减速或停止）在电子运动路经上设障碍
15、，使其突然减速或停止（靶）（靶）据此，就可理解X射线发生器的构造原理了。第23页，共69页，编辑于2022年，星期六24二、二、X射线管的结构（射线管的结构（1）n1.阴极阴极：发射电子发射电子。由钨丝制成，通以一定电流加热后便能释放出大量的热激发电子热激发电子。n2.阳极阳极：“靶靶”(target)。使电子突然减速并发射X射线的地方。由不同的金属组成，常用靶材有Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Ag、W 等，根据不同需要选用。阴极阳极第24页，共69页，编辑于2022年，星期六25二、二、X射线管的结构（射线管的结构（2）n3.窗口：窗口：X射线射出通道，射线射出通道，常有两个或四个。两
16、个或四个。n窗口材料窗口材料：既有足够强度以维持管内高真空，又对X射线吸收较小。常用对X射线穿透性好的轻金属铍（轻金属铍（Be）。n4.聚焦罩：聚焦罩：加在阴极灯丝外，使灯丝灯丝与聚焦罩聚焦罩保持约约400V电电位差位差，可聚焦电子束。窗口第25页，共69页，编辑于2022年，星期六26二、二、X射线管的结构（射线管的结构（3）n5.冷却系统：冷却系统：X射线发射向四周发散，大部分被管壳吸收，少量通过窗口得以利用。只有只有1能量转化为能量转化为X射线射线，99转变转变为热能，为热能，故靶须水冷，以防止阳极过热的熔化。冷却水第26页，共69页，编辑于2022年，星期六27荷兰荷兰Philips公
17、司第二代陶瓷公司第二代陶瓷X射线管射线管n焦点三维精确定位 (预校准模块化的基础）n陶瓷灯体n绝缘度高n重量轻n超长寿命n无需校准第27页，共69页，编辑于2022年，星期六28美国热电瑞士美国热电瑞士ARLARL公司公司n新型陶瓷新型陶瓷X光管光管 X-ray TubesCeramic Tube（陶瓷光管）（陶瓷光管）Glass Tube（玻璃光管）（玻璃光管）Possible targets are Cu,Cr,Fe,Co or Mo可有的靶材为：可有的靶材为：Cu，Cr，Fe，Co 或或Mo第28页，共69页，编辑于2022年，星期六29三、三、X射线光管分类射线光管分类na.按制造材料
18、按制造材料可分：玻璃光管玻璃光管和金属陶瓷光管金属陶瓷光管。nb.按阳极靶可动与否：按阳极靶可动与否：固定靶固定靶 X 光管光管；自转靶自转靶 X 光管。光管。日本理学公司自转铜靶阳极第29页，共69页，编辑于2022年，星期六30四、四、X射线焦点射线焦点n1、焦点焦点：阳极靶面被电子束轰击并发出X射线的区域。n螺线形灯丝产生1l0mm长方形焦点。长方形焦点。靶的焦点形状及接收方向 n2、衍射工作，希望X光光有：n较小焦点较小焦点（分辨本领高）（分辨本领高），n较高强度较高强度（曝光时间短）（曝光时间短）nX射线出射角：常与靶面成 3o8o（常为6o）n3、表观焦点：表观焦点：n短边：短边：
19、表观焦点为正方表观焦点为正方，强度高。n长边：长边：表观焦点为线状表观焦点为线状，强度弱。第30页，共69页，编辑于2022年，星期六31五、五、X 射线谱射线谱n n（一）连续（一）连续（一）连续（一）连续X X射线谱射线谱射线谱射线谱n对X光管施加电压V，并维持一定管电流 i，得到X射线强度射线强度和波长的关系曲线，波长的关系曲线，称为连续连续X射线谱。射线谱。Mo阳极靶不同管压下连续X光谱 n如：Mo靶V20kV时，各电压下曲线连续变化的连续连续X射线谱。射线谱。n特点：特点：nX射线波长从一最小值SWL向长波方向延伸，强度在m 处最大值。nSWL称为该管压下的短波限短波限 。第31页，
20、共69页，编辑于2022年，星期六32（二）连续（二）连续X射线谱实验规律射线谱实验规律nX射线连续谱受管压管压V、管电流管电流 i 和阳极靶材的原子序数阳极靶材的原子序数 Z 的作用，其规律：a）管压影响）管压影响n2、X光最高强度光最高强度约在1.5SWL处。处。n1、随管压管压V 各波长各波长X射线强度射线强度；n短波限短波限SWL和最高强度波长和最高强度波长m 均减均减小小（移向短波端）。（移向短波端）。第32页，共69页，编辑于2022年，星期六33n3、当管压不变，管流管流各波各波长长X射线强度射线强度，但，但SWL、m不变不变。n4、在相同管压和管流下，阳阳极靶材极靶材Z连续谱的
21、强度连续谱的强度，但但SWL、m不变不变。b）管流影响）管流影响 c）靶材影响）靶材影响第33页，共69页，编辑于2022年，星期六34（三）（三）量子理论量子理论解释连续谱形成机理（解释连续谱形成机理（1）n1.量子理论观点：量子理论观点：n能量能量 e V 电子与靶原子碰撞，电子失去部分能量，并辐射出光子。每次碰撞产生一个能量为能量为h的光子，光子，称此辐射为“韧致韧致辐射辐射”。n如：当管流 I=10mA时，电子数目电子数目 n 6.241016个/秒。n如此多电子到达靶上时间和条件都不相同，且大多数电子须经多次碰电子须经多次碰撞，逐步把能量释放直到零，撞，逐步把能量释放直到零，这样产生
22、一系列能量为 hi 的光子序列，即形成连续谱连续谱。第34页，共69页，编辑于2022年，星期六35何以存在何以存在短波限短波限SWL？n一般情况：一般情况：光子能量电子能量。n极限情况：极限情况：极少数电子一次碰撞将全部能量一次性转化为一个光子，极少数电子一次碰撞将全部能量一次性转化为一个光子，此此光子具最高能量和最短波长光子具最高能量和最短波长（短波限短波限SWL）。）。n极限情况：极限情况：电子能量光子能量电子能量光子能量，即 将V和以kV和nm为单位，其它常数代入上式，则有：第35页，共69页，编辑于2022年，星期六36何以存在强度极大值？何以存在强度极大值？n连续谱强度极大值存在原
23、因：连续谱强度极大值存在原因：nX 射线强度：射线强度：指在垂直于X光传播方向的单位面积单位面积上，在单位单位时间时间内光量子数目的能量总和。光量子数目的能量总和。n即由光子能量能量 hh和光子数量数量 n n 两因素决定的。则：nX光最高强度光最高强度约在1.5SWL处。第36页，共69页，编辑于2022年，星期六37（四）连续四）连续X射线强度和发射效率（射线强度和发射效率（1）n1、连续连续X射线总强度射线总强度（靶发出X光总能量）与连续谱强度分布连续谱强度分布曲线下所包络的面积曲线下所包络的面积成正比。成正比。式中：Z阳极靶的原子序数；i管电流（mA）；V管压（KV）；K1常数约为1.
24、11.610-9。第37页，共69页，编辑于2022年，星期六38n2、X射线管效率：射线管效率：若X射线管仅产生连续谱时，若输入功率为输入功率为iV，则产生连续连续X射线效率射线效率或X射线管效率射线管效率：n可见，管压管压，靶材，靶材Z，管效率，管效率；n因常数K1(1.11.4）10-9，很小，即使用W靶（Z=74），管压为100kV时，1（Cu：0.1），故效率是很低的。），故效率是很低的。n为提高光管发射连续为提高光管发射连续X射线的效率：射线的效率：n 选用重金属靶，选用重金属靶，施以高电压，施以高电压，就是这个道理。第38页，共69页，编辑于2022年，星期六39（五）特征（标识
25、）（五）特征（标识）X射线谱射线谱n一、一、特征特征X射线谱射线谱1.当光管电压V 增高到大于阳极靶材相应的某个临界值临界值VK时，即 则在连续谱的某特定波长处出现一些强度高，窄而尖锐的线形光谱峰。如图：Mo靶靶35kV(0.063nm和和0.071nm)的谱线。的谱线。第39页，共69页，编辑于2022年，星期六40 一、一、特征特征X射线谱射线谱n2.改变管流、管压，改变管流、管压，这些谱线只改变强度，而峰位所对应的波长不变。n即特征波长特征波长只与靶材的原子序只与靶材的原子序数数Z有关，而与电压等无关，有关，而与电压等无关，故称特征特征X射线。射线。n3.产生特征X射线的最低电压叫激发电
26、压。激发电压。特征X射线第40页，共69页，编辑于2022年，星期六二、二、实验规律实验规律n1、阳极靶材（、阳极靶材（Z）不同，产生的特征）不同，产生的特征X射线的波长也不同。射线的波长也不同。n由莫塞莱定律：由莫塞莱定律：特征X射线波长和阳极靶材原子序数Z关系n表明：表明：阳极靶材原子序数Z越大，相应的同一线系的特征X射线波长越短。第41页，共69页，编辑于2022年，星期六42 二、二、实验规律实验规律 n2、改变管流、管压，改变管流、管压，只改变特征X射线强度，而波长不变。式中：i 管流，V管压，n常数（1.52)，C比例常数，与特征X射线波长有关。n3、当管压V 超过激发电压激发电压
27、时，n特征特征X射线强度随管电压射线强度随管电压U 和管电流和管电流 i的提的提高而增大。高而增大。n即，特征特征X射线波长射线波长不受光管电压管电压、电流电流的影响，只决定于阳极靶材元素的原子阳极靶材元素的原子序数序数。第42页，共69页，编辑于2022年，星期六二、二、实验规律实验规律n4、激发电压：激发电压：取决于阳极靶的原子序数Z。n不同阳极靶材：其临界激发电压是不同的。n5、X光管电压V（35）V激激时，产生的特征特征X射线射线与连续连续X射线射线的比率比率为最大第43页，共69页，编辑于2022年，星期六44三、产生机理的分析（三、产生机理的分析（1）n特征特征X射线产生机理射线产
28、生机理与连续X射线不同，它与阳极靶物质的原子结构紧密相关的。内层电子跃迁辐射X射线示意图1.若高速电子的动能足够大，将K壳壳层层中某个电子击出。2.则在被击出电子的位置出现空位，原子系统能量升高，处于“激发态激发态”，能量为，能量为EK。3.若L层层电子 K层跃迁层跃迁后，此时能能量量EL，能量降低，自发进行。第44页，共69页，编辑于2022年，星期六45三、产生机理的分析（三、产生机理的分析（2）n4.这多余能量以一个X射线光量子射线光量子的形式辐射出来，则光子能光子能量量：内层电子跃迁辐射X射线示意图n5.对原子序数 Z 的物质，各原子能级的能量是固有的，所以，EKL便为固有值，也是固有
29、的。n即特征特征X射线波长为一定值（特射线波长为一定值（特征值）征值）。第45页，共69页，编辑于2022年，星期六46特征特征X射线命名射线命名Balmer线系，K 激发态L 激发态M 激发态N 激发态L K K谱线谱线 (跨越 1个能级)M K K谱线谱线 (跨越 2个能级)N K K谱线谱线 (跨越 3个能级)ML L谱线谱线 (跨越 1个能级)NL L谱线谱线(跨越 2个能级)依次类推还有M线系线系。原子能级示意图 即n=2 时称为巴耳末线第46页，共69页，编辑于2022年，星期六47 三、产生机理的分析（三、产生机理的分析（5）n6.K线线比比K线线 波长长而强度高。波长长而强度高
30、。n原子系统中各能级能量不同，且各能级间能量差也不均布，愈靠近原子核的相邻能愈靠近原子核的相邻能级间的能量差愈大。级间的能量差愈大。n另外，因由LK层电子跃迁几率比由MK层约大5倍，n故K强度比强度比K高高5倍左右倍左右。第47页，共69页，编辑于2022年，星期六48 三、产生机理的分析（三、产生机理的分析（4）n7.同一壳层还有若干个亚能级亚能级，电子所处能量不同，其能量差也固定。nL 层：层：8个电子分属L，L，L三个亚能级；n不同亚能级上电子跃迁会引起特征波长的微小差别。实验证明：K由K1 和 K2 双线组成的。K1：L K 壳层；K2：L K 壳层；K双重线第48页，共69页，编辑于
31、2022年，星期六49 三、产生机理的分析（三、产生机理的分析（3）n8.又因 LK(Kl)的跃迁几率较 LK(K2)大一倍，故组成 K 两条线的强度比为：一般情况下是分不开的，如：W靶：靶：Kl0.0709nm，K20.0714nmK线波长线波长取其双线波长的加权平均值：取其双线波长的加权平均值：第49页，共69页，编辑于2022年，星期六50n几种常见阳极靶材和特征谱参数几种常见阳极靶材和特征谱参数第50页，共69页，编辑于2022年，星期六51第三节第三节 X射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用nX射线与物质相互作用射线与物质相互作用是个复杂过程。n一束X射线通过物体后，其强度将被衰
32、减，这是被散射和吸收的结果，且吸收是造成强度衰减的主要原因。无损探伤检测X射线衍射结构分析娥歇电子能谱成分分析光电子能谱成分分析X荧光光谱成分分析第51页，共69页，编辑于2022年，星期六52一、一、X射线的散射射线的散射一、X射线的散射射线的散射 X射线照射物质上，偏离了原来方向的现象，射线照射物质上，偏离了原来方向的现象，即发生散射散射。散射：散射：主要是物质原子的核外电子核外电子与X射线射线相互作用的结果，相互作用的结果，不同的核外电子不同的核外电子会产生两种不同散射效应。n1 1、相干散射、相干散射（coherent scattering）n入射入射X射线射线与物质原子中内层电子内层
33、电子作用，当X光子能量不足以使电子激发时，将其能量转给电子能量转给电子，电子则绕其平衡位置发生受迫振动受迫振动，成为发射源向四周辐射与入射X射线波长（振动频率）相同电磁波（即电子电子散射波）散射波）。n各电子电子散射波散射波振动频率相同振动频率相同、位相差恒定位相差恒定，符合干涉条件干涉条件，发生相互干涉，称为相干散射相干散射。第52页，共69页，编辑于2022年，星期六531 1、相干散射、相干散射（弹性散射弹性散射或或汤姆逊散射汤姆逊散射）n2、英国物理学家J.J.汤姆逊汤姆逊（J.J.Thomson，1856-1940)用经典方法研究了此现象，并推导出相干散射强度的汤姆逊散射公式汤姆逊散
34、射公式，也称汤姆逊散射汤姆逊散射。n当入射X射线为非偏振时，在空间一点P的相干散射强度：相干散射强度：I0入射线强度；04107 mkgC-2 fe27.9410-30m2电子散射因素电子散射因素fe偏振因数偏振因数第53页，共69页，编辑于2022年，星期六542 2非相干散射非相干散射（康普顿康普顿吴有训效应吴有训效应）n2 2、非相干散射、非相干散射：（incoherent scattering）nX光子光子与外层价电子外层价电子相碰撞时的散射。可用一个光子光子与一个电电子子的弹性碰撞弹性碰撞来描述。X射线非相干散射 n 电子：电子：将被撞离原方向被撞离原方向并带带走光子部分动能走光子部
35、分动能成为反冲电子；反冲电子；n X光：光：因碰撞而损失部分能量，其波长增加，波长增加，并与原方向偏偏离离2角。角。第54页，共69页，编辑于2022年，星期六55n 能量守恒定律：散射光子和反冲电子能量之和散射光子和反冲电子能量之和等于入射光入射光子能量。子能量。可导出散射波长的增大值散射波长的增大值为:2：为入射光与散射光 的传播方向间夹角。X射线非相干散射 可见，散射光波长变化散射光波长变化与入射光入射光波长波长 无关，只与散射角散射角 2 有关。第55页，共69页，编辑于2022年，星期六56n 经典电磁理论：经典电磁理论：不能解释存在及随2而改变现象，此散射现象和定量关系遵守量子理论
36、规律，遵守量子理论规律，也叫量子散射量子散射。X射线非相干散射 n 此空间各方向散射波散射波与入射波波长入射波波长不同不同，位相关系也不确定，位相关系也不确定，不产生干涉效应，称非相干散射。非相干散射。n 非相干散射：非相干散射：不参与对晶体的衍不参与对晶体的衍射，射，只会增加衍射背底，增加衍射背底，对衍射不利。n 入射波长越短、被照射物质元素越轻，入射波长越短、被照射物质元素越轻，此现象越显著。此现象越显著。第56页，共69页，编辑于2022年，星期六57n 非相干散射效应：非相干散射效应：由美国物理学家美国物理学家康普顿康普顿（A.H.Compton）在在1923年年发现的，发现的，也称康
37、普顿散射。康普顿散射。n我国物理学家吴有训吴有训参加了实验工作，故称康吴效应。康吴效应。n因此，康普顿康普顿于1927年获诺贝尔物理学奖。年获诺贝尔物理学奖。1927年的A.H.康普顿中国物理学家吴有训第57页，共69页，编辑于2022年，星期六58二、二、X射线的吸收射线的吸收n（一）（一）透射系数与吸收系数透射系数与吸收系数透射系数与吸收系数透射系数与吸收系数 n1.X光通过物质而强度衰减，通过物质而强度衰减，或被物质吸收。被物质吸收。n当强度为强度为 I0 的X射线照射到厚度厚度 t 的均匀物质上，在通过深度为 x 处处的dx厚度厚度的物质时，强度衰减强度衰减与dx成正比。对0t积分l为
38、常数，称为线吸收系数线吸收系数。称为透射系数透射系数。第58页，共69页，编辑于2022年，星期六59n2.线吸收系数线吸收系数l ：表征X射线通过单位厚度单位厚度物质的相对衰减量，与物质种类物质种类、密度密度、X光波长光波长有关。用质量吸收系数质量吸收系数m cm2g：吸收体密度，物质固有值；物质固有值，可查表。第59页，共69页，编辑于2022年，星期六60质量吸收系数质量吸收系数m 物理意义物理意义n3.m 物理意义：物理意义：X射线通过单位面积单位面积上单位质量单位质量物质后强度相对衰减量。nm与物质密度密度和状态状态无关；而与物质原子序数原子序数Z和X X射线波长射线波长有关。其经验
39、公式为：n对一定吸收体，波长越短，穿透能力越强，吸收系数下降，n但随波长降低并非连续变化，而在某波长突然升高，出现吸收限吸收限。第60页，共69页，编辑于2022年，星期六61n4.多元素元素化合物、固溶体化合物、固溶体或混合物混合物质量吸收系数计算：吸收系数计算：混合物混合物、化合物化合物的质量吸收系数：质量吸收系数：为各组分的质量吸收系数（各组分的质量吸收系数（mi）与其质量分数（质量分数（Wi）乘积和）乘积和。n5.设含组分1、2的物质，质量分数：质量分数：W1、W2；则混合物质量吸收系数：混合物质量吸收系数：（W1W2）1第61页，共69页，编辑于2022年，星期六62（二）（二）X射
40、线的真吸收射线的真吸收光电效应光电效应n1 1、光电效应：光电效应：n当入射X光子能量等于或略大于吸收体物质原子某壳层电子的结合能时，将内层电子击出，成为自由电子，原子则为激发态，外层电子向内层空位跃迁，并辐射出一定波长的特征辐射出一定波长的特征X射线。射线。入射入射X射线射线n被击出的电子称光电子光电子，n所辐射出的次级特征X射线，称为荧光荧光X射线射线或二次特征二次特征X射线。射线。n这种以入射X射线激发原子所发生的电子激发激发和荧光和荧光X射线射线辐射辐射的过程称为“光电效应光电效应”。第62页，共69页，编辑于2022年，星期六63n2、产生产生K系荧光辐射条件：系荧光辐射条件：入射光
41、子能量入射光子能量h须大于或等于须大于或等于K层层电子的逸出功电子的逸出功WK，即：VK把原子中K层层电子击出电子击出所需的最小激发电压。最小激发电压。K把K层层电子击出电子击出所需的入射光入射光最长最长波长。波长。表明：表明：只当入射只当入射X光光波长波长K1.24VK 时，才能产生时，才能产生K系荧光辐射。系荧光辐射。第63页，共69页，编辑于2022年，星期六64n3、光电效应：光电效应：使入射X射线消耗大量的能量，表现为物质对入射物质对入射X射线的强烈吸收。射线的强烈吸收。n在质量吸收系数曲线（m-）上，表现为吸收系数的突变，吸收系数的突变，此对应波长称吸收限吸收限K。n（如图）图1-
42、10 X光量子能量及质量吸收系数随波长的关系 第64页，共69页，编辑于2022年，星期六65激发限和吸收限激发限和吸收限n4、讨论光电效应产生的条件光电效应产生的条件时，K 称K系激发限系激发限；n 讨论X射线被物质吸收射线被物质吸收时，K 称为吸收限。吸收限。a.当入射线波长波长光子能量，易穿过吸收体，则质量吸收系数质量吸收系数m ；b.当当K时时，入射光子能量刚好击出吸收体的电子，形成大量光电子及二次荧光，光电效应最强烈，光电效应最强烈，使m突然上升突然上升；c.当进一步进一步，K，光电效应饱光电效应饱和和，多余能量穿透过吸收体；穿透，。第65页，共69页，编辑于2022年，星期六66n
43、5.注意：吸收限：吸收限：K1.24VK(nm)；n连续X射线谱中短波限：短波限：0=1.24V(nm)两者形式完全相同形式完全相同，但意义决然不同。意义决然不同。第66页，共69页，编辑于2022年，星期六67二、俄歇（二、俄歇（Auger）效应（一）效应（一）n1 1、俄歇效应、俄歇效应:当K层电子被击出，原子处K激发态，能量为EK。若L层电子跃入K层填补空位。能量由EKEL，且释放出多余能量。若能量被另一L电子或较外层电子所吸收，该电子受激发而逸出，即为俄歇电子。俄歇电子。光电子光电子俄歇电子俄歇电子俄歇电子俄歇电子 KL1L1 LM1M1 EKEL1EM1第67页，共69页，编辑于20
44、22年，星期六68二、俄歇二、俄歇(Auger)效应（二）效应（二）n2、俄歇电子俄歇电子能量有固定值能量有固定值，按上例近似为光电子、俄歇电子和荧光X射线三种过程示意图 n此具有特征能量的电子具有特征能量的电子是俄歇俄歇（M.P.Auger）于1925年年发现的，称为俄歇电子俄歇电子。n从L层逃出的叫 KLL 俄歇电子；俄歇电子；也可存在 KMM 俄歇电子。俄歇电子。第68页，共69页，编辑于2022年，星期六69二、俄歇（二、俄歇（Auger）效应（三）效应（三）n1、俄歇电子能量：俄歇电子能量：只取决于该物质的原子能级结构，只取决于该物质的原子能级结构，是一种元素的固有特征。元素的固有特征。n2、俄歇电子能量很低：俄歇电子能量很低：只有几百几百eV，深处信号测量不到。n 俄歇电子能谱仪：俄歇电子能谱仪：最合适对固体表面对固体表面23层原子层的成分分层原子层的成分分析析，并还可进行逐层分析。逐层分析。n3、试验表明：轻元素俄歇电子的发射几率比荧光轻元素俄歇电子的发射几率比荧光X射线发射射线发射几率大。几率大。所以，俄歇谱仪适合于对轻元素的成分分析。俄歇谱仪适合于对轻元素的成分分析。第69页，共69页，编辑于2022年，星期六