电磁辐射与材料的相互作用

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第二章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。射线射线紫外线x射线10–810–1210–10波长,以m为单位410–7710–7一、X射线的产生与X射线谱 X射线波长10–12——10–8m.用于XRD的波长：～10–10m,可见光的波长:～410–7～710–7m，可见:X射线比可见光,波长要短得多。射线射线紫外线x射线10–810–1210–10波长,以m为单位410–7710–7 X射线是一种电磁波，所以具有波粒二象性。波动性粒子流 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=6.6261810–34J·s；c—光速c=3108m·s–1；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：①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。 ②X射线穿过不同媒质时折射和反射极小，仍可视为直线传播。③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。prismwindow 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3～4A的电流加热后，发出热电子。冷却水靶（阳极）铜X射线X射线真空钨丝玻璃管座（接变压器）铍窗聚焦罩 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。冷却水靶（阳极）铜X射线X射线真空钨丝玻璃管座（接变压器）铍窗聚焦罩 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冷却水靶（阳极）铜X射线X射线真空钨丝玻璃管座（接变压器）铍窗聚焦罩 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。金属板电子束X射线 X射线谱分类连续谱K1K2特征谱K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.Mo靶25kV20kV15kV10kV5kV特征谱连续谱 2.连续X射线谱0I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。靶材原子E0E0E0E0hν=E0–E3hν=E0–E1E2E3E1hν=E0–E2hν=E0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 m24.1V(kV)eVhc0==l0maxlnhch=eV==2mv2短波限产生的原因： 当管电流不变时，V↑→0↓→I()曲线上移连续谱：管电压V,电流i,靶材等影响nm24.1V(kV)0=l (2)当管电压不变时，i↑→I()曲线上移(0不变）nm24.1V(kV)0=l (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）nm24.1V(kV)0=l 连续谱的总强度决定于上述V、i、Z三因素，即式中,为常数.I00izV2 3.特征X射线谱连续谱K1K2特征谱K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。e-e-KLMe-Ne- 特征谱产生的机理e-KLMK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：hL→K=EL–EKe-KLMK 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。KLMKKL 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。KLMKKL 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=1.5418Å;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=1.3922Å。 实际上，K是一个双重跃迁，以Cu为例，K1=1.5405Å，K2=1.5443Å;原因：分别由L3层及L2层电子向K层（空位）跃迁而产生。K1K2=1.5401.544ÅljL层K层 激发电压VK＞VL＞…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：25kV35kV20kVKK/nm 莫赛莱（Moseley)定律表明特征谱线波长与物质原子序数的关系)(sl-=ZC1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：K1=1.5406ÅMo(Z=42)靶X射线：K1=0.7093Å 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热能透射X射线强度It=I0exp(-*t)散射X射线电子荧光X射线相干的非相干的反冲电子俄歇电子光电子康普顿效应俄歇效应光电效应入射X射线强度I0t 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）。hK＝hc/K=WKK＝hc/WKK—K吸收限，使K层电子击出的阈值波长。自由光电子X射线光子物质光电效应 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。KL荧光辐射光子h2入射X射线光子h1e- 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tt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． tt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=I0exp(-*t)=I0exp(-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Be1.35Si60.3C4.60S89.1N7.52Cl106O12.7Br99.6F16.4Pb232 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=1.35cm2.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)CuK辐射激发CuK荧光辐射；(2)CuK辐射激发CuK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CuK、MoK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hk=Wk以kα为例:hkα=EL–Ek=Wk–WL=hk–hL∴hk>hkα∴λk<λkα 以kβ为例:hkβ=EM–Ek=Wk–WM=hk–hM∴hk>hkβ∴λk<λkβEL–Ekhk系荧光，∴λk<λk系荧光结论：当一次Ｘ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。KL荧光辐射光子hk系荧光入射X射线光子hke- 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＝m1w1+m2w2+…+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CuK辐射(=1.54187Å)的质量吸收系数?解：wsi=28.09/(28.09+216.0)=0.467wO=216.0/(28.09+216.0)=0.533则SiO2的质量吸收系数m＝siwsi+owo＝60.30.467+12.70.533＝34.93cm2.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。在X射线衍射分析中只增加连续背景，给衍射图带来不利影响。 2、X射线的吸收物质对X射线的吸收是指X射线能量在通过物质时转变为其它形式的能量。对X射线而言，即发生了能量损耗。有时把X射线的这种能量损耗称为吸收。物质对X射线的吸收主要是由原子内部的电子跃迁引起的。在这个过程中发生X射线的光电效应和俄歇效应，使X射线的部分能量转变成为光电子、荧光X射线及俄歇电子的能量。此外入射X射线的能量还消耗于产生热量。因此，X射线的强度被衰减。 热能透射X射线强度It=I0exp(-*t)散射X射线电子荧光X射线相干的非相干的反冲电子俄歇电子光电子康普顿效应俄歇效应光电效应入射X射线强度I0t