x射线物理学基础

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1、材料X射线衍射分析X-RayDiffractionAnalysisforMaterialsUnit1X射线物理学基础ThePhysicsBaseofX-RayChapter12两个重要人物：伦琴（W.C.Röntgen）劳埃（M.vonLaue）1895年伦琴在研究阴极射线时发现了X射线。1912年劳埃发现了X射线在晶体中的衍射现象。1.1引言31.2X射线的本质电磁波或电磁辐射，具有波粒二相性。•波动性（图1-2）•粒子性描述X射线波动性的物理量，如频率、波长与描述其粒子特性的光量子能量E、动量P之间，遵循爱因斯坦关系式：E=h=hc/P=h/=h/c4用于晶体结

2、构分析的X射线波长：0.25~0.05nm（硬X射线）金属零件的无损探伤：0.1~0.005nm用于医学透视及安检的X射线波长则很长：1~100nm（软X射线）5X射线产生的几个基本条件：•产生自由电子；•使电子作定向高速运动；•在电子运动的路径上设置使其突然减速的障碍物。主要构造：•阴极：发射电子。•阳极：靶（target）。使电子突然减速并发射X射线。•窗口：是X射线射出的通道。1.3X射线的产生61.4.1两种X射线辐射过程关于高速电子击靶产生X射线的机理，按量子理论的观点，源于两个物理过程：●韧致辐射（连续辐射）阴极射出的高速电子与靶材原子碰撞，运动受阻而减速，其损失

3、的动能便以X射线光子的形式辐射出来。●特征辐射（标识辐射）靶材原子处于高能激发态时，内层电子跃迁辐射的X射线。1.4X射线谱7★辐射出的X射线的波长（频率），由电子跃迁所跨越的两个能级的能量差来决定：辐射出的光量子波长81.4.2两种X射线谱（连续，特征（标识））●X射线强度随波长连续变化的谱线称连续X射线谱。●连续谱受管电压U，管电流i和阳极靶材的原子序数Z的作用，其相互关系见图：●连续谱的总强度决定于上述U、i、Z三因素：图1图2●连续X射线谱9●连续谱的形成及存在短波限的量子力学解释：在管电压U作用下，电子到达阳极靶时动能为eU，若一个电子在与阳极靶碰撞时，把全部能量都给予一个

4、光子，这就是一个光子所可能获得的最大能量，即hνmax=eU，此光量子的波长即为短波限λSWL，10●特征（标识）X射线谱当加于X射线管两端的电压增高到与阳极靶材相应的某一特定值UK时，在连续谱的某些特定的波长位置会出现一系列强度峰，峰窄而尖锐。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数。Mo靶35kV11特征X射线产生的机理经典原子模型原子内的电子分布在一系列量子化的壳层上。最内层（K层）能量最低。图12●原子内层电子被击出而造成空位是产生特征辐射的前提。

5、●而欲击出靶材原子内层电子，比如K层电子，由阴极射来的电子的动能就必须大于（至少等于）K层电子与原子核的结合能EK，或K电子逸出所做的功WK，即eUK=-EK=WK，这个UK便是阴极电子击出靶材原子K电子所需的临界激发电压。MgKLM入射电子二次电子（自由电子）MgKβ光子MgKα光子★特征X射线的产生条件中为什么存在一个临界激发电压UK？13◆莫塞莱（MoseleyH.G.J.）对特征谱进行系统研究后，在1914年得出了特征谱波长λ和阳极靶的原子序数Z之间的关系——莫塞莱定律：莫塞莱定律已成为X射线荧光光谱分析和电子探针微区成分分析的理论基础。莫塞莱定律14★特征谱的强度随管电压（

6、U）和管电流（i）的提高而增大，其关系的实验公式如下：I特＝K3i(U-Un)m★另外，X射线连续谱只增加衍射花样的背底，不利于衍射花样分析，因此总希望特征谱线强度与连续谱线强度之比越大越好。实践和计算表明，当工作电压为K系激发电压的3～5倍时，I特/I连最大。U≈(3~5)UK15照射到物质上的X射线，除一部分可能沿原入射线束方向透过物质继续向前传播外，其余的，在与物质相互作用的复杂物理过程中被衰减吸收，其能量转换和产物可归纳于后图。1.5X射线与物质的相互作用图16物质对X射线的散射主要是电子与X射线相互作用的结果。物质中的核外电子有两大类，相应产生两种散射效应。●相干散射coh

7、erentscattering（弹性散射或汤姆逊散射）——经典散射当X射线与原子中受核束缚较紧的内层电子相撞时，电子受X射线电磁波的影响而绕其平衡位置发生受迫振动，于是变加速振动着的电子便以自身为中心，向四周辐射新的电磁波，其波长与入射X射线波长相同，且彼此间有确定的周相关系。可以发生相互干涉，故称相干散射。相干散射是X射线在晶体中产生衍射现象的基础。1.5.1X射线的散射17●非相干散射incoherentscattering（康普顿-吴有训效应）——量