电磁辐射与材料的相互作用

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1、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

2、–810–1210–10波长,以m为单位410–7710–7X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

3、X射线研究晶体的内部结构。prismwindow1.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

4、％）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

5、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

6、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

7、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izV23.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）

8、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