第1章X射线物理学基础.ppt
《第1章X射线物理学基础.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第1章X射线物理学基础.ppt(69页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、1,材料测试分析方法,材料科学与工程学院 陈康敏 e-mail: kmchenujs, Tel: 13952813569,2,第一章 X射线物理学基础,3,第一节 X射线的性质 第二节 X射线的产生与X射线谱 第三节 X射线与物质的相互作用,第一章 X射线物理学基础,4,1、X射线的发现,1895年11月8日,德国物理学家伦琴( 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硬纸板发出浅绿色荧光,试着木块、硬橡胶等挡也挡不住,甚至可透过人的骨骸!,当时对此射线本质尚无了解,故取名X射线(伦琴射线)。 这一伟大发现,伦琴于1901年第一位诺贝尔奖获得者。,威廉康拉德伦琴(
2、1845-1923)摄于1896年,5,2、伦琴夫人的手 摄于1895年12月22日,六个星期后,伦琴确认是一种新射线,才告诉自己夫人。 1895年12月22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X射线照片。 伦琴发现X射线后,一个月内发表了一种新射线的文章,引起社会各界强烈的反应,各国竞相开展试验研究。,6,3、X射线在医学界应用X射线透视学,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。 后来又用于金属探伤,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
3、. Edwin Frost (1866-1935),7,4、X射线本质的认识,18951897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: 1、X射线虽人眼看不见,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。 2、X射线沿直线传播,经电场或磁场不发生偏转。 3、X射线有很强穿透力,通过物质时可被吸收而强度衰减。 4、X射线还能杀伤生物细胞等特性。 但对X射线本质的认识,是对晶体结构的研究,即与X射线在晶体中发生衍射现象是分不开的。,8,5、X射线衍射现象发现,1912年,德国物理学家劳埃(M. Von Laue)利用晶体作为天然光栅成功观察到了X射线衍射现象。 他
4、用CuSO45H2O进行实验,获得了第一张X射线衍射照片。 1914年,获诺贝尔物理学奖。,Max von Laue 马克斯 冯 劳埃(1879-1960),CuSO45H2O衍射照片 世界上第一张X射线衍射照片,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)。,劳埃方程式,10,5、X射线衍射现象的发现,X射线衍射现象发现: 1、肯定了X射线的本质。即是一种电磁波,有波动性。 2、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。 晶体结构认识:从微米纳米级,有更接近本质的认识。 用X射线研究晶体结构工作X射线晶体学或X射线衍射学。,11,6、布拉格定
5、律的建立,英国布拉格父子(W.H.Bragg和W.L.bragg)对此进行开创性工作。 1912年,小布拉格进行了劳埃实验后认为:衍射斑点的产生是射线受到类似镜面“反射”的结果。 并导出布拉格方程,推算出KCl及NaCl原子排列方式,真正测量了X射线波长。 后一工作导致1913-1914年莫塞莱(H.G.J.Moseley)定律的发现。,n1、2、3,12,7、莫塞莱定律的发现,1913年,英国物理学家莫塞莱(18871915 )在研究X射线光谱时发现:特征X射线频率或波长只取决于阳极靶物质的原子能级结构(原子序数),此规律称莫塞莱定律。,式中: K与靶材物质主量子数有关的常数; 屏蔽常数,与
6、电子所在的壳层位置有关。,成为X射线荧光分析和电子探针微区成分分析的理论基础。,或,第一节 X射线的性质,14,一、 X射线的波动性,X射线属电磁波,同时具有波动性和粒子性。 1、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:频率和波长 。 2、同时有电场矢量E和磁场矢量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射线衍射分析主要由电场矢量E引起的物理效应。,15,一、X射线的波动性,3、X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。 波长法定单位为:nm,以前也常用埃()。,
7、(1nm=10-9m10 ),X 射线波长:0.0110nm,两边与紫外线及射线 重叠。 晶体结构分析:波长在 0.050.25 nm, 波长较短的X 射线,习惯上称为 “硬X射线”。 波长较长的X射线称为 “软X射线。,16,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,波长, 射线,频率,标准无线电波,长波,TV/FM,短波,长波,17,一、X射线的波动性,4、电场矢量E 随传播时间或距离呈周期性波动,波振幅为 A(或E0)。 一束沿 x 轴方向传播的波长为的X射线波方程为:,(a) x一定时波振幅 随t 的变化;(b) t一定时波振幅 随 x 的变化,频率 c/,1
8、8,X射线波方程,一束沿 x 轴方向传播波长为的X射线波方程为: 若以表示相位,即 令 则 当t =0 ,A=A0 ei,ei称为“相位因子”。,19,二、X射线的粒子性,1、X射线波动性无法解释X射线的光电效应、荧光辐射等现象,X射线还有粒子性 2、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”或“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或被散射。其描述参量为能量E、动量P。 3、波动性与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),20,三、X射线的强
9、度,1、X射线强度用波动性观点描述: 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,强度与波振幅 A2 成正比。,2、X射线强度用粒子性观点描述: 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。 3、绝对强度单位是J(m2s),但难以测定,常用相对强度,如:底片相对黑度、探测器(计数管)计数值等。,21,X射线波粒二相性,1. X射线波动性:反映物质运动的连续性; X射线粒子性:反映物质运动分立性。 2. 对同一辐射所具有的波动性与粒子性的描述: 可用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。 因此,须同时接受波动和粒子两种模型。 3. X
10、射线上述特性,成为研究晶体结构、进行元素分析、医疗透视和工业探伤等方面的有力工具。,第二节 X射线的产生与X射线谱,23,第二节 X射线的产生与X射线谱,一、X射线产生: 1. X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。 2. X射线产生条件: 1)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(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(靶) 据此,就可理解X射线发生器的构造原理了。,24,二、X射线管的结构(1),1. 阴极:发射电子。由钨丝制成,通以一定电流加热后便能释放出大
11、量的热激发电子。 2. 阳极: “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,25,二、X射线管的结构(2),3. 窗口:X射线射出通道,常有两个或四个。 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(Be)。 4. 聚焦罩:加在阴极灯丝外,使灯丝与聚焦罩保持约400V电位差,可聚焦电子束。,窗口,26,二、X射线管的结构(3),5. 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1能量转化为X
12、射线,99转变为热能,故靶须水冷,以防止阳极过热的熔化。,冷却水,27,荷兰Philips公司第二代陶瓷X射线管,焦点三维精确定位 (预校准模块化的基础) 陶瓷灯体 绝缘度高 重量轻 超长寿命 无需校准,28,美国热电瑞士ARL公司,新型陶瓷X光管 X-ray Tubes,Ceramic Tube(陶瓷光管),Glass Tube(玻璃光管),Possible targets are Cu, Cr, Fe, Co or Mo 可有的靶材为: Cu,Cr,Fe,Co 或Mo,29,三、X射线光管分类,a. 按制造材料可分:玻璃光管和金属陶瓷光管。 b. 按阳极靶可动与否:固定靶 X 光管;自转靶
13、 X 光管。,日本理学公司 自转铜靶阳极,30,四、X射线焦点,1、焦点:阳极靶面被电子束轰击并发出X射线的区域。 螺线形灯丝产生1l0mm长方形焦点。,靶的焦点形状及接收方向,2、衍射工作,希望X光有: 较小焦点(分辨本领高), 较高强度(曝光时间短) X射线出射角:常与靶面成 3o8o(常为6o),3、表观焦点: 短边:表观焦点为正方,强度高。 长边:表观焦点为线状,强度弱。,31,五、X 射线谱,(一)连续X射线谱 对X光管施加电压V,并维持一定管电流 i,得到X射线强度和波长的关系曲线,称为连续X射线谱。,Mo阳极靶不同管压下连续X光谱,如:Mo靶V20kV时,各电压下曲线连续变化的连
14、续X射线谱。 特点: X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。 SWL称为该管压下的短波限 。,32,(二)连续X射线谱实验规律,X射线连续谱受管压V 、管电流 i 和阳极靶材的原子序数 Z 的作用,其规律:,a)管压影响,2、X光最高强度约在1.5SWL处。,1、随管压V 各波长X射线强度; 短波限SWL和最高强度波长m 均减小(移向短波端)。,33,3、当管压不变,管流各波长X射线强度,但SWL 、m不变。 4、在相同管压和管流下,阳极靶材Z连续谱的强度,但SWL、m不变。,b)管流影响 c)靶材影响,34,(三)量子理论解释连续谱形成机理(1),1. 量子理论观点:
15、 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h的光子,称此辐射为“韧致辐射”。 如:当管流 I =10mA时,电子数目 n 6.241016个/秒。,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撞,逐步把能量释放直到零,这样产生一系列能量为 hi 的光子序列,即形成连续谱。,35,何以存在短波限SWL?,一般情况:光子能量电子能量。 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,此光子具最高能量和最短波长(短波限SWL)。 极限情况: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:,36,何以存在
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 射线 物理学 基础
链接地址:https://www.31doc.com/p-2979119.html